Диссертация (1145365), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Ещё одним процессом, влияющим на измеряемые параметры мюонного катализа, являетсянеобратимый перехват мюонов с мезоатомов водорода на ядра примесейс Z > 1. Согласно расчетам, выполненным С.С. Герштейном [83], обменмюоном реализуется по схеме прямой передачи pµ+X→ (µX)+p. Скорость41этого процесса оказывается очень высокой благодаря наличию точек пересечения молекулярных термов у систем, участвующих в реакции, и можетбыть описана следующей зависимостью: λµZ =(0,84±0,04)·1010 ·Z c−1 .
Многочисленные эксперименты, выполненные в 60-е годы, подтвердили высокую скорость прямой перезарядки (λµZ ∼1010 ÷1011 c−1 ) на ядра с Z>4, чтопроявлялось в появлении крутой экспоненты во временном спектре электронов распада благодаря интенсивному поглощению мюонов ядрами примесей. Практическим следствием этого факта является требование максимально возможной очистки смесей водорода от указанных примесей. Уровень очистки от основных примесей, какими являются азот, аргон, парыводы, должен быть не хуже ∼10−7 , чтобы не влиять существенно на измеряемые параметры мюонного катализа. Естественно, что с уменьшениемскорости исследуемого процесса требование к чистоте водорода в мишенибудут возрастать.
Так, в недавно завершенном эсперименте ”Мюон” [22] поизмерению скорости захвата мюона из синглетного состояния pµ-атома, нами была достигнута и поддерживалась чистота водорода по азоту на уровне∼10−9 благодаря созданию криогенной циркуляционной системы очисткигаза, заполняющего мишень.Особо следует отметить реакции перехвата мюонов на ядра гелия, идущие согласно модели прямой перезарядки со скоростями ∼106 c−1 . Стольмалая скорость объяснялась пересечением термов систем pµ и Heµ только на больших расстояниях, когда вероятность перекрытия их волновыхфункций очень мала.
Хотя эксперименты и подтверждали уменьшение скорости перехвата мюонов на ядра гелия [84], их точность была невысока исоставляла, например, λdZ =(8±10)·106 c−1 , что объяснялось малой скоростью поглощения мюонов в гелии и трудностью выделения этого каналаиз общего временного спектра электронов распада. Ситуация изменилась,когда в работе [85] был предложен новый механизм перезарядки, идущийчерез образование и распад мезомолекул:pµ+He→[(Hepµ)∗ e]+ + e,(Hepµ)++ →(Heµ)+ + p.Скорость этого процесса, также приводящего к связанному состоянию мюона с ядром гелия, оказалась в ∼100 раз выше, чем в механизме прямой пе-42разарядки.
Эксперименты [86, 6], в том числе проведенные и нашей группой[87], подтвердили высокую скорость молекулярной перезарядки, например,λd4 He =(3,68±0,18)·108 c−1 . При этом, в отличии от ранее применявшихся методов анализа временных спектров электронов распада, в нашем эксперименте непосредственно регистрировались события dd-синтеза в ионизационной камере.
Измерения проводились сначала в чистом дейтерии, а затемс добавлением гелия, что позволяло из разницы в наклонах экспонент легко определять скорость перехвата. Указанный метод определения скоростиобразования мезоиона гелия был защищен авторским свидетельством [88].Полученные результаты указали на необходимость периодической очисткимишеней от гелия (3 He и 4 He), накапливающегося вследствие ddµ и dtµсинтеза и в результате бета-распада трития при работе с его высокимиконцентрациями.1.4Кинетика катализа и методы определенияосновных константКартина кинетики мюонного катализа в D/T смеси на основе упомянутых выше процессов приведена на Рис.
1.2, из которого видно, насколькосложным является её полное описание.В общем виде задача определения основных параметров кинетики втакой смеси была рассмотрена впервые в работе [89] для случая измерения интегрального выхода ”всех” нейтронов dt-синтеза, не разделенных наотдельные последовательные циклы. В реальном эксперименте для определения основных констант, каковыми являются скорость dt- перезарядкии скорость образования dtµ молекул, используется ряд упрощающих предположений, соответствующих конечныму временному разрешению экспериментальных установок.
Например, при высоких давлениях кинетика на−1чинает рассматриваться при временах t > t0 >> λ−1f , λa , что позволяетубрать из уравнений быстрые процессы, такие как скорость образованиямезоатомов, скорость термализации и скорость ядерного синтеза. Другиеприближения связаны с исключением из рассмотрения медленных мезомолекулярных процессов, таких как скорость образования ddµ и ttµ молекул,43Рис. 1.2 : Кинетика катализа в D/T смесипоскольку они в ∼100 раз меньше скоростей dt- цикла. В итоге в качествеосновного измеряемого параметра рассматривают величину λc =1/τc - скорость цикла, которая определяется среднем временем τc , затрачиваемыммюоном на прохождение всей цепочки состояний МК:1cd · q1s1=+,λc(λdtµ · cd ) (λdt · ct )(1.9)где cd и ct - концентрации ядер дейтерия и трития (cd +ct =1), а величина q1s(q1s <1) – это вероятность мезоатому dµ достичь в процессе девозбужденияосновного состояния.
При этом, как упоминалось ранее, изотопный обменλdt может происходить не только из основного состояния dµ-атома, но и извозбуждённых состояний, причём гораздо быстрее.Упрощенное выражение для временного распределения нейтронов dtсинтеза имеет вид:dN/dt= yn (t) = ϵn Λc · exp(−λn · t),N(1.10)44и полный выход нейтронов∫Yn =∞yn (t) dt =0ϵn · φ · λc,λn(1.11)где λn = (λ0 + W · Λc ), Λc = λc · φ, ϵn – эффективность нейтронного детектора, W – фактор суммарных потерь мюона в dtµ-цикле (эффективныйкоэффициент прилипания (1.12). Этот коэффициент включает вклады отприлипания мюонов в реакциях dtµ, ddµ и tµt, потери от перехвата на примеси, в т.ч.
и на атомы гелия. В результате коэффициент ωdt присутствует внём лишь как одно из многих слагаемых, вносящих трудноконтролируемыесистематические погрешностиW = ωdt +λttµ ct · ωtt+λdtµ−d CD2 + λdtµ−t CDT + λttµ ct3/2+q1s cd · 23 · λddµ CD2 · ωdd · β3/2λdt ct + λddµ CD2 + λ3/2→1/2 cd+(1.12)λZ cZ.λcЗдесь CD2 и CDT – концентрации соответствующих молекул, cZ концентрация атомов примесей.Выражение для полного выхода нейтронов dt-синтеза позволяет оценить его зависимость от основных параметров процесса - скорости цикла иλ0 −1коэффициента прилипания Yn =(W + φ·λ) .
Если считать, что φλc >> λ0 ,cтогда число циклов Yn ≈W−1 определяется вероятностью прилипания и составит ≈175. Если же считать, что W стремится к нулю, тогда ожидаемыйвыход нейтронов будет близок к ≈ 440. В указанных оценках используютсяполученные в PSI [8] значения Λc =2·108 с−1 и W=0,57% в твердой DT смеси.Следует отметить при этом, что измеренный выход нейтронов составлялтолько Yn =124±10.
Видно, что прилипание гораздо сильнее ограничивает выход нейтронов, чем скорость цикла. Поэтому разработка наиболеепрямых методов измерения этого важного параметра представлялась намвесьма актуальной.Приведенный выше метод анализа нейтронов dt- синтеза получил название ”стандартного” и он применяется практически во всех лаборатори-45ях, исследующих мюонный катализ. К его недостаткам можно отнести тотфакт, что основные параметры - скорость цикла и эффективный коэффициент прилипания – регистрируются только вместе и требуется специальный анализ для выделения каждого из них.
Другая проблема вызванавысокой множественностью нейтронов dt-синтеза, что вынуждало пользоваться набором нейтронных счетчиков с малой геометрической эффективностью ϵn ∼0,4%, чтобы избежать искажения временных спектров за счетналожения сигналов. В результате приемлемая скорость набора статистикитребовала высоких интенсивностей пучков, достижимых только на мезонных фабриках.В связи с этим необходимо отметить достижения группы Дубны по созданию нейтронных детекторов полного поглощения [90]. Исследовав оптические свойства жидкого сцинтиллятора NE-213 и коэффициент световогоотражения тефлона, авторы пришли к выводу, что эти материалы можно использовать для создания детекторов большого размера с высокимиспектрометрическими свойствами.
В результате был создан детектор с общим объемом сцинтиллятора 22 литра и телесным углом ∼70% (от 4π).Эффективность регистрации нейтронов dt-синтеза составляла у детектора 40 - 50% в зависимости от энергетического порога, что является уникальным среди нейтронных детекторов. При таких параметрах в объемедетектора регистрировались серии нейтронов от одного остановившегося вмишени мюона. Для анализа использовались быстрые Flash ADC, на которых непрерывно записывались амплитуды сигналов, снимаемых с детекторов, что позволяло идентифицировать одиночные и наложившиеся события. Высокая множественность нейтронов позволила реализовать и новыеметоды анализа данных, сделавшие возможным независимое определениескорости цикла λc и интегрального фактора потерь мюонов Wn .В первом из них [91] строится новое распределение временных интервалов - между последним зарегистрированном нейтроном в серии синтезов,вызванных мюоном, и электроном от распада мюона (te - tn ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
