Способ определения скорости образования мезоиона гелия

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МЕЗОИОНА ГЕЛИЯ, заключающийся в облучении пучком медленных мюонов мишени с газообразной смесью изотопов гелия и водорода, толщина и плотность которой выбраны из условия полной остановки мюонов в мишени, и регистрации протекающих в мишени процессов в сравнении с процессами, происходжцими в мишени, заполненной изотопами водорода, отличающи йс я тем, что, с целью повьш1ения точности чувствительности способа к гелию , регистрируют с помощью, импульсной ионизационной камеры, являющейся одновременно и мишенью, временные распрёделения , число изнергию заряженных (Л продуктов ядерного синтеза от актов . катализа, вызванных остановившимся мю;оном .: 7 1 Ю /Г

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(51) G 01 Т 1/185 5 02

OllHCAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3601629/18-25 (22) 03.06.83 (46) 30.06.85. Бюл. №- 24 (72) Д.В.Балин, А.А.Воробьев, Е.M.Маев, Г.Г.Семенчук и lO.В.Смирении (71) Ленинградский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова (53) 621.387.424(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 713373, кл. G 21 G 1/00, 1978.

2. М.Sehiff, Anovo Cmento 22, р.бб, 1961.

3. Быстрицкий В,M. и др. Прямое измерение скорости образования молекул pp p z pdp в газообразном водороде. ЖЭТФ, т.70, вып. 4, 1976, с. 1164 (прототип) °

„„SU„„1119463 А (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ

ОБРАЗОВАНИЯ МЕЗОИОНА ГЕЛИЯ, заключаю.,щийся в облучении пучком медленных мюонов мишени с газообразной смесью изотопов гелия и водорода, толщина и плотность которой выбраны из условия полной остановки мюонов в мишени, и регистрации протекающих в мишени процессов в сравнении с процессами, происходящими в мишени, заполненной изотопами водорода, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности чувствительности способа к гелию, регистрируют с помощью. импульсной ионизационной камеры, являющейся одновременно и мишенью, временные pac- пределения, число и энергию заряженных у продуктов ядерного синтеза от актов . Г ,катализа, вызванных остановившимся мю. С

;оном.

8 апай

М М

1 1 194

Изобретение относится к области ядерной физики и физики мезоатомов и может быть использовано для изучения условий осуществления мюонного катализа реакции синтеза дейтерия и трития .9 I0 4 Èр "e n 90-(97,6мев) (1)

Интерес к нему велик, так как наря. ду с термоядерным синтезом он может оказаться еще одним альтернативным 90 методом производства энергии (9j . Июон, освободившийся в результате ре— акции синтеза, образует (4p) атом, который опять участвует в реакции (1).

Поскольку скорость образования мезомо- 15 лекулы j k 111 велика (10 с ) по сравнению со скоростью распада мюона (0,455 10 с ) по реакции е е ju р (2) то за время жизни мюона, он сможет осуществить более 100 актов синтеза с общим энерговыделением порядка

2 ГэВ.

В результате реакции (1), а также из-за 1э -распада трития: - Не е 1е (3) в исходной смеси дейтерия и трития ,;будет накапливаться гелий, а следо30 вательно, начнутся реакции перехвата и прямой посадки- мюона:

Лрл1 Не — (Нер 9 + с1 (4)

4р1 Не — э (Нер it (5)

1п + Не — (He@) (6) которые будут уменьшать выход энергии ядерного синтеза в расчете на один мюон. Это связано с тем, что 40 мюон, образовавший меэоион гелия (Не ), уже не с11ожет вызвать реак+ цию ядерного синтеза (1), поскольку из-за наличия заряда у мезоиона гелия он не может быть оторван при после- 45 дующих столкновениях с окружающими атомами водорода.

ДО последнего времени считалось, что скорость перехвата мюона с мезоатома дейтерия (трития) на изотопы 50

6 гелия мала (10 с ), а поэтому его влияние на реакцию синтеза (1) не учитывалЬсь при количествах гелия, получаемых за счет реакции (1) и (3).

Однако, теоретически предсказан 55 новый молекулярный механизм перехвата мюона на гелий, который дает высокое значение скорости перехвата

63 г (10 с ) и влиянием этой реакции

8 -1 пренебрегать уже нельзя.

Существующие способы измерения

Ф скорости образования мезоиона (Нер ) можно разделить на два типа:

Способ, в котором определение скорости перехвата сводится к подсчету общего числа продуктов ядерного синтеза, по отношению к числу попав-. ших в камеру мюонов при наличии и при отсутствии в камере гелий. Способ использует трековые приборы (на пример, жидководородную камеру) P2) .

Способ, в котором измерение скорости перехвата сводится к измерению временного распределения электронов распада мюона (2), при наличии и отсутствии в мишени гелия. Способ использует сцинтилляционные счетчики.

Основными недостатками первого способа являются низкая скорость набора статистики и невозможность измерения временных распределений продуктов ядерного синтеза. Для эффективного наблюдения процесса перехвата мюона с меэоатома дейтерия на гелий, необходимо растворить в жидком иэотопе водорода около процента гелия, что невозможно осуществить (максимальная концентрация гелия, которой удалось достичь 2 10 з). Поэтому, в рамках способа удается получить толь. ко верхнюю оценку величины скорости

9 -1 перехвата (10 с ). Важно также отметить, что из-за радиоактивности трития этим способом невозможно измерить скорость перехвата мюона с мезоатома трития. Наиболее близким по достигаемому резу..ьтату является второй способ, использующий реакцию распада мюона (2). Этот способ принят за прототип f3) .

Способ-прототип заключается в облучении пучком медленных мюонов мишени с газообразной смесью изотопов гелия и водорода, толщина и плотность которой выбраны из условия полной остановки в мишени мюонов, и ре;истрации протекающих в мишени процессов в сравнении с процессами, происходящими в мишени, заполненной иэотопами водорода. Указанный способ реализуется следующим образом.

На пути медленных мюонов помещают мишень, наполненную водородом, и снимают временное распределение электронов распада от моонов, остановивших1119463 ся в газе. Временное распределение в, этом случае имеет вид: "е

=n>e, (7)

5 где Па — число электронов распада, П вЂ” число остановившихся в гар зе мюонов, h — скорость распада свободб -1 ного мюона (0,455 ° 10 с ) . О

Добавление гелия не изменило бы временное распределение, поскольку с гелия возможен только распад мюона из-за малого ядерного поглощения.

Поэтому, в мишень вводят ксенон 15 (10 "), который резко меняет временное распределение. Наличие ксенона в мишени принципиально необходимо из-за сильного ядерного поглощения мюона ксеноном, что меняет временное распределение распадных электронов. В смеси чистого изотопа водорода с ксеноном временное распределение электронов распада имеет вид: д "e"Р - ) "Р ), ") где (А) и (В) параметры эксперимента, 1 =Э +Схе ахею+ f +py j„ скорост ь перехвата на ксе- 30 нон; р — концентрация ксенона, Ч вЂ” отношение плотности газа при рабочем давлении к плот. ности жидкого водорода, + pp — скорость образования моле35 кулы (ррах) .

Далее к смеси водород-ксенон добавляют гелий. За счет реакций (4, 5, 6) часть мюонов образует меэоион re-.

40 лия, причем из мезоиона гелия возможен только распад мюона по реакции (2), Следовательно, при добавлении гелия временное распределение опять изменится. Именно это изменение и

45 измеряется в способе-прототипе. Временное распределение электронов распада при наличии гелия будет следующим:

4пе ,) 1 exp (- A tjw 8 ехр(- q ) (9) 50 где (А ) и (B ) — новые параметры эксперимента;

1 = "ц<Сне р

С >< концентрация гелия °

% я — скорость перехвата на гелий (искомая величина).

Видно, что при увеличении концентрации гелия распределение (9) стремится к распределению (7).

Недостатком способа является невысокая точность, обусловленная тем, что изменение временного распределения — -малая величина и ее нельзя существенно повысить. Действительно, повышение концентрации ксенона, т.е. увеличение угла наклона временного распределения, приводит и к уменьшению скорости набора статистики из-за сильного ядерного поглощения мюона ксеноном, а главное, требует еще больших концентраций гелия. Характерные концентрации гелия при использовании этого метода порядка 507 по отношению к газу, с которого изучается перехват мюона, что указывает на низкую чувствительность данного способа к Не. Кроме того, концентрация гелия должна быть ограничена по следующим причинам: а) для моделирования условий протекания реакции синтеза (1) концентрация гелия не должна превышать несколько процентов, б) для проверки молекулярного механизма перехвата мюона на гелий необходимо обеспечить перехват мюона из основного состояния мезоатома (18), что возможно только при низких концентрациях гелия.

Существенным недостатком способа является также низкая точность, обусловленная большим фоном от -квантов при ядерном захвате в ксеноне.

Поскольку в прототипе регистрируется только временное распределение электронов, то нет критериев для уменьшения фона. С помощью описанно- го способа измерен перехват мюона с водорода на гелий. Получена скорость перехвата h =(3,6+ 1,0) 1О с °

Видно, что точность определения только 287.

Целью изобретения является увеличение точности и чувствительности способа к гелию.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения скорости образования мезоиона гелия, заключающемся в облучении пучком медленных мюонов мишени с газообразной смесью изотопов гелия и водорода,толщина и плотность которой выбрана из условия полной остановки мюонов в мишени, и регистрации протекающих в

1119463 мишени процессов в сравнении с процессами, происходящими в мишени, заполненной изотопами водорода, регистрируют с помощью импульсной ионизационной камеры, являющейся одновре- 5 менно и мишенью, временные распределения, число и энергию заряженных продуктов ядерного синтеза от актов катализа, вызванных остановившимся мюоном

Ядерный синтез весьма чувствителен к наличию малых количеств гелия, а значит, позволяет при малой концентрации гелия измерить скорость перехвата (образования) мезоиона гелия с большой точностью. Использование импульсной ионизационной камеры в качестве мишени позволяет достичь 100Х-ной эффективности регистрации актов ядерного синтеза. 20

Таким образом, оказывается возможным непосредственно с большой точностью измерить влияние процессов обра" зования меэоиона (Hey) на энергетиФ ческий выход реакции синтеза дейтерия 5 и трития (1), при концентрации гелия, которые можно ожидать при работе будущей энергетической установки, использующей явление мюкатализа .

На фиг.1 представлена схема уста- ЗО новки для реализации способа. Схема установки содержит сцинтилляционные счетчики 1-4 для мовиторирования входного пучка мюонов, фильтр 5 для торможения мюонов, ионизационную камеру 5 для регистрации остановки мюона и последовательных актов ядерного синтеза, а также четыре пары счетчиков 7-14 для счета электронов распада. 40

На фиг.2 представлены экспериментальные кривые распределения заряженных продуктов ядерного синтеза при отсутствии в камере гелия I и при наличии 1,8Х гелия II. 45

На этой фигуре показаны временные распределения первых событий синтеза.

При необходимости из имеющихся экспериментальных данных можно построить и другие распределения, например, 50 распределение временных интервалов между первым и вторым синтезами, вторым и третьим и т.д.

Процесс измерения в гредлагаемом способе состоит в следую:.".:,ем. Импульс- 55 ная ионизационная камера-мишень наполняется дейтерием. Камеру-мишень помещают в пучок медленных мюонов.

Г помощью камеры регистрируют следующие параметры: N — число мюонов, останавливающихся в газе мишени, (N N, ... N ) — число синтезов соответствующей кратности, энергию заряженных продуктов ядерного синтеза. Снимаются также временные распределения актов ядерного синтеза, которые на этом этапе имеют вил:

-а, -= п, Р =Й,Е И, й(1-й причем ди, Д =К е Ъ д4Ц Д, 4

3g(31/ A (I (1

JN„31 t (= ",-, Е Ъ,с1 ц(A (1-é„

6 Не Не — = Р;,е ЭД3 4((-ó, Jé -я 1, С1 3 а с " 3 ° с Р

<пр а=Сд 6, ЬС,Т

2 пп 1 где С 1 — концентрация дейтерия;

à — концентрация примеси в исходном дейтерии, С — copocxs o6pa3osaHHa Jp

d атома; — скорость образования ме" пп зоатома примеси путем атомного захвата. Р Р

,=,а, С Ъ пр где Ч вЂ” отношение плотности газа при рабочем давлении к плотности жидкого водорода, скорость распада свободного мюона (0,455 ° 10 с ), 9 «1 3(Н вЂ” скорость образования мезомоЛекулы 3 J p — скорость перехвата мюона пр на примесь, коэффициент прилипания мюона (0,07).

После введения в мишень гелия меняется выход продуктов синтеза иэ-за перехвата мюона на гелий и временное распределение примет вид .

1119463 далее идет реакция ядерного синтеза (1). .Дальнейшая процедура измерения полностью аналогична приведенной выше. где

1 (М

А =

) а+Ъ Сне "не„ Ц скорость образования меед зоиона гелия (Не ) за счет атомного захвата (прямая посадка).. 10

На первом этапе измерений с чистым дейтерием определяется Й и А =

a Ú . После введения гелия меняется угол наклона временного распределения (см.фиг.2) за счет величины СНпЪНп 9, 15 откуда и определяется скорость перехвата 9,H< . Изменение амплитуды происходит из-за добавки величины СНп %НП„ . Определяя в чистом дейтерии величину а и величи- 20

С1+ Ь ну А в смеси дейтерия и гелия

Aс1 Р не Н е „ 1 находят отношения скоростей атомного 25 захвата мюона гелием и дейтерием Ь (эта величина не может рыть

4 напр п измерена способом-прототипом).

Из фиг,2 видно, что уже при добав. лении 1,8Х гелия наклон меняется поч. ти в 2 раза (т.е. чувствительность способа значительно вьппе, чем у прототипа). Такая большая величина эффекта и позволяет определить с высокой точностью скорость перехвата при малой концентрации гелия.

Кроме того, из-за наличия большой информации о процессах,-происходящих непосредственно в газе мишани (в ионизационной камере), возможно, используя различные критерии, избавиться от фона. Например, мы можем изучать только короткопробежные частицы (у

4-+ нас Не ), поскольку есть критерий для отбора таких частиц, а именно, их энергия. Поэтому предлагаемый способ обеспечивает точность измерений

« 57 при сравнимом с прототипом времени эксперимента.

Для .определения скорости перехвата мюона с мезоатома трития (реакция

5) на первом этапе готовят смесь, содержащую несколько процентов трития в дейтерии, с таким расчетом, чтобы все мюоны с мезоатома дейтерия пере- 55 хватывались на тритий: г Не+пi pg

f Pa ф « » Р1

1„„ с

7

Снп — концентрация гелия кп — скорость перехвата мюона на гелий;

Для работы с тритием в ионизационной камере необходимо выполнить некоторые конструкционные переделки; помогающие избавиться от фона, возникающего из-за /3 -распада трития. А именно, анод камеры следует разделить на большое число (у нас 19) каналов. Кроме того, необходимо проводить работу при высоких давлениях газовой смеси (-100 атм), поскольку при давлении 100.атм пробег 4 Не+ очень мал и трек можно считать точечным. Поэтому заряд вызванный Не образовавшийся в результате реакции синтеза (полезный сигнал), практкчес" ки полностью собирается в одной из частей анода, а шум делится пропорционально кратности разбиения анода

Пример, Опробывание предлагаемого способа проводилось при иссле-. довании реакции синтеза:

Работа выполнена на мюонном канале синхроциклотрона. Установка и .полученные данные показаны на фиг.1и 2.

В качестве рабочего газа выбран дейтерий, перехват мюона осуществлял4ся на Не. Давление газа в ионизационной камере 90 атм. Пучок мюонов направляют на счетчики 1-4, затормаживают в фильтре заранее подобранной толщины и останавливают в газе. Момент остановки мюона, служащий "старИ том для временного анализа системы, определяется совпадениями 1 ° 2 ° 4(+10+

+12+14). Далее, в течение временного

tt tt окна 10 мкс ожидают электрон от распада мюона, регистрируемый совпадениями 3 ° (7 ° 8+9 ° 10+11 ° 12+13 ° 14) .

В это время ожидают импульс с ионизационной камеры, сдвинутый на время дрейфа носителей заряда. При наличии обоих импульсов событие "записывается" на ЭВМ. Событие включает в себя1 время появления первого и последующих импульсов с камеры, амплитуды сигналов (энергии частиц). акции:

Т, гикс

Составитель 8.Pàõìàíîû

Редактор С.Титова Техред М,Пароцай Корректор В.Бутяга

Заказ 45 10/4 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственногo коми пета СССР по делаь-; . зобретений и открытий

113035, Моск;--, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП ": .атент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 11

Благодаря 100%-ной эффективности и высокому быстродействию камеры оказывается возможным измерение временной последовательности актов синтеза. Получены следующие значения: скорость образования мезоиона гелия за счет перехвата мюонаЪ J> Пе=

=(3,04+0,18) 10 с (+6X); отношение скоростей атомного захвата мюона гелием и дейтерием равноЪн „ (g Р =6 1 2,1 °

Описанный выше способ может быть применен для измерения скоростей

1образования мезоионов (Z ) где 7. > 2, Мы подробно описали сгособ измерения

1946 3 10 д я:... ;ухая 7 =2 (z елий), одн хо, реимен . большое значение для мезоатомной физики и могут быть изучены в рамках предлагаемого способа с высо— кой то .ностью для элемеHT02 с Я > 2, находящихся в газообразном состоянии.

Преимущества этого способа особенно проявляются при работе с легкими га: