Способ определения скорости образования мезоиона гелия Советский патент 1985 года по МПК G01T1/185 G01T5/02 

Изобретение относится к области ядерной физики и физики мезоатомов может быть использовано для изучени условий осуществления мюонного ката за реакции синтеза дейтерия и трити ,1л, + (}- 1с1|ц- Не+п + ,бМев) ( Интерес к нему велик, так как на ду с термоядерным синтезом он может оказаться еще одним альтернативным методом производства энергии Ij , М он, освободившийся в результате реакции синтеза, образует (лд) атом, который опять участвует в реакции ( Поскольку скорость образования мезомо лекулы ( {. fu велика (10 с ) по сра нению со скоростью распада мюона (0,45510 с) по реакции p--e-i-; 0p, (2) то за время жизни мюона, он сможет осуществить более 100 актов синтеза с общим энерговьщелением порядка 2 ГэВ. В результате реакции (1), а такж из-за р -распаДа трития: (3) в исходной смеси дейтерия и трития ,-.будет накапливаться гелий, а следовательно, начнутся реакции перехват и прямой посадки-мюона: d UitHe-()%cJ (4) Не- (He( (5) UtHe- (HejTj) которые будут уменьшать выход энергии ядерного синтеза в расчете на один мюон. Это связано с тем, что мюон, образовавший мезоион гелия (Нещ) , уже не вызвать реакцию ядерного синтеза (1), поскольку из-за наличия заряда у мезоиона гелия он не может быть оторван при последунлдих столкновениях с окружающими атомами водорода. До последнего времени считалось, что скорость перехвата мюона с мезо атома дейтерия (трития) на изотопы гелия мала (10 с ), а поэтому его влияние на реакцию синтеза (1) не учитьшалось при количествах гелия, получаемых за счет реакции (1) и (3 Однако, теоретически предсказан новый молекулярный механизм перехва та мюона на гелий, который дает выс кое значение скорости перехвата ( 10 с ) и влиянием этой реакции пренебрегать уже нельзя. Существующие способы измерения скорости образования мезоиона (Нелл) можно разделить на два типа: Способ, в котором определение скорости перехвата сводится к подсчету общего числа продуктов ядерного синтеза, по отношению к числу попавших в камеру мюонов при наличии и при отсутствии в камере гелия. Способ использует трековые приборы (например, жидководородную камеру) 2j. 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 мезоатома дейтерия на гелий, необходимо растворить в жидком изотопе водорода около процента гелия, что невозможно осуществить (максимальная концентрация гелия, которой удалось достичь 2-10). Поэтому, в рамках способа удается получить только верхнюю оценку величины скорости 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 результату является второй способ, использующий реакцию распада мюона (2). Этот способ принят за прототип З. 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 регистрации протекакнцих в мишени процессов в сравнении с процессами, происходящими в мишени, заполненной изотопами водорода. Указанный способ реализуется следугацим образом. На пути медленных мюонов помещают мишень, наполненную водородом, и снимают временное распределение электронов распада от мюонов, остановивших- 3 ся в газе. Временное распределение этом случае имеет вид: где П, - число электронов распада I - число остановившихся в г зе мюонов; д- скорость распада свободного мюона (0,45510 с Добавление гелия не изменило бы временное распределение, поскольку с гелия возможен только распад мюон из-за малого ядерного поглощения. Поэтому, в мишень вводят ксенон (л-Ю), который резко меняет време ное распределение. Наличие ксенона мишени принципиально необходимо изсильного ядерного поглощения мюона ксеноном, что меняет временное распределение распадных электронов. В смеси чистого изотопа водорода с кс ноном временное распределение электронов распада имеет вид: Aexph t +Bexp(,( где (А) и (в) параметры эксперимент 5 J скорость перехвата на ксе концентрация ксенона, Cf - отношение плотности газа при рабочем давлении к пл ности жидкого водорода, скорость образования моле кулы (). Далее к смеси водород-ксенон доб ляют гелий. За счет реакций (4, 5, 6) часть мюонов образует мезоион ге лия, причем из мезоиона гелия возмо жен только распад мюона по реакщ и (2). Следовательно, при добавлении гелия временное распределение опять изменится. Именно это изменение и измеряется в способе-прототипе. Вре менное распределение электронов рас пада при наличии гелия будет следующим:- АегрЬ -Ь +В хр(-ЛД, (9) где (А) и (8) - новые параметры эксперимента; j CHJ- концентрация гелия; /Лне скорость перехвата на ге лий (искомая величина). 63 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, повьпиение 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 50% 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 превьШ1ать несколько процентовi б)для проверки молекулярного механизма перехвата мюона на гелий необходимо обеспечить перехват мюона из основного состояния мезоатома (1S), что возможно только при низких концентрациях гелия. Существенным недостатком способа является также низкая точность, обусловленная большим фоном от У -квантов при ядерном захвате в ксеноне. Поскольку в прототипе регистрируется только временное распределение электронов, то нет критериев для уменьшения фона. С помощью описанного способа измерен перехват мюона с водорода на гелий. Получена скорость перехвата -Д цц (3,611,0) - . .Видно, что точность определения только 28%. Целью изобретения является увеличение точности и чувствительности способа к гелию. Поставленная цель достигается ем, что в способе определения скоости образования мезоиона гелия, залючакицемся в облучении пучком меденных мюонов мишени с газообразной месью изотопов гелия и водорода,толина и плотность которой выбрана из словия полной остановки мюонов в ишени, и регистрации протекающих в мишени процессов в сравнении с процессами, происходящими в мишени, заполненной изотопами водорода, регистрируют с помощью импульс гой иони зационной камеры, являющейся одновре менно и мишенью, временные распределения, число и энергию заряженных продуктов ядерного синтеза от актов катализа, вызванных остановившимся мюоном. Ядерный синтез весьма чувствителе к наличию малых количеств гелия, а значит, позволяет при малой концентр ции гелия измерить скорость перехват (образования) мезоиона гелия с большой точностью. Использование импульс ной ионизационной камеры в качестве мишени позволяет достичь 100%-ной эффективности регистрации актов ядер ного синтеза. Таким образом, оказывается возмож ным непосредственно с большой точнос тью измерить влияние процессов образования мезоиона (Негц) на энергетический выход реакции синтеза дейтери И трития (1), при концентрации гелия которые можно ожидать при работе будущей энергетической установки, использующей явление мюкатализа. На фиг.1 представлена схема установки для реализации способа. Схема установки содержит сцинтилляционные счетчики 1-4 для мониторирования входного пучка мюонов, фильтр 5 для торможения мюонов, ионизационную камеру 5 для регистрации остановки мюона и .последовательных актов ядерного син1;еза, а также четыре пары счетчиков 7-14 для счета электронов распада. . На фиг.2 представлены экспериментальные кривые распределения заряженных продуктов ядерного синтеза при отсутствии в камере гелия 1 и пр наличии 1,8% гелия II. На этой фигуре показаны временные распределения первых событий синтеза При необходимости из имеккцихся экспе риментальных данных можно построить и другие распределения, например, распределение временных интервалов между первым и вторым синтезами, вто рым и третьим и т.д. Процесс измерения в предлагаемом способе состоит в следующем. Импульс ная ионизационная камер.ч-мишень наполняется дейтерием. Камеру-мишень Помещают в пучок медлекньгх мюонов. камеры регистрируют следутры: Nnj - число мюонов, ающихся в газе мишени, ) ЧИСЛО синтезов ующей кратности,энергию продуктов ядерного синтеся также временные распреов ядерного синтеза, коом этапе имеют вид: -7, -fVclclfii A ,ei(5J.A(, ;,e 4ad ftO-wH, d np сJ л d Ь.с, -г ;. концентрация дейтерия; концентрация примеси в исходном дейтерии; скорость образования а/ц атома; скорость образования иезоатома примеси m путем атомного захвата. (,.., . отношение плотности газа при рабочем давлении к плотности жидкого водорода;скорость распада свободного мюона (0,45510 с ), скорость образования мезомолекулы (3d /ц , скорость перехвата мюона на примесь; коэффициент прилипания мюона (,07). едения в мишень гелия мед продуктов синтеза из-за юона на гелий и временное ие примет вид: tJfuM-A, ;с5рдЧ..А(1-и, ac fuq-AHl-u Hetf, -концентрация гелия, -скорость перехвата мюона на гелий: Ч скорость образования мезоиона гелия (Не/ ) за счет атомного захвата (прямая посадка) . На первом этапе измерении с чист первом этапе измерений с дейтерием определяется ft,- и А гтт . гз о.- b После введения гелия меняется уг наклона временного распределения (см.фиг.2) за счет величины Ч откуда и определяется скорость пере хвата X g . Изменение амплитуды происходит из-за добавки величины Чсно Непр Определяя в чистом дейте рии величину ft -S- и величив смеси дейтерия и гелия .1ел а Ь СнеАне.р) находят отношения скоростей атомного захвата мюона гелием и дейтерием М (эта величина не может 9ытъ СПр измерена способом-прототипом). Из фиг.2 видно, что уже при добав лении 1,8% гелия наклон меняется поч ти в 2 раза (т.е. чувствительность способа значительно выше, 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 мишени (в ион зационной камере), возможно, используя различные критерии, избавиться от фона. Например, мы можем изучать только короткопробежные частицы (у нас Не ), поскольку есть критерий для отбора таких частиц, а именно, их энергия. Поэтому предлагаемый спо .соб обеспечивает точность измерений - 5% при сравнимом с прототипом времени эксперимента. Для -определения скорости перехвата мюона с мезоатома трития (реакция 5) на первом этапе готовят смесь, со держащую несколько процентов трития в дейтерии, с таким расчетом, чтобы все мюоны с мезоатома дейтерия перехватывались на тритий: .dfuH далее идет реакция ядерного синтеза (1). Дальнейшая процедура измерения полностью аналогична приведенной вьше. Для работы с тритием в ионизационной камере необходимо вьшолнить некоторые конструкционные переделкиj Ломогающие избавиться от фона, возникающего из-за 1 -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 Не очень мал и трек можно считать точечным. Поэтому заряд вызванный Не, образовавшийся в результате реакции синтеза (полезный сигнал), практически полностью собирается в одной из частей анода, а шум делится пропорцион ьно кратности разбиения анода Пример. Опробывание предлага-; емого способа проводилось при исследовании реакции синтеза: 11 (t.p.fU Работа выполнена на мюонном канале синхроциклотрона. Установка и .полученные данные показаны на фиг.) и 2. В качестве рабочего газа выбран дейтерий, перехват мюона осуществлялся на Не. Давление газа .в ионизационной камере 90 атм. Пучок мюснов направляют на счетчики 1-4, затормаживают в фильтре заранее подобранной толщины и останавливают в газе. Момент остановки мюона, слзгжащий стартом для временного анализа системы, определяется совпадениями Ь24(+10+ +12+14). Далее, в течение временного 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 рейфа носителей заряда. При наличии обоих импульсов событие записывается на ЭВМ. Событие включает в себя; ремя появления первого и последуюих импульсов с камеры, амплитуды сигналов (энергии частиц). 9n Благодаря 100%-ной эффективности и высокому бь стродействию каме1)ы оказывается возмож ым измерение временной последовательности вктов синтеза. Получены следующие значения: скорость образования мезсчюна гелия за счет перехвата мюoнa J,y (3,04tO,18)),отношение скоростей атомного захвата мгоона гелием и дейтерием равноЛнепр/ftD 6,1 2,1. Описанный выше способ может быть .применен для измерения скоростей образования мезоионов (т), где,, 2, ;Мы подробно описали способ измерения 310 для с.чучзя 1 2 (гелий), однпко, реакции : t nj 7 - 7, л, i tIV: 7 -- Z имеил большое значение для мезоатому,()й физики и могут быть изучены в рамках лредлат-аемого способа с высокой точностью для элементов , находящихся в газообразном состоянии. Преимущества этого способа особенно проявляются при работе с легкими газообразными элементами.

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