ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 1-2, с. 12-22
ЯДРА
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА МЮОННОГО КАТАЛИЗА РЕАКЦИИ СИНТЕЗА t +t
©2015 г. Л. Н. Богданова1)*, Д.Л.Демин2), В. В. Фильченков
2)
Поступила в редакцию 29.11.2013 г.; после доработки 27.06.2014 г.
Механизм ядерной реакции £ + £ ^ 4Не + 2п + 11.33 МэВ исследован методом мюонного катализа. Рассчитана модель каскада реакций с образованием ядра 5 Не в качестве промежуточного состояния с учетом основного и первого возбужденного уровней. Энергетический спектр нейтронов, измеренный в недавнем эксперименте, сравнивался с модельным спектром, рассчитанным методом Монте-Карло. Варьируя параметры реакции, мы получили оптимальные значения для относительных вкладов основного и возбужденного состояний 5 Не, энергии возбуждения и ширины возбужденного состояния.
DOI: 10.7868/Б004400271501002Х
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование t + t-реакции
t + t 4Не + n + n + 11.3 МэВ (1)
с помощью мюонного катализа (МК) представляет большой интерес для полного понимания процессов МК в смеси изотопов водорода [1] и для изучения механизма ядерной реакции. Упрощенная схема кинетики МК в тритии приведена на рис. 1.
Останавливаясь в тритии, отрицательные мюо-ны образуют t^-атомы. В соударениях t^-атомов с молекулами Т2 в нерезонансном процессе [2] со скоростью Хцц формируются молекулы tty во вращательно-колебательном состоянии (Jv) = = (11). Реакция синтеза (1) конкурирует с де-возбуждением мюонных молекул в более низкое состояние (Jv) = (10) и распадом мюона. Основным процессом девозбуждения является E0 оже-переход в состояние (Jv) = (10), его скорость равна Хц^ю = 2 х 108 с-1. Девоз-буждение с изменением полного орбитального углового момента J (электрический дипольный переход) существенно медленнее, его скорости Xaj=1 < 105 с-1 [3]. Для мюонных молекул с одинаковыми ядрами эти переходы требуют изменения полного ядерного спина, что обусловлено релятивистскими эффектами. Поскольку скорость переходов с AJ = 1 меньше скорости распада мюона Хо = 4.6 х 105 с-1, их роль в девозбуждении мюонных молекул незначительна. Таким образом,
'-'Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия.
2)Объединенный институт ядерных исследований, Лабо-
ратория ядерных проблем им. В.П. Джелепова, Дуб-
на, Россия.
E-mail: ludmila@itep.ru
реакция в ¿¿^-молекуле происходит из р-волнового состояния ядер со скоростью синтеза Xf. После синтеза мюон либо "прилипает" к ядру гелия с вероятностью шц, либо с вероятностью (1 — ш«) может катализировать новый цикл синтеза.
Синтез в ¿¿^-молекуле идет из р-волны при очень низких энергиях (^0.1 кэВ), которые трудно достичь в экспериментах на пучках [4]. До сих пор р-волновой вклад в сечение синтеза И не определен в столкновительных экспериментах при низких энергиях, так как анализ задачи трех тел в конечном состоянии чрезвычайно сложен [5]. В экспериментах, проводимых с помощью метода МК, можно определить р-волновую константу реакции, измерив скорость ядерного синтеза Xf [1]. Кроме того, анализ спектра нейтронов может дать уникальную возможность изучения распределения энергии распада среди трех частиц. При таком анализе можно получить сведения о механизме реакции. Кроме того, в процессе МК возникают дополнительные ограничения, а именно, вероятность прилипания мюона шц чувствительна к энергетическому спектру 4Не, который отражает корреляции трех частиц в конечном состоянии. Результаты расчетов шц для различных схем £ + ¿-синтеза, представленные в работе [6], приведены в табл. 1.
Более поздние вычисления с учетом механизма
Таблица 1. Значения ш«, вычисленные в работе [6] для различных предположений о механизме + ¿-реакции
Вариант взаимодействия Фазовое пространство пп-корре-ляция an-корре-ляция
"и, % 10 5 18
Ц I-~ гЦ
ггц
Ъ/ - Ю„
4Не + 2п + ц
4Нец + 2п
Рис. 1. Схема кинетики МК в тритии.
каскадной модели [7]
г + г 6Ие* ^ 5Не + п 4Не + п + п (2) дали для коэффициента прилипания значение
ши = 14%. (3)
В эксперименте основные параметры гг цикла МК А«, Шц и Xf определяются из анализа выхода нейтронов и временных распределений в реакции (1). В этом случае у нас есть только два экспериментально измеряемых параметра (наклоны во временном спектре нейтронов). Третий параметр — абсолютный выход нейтронов У0 — остается неопределенным из-за неизвестного характера нейтронного спектра и, соответственно, неопределенной эффективности регистрации нейтронов еп.
Решение проблемы было найдено в работе [8], где был предложен прямой путь определения Шц с использованием отношения
П2/П1 = 1 - ШЦ,
где П1 и п2 — экспериментальные выходы нейтронов из первого и второго цикла МК. Этот метод был использован в работах [9] и [1]. Важно отметить, что это выражение имеет практический смысл только при большой эффективности еп, которая и была реализована в эксперименте ОИЯИ [1], где использован уникальный нейтронный спектрометр полного поглощения [10]. Именно это обстоятельство позволило нам получить в 2 раза большую точность эксперимента по сравнению с работой [9] при значительно меньшей интенсивности мюонного пучка.
Результаты трех экспериментов по МК в тритии [9] (РБ1), [11] (RIKEN-RAL) и [1] (ОИЯИ) представлены в табл. 2.
Таблица 2. Параметры гг-цикла МК, измеренные в экспериментах
Эксперимент АЮ6 с-1 Xf, 106с-1 "и, %
РБ1[9] 1.8 ±0.6 15 =Ь 2 14 ±3
ШКЕМ-ИАЦП] 2.4 ±0.6 — 8.7 ± 1.9
ОИЯЩ1] 2.84 ± 0.32 15.6 ± 2.0 13.9 ± 1.5
В этих экспериментах также измерялся отклик детектора нейтронов (энергетический спектр). Все авторы отмечают, что этот спектр намного жестче, чем можно было бы ожидать для чистого распределения фазового пространства, и расценивают это как указание на присутствие ап-корреляции в конечном состоянии реакции (1).
Однако в [9, 11] и [1] не было предпринято серьезных попыток для исследования механизма реакции (1). В работе [11] авторы рассматривали две группы нейтронов с различной энергией, как это следует из каскадной схемы реакции (2):
Е1п = 6.25-9.44 МэВ, (4)
Ет = 0.38-5.08 МэВ.
Для достижения наилучшего согласия отклика нейтронных детекторов с экспериментальным спектром нейтроны группировались по энергии. В этих предположениях авторы могли, как это видно на рис. 2, удовлетворительно описать измеренный спектр энергии (за исключением его низкоэнергетической части) и оценить эффективность регистрации нейтронов (еп), которая была необходима для анализа. Однако параметры процесса (2) не были получены.
Модельно независимый анализ, проведенный нами в работе [1], позволяет проверить механизм реакции (1). Целью настоящей работы являлось:
1) получение информации о механизме реакции (1) путем сравнения измеренного нейтронного энергетического спектра (отклик нейтронного детектора) Г(Еп) с подробным моделированием Монте-Карло;
2) оценка величины Шц с помощью моделирования энергетических спектров а-частиц.
Согласие между измеренными и вычисленными значениями величин является определяющим как для повышения точности эксперимента, так и для выбора механизма реакции.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Наш эксперимент по изучению процесса МК в тритии был полностью описан в работе [1]. Здесь
Рис. 2. Отклик нейтронного детектора (ND), измеренный в работе [11]. Точки — экспериментальные данные. Линии — расчет отклика для различных предположений о спектре нейтронов: 1 — фазовое пространство, 2 — ате-корреляция, 3 — энергетическое распределение нейтронов (4).
Eee, МЭВ
Энергия протона отдачи, МэВ
мы обращаем внимание на геометрию эксперимента, специфические особенности системы регистрации нейтронов и некоторые критерии отбора нейтронных событий. Эксперимент был проведен на установке "Тритон", расположенной на мюонном канале Фазотрона ОИЯИ. Схема экспериментальной установки показана на рис. 3. Входящие мюоны детектируются сцинтилляционными счетчиками 1— 3 и останавливаются в жидко-тритиевой мишени (ЖТМ) (черный кружок на рис. 3). Рабочие размеры мишени: высота Н = 4 см, диаметр й = = 1 см. Плотность трития р = 5 х 1022 ядер/см3. Общая толщина стенок ампулы мишени (специ-
ND1
ND2
Рис. 3. Схема эксперимента [1] по исследованию процессов МК в тритии.
альная сталь) и стенок охладителя не превышала 0.2 см.
Пропорциональные счетчики 4 и 5 фиксировали остановку мюона в мишени и регистрировали электрон от распада мюона. Детекторы электронов 1-е, 2-е регистрировали электрон от распада мюона в совпадении со счетчиком 5. Толщина сцинтиллято-ра каждого детектора электронов равнялась 5 мм.
Спектрометр полного поглощения нейтронов [10], состоящий из двух больших детекторов (ND1 и ND2, каждый объемом 11.5 л), был основой системы регистрации и был предназначен для обнаружения нейтронов из реакции (1). Кюветы каждого детектора — 310 мм в диаметре и 150 мм в высоту — были заполнены жидким сцинтиллятором NE-213. Свойства этого сцинтиллятора позволяют осуществлять разделение нейтрон—гамма и дискриминацию фона. Эффективность дискриминации 7-квантов была лучше чем 10_3 с эквивалентной энергией электронов Eee больше 100 кэВ. Большой размер нейтронных детекторов ND обеспечивал высокую эффективность обнаружения нейтронов. Для нейтронов от исследуемого процесса эффективность обнаружения была близка к 50%; телесный угол составлял 30% (0.3 х 4п ср) для каждого ND.
Сигналы от нейтронных детекторов сканировались аналого-цифровым преобразователем Flash
ADC с частотой 100 МГц таким образом, что каждый из обособленных сигналов был представлен множеством соседних амплитуд, которое мы называем "кластер" [12]. Сумма амплитуд, принадлежащих одному кластеру, является "зарядом" кластера. Функцией отклика детектора, безусловно, служит распределение зарядов кластеров. Измеренная функция отклика показана на рис. 4 в масштабе эквивалента (для энергии протонов) энергии электронов Eee. Энергетическая калибровка заряда сделана на краю (En = 14.1 МэВ или Eee & 7.4 МэВ [11]) соответствующего энергетического спектра нейтронов от процесса синтеза d + +t, который также был измерен в эксперименте [1]. Полный спектр (t + t, d +t) показан на рис. 4. Он представлен без вычитания фракции d + t, которая составляла несколько процентов. Ее форма изве
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.