ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 11-15
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.172
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ НЕЙТРОН-НЕЙТРОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОНЕЧНОМ СОСТОЯНИИ НА НЕЙТРОННОМ КАНАЛЕ МОСКОВСКОЙ
МЕЗОННОЙ ФАБРИКИ
© 2009 г. Ю. М. Бурмистров, С. В. Зуев, Е. С. Конобеевский, М. В. Мордовской, С. И. Поташев, В. М. Скоркин
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 14.02.2008 г. После доработки 01.06.2009 г.
Описана установка, предназначенная для измерения синглетной длины ии-рассеяния в реакции п + d —»- р + п + п. Она состоит из сцинтилляционного нейтронного годоскопа с угловой апертурой 12° и сцинтилляционного детектора для регистрации протонов, вылетающих под углом 90° относительно направления пучка. Для протона и обоих нейтронов измеряются углы вылета и энергии. Энергия нейтронов измеряется методом времени пролета. При временном разрешении ~0.6 нс на базе ~5.5 м точность измерения энергии нейтронов составляет около 1% при энергии ~15 МэВ. Изучается зависимость выхода реакции от относительной энергии двух нейтронов. Нейтрон-нейтронное взаимодействие в конечном состоянии проявляется в виде пика в этом распределении.
PA.CS: 29.30.Hs, 25.10.+Б
1. ВВЕДЕНИЕ
Очень важной характеристикой нуклон-нук-лонного взаимодействия является разность длин пп- ирр-рассеяния, определяющая меру нарушения зарядовой симметрии ядерных сил. Если протон-протонная длина рассеяния арр = —17.3 ± ± 0.4 фм надежно находится из экспериментов по рр-рассеянию при низких энергиях, то единственной реальной возможностью для определения длины ии-рассеяния апп является изучение взаимодействия в конечном состоянии двух нейтронов в трехчастичных реакциях. На протяжении более 40 лет ведутся работы по определению длины рассеяния апп, в основном в реакциях п + d —»-—»- р + п + п и я- + d —- у + п + п. Исследуется кинематическая область нейтрон-нейтронного взаимодействия в конечном состоянии, когда относительная энергия нейтронов мала [1-4]. Анализ экспериментальных данных [5] показывает, что наблюдается значительное расхождение в полученных данных: так, длины рассеяния, полученные в работах [1] и [2-4], равны соответственно апп = -16.2 ± 0.4 фм и апп = -18.7 ± 0.6 фм и отличаются на четыре стандартные ошибки. Из сравнения приведенных данных о апп и арр видно, что в настоящее время неизвестен даже знак разности апп - арр, которая определяет количественную меру нарушения зарядовой симметрии ядерных сил. Чтобы устранить неопределенность в величине
нейтрон-нейтронной длины рассеяния, необходимы новые эксперименты.
В данной работе описана установка для исследования реакции n + d —»- p + n + n в кинематической области нейтрон-нейтронного взаимодействия в конечном состоянии и определения синглетной длины рассеяния ann. Кратко описаны нейтронный пучок, схема эксперимента и детектор протонов и нейтронов.
В эксперименте впервые будут измерены энергетические спектры двух нейтронов при различных углах разлета в кинематической области, отвечающей малой энергии их относительного движения. Установка позволяет регистрировать в совпадении два нейтрона, вылетающие в узком конусе углов относительно направления движения их центра масс, измерять энергию каждого нейтрона E1 и E2 и угол 9 между ними. В этой постановке эксперимента нейтрон-нейтронное взаимодействие в конечном состоянии проявляется в виде пика в распределении выхода реакции от относительной энергии двух нейтронов
е = + E2 - ЪЩЁcos0), (1)
форма которого чувствительна к величине ann.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения длины пп-рассеяния в реакции п + d —»- p + п + п. 1 — нейтронообразующая мишень; 2 - коллиматоры нейтронного пучка; 3 - дейтериевая (CD2) мишень; 4 - протонный детектор; 5 — нейтронный годоскоп.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1. Нейтронный пучок
Исследование реакции п + d —»- р + п + п проводится на нейтронном пучке канала РАДЭКС Московской мезонной фабрики ИЯИ РАН. В качестве источника нейтронов используется ловушка пучка протонов линейного ускорителя ИЯИ с энергией 200 МэВ. Образованные в вольфрамовой мишени толщиной 60 мм нейтроны коллими-руются под углом 0° на длине 12 м, формируя пучок с диаметром ~50 мм на измерительной (СЭ2) мишени. Энергетический спектр первичных нейтронов канала РАДЭКС, падающих на дейтерие-вую мишень, широк и включает все энергии вплоть до предельной, равной энергии пучка протонов [5]. Однако одновременная регистрация в конечном состоянии трех частиц (протона и двух нейтронов) позволяет восстановить энергию первичного нейтрона в реакции п + d —► р + п + п. Таким образом, данные о выходе реакции могут быть получены в широком диапазоне энергий нейтронов, а разброс энергий будет определяться только шириной энергетического интервала суммирования событий, т.е. статистикой эксперимента. При этом поток нейтронов с энергией 20—140 МэВ на измерительной мишени канала РАДЭКС составляет 3 • 107 с-1 см-2 при токе протонного пучка на нейтронообразующей мишени 50 мкА. На первом этапе эксперимента выбран оптимальный интервал энергий первичных нейтронов 40-60 МэВ. При этом энергии вторичных частиц (нейтронов и протонов) лежат в интервале 10-20 МэВ. В этой области энергий первичных нейтронов поток нейтронов достаточно велик, и можно получить достаточно хорошее временное разрешение нейтронных детекторов.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Поток нейтронов, образующихся в нейтронной мишени 1, после коллиматоров 2 попадает в дейтериевую мишень 3. Образующиеся при яd-развале протон и два нейтрона регистрируются протонным детектором 4 и нейтронным годоскопом 5 соответственно. В качестве дейте-риевой мишени используется диск из дейтериро-ванного полиэтилена (СЭ2) толщиной 100 мг/см2 и диаметром 40 мм. Чтобы уменьшить потери энергии протонов, мишень ориентирована под углом 20° к протонному детектору и под углами порядка 50° к нейтронным детекторам. При этом вылетающие протоны имеют минимальные ионизационные потери в мишени, а рассеяние нейтронов в мишени невелико.
2.2. Детектор протонов
Протоны регистрируются детектором из быстрой сцинтиллирующей пластмассы (полистирол + + терфенил + РОРОР) диаметром 40 и толщиной 5 мм. Сцинтиллятор просматривается фотоумножителем ФЭУ-143 с размером фотокатода 50 мм. Использование быстрой пластмассы (время высвечивания <5 нс) и временного ф.э.у. (время нарастания анодного сигнала ~1 нс) позволяет получить быстрый стартовый сигнал для системы времени пролета. Детектор протонов расположен на расстоянии 30 см от СЭ2-мишени под углом 90°, справа по отношению к оси падающего нейтронного пучка. Регистрация протона под определенным углом необходима как для выработки стартового сигнала времяпролетного спектрометра, так и для дополнительного выделения событий с малыми относительными энергиями нейтронов. Энергия протона не определяется непосредственно по времени пролета, а вычисляется,
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
13
Рис. 2. Временное разрешение нейтронного детектора при подаче света от светодиодов на протонный детектор (стартовый сигнал) и на нейтронный детектор (стоповый сигнал) с учетом (1) и без учета (2) места возникновения светового сигнала в нейтронном детекторе.
используя уравнения сохранения энергии и импульса. В копланарной геометрии (все детекторы и ось первичного пучка нейтронов находятся в одной плоскости) имеется три уравнения (энергии и двух компонент импульса), из которых определяются три неизвестные величины — энергия первичного нейтрона, энергия и угол вылета вторичного протона.
2.3. Нейтронный годоскоп
Нейтронный годоскоп состоит из шести детекторов, расположенных под углами 24°—34° относительно направления первичных нейтронов с шагом 2° на расстоянии 550 см от CD2-мишени, слева по отношению к оси падающего нейтронного пучка. Углы между детекторами измерены с точностью ~ 0.1° с помощью лазерного теодолита. Угловой разброс при регистрации нейтронов определяется размером поперечного сечения детекторов и пролетным расстоянием и составляет в нашем эксперименте ±0.5°.
Для регистрации нейтронов используются детекторы в виде прямоугольных призм с сечением 100 х 140 мм2 и длиной 300 мм, изготовленные из сцинтиллирующей пластмассы (полистирол + + терфенил + РОРОР, производство завода "Монокристалл", Харьков). Сцинтилляторы просматриваются с двух концов фотоумножителями ФЭУ-143. При этом может быть получена информация как об истинном времени взаимодействия нейтрона в сцинтилляторе по полусумме времен регистрации света на разных концах сцинтилля-тора, так и о месте взаимодействия, пропорциональном разности этих времен.
Временное разрешение сцинтилляционных детекторов измерялось при подаче света от светодиодов. Амплитуда сигнала от светодиода соот-
Рис. 3. Временные спектры при подаче света на стартовый протонный и стоповый нейтронный детекторы при значениях места взаимодействия в нейтронном детекторе, отличающихся на 3 см (определяется по разности времен появления светового сигнала на противоположных концах сцинтиллятора). I — продольная координата в нейтронном детекторе.
ветствовала 7 МэВ по нейтронам (середина амплитудного распределения протонов отдачи от 14 МэВ нейтронов, получаемых в реакции d + + t —- п + 4Не). Нижний амплитудный порог регистрации соответствовал комптоновскому краю у-источника 137С8 — 488 кэВ (~ 1 МэВ по нейтронам). Для всех детекторов было получено временное разрешение At < 0.6 нс при учете места взаимодействия путем отбора событий, соответствующих заданному интервалу значений разности времен прихода световой вспышки на противоположные концы сцинтиллятора, и порядка 0.9 нс без учета места взаимодействия (рис. 2). Для нейтронов с энергией ~ 15 МэВ при время-пролетной базе ВТОР ~ 5.5 м такое временное разрешение приводит к энергетическому разрешению АЕ/Е = 0.013 или АЕ = 0.2 МэВ.
При сравнительно небольшой пролетной базе нейтронов (~5.5 м) продольный размер сцинтил-ляционных детекторов Е ~ 30 см может приводить к заметной неопределенности во времени пролета (АЕ = ±15 см) и соответственно к с
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.