Измерение циркулярной поляризации гамма-квантов в реакции захвата поляризованных холодных неитронов протонами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

р г Б СА

о ' ь ;; !'■4Российская академия наук.

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им.Б П КОНСТАНТИНОВА

На правах рукописи

БАЖЕНОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

I

удк 539.121.4

' ИЗМЕРЕНИЕ ЦИРКУЛЯРНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ГАММА-КВАНТОВ 3 РЕАКЦИИ ЗАХВАТА ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ ПРОТОНАМИ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации «та соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П.Константинова РАН.

Научный-руководитель:

член-корреспондент РАЯ, профессор В.М.Лобашов,

Официальныэ оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор И.Б.Хриплович. доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудяик В.Г.Вовченко.

Ведущее учреждение:

Институт теоретической и экспериментальной физики.

Защита диссертации- состоится ".W" 'ПО,,^.^^ 1995 г. К^ заседании диссертационного совета Д €02.71.01 в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П.Константинова РАН по адресу: I8&350, Ленинградская обл., г.Гатчина, Орлова роща, ПИЯФ PAII.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан "_...

1995 г.

Ученый секрет;^ , диссертационного совета

И. А. Митронольс-киИ

общая характеристика работы

Основная цель работы состояла в создании установки для измерения циркулярной поляризации (Ш) гамма-квантов на высокоинтенсшзном пучкб холодных поляризованных нейтронов, обеспечивавшей более высокую, чем в предыдущих экспериментах, точность, и проведении на ней измерений ЦП гамма-квантов в реакции захвата поляризованных холодных нейтронов протонами. Одной из задач, которую необходимо было решить для проведения этих измерений, являлась разработка методики и проведение измерений искажений спектров гамма-квантов при наложениях и просчетах спектрометра в условиях высоких загрузок. Поскольку величина ЦП чувствительна к любым переходам, вносящим вклад в оператор магнитного момента, данная работа позволила получить информацию о ненуклонгах степенях свобода в дейтоне.

Актуальность проблемы. Радиационный захват иойтронов протонами является фундаментальной реакцией взаимодействия нуклонов. В настоящее время точность измерения ЦП гамма-квантов этой реакции сильно уступает ' значениям, полученным для статических наблюдаемых величин в дейтоне. Измеряя циркулярную поляризацию гамма-квантов при захвате поляризованных нейтронов, можно провести проверку гипотезы возникновения шес-тгошарковых мешков в дейтоне. Точность, достигнутая к началу данной работы, давала возможность объяснения величины ЦП наличием шее ткварковых мешков, с очень малым, по сравнению с алгебрЕической суммой магнитных моментов нейтрона я протона, магнитным моментом мешка, что противоречило большинству теоретических моделей.

Научная новизна. Создана установка для измерения циркулярной поляризации гамма-квантов на вертикальном канале холодных поляризовзшшх нейтронов реактора ВВР-М с рекордной интенсивностью потока нейтронов. Разработана методика измерения искажений амплитудных спектров и временных параметров потоков гамма - квянтов при высоких загрузках. Проведены измерения НИ в реакции радиационного захвата нейтронов протонами с точность?) в 3 раза выше, чем в предыдущих экспериментах.

Разработашгая методика измерения искажения спектров гамма-квантов и просчетов спектрометра позволяет измерять ЦТ. с точностью лучше 3x10"4. Результат измерения ЦП дает возможность поставить более жесткие ограничения на присутствие в дойтоне нвнуклонных степеней свобода.

На защиту выносятся результаты:

1. Создана установка для измерения циркулярной поляризации гамма-квантов для внсокошггенсивного канала холодных поляризованных нейтронов реактора ВВР-М ЛШФ им.Б.П.Константинова.

2. Разработана методика и создана аппаратура для определения искажений амплитудных спектров гамма-квантов при наложениях и просчетах спектрометра при высоких загрузках. Данная методика позволила выбрать оптимальные условия измерения ЦП и измерить влияние искажения форш спектров при наложениях на точность измерения ЦП с точностью лучше 1055 при скорости счета гамма-квантов 3x1О5 с-1.

3. Проведены измерения циркулярной поляризации гамма-квантов в реакции радиационного захвата поляризованных холодных нейтронов.протонами. Получено значение

Р7 = ( -1.5 ± 0.3 ) х 1СГ3 , которое в з раза превосходит по точности предыдущий результат шмере-шч "П. Новый результат находится в соглзсйи с современными теоретическими расчетами.

Апробация работы. Материалы, представленные в диссертации, докладывались на:

1) Международной конференции "Слабые и электромагнитные взаимодействия в ядрах УЖГ№-92, Дубна, 13-22 илля 1992 г.

2) сессии ОЯФ АН СССР, Москва,'21-22 декабри 1992 г.

3) 8-ом Международном симпозиуме по захватной. 7-спектроскоиии и связашшм вопросам, Фрибур, Швейцария, 20-24 сентября 1993 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 71 наименования. Общий объем диссертации составляет 117 страниц, включая 10 таблиц и 24 рисунку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во вввлв1ми кратко освещается предыстория вопроса, Формулирована цель работы и излагается план диссертации.

В первой,главе даотся обзор теоретической и [кспериментальной ситуации в исследовании структуры дойтона и рталей взаимодействия нейтрона и протона при образовании ¡вязанного состояния.

В первой части главы рассматривается вопрос о том, какая гроблематика возникает при рассмотрении радиационного зэгвата [ейтрона протоном с двух точек зрения: с точки зрения связанного юстояния и'с точки зрения характеристик собственно реакции, фиводящей к его образованию. Показана роль Р-четной циркулярной юляризации гамма-квантов в ряду других наблюдаемых величин. ЦП. : одной стороны, чувствительна к структуре дейтонз, с другой -¡деталям нуклон-нуклонного взаимодействия на малых расстояниях.

Во второй части главы показана'история экспериментального и ■ооротического изучения Щ в их взаимном переплетении. Показано, [то на всей,достаточно продолжительной истории изучения данного гараметрэ, его измерение представляет все новую информацию. >тносительная простота системы обеспечивает возможность юдержательного теоретического анализа. Тем не менее, жспериментальная точность до сих пор была недостаточна, и :ущественно уступала точности измерения статических параметров в дейтоне.

Первоначально ЦП исследовалась в связи с проблемой юзможного вклада триплетного захватного состояния в полное :ечение радиационного захвата и гипотезой Врайта-Растги о »ортогональности начального и конечного состояний. Важность электромагнитных мозонных обменных токов (MEG) была осознана юзжо, а если отнести разницу в теоретическом и жспориментальном значениях ot t на счет перехода -3S1-3S1, то ЦП юлучается весьма большой ( приблизительно 0,4 ).

-6В 1977 году для проверки гипотезы Брайта-Рэстги 1 лаборатории ЛоОашова на реакторе ВВР-М ЛИЯФ им Б.П, Константинова был поставлен эксперимент по поиску ЦП. Использовались поляризованные тепловые нейтроны горизонтально:« пучка 6. В качестве протошой

мишени служила сборка го оргстекла и полиэтилена. Основным параметрами пучка нейтронов были: сечение пучка 8,5x60 мм, интегральная интенсивность Ю7 нейтр/с, средняя поляризация

95%. длина волны нейтронов в максимумо спектра 4 А.

В этом эксперименте были апробированы осн вные методически: приемы, которые использовались в дальнейших экспериментах ш измерению ШТ. К ним относятся: двухгшечевая геометра измерительной установки, применение адиабатическое спин-флиппера для реверса поляризации нейтронов, анали: поляризации гамма-квантов с помощью поляриметров "в: прохождение", счетная методика регистрации гамма-квантов, аналж экспериментального эффекта в различных участках спектра. 1 качестве экспериментально определяемой величины был; использована относительная разница в счете гамма-квантов пр! противоположных поляризациях нейтронов

С = 2 ( - 11_ ) + ). Данная наблюдаемая величина связана с искомой ЦП соотношением: б = Рхе, где е - эффективность (. анализирующая способность поляриметров. Был получен результат:

б = ( 1.4 * 5.2 ) х 1СГ4 в области пика полного поглощения гамма-квантов с энергией 2,2; МэВ. Тем самим гипотеза Брайтв-Растги была отвергнута, получен« ограничение на отношение величины захвата из триплетноп состояния о{3Б1 )/о(1Б0) < 10"'-3 независимо от деталей расчета. Что касается собственно величины ЦП, то малая скорость счета 1 деполяризация нейтронов при некогерентном рассеянии на атома; водорода не позволили достигнуть необходимой для этой статистичоскс . точности.

Первое измерение ЦП било проделано в следухщо*

кспериментэ, выполненном в лаборатории Лобашова к 1931 году, ксперимент проводился на том же горизонтальном пучке 6 тепловых эллризовашшх нейтронов, что и предыдущий. Для увеличения корости набора статистики и устранения деполяризации нейтронов мишени была применена твордая параводородиая мишень. Неупругое зссеяние на молекуле параводорода нэ происходит для нейтронов с аергией ниже> 0.027 зВ. Поляризующий нейтроновод был настроен на

лину волны 2.4 А, что обеспечивало указанное выше условие, эляая интенсивность пучка 108 нейтр/с, средняя поляризация 0%. При этом скорость счета в пике полного поглощения составила гЮ3 1/с. В результате было получено: —

Р7 = ( -2.9 Í 0.9 ) г 10_3 , ффектишость поляриметров определялась расчетным путем, очность расчета проверилась в эксперименте со свинцовой ишеньга, при этом расхождение расчетного и экспериментально змеренного значения е для т-квантов не превышало 15%. Более очные расчеты не представлялись возможными из-за сложной еометрии поляриметров. В цитируемой работе был произведен также еоретический расчет, исходя из существовавших в то время редставлений о вероятности D-состояния в дейтоне. В редположенш теоретическое значение ЦП составило: '

?7(М1) = -0.9 х Ю-3, то было существенно ниже экспериментального значения Данная итуация стимулировала теоретические исследования проблемы, и вилась одной из причин подготовки нового эксперимента для более очного измерения ЦП.

В 1984 и 1987 годах теоретики из ИТЭФ Грач и Шматиков редприняли попытку более точного расчета ЦП. Ими были проведены асчеты Р (М1) для различных ядерных потенциалов, первые расчеты клада Р^,(Е2) и Р^(МЕС), а также расчеты возможного вклада варковых степеней свободы в ЦП. Выяснилось, что если отнести ск» разницу моэду новым расчетным и экспериментальным значениями Л на кварковые степени свобода, то невозможно в рамках одной хемы расчета воспроизвести величину магнитного момонта дейтона ; магнитного момонта мешка.

-8В работе Буричешсо и Хриплошча (1990) были заново проанализированы вклада нуклонных степеней свободы в ЦП, а также электромагнитных мезонных обменных токов без привлечения кварковых степеней свобода. Был получен другой знак Р^(Е2), считающийся в настоящее время установленным. Полученный результат,

Рт = -1.1 х 1СГ3, (по оценке авторов, точность составила 25%) оставил открытым вопрос о согласованности теории и эксперимента.

Во второй главе дан теоретический анализ ггюблемы. Во введении рассматриваются общие вопросы возникновения циркулярной поляризации гамма-квантов при захвате поляризованного нейтрона протоном при низких анергиях. Основное состояние дейтоиа имеет конфигурация? 3S1 с примесью -^-состояния. Захват нейтрона при низких энергиях происходит,в основном,из я-волнового состояния непрерывного спектра np-системы, так что захватное состояние мотет иметь конфигурацию 1SQ или %1+(3D1). Поскольку захватное и основное состояния имеют положительную четность и полный момент J=1 или 0, то в нерелятивистском пределе правилами отбора разрешены переходы: Ъ.,3S1-3D1 и 3D1--3S1. Первый из этих переходов возможен при испускании М1- и Е2-квантов, а два других являются чисто квздруполышми переходами. Доминирующий вклад в амплитуду захвата тепловых нейтронов дает М1-переход из сюгглетного состояния в триплетное связанное состояние. Вероятность перехода определяется матричным элементом опоратора спинового магнитного момента. Если взаимодействие меяэду нуклонами описывается не зависящим от энергии гамильтонианом, то собственные состояния при одинаковых квантовых числах ортогональны, и переход ^-^S.,- исчезает.

В общем случае амплитуда для низкоэнергетических процессов типа NN-NNy меда ? быть записана как:

M=a(al-0p)n+b(a1-0z)h+c[ (о1 п> (ст^е)-» (а1е)(а2п) 3, ^ ^

где! а1 о-onoj.iTopu сняла нуклонов, п,е-единичные векторы в направлении спина нойтртноп а 7-квянтов, h=roto. Параметры a.b.с

-э-

з формуле (1) выражаются через интегралы перекрытия синглотной и гриплетной волновых функций непрерывного спектра и дейтона.

Вероятность захвата в зависимости от спиральности 'амма-квантов А. записывается как:

№ аг-2Ее(аЬ*-а*с)\(П'и),

>- поляризация захватных нейтронов. Поэтому для 7-квантов. юпущешгах вдоль поляризации нейтронов захвата

Р =

Тр.*

аг

юли нейтроны полностью поляризованы, что приводит к приближенной [юрмуле:

а

1 а

Если выразить амп итуду М1-переходе через разницу магнитных юмэнтов нуклонов и дейтона, то в качестве оценки величины ЦП южно получить выражение:

Р-1М1) = - 2 -Л Р

Г 2 ^ аГа3

?де Р^ - вероятность Б - состояния в дойтоне, - длины

рассеяния, кг=Ие, М-масса нуклона, е-эноргия связи. Приведенное

соотношение дает оценку

Р7 (М1) = - (1.0-1.5) х 10~3

у1я Рс = 4-6.5%.

В следущей части главы даны детали расчета ЦП для 1уклояного сектора. Приведен явный вид операторов М1 и 52-пореходо», а также формулы для ЦП в приближении нулевого эадиуса действия ядерных сил. Величина ЦП, связанная с шадрунольным переходом, оказывается равной

Р (Е2) = - (0.37-0.55) х Ю~3

%ля разных моделей нуклоно-пуклонного взаимодействия. В целом уклонный сектор вносит вклад:

Р.Г(М1+Е2) = - (1.0-1.4) х 10"Э

в зависимости от выбранной модели.

Далее рассматриваются различные поправки, могущие приводить к возникновению ЦП. В первую очередь,это касается неаддитивности магнитных моментов в дейтоне. Если соотнести, как это сделали Буриченко и Хриплович (1900), поправку к магнитному моменту до Ятона, обязанную наличию Б-волни, и поправку к ЦП, то получается неожиданно относительно большая величина:

р|2)(Ш) = 0.47 х Ю~3

для потенциала Рида с мягким кором (КЗС).

Более принципиальным является одновременное вычисление поправок к магнитному моменту дейтона и ЦП. В качестве основных вкладов выступают спин-орбитальное взаимодействие, релятивистские поправки порядка рл для взаимодействия протона с магнитным полем и однопиошшй обмен. Суммарная величина оказывается еще большей:

р|2)(М1) = 0.68 х 10~3.

' При этом поправка к магнитному моменту дейтона для потенциал? ЮС оказалась весьма большой: Лц=Я2х10"-5, что дало основание авторам счесть дашшй результат менг® надежным, чем вычисление поправок к ЦП через поправки к магнитному моменту дейтона. Таким образом, можно констатировать, что были выявлены новые, и весьма существенные, механизмы возникновения ЦП, хотя точность расчета еще невелика. Окончательный результат цитируемых авторов:

р|о1; - -1.1 х Ю-3.

Другой подход к проблеме возникновения Ш и информации, которую можно извлечь из ее экспериментального значения, продемонстрировали Грач и (Сматиков (1084, 1П87). Они обратили внимание на то, что привлечение данных о ЦП из реакции захвата поляризованного нойтрчша притоном может дать информацию о шосгикютркопых состояниях с квантовыми числами Л'"-! . Тпгскг» • они

>тметили преимущества данного процесса для анализа экзотических состояний в пр-системе по сравнения с исследованием формфакторов 1УКЛОНОВ при больших нередашшх импульсах. Именно: здесь нет юобходимости вводить в явном виде формфактор мешка, в меньшей :тепени влияют на точность расчета неопределенности в знании структуры мезошшх обменных токов.

Принципиально важно, что захват из тришютного состояния юзможен только за счет примеси В-волны в начальном и коночном состояниях в силу ортогональности волновых функций сплошного и дискретного спектров. Если жв волновая функция (¡ВФ) системы является суммой двух компонент, нуклонной и меш)совой, щзухнуклонные ВФ не обязаны быть ортогональны!®, и изменяется эклад нуклонного сектора в амплитуду радиационного захвата. )дновремешм возникает вклад излучения 6-кваркового мешка. Тараметром, определяющим магнитно-дипольное излучение при низких энергиях, является магнитный момент системы. Поэтому штонсивность, излучения кардинально зависит от величины магнитного момента кваркового мешка ц^..

Расчеты производились в предположении, что кварковая и ^yклoж^aя компоненты пространстветю разделены, то есть при расстояниях, больших некоторого г0, существует только нуюгонная <омпонента, при меньших - мешковая. Авторы провели вычисления для грех вариантов величины :

На = ^П-

о,

где Н^, - радиусы 6- и 3-кварковых конфигураций. Только в грэтьем, наименее вероятном варианте, удалось одновременно воспроизвести экспериментальные данные по ЦП и магнитному моменту цейтона. Только представленный в диссертации результат нового язморвния ЦП позволяет снять данную проблему.

В качество наиболее естественного обьлснения данного "гротиворочия авторы указали на две возможности. Порвал - боли о точный учет короткодействующих аффектов, п частности, мезошшх ^бмсчсшх токов. Вторая - ноортогоиялыюсть ВФ мешка и нуклонной

компоненты. Причем область перекрытия соответствующих волновых функций, по мнению авторов, не обязательно мала.

Итак, в ЦП вносят вклад различные эффективные степени свободы системи двух нуклонов. Различные теоретические схемы расчетов используют различные аффективные степени свободы, поэтому представляет интерес вопрос о том, какие схемы расчета наиболее удачно подходят для расчета этого параметра. Эта проблема возникает, в частности, из-за того, что ЦП существенным образом связана с вероятностью Б-состояния в дейтоне, которая относится к внутренним, ненаблюдаемым, степеня? свободы системы. В связи с этим, поправки к ЦП, вычисленной на основании расчетов вклада нуклонного сектора, оказываются относительно весьма большими. Амгар и Дешшнк (1992) рассмотрели вопрос о связи величин наблюдаемых и вычисленных с использованием различных потенциалов. Они показали, что различия в современных теоретических моделях взаимодействия нуклонов в существенной мере эквивалентны унитарному преобразованию, связывающему базисы, в которых данные модели определены. Они также сделали расчеты для различных параметров в дейтоне с учетом дашшх поправок и показали, что за счет данного преобразования можно объяснить, по крайней мере, половину разницы между результатами в Парижской и Боннской моделях. В следующей работе Дешюнка (1992) рассмотрен вопрос об измеримости вероятности с-состояния в дейтоне. Он представил аргументы в пользу того, что трудность теоретической фиксации Рп не является принципиальной, и предложил способ фиксации Рр на уровне Ъ% в Боннской модели. В этом случае при переходе к другим моделям одновременно пересчитывается как Р^. так и другие наблюдаемые величины. В диссертации сделана попытка сопоставить дашшй результат с результатами расчетов ЦП. Видно, что поправки к ЦП при переходе от одной модели к другой необязательно дс-шм быть столь велики, как это получалось для ГБС потенциала. На основании этого можно надеяться, что при расчете ЦП в гчмках указанных моделей надежность теоретического расчета будет выые, чем для ПЛС.

В зпгслачитольной чьг.т'Л главы анализируется надежность

расчета основных вкладов в ЦП. Отмечено, что ужо при достигнутом уровне экспериментальной и теоретической точности ЦП накладавпет весьма жесткие ограничения на любые ненуклошше степени свобода, дающие вклад в оператор магнитного момента системы двух нуклонов. Например, даже 10-15% отклонение магнитного момента 6-кваркового мешка от алгебраической суммы магнитных моментов нуклонов приводит к катастрофическому рассогласовании мевду расчетом и экспериментом для ЦП. Относительная чувствительность ЦП к таким эффектам при этом гораздо выше (десятки процентов), чем в значении магнитного момента дейтона (несколько процентов).

В третьей главе представлена экспериментальная методика измерения циркулярной поляризации гамма-квантов на вертикальном канале холодных поляризованных нейтронов реактора ВВР-М.

Поток нейтронов на выходе канала составлял 3x1010 н/с при полном сечении пучка 120x40 мм2. Длина волны, соответствующая

максимуму интенсивности, равна х=4.2 А. Усредненная по спектру поляризация нейтронов (79±1)%. Для реверса поляризации использовался радиочастотный спин-флиппер, обеспечивавший переворот спинов всех нейтронов независимо от длины волны.

В эксперименте анализировалась ЦП 7-квантов, излучаемых из мишени в направлениях "по" и "против" спина падающих нейтронов. Поляриметры, коллиматоры и детекторы 7-квантов располагались в горизонтальной плоскости по обе стороны от мишени.

Мишенью служил твердый параводород с относительным содержанием ортофазы не более 0.1%. Применение парэводорода позволило полностью избежать деполяризации нейтронов в мрчони и в полной мере использовать пучок ввиду отсутствия на молекулах параподореда некогерентного рассеяния. Охлаждение водорода осуществлялось жидким гелием, который поступал к водородному сосуду по трубке самотеком из промежуточного бака емкостью 10л. Свободный обьем сосуда, заполняемый водородом составлял «1200 см . Для уменьшения фона 7-кпантов от (п.7)-реакций на конструкциошшх материалах установки рассеянные водородом мишени нейтроны пог.гощ.члисъ специальной защитой,которая размещалось в водородном обьеме и представляла собой полый "стакан" из металлического

ллтия 6L1 толщиной 2,5 мм. Тем самым формировалась "рабочая" область водородного обьема с размерами в сечении 109«41 мм^. Толщина мишени вдоль пучка нейтронов составляла «196 мм.

Измерение циркулярной поляризации 7-квантов основано на зависимости от их поляризации сечения комптоновского рассеяния на поляризованных электронах, которые имеются в намагниченном (1<|р{юм£)гнетике. При этом коммутируется поляризация нейтронов, падающих на мишень, и, следовательно, поляризация излучаемых в определенном направлении 7-квантов из реакции радиационного захвата. Измерялся экспериментальный эффект:

N* - N"

N+ + N~ •

где М - счет детектора 7-квантов при противоположной поляризации падающих не мишень нейтронов.

Циркулярная поляризация анализируемых 7-квантов Р^ связана с измеряемой величиной ö через величину б, характеризующую эффективность поляриметра и зависящую от индукции поглотителя (доли поляризованных электронов), энергии 7-квантов и геометрии опыта: 0 = е * Р^. Эффективность поляриметров определялась расчетным путем. В настоящей работа использовались поляриметры, конструкция которых обеспечивала большую определенность в знании конфигурации магнитных полей поглотителя. Полученная расчетным путем эффективность поляриметров для 7-квантов с анергией 2,23 МэВ оказалась равной б=(3.93 t 0,30)« I0"*2.

Детекторами служили кристаллы Nal(TI) 150«100 мм с Фотоумножителями ФЭУ-49Б. Энергетическое разрешение детекторов по ^°Со составляло 1035. Использованная в работе спектрометрическая система позволила работать с входными загрузками до 4«10^ с~Ч Сигнал с. анода ФЭУ подавался на быстрый токовый предусилитель, который обеспечивал передачу сигнала от физической установки но . удаленную из экспериментального зала электронную часть установки, выполненную в стандарте САМАС. При разработке системы особое внимание было уделено достижению максимальной пропускной способности. Требования к энергетическому разрешению были емнгчшш удовлетворительными фоновыми условиями в области

фотопика реакции и отсутствием интенсивных близких линий. Постановка эксперимента в близких к предельным для Nal(?)) спектрометрии загрузоч!шх условиях потребовала проведения тестирования системы на просчеты и искажение спектра из-за наложений сигналов. Искажения спектра при наложениях изучались по "расплывсшпо" в спектре узкого пика от генератора точной амплитуда, импульсы которого вводились в статистический поток. Просчеты определялись по разнице в числе событий, зарегистрированных на выходе дифференциальных дискриминаторов, с добавлением импульсов генератора и без них. Измерения проводились с загрузкой '¿3.5«10^ с-1 „ при которой просчеты составляли 10% в фотопике и «20% в "верхней" часта комптоновского спектра. Наложения при данной загрузке не приводят к существенному изменению соотношения сигнал/фон в рабочих областях спектра.

Управление экспериментом осуществлялось с помощью ЭВМ "Электроника-60", параллельно с которой для сбора и обработки данных использовались ЭВМ СМ-4 и IBM PC/AT.

Ди№фенциальные дискриминаторы вырезали участки спектра 7-кваятов: комптоновскую область перед пиком полного поглощенгля, пик полного поглощения и область фона непосре детве нно за ¡гам. Дифференциальные дискриминаторы управляли работой АЦП. что позволяло наблюдать различные части спектра и контролировать работу дискриминаторов.

Отсутствие приборной асимметрии проверялось в контрольном опыте с деполяризованным пучком нейтронов. Основные и контрольные измерения чередовались. Деполяризация осуществлялась с помощъп железного шиш толщиной 0,5 мм, который помещался между флиппером и экспериментальной установкой.

Экспериментальный эффект С определялся в трех участках спектра: в комлтоновской часта спектра перед фотопиком, п области пика полного поглощения 7-квантов с энергией 2,23 МэВ и п области, соответствующей 7-кпзтггам с большей энергией.

Фон и просчеты электроники уменьшают измеряемый лф^кт, попточу нрл определении истинного зф&жтя в крздом участке спектра д.доп вводиться оотвотстпувдя поправка. «Тля определения фони

изучались спектры с закрытым пучком, с открытым пучком без мишени, с пучком и мишенью, не заполненной водородом. Было найдено отношение интенсивностей фоновых событий в интересующих нас участках: Х^-:Х2:13 = 2,1:1,45:1,0. Используя это соотношение при измерениях с водородной мшганьп, фон в первых двух участках спектра определялся по счету в последней его части.

В таблице 9 приведет суммарные по двум каналам результаты 15-ти гругю измерений с поляризованным пучком. Группы совпадают с циклами работы реактора, и фоновые условия для измерений внутри группы меняются незначительно. Статистическая точность, получаемая в каждом цикле, определялась временем измерения с поляризованным и деполяризованным пучком.

В участках 1 и 2 спектра экспериментальный эффект был надежно зарегистрирован. В области спектра за фотопиком был накоплен эффект противоположного знака. Анализ 7-спектров с водородной мишенью, с мишенью не' заполненной водородом, с рассеивателем из чистого углерода показывает, что наиболее вероятной причиной эффекта, измеренного в третьем участке спектра, является вклад -у-квантов из реакции 207РЬ(п,7)208РЬ. Рассеянные на воздухе, на водороде мишени и вб окнах вакуумного кожуха поляризованные нейтроны могут захватываться ядрами свинца коллиматоров и защиты. 7-кваяты из такой реакции, имещие положительную циркулярную поляризацию, могут генерировать наблюдаемый на фоне эффект, попадая в детектор чероз поляриметр.

В столбцах 1 и 2 таблицы э приведены т.н. истинные значения эффектов, измеренных в соответствующих участках спектра ).

Они получены в группах измерений из экспериментальных значений О, 2 с Учетом фона и просчетов электроники. Эксперимент проводился в условиях постоянных входных загрузок, и поправки на просчеты были одинаковыми в течение всего времени измерений и составляли: т^ = 1,2; т]^ = 1,1; т)3 = 1.

Внутри групп по результатам отдельных измерений строились гистограммы для проверки на нормальность распределения. Суммарные результаты приведены в нижней части таблицы. В последней строке приведены значения (N-1), полученные при проверке на

совместимость результатов согласия х2-

-17-отдольных

Таблица 3

груш с помощью критерия

NN

групп

Л^С^О5

ист

«10^

1 -3,08+2,66 - 4,40+2,68 4,19+6.74

2 -0,22±2,11 - 3,36+1,85 - 3.15+4,78

3 -4,02±2,10 - б,90±2,38 12,1018,99

4 -2,0512,45 - 1,24+2,44 12.40+7,18

5 -3,72+1,88 - 0,98+2,67 9,4115,12

б -1,72+3,66 -10,82+3,54 1.0211 г, 42

7 -5,67 ±2,76 -I0.19t2.78 - 0,63+6,14

8 -2,84*1,93 - 6.26+1,95 3,88+4,28

9 -7.95i3.95 -10,41+4,13 10,26+10,02

10 -2,08*3,88 0,61±3,37 - 4,77 + 10,61

11 -3,58+2,61 - 1,83+1,99 4,62+4,18

12 -7,23+2,53 - 6,64+2,12 - 5,67+4,63

13 - 4,85+2,06 12,9213,02

и - 5,97+2,42 8,35+4,62

15 - 3,96+2,67 10,56+5,49 _

2 -3,45+0,72 - 4,77+0,76 5,82+1,67

0,67

1.47

1,49

Для расчета циркулярной поляризации Р^ использовалось только значение С, полученное в области пика полного поглощения:

.ист

( - 4,77 + 0,76 + 0,53 ) « Ю

г5

где первая и вторая - внешняя и внутренняя ошибки, соответственно.

Эффект, наблюдаемый в комптоновысой части спектра, но учитывался при расчете Г^ из-за большой неопределенности величикн

3

эффективности поляриметра и фона в этом участке. Основные измерения чередовались с измерениями на деполяризованном пучке нейтронов. Здесь также проводилась обработка результатов на нормальность. Критерий согласия результатов групп измерений показал их статистическую совместимость. Результаты этих измерений:

б™» = < 0,64 ± 0,79 )*10"5. х^ОМН.вЗ.

сшим = ( 1>10 ! 0,70 )*10~5, х2/^-1 Н.24.

б^1 = ( 2,98 * 1,78 )«10-5, ^/(Л-П^БО. В качестве ошибок приведены средр&квадратичные отклонения по группам измерений, совпадающим с кампаниями работы реактора. Контрольные опыты показывают отсутствие ложного эффекта на достигнутом уровне точности.

Для получения величины Р^ следует учитывать как поляризационную эффективность поляриметра, так и поляризации нейтронного пучка Рп:

Р7= Б»е-1«Р~1. .

Поляризационная эффективность была рассчитана по методу прямого моделирования для реальной геометрии эксперимента и Еу=2.23МэВ и 7,ЗТМэВ. При Зтом использовалась программа моделирования электромагнитных каскадов в веществе- БШЕХ, модифицированная для нашей задачи. Полученные расчетом значения поляризационной эффективности следующие:

ет6ор>(2„23 МзВ) = ( 3,93 1 0,30 )»10~2,

етеор>(7,37 МзВ) - ( 3.90 4 0,50 )»10~2.

Приведешше погрешности характеризуют статистическую точность, определяемую числом разыгранных событий. Оценка относительной суммарной погрешности для расчетных величин ете0р составляет «15% с учетом неопределенностей в геометрии установки.

Правильность расчетов проверялась в опыте со свинцовой мишенью. Гамма-кванты с Е^=7,37МэВ из реакции 207РЬ(п,7)208РЬ с поляризованными нейтронами имеют 100%-ную положительную циркулярную поляризацию (чистый М1-переход). Экспериментальное

значение О, измеренное в области пика полного поглощения Е^=7,37 МэВ, с поправкой на поляризация пучка и фон оказалось равным:

0(7,37 МэВ) = ( 4,0 ♦ 0,2 МО-"', что удовлетворительно совпадает с теоретическим значением поляризационной эффективности етоор (7,37 МеУ). На этом основа;ши сделан вывод, что эффективность поляриметра для Еу=2,23 МэВ также совпадает с теоретической величиной в пределах точности расчета + 15%.

Полученная в результате работы величина ЦП 7-квантов из реакции пр+сЗу на поляризованных нейтронах оказалась равной:

РТ = ЬТ' Етеор* рп = '-1-5 * °-3> "10"3- ■

Здесь погрешности входящих в формулу величин учтены квадратично.

В четвертой главе представлена экспериментальная методика анализа искажения спектров и просчетов для гамма - спектрометрии в условиях высоких загрузок. Исследования данной проблемы стали актуальны при работе на вертикальном канале холодных поляризованных нейтронов реактора ВВР-М им. Б.П.Константинова. Рекордная интенсивность пучка нейтронов позволяла, в частности, в геометрии эксперимента по измерению ЦП достигнуть скорости счета до 2x105 в пике полного поглощения гамма-квантов. При этом возникло, по крайней мере, две проблемы. Просчеты спектрометра приводят к непосредственному уменьшению измеряемого эффекта С. Наложения сигналов приводят к искажению спектров и попаданию сигналов из низкоэнаргетической часта спектра в область пик» полного поглощения. Автором разработана методика.пополяющая учесть оба фактора и выбрать оптимальные условия проведения экспериментов.

В первой части главы представлен анализ наложения импульсов 1-го и более высоких порядков. Проведен анализ общих закономерностей формы спектра наложений двух сигналов фиксированной амплитуда ("монолиний") и "плоского" спектра". Первый случай подобен искажегшю пиков полного поглощения, второй - искяжешш спектров фоновых сигналов.

Продставлен анализ вероятностей наложения сигналов Пуассоновских штоков. Показано, что наложения приводят как к уменьшения плотности вероятности в выбранной области спектра, так и увеличению данной плотности вероятности:

пок=пТк,С}ГЬк,

где пок - наблюдаемый спектр, п^ - истинный спектр, С^ -увеличение плотности вероятности в канале к, Ь^ - уменьшение плотности вероятности. В силу того, что для величины искажения амплитуды не важно, предшествовал или следовал за выбранным импульсом другой импульс, вероятность наложений равна удвоенной вероятности рп(ц,1):

рналоаГ * 2 ^

где ц - средняя скорость счета, г - временной интервал. Если

время меэду импульсами меньше, чем разрешающее время системы, это

приводит к просчетам.

Для анализа таких ситуаций используется метод введения тестовых импульсов в статистический поток. Данный метод использовался, в основном, для определения просчетов. Детали этого метода представлены в следующей части главы. Были проведаны измерения просчетов в спектрометрической системе, использованной для измерения ЦП. Показано, что просчеты могли достигать 4056 в области комптоновского спектра.

В третьей части главы описано применение и развитие метода электронного пика для изучения искажений спектров; Проанализированы недостатки использовавшейся для этих целей итерационной процедуры восстановления из наблюдаемого спектра (по1с) истинного В качестве .альтернативного подхода

предложены описание искажений спектров стохастическими матрицами и способ измерения параметров атих матриц. Матрица Р с неотрицательными элементами называется стохастической, если сумма ее ¡элементов по каждой из строк (или столбцов) равна 1, что соответствует ■ сохранении вероятности. Такио матрицы широко применяются в Марковском анализе систем, и их свойства хорошо изучены Для анализа искажений спектров зтот аппарат применен. по-видимому, впервые. Изучаемой системой в данном случае является

амплитудный спектр, разложенный дискрегазатором (АЦП, аналого-цифровым преобразователем) по базису узких спектральных участков, "монолиниЯ". Целью Марковского анализа является определение матрицы F такой, что

nok=p "Tk-

Для определения матрицы переходов F импульсы от генератора точной амплитуды смешивались со статистическим потоком. В отсутствие наложений такие импульсы генерируют на выходе системы монолинии С(ЕгЕ]с), которая при высоких загрузках преобразуется в спектр F(E-Efc)» который регистрируется АЦП под управлением самого генератора . Такой способ измерений позволяет' выбирать импульсы генератора из статистического потока. Совокупность таких спектров дает искомую матрицу F.

Точность восстановления исходного спектра п^ из измеренного noJc с помощью матрицы F определяется значениями ?^ главной диагонали. В частности, для устойчивого восстановления итерационным способом необходимо:

? . ..> 2 Р. .,

OJ ю

что означает принципиальную восстановимость спектров вплоть до вероятности наложений 50%.

Распространение ошибок определяется числом обусловленности матрицы F:

Т(?)= IP: х :F~1:. IF! - норма матрицы, с ошибкой восстановления

A!nok:=!P(F) A!nTki, где ДI!, Alrv^l - ошибки по норме.

Наложения приводят к увеличению числа обусловленности T(F). Матрица Р исследовалась в широком диапазоне скоростей счета. В результате были выбраны условия проведения эксперимента по измерению ЦП гамма- квантов, при которых искажения спектров но вносили существенного влияния в суммарную ошибку определения 0.

В заключение главы рассмотрены области расширения сфры применимости идей Марковского анализа.

-22В заключении сформулированы основные результаты работы.

Материалы. представленные в диссертации,

опубликованы в работах:

1. А.Н.Баженов, В.И.Медведев, А.Н.Пирожков //Препринт ЛИЯФ-1717, Л., 1991, 23 стр.

2. А.К.Баженов, В.И.Медведев, А.Н.Пирожков //Приборы и техник« эксперимента, 48, 1992, 63.

3. А.Н.Баженов, Л.А.Григорьева, В.В.Иванов, Э.А.Коломенский, В.М.Лобашов, В.А.Назаренко, А.Н.Пирожков, О.В.Соболев, //Препринп

ПИЯФ-1773, С-Петербург, 1992, 28 стр.

4. A. Bazbenov, L. Grlgor'eva, 7. Ivanov, Е. Kolomenski, V. Lobastiev, V. Nazarenko, A. Plrozhkov, Yu. Sobolev, //Phya. Lett., B289, 1992, 17.

5. A. Bazhonov, V. bobashev, A. Plrozhkov, V. Slusar', //Nucl. I3tr. and Meth. A332, 1993, 534.

6. A. Bazhenov, V. Ivanov, //Nucl. Istr. and Meth, A332, 1993, 537

Отпечатано в типографии Г111ЯФ Чах.4Х0,ти1).100,уч.-и1д.л.1; Il/X-I995r.

Ьсчплтно