Разработка криогенных мишеней для работы с тяжелыми изотопами водорода и экспериментальное исследование процессов мюонного катализа ядерных реакций синтеза при температурах 6-30 К тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Разработка твердо-дейтериевой мишени (ТДМ)

1.1 Требования к мишени

1.2 Ампула ТДМ

1.3 Система охлаждения ТДМ

1.4 Термометрия и термостатирование ТДМ

1.5 Система газообеспечения ТДМ

1.6 Операции и режимы работы ТДМ

1.7 Результаты эксплуатации ТДМ

Глава 2. Разработка жидко-тритиевой мишени (ЖТМ)

2.1 Требования к мишени

2.2 Конструкция ЖТМ

2.3 Система измерения давления ЖТМ

2.4 Система охлаждения ЖТМ

2.5 Особенности вакуумной системы ЖТМ

2.6 Термометрия и термостатирование ЖТМ

2.7 Операции и режимы работы ЖТМ

2.8 Обеспечение радиационной безопасности

2.9 Результаты эксплуатации ЖТМ

Глава 3. Измерение спиновой и температурной зависимости скорости образования сМ/х молекулы в твердом и жидком дейтерии

3.1 Физическое обоснование эксперимента "

3.2 Описание экспериментальной установки

3.3 Методика эксперимента

3.4 Результаты эксперимента с ТДМ

Глава 4. Прямое измерение эффективного коэффициента прилипания и множественности нейтронов в серии мюонного катализа (МК) в жидкой двойной смеси D/T в зависимости от концентрации изотопов

4.1 Физическое обоснование эксперимента

4.2 Описание экспериментальной установки

4.3 Методика эксперимента

4.4 Результаты эксперимента с ЖТМ

После открытия в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ в 1966 г. явления резонансного образования мюонных молекул dd/i и высокой эффективности мю-катализа в системе dt¡i (1979) многие лаборатории мира, имеющие ускорители протонов промежуточных энергий, ПИЯФ (Россия), LAMPF (США), PSI (Швейцария), RAL (Великобритания), TRIUMF (Канада) проводили исследования по проблеме мю-онного катализа (МК). В настоящее время особенно интенсивно они идут в КЕК (Япония), RIKEN-RAL (Великобритания). МК выделился как независимое направление, имеющее много приложений в ядерной физике и физике слабых взаимодействий.

Основу диссертации составил цикл работ, выполненных автором в течение 1993-98 годов [1, 2, 3, 4]. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты диссертации можно суммировать следующим образом:

1. Для обеспечения экспериментов по мюонному катализу ядерных реакций синтеза разработана и с оздана надежная компактная твердо-дейтериевая мишень объемом 280 см3, которая позволяла работать как с твердым, так и с жидким дейтерием. Медный кондуктор из 500 проволочек обеспечил градиент температуры внутри ампулы мишени не более 0,1 К. Система термостабилизации мишени поддерживала стабильную температуру жидкого и твердого дейтерия с точностью ± 0,3 К. Мишень позволила провести измерения ядерно-физических параметров реакций мюонного катализа в чистом дейтерии в диапазоне температур 5, 5 + 30 К.

2. На установке с ТДМ впервые выполнено систематическое исследование скоростей образования мезомолекул с1с1ц из различных спиновых состояний сверхтонкой структуры мезоатома .Р — 3/2, Р = 1/2 (Аз/2, Ах/2 соответственно) и скорости перехода А а мезоатома дейтерия между уровнями сверхтонкой структуры в твердом и жидком дейтерии в диапазоне температур 5, 5 + 30 К.

Полученные результаты (для твердого дейтерия) на порядок превышают теоретические предсказания скорости образования мезомоле-кулы дейтерия А3/2.

3. Для обеспечения экспериментов по мюонному катализу ядерных реакций синтеза разработана и создана безопасная компактная жидко-тритиевая мишень объемом 30 см3, которая позволяла работать с жидкими смесями изотопов водорода (Н, D, Т). Двухуровневая система радиационной безопасности допускала работу при активности трития внутри мишени до 10 кКи. Система термостабилизации мишени поддерживала стабильную температуру жидкой смеси с точностью ± 0,1 К внутри мишени. Мишень позволила провести измерения физических параметров реакций мюонного катализа в смеси изотопов водорода при температуре 20 Ч- 40 К.

4. На установке с ЖТМ впервые выполнен эксперимент по прямому измерению коэффициента эффективных потерь мюонов и скорости цикла мюонного катализа с образованием dtß молекул в жидкой дейтерий-тритиевой смеси. Измерены Ас и эффективный коэффициент потерь мюонов в цикле w при различных концентрациях изотопов в молекулярно-равновесной жидкой смеси дейтерия и трития при температуре 22 К в диапазоне тритиевых концентраций 19 -Ь 88%.

Следует отметить, что систематические измерения скорости образования мезомолекул дейтерия в широком диапазоне температур твердого дейтерия выполнены впервые, при этом в одном эксперименте (с применением ТДМ) проведены измерения в твердом и жидком дейтерии, которые не выявили зависимости скорости образования мезомолекул ы дейтерия от агрегатного состояния дейтерия. Впервые выполнены прямые независимые измерения коэффициента потерь мюонов и скорости цикла МК в жидкой равновесной по молекулярному составу D/T смеси (с применением ЖТМ) в широком диапазоне концентраций трития.

Экспериментальные исследования по проблеме МК в чистом дейтерии и в дейтерий-тритиевой смеси выполнены в соответствии с научными планами работ ЛЯП ОИЯИ. Проведенные исследования поставили новые задачи и открыли новые возможности в решении проблем мюонного катализа.

Дальнейшее изучение экзотических эффектов МК в широком диапазоне температур, плотностей и концентраций изотопов водорода поможет найти подход к решению фундаментальных проблем теории трехтельных систем с кулоновским взаимодействием, более точно определить уровни энергии мюонных молекул и объяснить механизмы их образования.

Автор выражает благодарность за сотрудничество всем соавторам, особенно В.ПДжелепову, В.Г.Зинову, А Д.Конину, А.И.Руденко, В.В.Фильченкову, Е.П.Красноперову, Ю.А.Сорокиной, В.А.Уткину, А.А.Юхимчуку, а также, А.П.Кустову, М.М.Петровскому, Л.И.Пономареву и И.А.Ютландову.

Заключение

1. D.L.Demin, V.P.Dzhelepov, N.N.Grafov, V.G.Grebinnik,

2. A.D.Konin, A.I.Rudenko, Yu.A.Sorokiria, Yu.G.Zhestkov, V.G.Zinov,

3. Solid deuterium target, Hyperfine Interactions 101/102(1996)583-589; Preprint JINR P13-95-179, Dubna, 1995.

4. H.H.Графов, В.Г.Гребинник, Д.Л.Демин, В.П.Джелепов,

5. B.Г.Зинов, С.В.Медведь, В.И.Пряничников, В.А.Уткин, Жид-котритпиевая мишень, ПТЭ 1(1999)21-27; Hyperfine Interactions 119(1999)349-351; Препринт ОИЯИ Р13-97-243, Дубна, 1997.

6. A.A.Yukhimchuk, V.G.Zinov, S.V.Zlatoustovskii, Novel method for MCF study in a dense D/T mixture, first experimental results, Hy-perfine Interactions 118(1999)111-119; Preprint JINR E15-98-337, Dubna, 1998.

7. V.V.Filchenkov, L.Marczis, The possibilities of the experimental investigations of the spin effects in the ddji molecule formation at the deuterium pressure 1.5 kbar: First results, Muon Cat. Fusion 5/6(1990/91)499-504.

8. Л.И.Меньшиков, Л.И.Пономарев, Т.А.Стриж, М.П.Файфман, Резонансное образование мезомолекул ddfi, ЖЭТФ 92, Вып.4(1987) 1173-1187; Sov. Pliys. JETP 65(1987)656.

9. M.P.Faifman, The resonant formation of ddfi and dtfi mesic molecules, Muon Cat. Fusion 2(1988)247-260; M.P.Faifman, L.I.Menshikov, T.A.Strizh, Calculation of the mesic molecular resonant formation rates, Muon Cat. Fusion 4(1989)1-30.

10. A.Adamczak, V.S.Melezhik, Cross sections of processes p/j, + d\i+D2 andtfi+T2, Muon Cat. Fusion 5/6(1990/91)65-72; A.Scrinzi,

11. Calculating resonant molecular formation matrix elements, Muon Cat. Fusion 5/6(1990/91)179-184; A. Scrinzi, P. Kammel, J. Zmeskal et al., Muon-catalyzed dd fusion between 25 and 150 K: Theoretical analysis, Phys. Rev. A 47(1993)4691-4704.

12. N.Nagele, W.H.Breunlich, M.Cargnelli et al., Experimental investigation of muon-induced fusion in liquid deuterium, Nucl. Phys. A 493(1989)397-411.

13. P.E.Knowles, J.M.Bailey, G.A.Beer et al., Muon-catalyzed fusion in deuterium at 3 K, Hyperfine Interactions 101/102(1996)21-28; P.E.Knowles, G.A.Beer, G.R.Mason et al., Muon-catalyzed fusion in 3 K solid deuterium,, Phys. Rev. A 56(1997)1970-1982.

14. V. V.Filchenkov, Kinetics of the MCF process in deuterium at the lowest temperatures, Hyperfine Interactions 101/102(1996)37-45.

15. L.I.Menshikov and V.V.Filchenkov, B,esonant dd/i-molecule formation in solid deuterium, Hyperfine Interactions 101/102(1996)207-214; C.L.Gurin, L. I. Menshikov, Mesic molecule formation in solid deuterium, Hyperfine Interactions 118(1999)147-149.

16. E.A.Armour, J.Bradbury, J.Cohen et al., Panel discussion, Hyperfine Interactions 101/102(1996)699-705.

17. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, З.В.Ершова и др., Экспериментальное обнаружение и исследование мюонного катализа ядерной реакции синтеза (d + t), Phys. Lett. В 94, No.4(1980)476-479; Письма ЖЭТФ 31, Вып.4(1980)249-253; ЖЭТФ 80(1981)1700-1714.

18. W.H.Breunlich, M.Cargneili, P.Kammel et al., Recent results of MCF experiments at SIN, Muon Cat. Fusion 1(1987)67-88; Muon-catalyzed D-T fusion at low temperature Phys. Rev. Lett. 58, No.4(1987)329-332.

19. D.L.Demin, V.I.Pryanichnikov, Cryogenic reactor for the INS project, Hyperfine Interactions 119(1999)345-347; Preprint JINR E3-98-80, Dubna, 1998.

20. Yu.V.Petrov and E.G.Sakhnovsky, On a 14 MeV neutron source based on MCF for fusion material research, Hyperfine Interactions 101/102(1996)647-654.

21. N.Kawamura, K.Nagamine, T.Matsuzaki et al., He accumulation effect in solid and liquid D/T mixture, Hyperfine Interactions 118(1999)213-215.

22. K.Nagamine, T.Matsuzaki, K.Ishida et al., Implications of the recent D-T MCF experiments at RIKEN-RAL and near future directions, Hyperfine Interactions 119(1999)273-280.

23. T.Matsuzaki, частное сообщение.

24. K.Ishida, K.Nagamine, T.Matsuzaki et al., Measurement of X-rays from muon to alpha sticking and fusion neutrons in solid/liquid D

25. T mixtures of high tritium concentrations, Hyperfine Interactions 118(1999)203-208.

26. V.G.Zinov, Time distribution of the multicycle catalyzed events, Muon Cat. Fusion 7(1992)419-422.

27. V. V.Filchenkov, Novel approach to the determination of muon sticking to helium in the MCF reactions, Muon Cat. Fusion 7(1992)409-413.

28. Ю.В.Городков, Г.П.Елисеев, Мишень с твердым водородом, ПТЭ 1(1976)20-22.

29. А.В.Арефьев, Д.А.Сучков, Мишень с твердым дейтерием, ПТЭ 1(1976)22-23.

30. А.Г.Зельдович, Н.Н.Агапов и др., Криогенные устройства и приборы в ядерной физике, М., Энергоатомиздат, 1982.

31. V.A.Stolupin, Targets and gas systems for investigation of fi-atomic and ¡i-molecular processes in hydrogen, Nucleonica 40, No.2(1995)65-84.

32. М.П.Малков и др., Справочник по физико-техническим основам криогеники, М., Энергоатомиздат, 1985.

33. Д.Л.Демин, Неидеалъностъ газа гелия-4, Направлено на Первую Открытую Научную Конференцию УНЦ ОИЯИ, Дубна, 24-26 февраля 1997; Препринт ОИЯИ Р8-97-74, Дубна, 1997.

34. A.J.Caffrey, S.E.Jones, K.D.Watts, Bull. Am. Soc. 28(1983)646.

35. В.М.Быстрицкий, Я.Возняк, А.Гула и др., Жидкотритиевая мишень с вариацией температуры в диапазоне 20, 6 < Т < 40 К, ПТЭ 1(1985)46-47.

36. Л.Б.Голованов, Криогенные мишени внутри стрнмерных камер и обеспечение мишеней криогенными жидкостями, ЭЧАЯ 8, Вып.5 (1977) 1155-1182.

37. В.Г.Гребинник, Д.Л.Демин, В.Г.Зинов и др., Тепловой эффект растворения водорода и дейтерия, Препринт ОИЯИ Р8-97-7, Дубна, 1997; Тепловой эффект взаимного растворения жидких водорода и дейтерия, Препринт ОИЯИ Р8-99-179, Дубна, 1999.

38. В.Г.Зинов, Е.Лонцки, А.И.Руденко, Многоимпульсная система п — 7 разделения на основе параллельного аналого-цифрового преобразователя, ПТЭ 1(1991)91-93.

39. C.Petitjean, D.V.Balin, W.H.Breunlich et al., Muon catalyzed fusion in deuterium gas, Hyperfine Interactions 118(1999)127-133.

40. A.Adamchak, Thermalization of muonic hydrogen in hydrogen targets, Hyperfine Interactions 101/102(1996)113-124.

41. Д.Дэвис, Частное сообщение.

42. D.L.Demin, V.P.Dzhelepov, V.V.Filchenkov et al., Novel experimental method for the investigation of multiple muon catalysis processes in an H/D/T mixture, Hyperfine Interactions 101/102(1996)591-597.

43. А.Д.Конин, Быстрые многопроволочные пропорциональные камеры для малофонового выделения остановок мюонов в жидко-тритиевой мишени, Препринт ОИЯИ, Р-13-82-634, Дубна, 1982.

44. В.Г.Зинов, А.И.Руденко, В.Т.Сидоров, Триггерное устройство на основе программируемой логической матрицы (FPGA) для исследований мю-катализа, ПТЭ 3(1998)38-42; Препринт ОИЯИ, Р13-96-439, Дубна, 1996.

45. C.Petitjean, Progress in muon catalyzed fusion, Nuclear Physics A 543(1992)79c.