Введение к работе
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию j-атомных и мю-молекулярных процессов , происходящих в смесях изотопов ідорода, а также разработке и созданию экспериментального комплекса, іедназначенного для проведения данных исследований. Диссертация :лючает в себя работы, выполненные в Лаборатории ядерных проблем ІЯИ.
Актуальность работы
Исследование мю-атомных (МА) и мю-молекулярных (ММ) процессов, а ікже ядерных реакций синтеза в "холодном" водороде представляет імостоятельньїй раздел физики экзотических атомов. Интерес к изучению ой области явлений связан со следующими обстоятельствами. Во-первых, і- и ММ-процессы в веществе существенным образом определяют )фективность мюонного катализа реакций ядерного синтеза в мюонных ілекулах (mCF) и последующие стадии захвата отрицательных мюонов фами изотопов водорода. Во-вторых, анализ временных и энергетических определений продуктов реакций ядерного синтеза в мюонных молекулах ізволяет получить информацию как о характеристиках сильного аимодействия между ядрами изотопов водорода в области энергий, [изких к нулю, так и об энергии уровней мюонных молекул, в-третьих, следование рентгеновского излучения мю-атомов дает информацию не ілько о структуре ядра, но и о величине лэмбовского сдвига уровней іергии мю-атомов, что является тестом по проверке методов квантовой іектродинамики.
С теоретической точки зрения интерес к изучению всех стадий юнного катализа обусловлен тем обстоятельством, что в столкновениях )-атомов с ядрами изотопов водорода в чистом виде реализуется антово-механическая задача трех тел, взаимодействующих по закону лона.
К настоящему времени резко возрос интерес к всестороннему следованию всех стадий мю-катализа в смесях изотопов водорода, т.к. гласно последним результатам открывается вполне реальная возможность іактического использования этого явления для производства энергии.
Цель работы
1) Разработка и создание экспериментального комплекса для следования МА- и ММ-процессов в смесях изотопов водорода при влениях до 1500 ат и в интервале температур 20,4 К s Т з 1050 К;
-
Создание методик для проведения такого рода исследований;
-
Экспериментальное исследование явления перезарядки рд- и атомов на ядрах *Не;
-
Исследование процесса рассеяния рд-атомов в водороде;
5) Детальное рассмотрение кинетики МА- и ММ-процессов как
однокомпонентной среде (D ; Т ), так и в смесях изотопов водород:
гелия;
6) Оптимизация и планирование экспериментов по измере
характеристик МА- и ММ-процессов в чистом тритии и в смесях изото
водорода и гелия.
7) Создание комплекса программ для вычисления методом Монте-Ка
эффективностей регистрации нейтронов и электронов в эксперимента]
мюонами.
Научная новизна
1. Экспериментально обнаружено новое явление молекуляр
перезарядки рд-атомов на ядрах Не. Измерены основные характерист
процесса перехвата мюонов от рд- и <1д-атомов, находящихся в основ
состоянии, к ядрам 4Не.
-
впервые получены экспериментальные оценки скоростей перехв; мюонов от рд-атомов , находящихся в возбужденном состоянии, к яд 4Не.
-
выполнен эксперимент по измерению сечения рассеяния рд-атої в водороде, результат которого позволил устранить существовавшее раї различие между экспериментальными значениями данной величи; полученными в оияи и ЦЕРНе.
-
впервые выполнен общий анализ цепи последовательных цик. мюонного катализа ядерных реакций синтеза изотопов водорода как однокомпонентной среде (D ; Т ), так и в смесях изотопов водороде гелия.
-
впервые расчетным путем с помощью метода Монте-Карло полу1 полный набор характеристик нейтронных детекторов с большим обьеі жидкого сцинтиллятора.
-
Впервые в области высоких давлений и температур вьіполні исследования взаимодействия изотопов водорода с различными cтaлям^ жаропрочными сплавами.
7. впервые в экстремальных условиях исследовано влияі
"защитных" покрытий на проникновение водорода через стенки мишени.
Научная и практическая ценность
Результаты эксперимента по исследованию процесса перехвата мюонов it мю-атомов водорода к ядрам Не существенным образом изменили іредставление о механизме протекания данного процесса - обнаружено твое явление молекулярной перезарядки мю-атомов изотопов водорода в )сновном состоянии на ядрах Не.
Формулы кинетики, полученные в общем виде при рассмотрении цепи юследовательных циклов мюонного катализа ядерных реакций синтеза в ^покомпонентной среде (D ; Т ) и в смесях изотопов водорода и гелия, ]ироко используются для обработки экспериментальных данных с целью іднозначного определения характеристик ма- и ММ-процессов.
На основании анализа полученных формул предложены методы шределения параметров МА- и ММ-процессов в чистом тритии и в смесях ізотопов водорода и гелия.
Полученные расчетным путем характеристики нейтронных детекторов с їольшим объемом жидкого сцинтиллятора NE-213 свидетельствуют о том, іто такого типа детекторы могут эффективно использоваться не только іля исследования МА- и ММ-процессов, но и для изучения редких іроцессов .
Разработанная и созданная установка для получения водорода [дейтерия) особой чистоты (содержание примесей в нем не более 10 %) іри давлениях до 50 ат может быть использована в практике физического жсперимента.
Разработанные и созданные мишени и вентили высокого давления в іиду своей надежности и простоты конструкций могут найти применение в технике высоких давлений.
Использование разработанных и созданных "защитных" покрытий каропрочных сплавов и технологий их нанесения поможет решить ряд іроблем, возникающих при конструировании сосудов, предназначенных для заботы с изотопами водорода при высоких давлениях и температурах.
Полученная информация о характеристиках процессов взаимодействия ізотопов водорода в области высоких давлений и температур для сталей іустеиитного и феррито-мартенситного классов может быть использована іри выборе конструкционного материала первой стенки термоядерных эеакторов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на III Леждународном симпозиуме по физике высоких энергий и элементарных іастиц (синая, СРР, 1973 г), VI Международной конференции по физике
высоких энергий и структуре ядра (Санта-Фэ, США, 1975 г] Международном симпозиуме по проблемам мезонной химии и молекулярнь процессов в веществе (Дубна, 1977 г), IX международной конференции г физике высоких энергий и структуре ядра (Версаль, Франция, 1979 г). Европейской коференции по управляемому термоядерному синтезу и физик плазмы (Москва, 1981 г), Международном совещании по проблемам мюонног катализа ядерных реакций синтеза изотопов водорода (Флорида, США, 19Е г). Международной конференции по мюонному катализу ядерных реакци синтеза "nCF 90" (Вена, Австрия, 1990 г). Международном совещании п проблемам мюонного катализа ядерных реакций синтеза "mCF 92" (Уппсала Швеция, 1992 г).
По теме диссертации опубликовано 34 печатных работы, списо которых приведен в конце автореферата.
объем диссертации
Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списк литературы. Общий объем диссертации составляет 267 страниц, включая 7 рисунка, 12 таблиц и список литературных ссылок из 236 наименований.
На зашиту выносятся:
-
Экспериментальное обнаружение нового явления образовани зарядово-несимметричных нюонных молекул типа рдНе и результат: измерения скорости перехвата мюонов от рд-атомов, находящихся основном состоянии, к ядрам 4Не.
-
Экспериментальное обнаружение явления перехвата мюонов о' мю-атомов изотопов водорода, находящихся в возбужденном состоянии, і ядрам 4Не и результаты анализа данных с целью определения значенні парциальных скоростей перехвата мюонов от рд-атомов, находящихся і возбужденных состояниях с п з 5, к ядрам Не.
3. Результаты эксперимента по измерению скорости перехвата мюоної
от ад-атомов к ядрам 4Не и заселенности основного состояния <ід-атомоі
при давлении смеси D + 4Не равном 1350 ат и концентрациях гелия о-
5хЮ"4 до 10~2.
4. Результаты эксперимента по измерению сечения рассеяниі
рд-атомов в газообразном водороде.
5. Общий анализ цепи последовательных циклов мюонного катализ*
ядерных реакций синтеза изотопов водорода в однокомпонентной среде
(Da; Тг).
6. Рассмотрение кинетики MA- и ММ-процессов, происходящих в смеси
ютопов водорода и гелия, и метод определения параметров процесса
фехвата мюонов от ри-, йц.-, tu-атомов к ядрам Не.
7. оптимизация и планирование экспериментов по измерению
.рактеристик МА- и ММ-процессов в чистом тритии и в смесях изотопов
ідорода и гелия .
-
Алгоритмы программ и результаты вычисления эффективностей гистрации нейтронов и электронов с использованием разнообразных лекторов на основе органических сцинтилляторов в экспериментах по следованию НА- и ММ-процессов .
-
Разработка, создание и исследование характеристик установки :ффузионной очистки водорода (дейтерия) при давлениях до 50 ат, .рантирующей получение сверхчистых изотопов водорода (суммарное держание примесей N , О , СО и т.д. в водороде не более Ю-8 об. лей).
-
Создание и исследование характеристик мембранного фильтра для ффузионного выделения и получения изотопов водорода особой чистоты.
11. Разработка и создание ряда систем газообеспечения мишеней в
спериментах по исследованию МА- и ММ-процессов в широком диапазоне
влений (до 1500 ат) и температур (20,4 Ks Т s 1050 К).
-
Результаты исследования процессов взаимодействия изотопов дорода с жаропрочными сплавами и сталями разных классов в широком апазоне давлений и температур (р < 1000 ат, Т == 1050 К).
-
Результаты исследования влияния широкого класса "защитных" крытий на проникновение изотопов водорода через стенки мишеней в стремалышх условиях (р ~ 1000 ат, Т ~ 1050 К).
-
Разработка и создание серии газовых и криогенных мишеней, едназначенных для проведения исследований МА- и ММ-процессов как в стых изотопах водорода, так и в их смесях.
