Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
* Быстрицким В. М., Джелепов В. П., Петрухин В. И. и др.//Журн. экс-перим. и теерет^ физ. 1979. Т. 76. Вып. 2. С. 460—469.
§ 106. Взаимодействие мюонов с веществом
193
и В. Г. Зинова*, которые измерили Хт и Хех для реакции \id+t -> \i.t + d-> d\it ->
з 1 г
->4Не + я + ц~. (106.12)
Опыт был поставлен на мю-онном пучке синхроциклотро-
на. Облучалась газовая ми- шшшк
шень из смеси дейтерия с три- |__
тием (от 0,8 до 7,8%) при ^3vO)e^
температурах от 93 до 613 К. «и
Схема установки изображена на рис. 407. Здесь 1 — сцин-тилляционные счетчики мюо- Рис- 407
нов; 2—фильтр; 3— коллиматор; 4 — кристаллический счетчик мюонов из CsI(Tl); 5 — детекторы нейтронов с жидким сцинтиллятором NE-213; 6—детекторы с пластиковыми сцин-тилляторами для регистрации электронов ц-распада; 7 — газовая мишень; 8 — вакуумная камера.
В результате опыта были измерены поток и распределение во времени нейтронов от реакции d\it ->4Не + я + ц и определены Хех и нижняя граница кт:
Оба экспериментальных результата согласуются с теоретическими предсказаниями и значительно превосходят скорость распада мюона Хц=4,6 ¦ 105 с ~1.
Эксперимент подтвердил также и теоретическую оценку вероятнбсти Ws захвата мюона ядром 4Не, которая оказалась даже меньше предсказанного значения (Ws < 0,01 )**. Поэтому принципиальная возможность использования ц-катализа для осуществления управляемого термоядерного процесса выглядит достаточно оптимистично.
Действительно, энергетическая «стоимость» одного мюона, как показывают оценки, составляет 5—10 ГэВ. В 150 циклах ц-катализа выделится 150 х 17,6^2,6 ГэВ, т.е. в 2—4 раза меньше. Но если использовать быстрые нейтроны (Г„ = 14 МэВ), возникающие в реакции d+t->4Ht + n, для деления дешевого изотопа урана 23SU (из которого можно изготовить оболочку реактора — бланкет), то энерговыделение может быть увеличено
* Джелеиов В. П., Злшов В. Г. Препринт ОИЯИ, Д1-1296. Дубна. 1979.
** В 1984 г. удалось зарегистрировать 150 циклов ц-катализа, и судя по новым оценкам Ws, можно рассчитывать на еще большее число циклов (см. Воробьев А. А. Мюонный катализ ядерных реакций синтеза//Успехи физ. наук. 1986. Т. 148. Вып. 4. С. 719—723).
Хех = (2,7±0,9)-108 с-1; Хт > 108 с"1.
(106.13)
194
Глава XVIII. Лептоны
примерно в 10 раз. При этом можно будет еще получать очень ценные для ядерной энергетики тритий и делящийся тепловыми нейтронами изотоп плутония 239Ри. Таким образом, в принципе проблема осуществления холодного синтеза представляется разрешимой, так как имеется большое превышение энерговыделения над энергозатратами, которого должно хватить на преодоление всевозможных технических трудностей.
2. ц-АТОМЫ БОЛЕЕ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Выше мы говорили о ц-атомах водорода, для которых радиус JC-орбиты и энергии связи мюона
**„ = iW200 = 0,5 • 10"8 /200да0,3 • Ю"10 см;
1
(106.14)
8СВ = 13,6- 200 ж 2,5 кэВ. ' v }
Отрицательный мюон может захватиться и тяжелым атомом, для которого RK~l/Z и eCB~Z2:
R = -^n2, ?св=^й^Л- (Ю6.15)
m^Ze2 св 2ft2 я2
Первоначально мюон захватывается на высокую орбиту. При этом стряхиваются электроны. За время порядка 10"13 с мюон спускается на нижние орбиты, испуская характеристическое рентгеновское излучение. Его энергию можно подсчитать по формуле
72т
E=^-^EH*200Z2EH. (106.16)
те
Так, для 22Ti Z2m)i/me=l05 и для серии Лаймена энергии квантов должны быть равны 105(10—13) эВ = 1,0-н1,3 МэВ, а для урана 922-200 ^=17^ 22 МэВ.
Эти оценки предполагают, что ядро, если его рассматривать с орбиты мюона, является точечным. Однако на самом деле даже для 22Ti ЛКц«Ля, а для 92U
о з • ю-10
И =3'10~13 см<*«- О0617)
В связи с этим в опытах получаются отличные от расчета результаты, которые можно использовать для оценки радиуса ядра.
Опыт был поставлен в соответствии со схемой, изображенной на рис. 408. Здесь /—4—Nal- и (Li—Се)-счетчики, П— поглотитель, М—мишень, Д—детектор, СС—схема совпадений, САС—схема антисовпадений, У—усилитель, Ан — анализатор.
§ 106. Взаимодействие мюонов с веществом
195
В опытах для ЕТх получились значения на 80 кэВ меньше расчетных, а для Ev— в 3 раза меньше. Расхождение устраняется, если в расчете вместо Л„ = 0 взять Д,= 1,2-1<Г13 Аш (Ля — в см). Для распределения электрического заряда р было получено выражение
Ро
1 +ехр
Г-Кп
,(106.18)
1 2
-II
I I
Рис. 408
СС
0
С А С
Д
Ли
где 5 = 0,55 фм; d= 4,48 = 2,4 фм; Л0=1,1Л1/3 (Дя-в фм) (см. рис. 28). Этот результат близок к получающемуся при изучении рассеяния релятивистских электронов на ядрах (см. § 4, п. 3).
3. МЮОНИЙ
При соударениях положительного мюона (ц + ) с атомами среды, через которую он движется, мюон может захватить электрон и образовать связанную систему ц+ е ~~ — мюоний (Ми). Мюоний, так же как позитроний, является водородо-подобным атомом, роль протона в котором выполняет положительный мюон. По своим химическим свойствам мюоний аналогичен атомарному водороду, но в отличие от последнего он является меченым атомом, так как за взаимодействием мюона можно следить, наблюдая прецессию его спина в магнитном поле (по периодичности изменения интенсивности испускаемых позитронов, см. § 104). Это дает возможность измерять скорость химической реакции мюония (по изменению характера прецессии в момент вступления Ми в химическую реакцию). Если известно отношение скоростей химических реакций мюония и атомарного водорода, то, зная скорость химической реакции мюония, можно определить ее скорость для атомарного водорода*.
