РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА
препринт ……….
, ,
П. Джесингер 1, Ф. Гёненвейн 1, 2
Экспериментальная установка для комплексных
исследований Т-нечетной корреляции
в тройном делении
1 – Университет г. Тюбингена, Германия
2– НПО «Радиевый институт»
Гатчина - 1999
Experimental set-up for complex researches
of T-violating correlation in ternary fission
A. M.Gagarski, I. S.Guseva, V. V.Ivanov, I. A.Krasnoschokova, G. A.Petrov, Yu. S.Pleva, V. I.Petrova, V. E.Bunakov, P. Jesinger 1, F. Gönnenwein 1, S. M.Soloviev 2
1 – Tübingen University, Germany
2 – Khlopin Radium Institute, St-Peterburg
Abstract
Experimental installation for multi purpose investigations of angular asymmetry of light particle emission in ternary fission relative to fission fragments momentum and spin of incident neutron. The set-up is based on gas ionization chambers. Main parameters and the results of first test measurements are presented.
Ó ПИЯФ, 1999
УДК 539.173.4
Аннотация
Описано устройство, основные характеристики и результаты первых измерений экспериментальной установки на базе газовых ионизационных камер, предназначенной для многоцелевых исследований угловой асимметрии вылета легких частиц в тройном делении относительно плоскости векторов импульсов осколков и поляризации нейтронов, инициирующих реакцию.
1. Введение
В 1998 г. при исследовании асимметрии вылета a-частиц тройного деления холодными поляризованными нейтронами относительно плоскости векторов импульсов осколков и поляризации нейтронов [1], выполненном по предложению [2], была обнаружена неожиданно большая экспериментальная величина коэффициента асимметрии
D = -(2,35±0.05)·10-3 ,
где знак определен в правой системе координат для случая вылета легкого осколка. В этой же работе [1] было получено первое указание на то, что коэффициент асимметрии увеличивается с увеличением энергии длиннопробежных альфа-частиц.
Формально угловые корреляции вида
(1)
являются Т-нечетными и изменяют знак коэффициента D при изменении направления любого из векторов импульсов осколков 
и альфа-частиц 
или поляризации нейтронов 
. Поэтому в ряде работ, например [3,4], такая корреляция в делении предлагалась в качестве теста сохранения временной инвариантности. Однако, более внимательный анализ (см. например, [5]) показывает, что для сложных реакций такая корреляция может появиться в результате взаимодействия частиц в выходных каналах.
Мы придерживаемся последней точки зрения и рассматриваем наблюденную в работе [1] Т-нечетную корреляцию как новую возможность исследования динамики процесса деления вблизи точки разрыва сильно деформированного делящегося компаунд-ядра, образованного при захвате поляризованного теплового нейтрона. Для реализации такой возможности необходимо выполнить большой объем разносторонних экспериментальных исследований наблюденной корреляции в тройном делении.
Среди таких экспериментов, прежде всего, необходимо расширить круг исследованных делящихся систем вплоть до 245Cm, где условия разрыва деформированного делящегося ядра существенно отличаются от случая деления 233U. Далее необходимо исследовать зависимость коэффициента Т-нечетной асимметрии от параметров делящейся системы, таких как спин, степень поляризации компаунд-ядра при захвате поляризованного нейтрона, тип и энергия легкой заряженной частицы, а также массы и энергии осколков, образующихся при тройном делении, вызванным поляризованными холодными и резонансными нейтронами низких энергий (по крайней мере с En<1¸2эВ). Особый интерес представляют измерения Т-нечетной асимметрии в тройном делении, когда в качестве третьей частицы регистрируется нейтрон, вылетающий вблизи углов 90o относительно плоскости векторовиВ этом случае сильное кулоновское взаимодействие третьей частицы полностью отсутствует, и поэтому такой эксперимент был бы весьма существенным для понимания природы и механизма возникновения корреляции.
Имея в виду этот комплекс задач, мы и подходили к разработке новой экспериментальной установки, нацеленной на исследование величины коэффициента D при делении различных ядер (233,235U, 239Pu и 245Cu), для выделенных интервалов энергии и масс осколков, а также энергий и зарядов легких длиннопробежных частиц.
В качестве основы построения такой установки были выбраны газовые импульсные ионизационные камеры различного вида, расположенные в такой геометрии, чтобы средние направления регистрации осколков, длиннопробежных частиц и направление поляризации нейтронов (спин нейтрона был параллелен или антипараллелен их импульсу) были взаимно перпендикулярны, обеспечивая тем самым максимально возможную величину коэффициента Т-нечетной асимметрии.
Система сбора, предварительной обработки и сортировки информации была разработана так, чтобы в принципе позволять одновременные измерения изучаемого эффекта для нескольких делящихся ядер (до четырех.)
В мае – июне 1999 г. установка испытывалась в ИЛЛ (Франция) на пучке холодных нейтронов высокопоточного реактора. По результатам испытаний в конце 1999 года планируется модификация установки
2. Принцип построения экспериментальной установки и технические характеристики
Для выполнения намеченных экспериментальных исследований детектирующая система должна удовлетворять следующим основным требованиям:
- обеспечить регистрацию и грубую спектрометрию двух парных осколков деления из тонкой делящейся мишени при скоростях счета осколков >105 1/с и высоком фоне альфа-частиц естественной радиоактивности (~ 107 1/с в случае 239Pu и 245Cm);
- обеспечить регистрацию и спектрометрию энергий длиннопробежных частиц тройного деления (в основном ядер 4He и 3H) при телесном угле ~ 15 %;
- предоставить принципиальную возможность идентификации вида длиннопробежных частиц (4He и 3H);
- обеспечить возможность выполнения одновременных корреляционных измерений до 4-х делящихся ядер.
Поставленные задачи могут быть решены при помощи самых разнообразных детекторов заряженных частиц, которые работают в вакууме (например, ППД) или при низком давлении газа (например, многопроволочные пропорциональные счетчики). С другой стороны, возможно применение различных газовых ионизационных или сцинтилляционных детекторов. Первая возможность была использована в работе [1], где осколки регистрировались многопроволочными пропорциональными счетчиками (с газом CF4 при давлении 10 мбар), а энергетические спектры длиннопробежных частиц регистрировались двумя сборками PIN-диодов. Осколки деления разделялись по массам на две группы по хорошо известному в физике деления методу разности их времён пролета [6]. Энергии осколков при этом не регистрировались. С другой стороны, применение PIN-диодов позволило получить энергетическое разрешение для длиннопробежных легких частиц и, что более важно, при дальнейшем развитии методики добиться прекрасного разделения частиц по их зарядам [7].
Недостатком использования PIN-диодов в эксперименте является их высокая стоимость и сложность сопутствующего электронного оборудования.
В нашей установке была использована методика газовых ионизационных камер для регистрации и спектрометрии, как осколков деления, так и длиннопробежных легких частиц.
Для получения информации о зарядах длиннопробежных частиц был использован известный E-DE метод измерения их удельных потерь энергии: 
.
Общий схематический вид многосекционной, комбинированной ионизационной камеры, включающей в себя 4 двойных быстрых токовых ионизационных камер для осколков деления с 4 двусторонними или 8 односторонними мишенями делящихся веществ и 16 секциями для регистрации энергий и идентификации типа длиннопробежных легких частиц, представлен на рис.1.
Вся сборка ионизационных камер с мишенями была размещена в общем цилиндрическом объеме (~90 литров) и наполнена суперчистым газом CF4 при давлении 840 миллибар. Для предотвращения возможного распыления делящихся веществ при аварии вся камера могла быть помещена во второй внешний, защитный цилиндрический кожух.
Воздух из пространства между внутренним и внешним кожухами камеры мог непрерывно пропускаться через газоанализаторы для контроля возможного появления в нем альфа-активности. Сигналы с газоанализаторов и контрольного датчика давления газа внутри камеры поступали на пульт управления реактором. На рис.2 представлен общий вид камеры на пучке реактора ИЛЛ во время испытаний.
2.1 Быстрые токовые камеры деления
Каждая камера представляла собой сборку из двух плоскопараллельных круглых электродов-анодов (диаметр 35 мм, толщина 0,1 мм), располагаемых на равных расстояниях (10 мм) по обе стороны от катодной пластины с тонкими мишенями делящегося вещества на тонкой подложке (диаметр мишени 15 мм, толщина подложки из окиси алюминия ~ 50 микрограмм/кв. см). На электроды камеры подавалось высокое напряжение ~ 1000 В. Давление рабочего
 |
газа CF4 ~1 атм. Сигналы усиливались с помощью усилителей тока с малым входным импедансом, фронт нарастания сигналов от осколков деления ~30 нс. Их амплитудные распределения позволяли разделять осколки на две группы.
2.2 Ионизационные камеры для регистрации и спектрометрии легких частиц тройного деления
Принимая во внимание, что легкие частицы в тройном делении испускаются в среднем под углом 82-830 к направлению импульса легкого осколка при ширине распределения s~80, для их регистрации
 |
использовались по четыре плоские камеры с сетками Фриша и общим катодом, расположенном в плоскости катода ионизационной камеры для осколков деления (см. рис.1).
Расчетная геометрическая эффективность регистрации длиннопробежныx частиц для каждой из 4 камер деления на рис.1 составляла около 15 %. Как видно из рис.1, электроды камер для легких частиц имели форму усеченных секторов с углом ~ 600. Все аноды состоят из двух частей, с каждой из которых сигнал снимается на отдельный зарядочувствительный усилитель. Сигнал с секции анода, ближней по отношению к мишени, используется для определения удельных потерь энергии длиннопробежныx частиц. Экранирующие сетки имели прозрачность около 95%. Для обеспечения однородности электрического поля в промежутках катод – сетка были расположены дополнительные «выравнивающие» электроды с соответствующими распределениями высокого напряжения. Полное напряжение между катодами и анодами камер составляло около ~6 кВ.
При конструировании всей установки особое внимание было уделено обеспечению однородности полей в промежутках между камерами деления и камерами легких частиц с тем, чтобы избежать искажения энергетических спектров.
В первых тестовых экспериментах поглощающие фольги между камерами осколков и легких частиц не использовались и возможный фон в камерах от высокоэнергичных осколков деления и альфа-частиц естественной радиоактивности мишеней мог быть уменьшен только соответствующим выбором размеров электродов и давления газа.
Вся установка располагалась на пучке нейтронов таким образом, что ось пучка была приблизительно перпендикулярна осям симметрии всех камер деления и средним направлениям вылета легких частиц, регистрируемых в установке. Поскольку в экспериментах использовался линейно поляризованный пучок, то выбранная геометрия расположения камеры и ее конструкция обеспечивали оптимальные условия исследования трехвекторной корреляции, представленной формулой (1).
2.3 Система сбора и обработки физической информации
С точки зрения проблемы организации автоматизированной системы управления экспериментом, сбора, предварительной сортировки и обработки физической информации описываемая комбинированная ионизационная камера представляет собой типичную экспериментальную установку для проведения многопараметрических сравнительных измерений одновременно для нескольких исследуемых мишеней.
Изучаемые в эксперименте события тройного деления характеризуются вылетом двух массивных ядер-осколков с наиболее вероятным отношением масс ~1,4 и полной кинетической энергией ~ 170 МэВ и третьей, относительно легкой частицей (наиболее вероятно 4Не и 3Н) со средней кинетической энергией 16 МэВ (4Не) и 8 МэВ (3Н).
Электрические сигналы с детекторов этих частиц резко отличаются как по скоростям счёта и отношениями полезных сигналов к «фону», так и по форме. Соответствующие характеристики сигналов представлены в Таблице 1.
В детекторе осколков основным источником «фона» являлись a-частицы естественной радиоактивности с энергиями 4-5 МэВ. Их скорость счёта в случаях деления 239Pu и 245Cm может достигать ~107 1/с., что, наряду с отсутствием коллимации осколков, являлось серьёзным препятствием к получению хорошего энергетического разрешения по кинетическим энергиям осколков.
В детекторах энергий лёгких частиц (Е) и удельных потерь (DЕ) скорости счета были на 4 порядка ниже, т. к. только в 1 случае из 500 два осколка сопровождаются вылетом легкой частицы, а также геометрическая эффективность каждой из 4 камер составляла только ~4%. «Фоном» в этом случае являлись шумы усилителей, частичная регистрация сигналов от высокоэнергичных осколков и альфа-частиц естественного распада и возможные случайные утечки в деталях высоковольтных систем.
Такой фон оказался особенно существенным для каналов регистрации удельных потерь энергии лёгких частиц, где относительная величина полезных сигналов была мала, и при формировании стартового быстрого сигнала с объединенного катода камер легких частиц.
Ввиду малых скоростей счёта лёгких частиц тройного деления и с целью уменьшения объёма электронного оборудования катоды всех камер для «лёгких» частиц были «запараллелены», аноды объединены в группы: «левая-верхняя», «левая-нижняя», «правая-верхняя», «правая-нижняя» как показано на рис.1.
Схема электронной части системы сбора данных представлена на рис.3. Система обеспечивала идентификацию акта тройного деления, регистрацию данных об энергиях осколков деления и сопровождающих их лёгких частиц, об угловых распределениях лёгких частиц и удельных потерях энергий, а также направлениях спина нейтронов, вызывающих деление. На рис.3 представлен также схематический разрез многосекционной камеры для регистрации осколков деления и лёгких частиц. Идентификация акта тройного деления производилась по совпадению сигналов с объединённых катодов камер легких частиц и задержанных быстрых сигналов с предусилителей камер деления, которые собираются логическим мультиплексором после их формирования временными дискриминаторами. В результате измерений система сбора данных формировала многопараметрическое событие объёмом 38 бит, содержащее информацию об энергии каждого из осколков (2´6 бит), номере секции камеры деления (2 бита), энергии лёгкой частицы (7 бит), удельных потерях её энергии (7 бит), времени между катодным и анодным сигналом (содержит информацию об угле вылета легкой частицы относительно катодной плоскости)(7 бит), номере камеры легких частиц (2 бита) и направлении спина нейтронов, вызывающих деление (1 бит).
Одновременная регистрация энергий двух парных осколков производится многовходовыми преобразователями заряд-код (QDC 1,2) с общим запуском. Принадлежность их одному и тому же акту деления определялась программно на этапе предварительной обработки в реальном времени.
Регистрация энергий лёгких частиц и их удельных потерь энергии производилась аналого-цифровыми преобразователями (ADC1, ADC2, соответственно). С целью оптимизации количества используемого оборудования и, соответственно, программного обеспечения быди разработаны блоки аналоговых мультиплексоров, реализующие функции временной привязки аналоговых сигналов, их мультиплексирование и идентификация номера анода камеры легких частиц. Код номера анода и направления поляризации нейтронов регистрируется входным регистром (Input).
Измерение углового распределения легких частиц производится с помощью преобразователя время-код (TDC), который запускается сигналом с быстрой схемы совпадения (“Start”), а стоповый сигнал (“Stop”) вырабатывается аналоговым мультиплексором по быстрым сигналам с анодов камеры легких частиц.
Программное обеспечение реального времени написано на языке Borland C++ и включает программный интерфейс пользователя, программы по сбору и накоплению экспериментальных данных, их визуализации и предварительной обработки.
Программный интерфейс реализовывал работу с функциональными клавишами и оконными меню.
Программы по сбору и накоплению обеспечили чтение в буфер содержимого всех преобразователей и входного регистра с последующей записью на диск в “list mode” файл. Инициализация чтения производилась по запросу от таймера, который запускался сигналом с быстрой схемы совпадения на время большее, чем время преобразования регистрируемых сигналов. Перед чтением проверялись флаги готовности всех преобразователей. Для контроля за накоплением данных и настройки параметров установки осуществлялась “on line” сортировка экспериментальных данных для их графического отображения и расчета предварительных величин асимметрий. По желанию пользователя на экране монитора могло быть одновременно отображено до 8-ми проекций исходного 8-мерного распределения по любым разумным комбинациям параметров, причем каждая из проекций могла быть представлена как в одномерной, так и в двумерной моде. Количество и содержание этих графических окон оперативно определялось пользователем. В каждом из них выводилась также текстовая информация: максимальное значение и номер соответствующего канала, значение интеграла под кривой, направление спина и т. д.
Для предварительно расчета коэффициентов асимметрии осуществлялось интегрирование накапливаемого 8-мерного распределения по заданным областям, форма и размеры которых задавались пользователем перед началом каждого цикла измерения вместе с параметрами для графического представления данных. Всего могло быть задано до 64 областей интегрирования по 7 параметрам и далее путем сравнения интегралов по этим областям для двух значений спина (8-ой параметр) рассчитывалось до 64 первичных значений коэффициентов асимметрии. По этим 64 эффектам могло быть произведено группирование-усреднение, например, для получения полного среднего значения коэффициента Т-нечетной асимметрии для любого исследуемого изотопа и т. д. Контрольные значения эффектов и результатов усреднения выводились в текстовое окно программы.
Для уменьшения мертвого времени все отображение и предварительная обработка могли быть отменены.
3. Результат испытания экспериментальной установки и пробные измерения
Первые испытания многосекционной ионизационной камеры были выполнены на высокопоточном реакторе института Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция). После проведения вакуумных и высоковольтных тестов в камеру были помещены две толстые двусторонние мишени 233U и 235U, содержащие по ~0.3 мг делящихся веществ, и две мишени на тонких, прозрачных для осколков подложках из окиси алюминия (~0.05 мг/см2), содержащие по ~0.1 мг тех же изотопов. Камера была заполнена газом четырехфтористого углерода (CF4) при давлении ~840 миллибар. После этого камера была установлена в защитном каземате на пучке холодных поляризованных нейтронов (
4Å, 
95%, 
2´108н/см2×с) вслед за установкой, где параллельно коллаборацией университетов гг. Тюбингена и Дармштадта, ИЛЛ, ИТЭФ и ПИЯФ РАН проводились основные измерения коэффициентов Т-нечетной асимметрии при делении 235U, а затем контрольные измерения при делении 233U. В соответствии с внутренним регламентом проведения работ с альфа–активными делящимися изотопами в ИЛЛ доступ внутрь многосекционной камеры ПИЯФ и какие-либо изменения в режиме ее работы (например, изменение давления газа, установка поглотителя частиц и пр.) до завершения измерений практически исключались.
В результате проведенных испытаний была проверена работоспособность всех секций ионизационной камеры и блоков электронного оборудования системы сбора и обработки информации. Суммарная скорость счета событий тройного деления составляла около 3´1051/с, что оказалось несколько меньше ожидаемой величины из-за неоптимальных условий расположения камеры на пучке нейтронов. Работа быстрых камер деления практически не имела существенных замечаний, и все рабочие характеристики оказались близкими к проектным. Типичный вид односторонних спектров осколков при толщине слоя делящегося вещества ~ 200 микрограмм/кв. см и полном отсутствии коллимации (W~2p) представлен на рис.4.
Существенные трудности встретились только при наладке камер легких частиц тройного деления, где фоновые загрузки на выходах усилителей сигналов с объединенных катодов и DЕ-секций камер
 |
оказались чрезмерно высокими. Вероятной причиной такой ситуации, по-видимому, является частичное происхождение сигналов высокоэнергичных осколков и шумы высоковольтной системы питания (около 6 кВ). Эти недостатки будут устранены путем установки поглощающих фольг в промежутках между делительными камерами и камерами легких частиц, а также более тщательной сборкой высоковольтных цепей питания камер. Пример амплитудных спектров с одной из Е-камер легких частиц приведен на рис.5.
 |
В остальном экспериментальная установка продемонстрировала свою работоспособность и возможность ее использования для планируемых исследований.
В короткой серии физических измерений (около 10 суток) были получены следующие оценки для величин коэффициентов Т-нечетной корреляции в тройном делении изотопов 233,235U:
233U: D= -(11,4 ± 9,4)´10-4,
235U: D= +(2,1 ± 8,8)´10-4.
Соответствующие контрольные величины приборной асимметрии оказались равными:
233U: DПРИБ= -(0,5 ± 9,4)´10-4,
235U: DПРИБ= +(6,1 ± 8,8)´10-4.
На основной установке коллаборации для коэффициентов асимметрии за все время измерений были получены следующие величины для коэффициентов Т-нечетной корреляции (без поправок):
233U: D= -(18,1 ± 1,0)´10-4,
235U: D= +(5,2 ± 0,6)´10-4.
Заключение
После устранения замеченных при испытаниях недостатков многосекционная ионизационная камера будет использоваться для комплексных физических исследований Т-нечетной асимметрии в тройном делении 233,235U, 239Pu и 245Cm холодными поляризованными нейтронами высокопоточного реактора ИЛЛ.
Авторы считают своим долгом отметить большой вклад в создание сложной экспериментальной установки, внесенный опытным производством ПИЯФ (руководитель Г. Поляков), отделом микроэлектроники ОФВЭ (руководитель В. Ивочкин). Авторы благодарны своим коллегам из ИЛЛ за предоставление всех условий для успешного проведения физических испытаний установки.
Настоящая работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ №
Литература
1. P. Jesinger, A. Kötzle, A. M.Gagarski et al. Proc. of 2-nd Int. Workshop on Nucl. Fission – Product Spectr. Seyssins, France 1998, p.395.
2. G. V.Danilyan, P. Jesinger, ILL, Proposal 3-07-76, 1998.
3. K. Schreckenbach, J. van Klinken, J. Last. Proc. of Int. Conf. On Time Reversal Invar. And Parity Violation in Neutr. React. Dubna, Russia, 1993.
4. V. Bunakov, V. Gudkov. T-noninvariant Effects in Nuclear Reactions in Contributions of PNPI Winter School v.20. part 2, 1985, p.189
5. V. Bunakov and L. Pikelner. Prog. Part. Nucl. Phys. v.39, 1997, p337
6. G. Semenchuk, A. Andronenko, A,A, Kotov et al. Preprint LNPI-171, 1979, p.20
7. M. Mutterer, W. H.Trzaska et al. (частное сообщение)
 | |
|
