Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 15 )

Чувствительность ИК к содержанию трития выше, чем у катарометра, что позволяет повысить точность измерения состава. Поэтому на второй итерации идет перенормировка, т. е. коррекция долей по пикам ИК. Она делается по пику n с максимальной амплитудой (и точностью расчета площади) по формуле:

,

(

29

)

где - концентрация i-го пика по кривой ионизационной камеры; - КОЧ ионизационной камеры, равный KHT/KDT/KTT=0.5/0.5/1.00; – пик, выбранный для коррекции доли. Из (29) видно что, пики не корректируются. После коррекции повторяется нормировка, результатом будет:

(

30

)

Программа анализа состава газа написана на языке DAQ Pascal (раздел 1.4.2.5) и интегрирована в АСКУ, что позволяет делать online анализ в процессе измерений. Площади пиков катарометра и ИК вычисляются автоматически, оператор лишь идентифицирует пик и задает маркером пределы ROI для расчета площади пика, а затем заносит её в поле ввода нажатием кнопки на мнемосхеме формулятора. Результат анализа сохраняется в виде таблицы в текстовом файле (Рис.22,3).

2.8.  Результаты экспериментов на установке ТРИТОН

В 1997-2004 гг. на автоматизированной установке ТРИТОН на фазотроне ЛЯП ОИЯИ с участием автора было проведено более 80 экспериментов по исследованию процесса мюонного катализа в D/T смесях [25]. Изучение МК шло в широком диапазоне параметров смеси – от 0.2 до 1.2 LHD по плотности (в единицах плотности жидкого водорода LHD=4,25×1022ат/см3), от 20 до 800 K по температуре, от 15% до 86% по содержанию трития. Каждой точке диаграммы (Рис.23) соответствует 4÷5 измерений при различных концентрациях ИВ в исследуемой смеси и экспозициях 6 ÷ 12 часов (Рис.24). Все операции по подготовке газовых смесей, анализу их состава, заправке мишени и стабилизации её температуры, утилизации отработавших тритий-содержащих смесей и радиометрическому контролю воздуха проводились под управлением АСКУ комплекса, работавшей непрерывно и безотказно на всех этапах эксперимента. Анализ полученных на установке ТРИТОН данных позволил определить основные кинетические параметры МК. Они находятся в хорошем согласии с результатами других исследовательских групп (PSI, RIKEN-RAL, LAMPF) в тех областях, где параметры смеси были похожими. Сравнение результатов измерений с принятой теорией МК показывает её эффективность, хотя полное и точное описание процесса МК еще не достигнуто.

Рис.23. Область параметров φ, T, ct для МК экспериментов в смесях ИВ, проведённых в 1997‑2004 гг. [25].

Рис.24. Пример графиков давлений мишени, с обозначением точек измерений.

По результатам измерений [25] впервые была получена зависимость числа циклов МК от концентрации трития в газовой D/T-смеси при температурах от 37 до 800 К и плотностях от 0,143 до 1,024 LHD (Рис.25). Столь широкий диапазон условий систематически исследован впервые. Полученные данные (Рис.26) позволяют оптимизировать условия протекания реакции синтеза при МК, что необходимо для будущих применений МК в энергетике и научных исследованиях.

Рис.25. Пример полученных результатов измерений [25]: cреднее число циклов МК на один мюон при различных параметрах (плотность, температура, содержание трития) D/T смеси.

Рис.26. Пример результатов измерений на установке ТРИТОН [25]: аппроксимация зависимости среднего числа циклов МК в D/T смеси а) как функция температуры и концентрации трития при φ=0.4 LHD, б) как функция температуры и плотности при концентрации Ct=0.35.

Для газообразного дейтерия на установке ТРИТОН были проведены экспериментальные исследования температурной зависимости скорости λddµ образования ddµ‑молекулы при температурах 300 ÷ 800 К и давлениях до 150 МПа [28]. Полученные данные при температурах до ~400 К (Рис.27) хорошо совпадают с данными LAMPF. Данные при температурах выше 400 К были получены впервые.

Рис.27 Зависимость от температуры [28]: · –ТРИТОН, ¨ - LAMPF, ¾ -  расчеты

Теоретическое предсказание [5] высокой скорости образования dtµ молекулы на HD молекулах стимулировало интерес к исследованию МК в тройных H/D/T смесях. Эксперименты на установке ТРИТОН по изучению МК при высоких плотностях в жидких и газообразных тройных H/D/T смесях [26,27,30] показали, что количество актов dt‑синтеза на один мюон уменьшается при добавлении в D/T смесь протия. При этом высокая скорость образования dtµ-молекул, предсказанная теоретиками и подтвержденная прямыми экспериментами, не компенсирует потерь мюона за счёт высокой вероятности его прилипания к гелию в H/D/T смеси.

МК дает уникальные возможности для изучения ядерных реакций, в том числе для изучения реакции радиационного захвата d+d→4He+γ, которая участвует как в первичном, так и звездном нуклеосинтезе. Малое сечение реакции затрудняет ее исследование в пучковых экспериментах. В экспериментах на дейтериевой мишени высокого давления на установке ТРИТОН была исследована реакция радиационного захвата дейтрона в ddm молекуле [32]. Впервые получена экспериментальная оценка выхода этой реакции из состояния J =1 ddm молекулы на уровне hg £ 2×10-5 на один акт синтеза.

Следует заметить, что полученные на установке ТРИТОН результаты исследований процессов МК имеют важное научное и практическое значение, например, при создании мюонно-каталитического гибридного реактора и интенсивного источника монохроматичных нейтронов с энергией 14 МэВ [2].

2.9.  Выводы

Для автоматизации тритиевых установок разработан инструментальный программный пакет CRW-DAQ [19,47,48,50,51], позволяющий эффективно создавать ПО для автоматизации исследовательских установок. Он обеспечивает полный цикл разработки, отладки и поддержки АСКУ, позволяет в короткие сроки создавать высоконадежные многопоточные, многопроцессные и многомашинные распределенные системы управления. Его главными достоинствами являются простота освоения, высокая скорость разработки прикладных программ для автоматизации измерений, их высокая безопасность и отказоустойчивость.

С использованием пакета создано программное обеспечение многомашинной распределенной автоматизированной системы контроля и управления тритиевым комплексом высокого давления установки ТРИТОН, предназначенной для исследований процессов МК ядерных реакций в смесях ИВ в широком диапазоне температур, плотностей и концентраций ИВ. Разработанная с участием автора система измерений и управления тритиевого комплекса обеспечила подготовку и измерение макроскопических параметров (температура, давление, молекулярный и изотопный состав H/D/T смеси), играющих ключевую роль при обработке и анализе физических результатов измерений.

АСКУ комплекса [8] обеспечивает измерение большого числа аналоговых и дискретных параметров и управление узлами комплекса, измерение изотопного и молекулярного состава смеси изотопов водорода, измерение и стабилизацию параметров мишени в процессе измерений, радиометрический контроль объемной активности трития в газовых линиях и рабочих помещениях.

Подобную АСКУ имеет лишь система тритиевого обеспечения экспериментов по мюонному катализу [78], созданная в Резерфордовской лаборатории (Великобритания) примерно в это же время. Однако используемые там количество трития (1,5 кКи), давление в мишени (ниже атмосферного) и рабочая температура мишени (12–23 К) существенно ниже, чем на установке ТРИТОН (до 100 кКи трития в связанном состоянии и до 10 кКи в свободном состоянии, давление в мишени до 160 МПа, температура от 20 до 800 К).

Созданный автоматизированный тритиевый комплекс установки ТРИТОН использовался при проведении большого цикла измерений, в которых получены уточненные и новые данные для параметров цикла МК в дейтерии, в двойной D/T смеси и в тройной H/D/T смеси в широком диапазоне температур, давлений и концентраций [25,26,27,29,33]. Впервые получены кинетические параметры МК в широком диапазоне плотностей, темпераратур и концентраций трития (0.2÷1.2 LHD, 20÷800 K, 15÷86%), измерена скорость образования ddµ‑молекулы при температурах более 400 К [28], получена экспериментальная оценка выхода реакции радиационного захвата дейтрона в ddm молекуле [32].