Методическое обеспечение экспериментов по изучению несохранения пространственной четности в ядерных реакциях с поляризованными нейтронами

Целью настоящей работы является описание методики, аппаратуры и программного обеспечения для экспериментов, посвященных исследованию эффектов несохранения пространственной четности в ядерных реакциях при захвате тепловых поляризованных нейтронов ядрами.

В результате работ нескольких групп экспериментаторов в 1964 году Ю. Г. Абовым с сотрудниками с помощью счетной методики измерений была наблюдена Р-нечетная асимметрия вылета у-квантов при захвате «3Cd теплового поляризованного нейтрона [1].

Группа В. М. Лобашева наблюдала циркулярную поляризацию у-квантов в неполяризованном ядре, 73Lu с помощью интегральной методики измерений [2], что окончательно доказало существование слабого взаимодействия в ядерных у-переходах.

К настоящему времени круг исследуемых объектов значительно расширился. Продолжался поиск новых Р-нечетных эффектов, и здесь были достигнуты большие успехи.

Что касается изучения Р-нечетных взаимодействий ядер с тепловыми поляризованными нейтронами, то новые экспериментальные данные в значительной мере получены в работах ПИЯФ РАН. Обнаружены:

• зависимость полных и радиационных сечений от спиральности нейтронов в «7Sn, 139La, 79Br [3,4];

• несохранение Р-четности в интегральных спектрах у-квантов на различных ядрах [5, 6];

• несохранение Р-четности в (и./^-реакции [7];

• Р-четная лево-правая асимметрия при делении ядер, позволившая обосновать модель нарушения четности [8].

Исследована Р-нечетная асимметрия вылета а-частиц в реакциях 7 Li (n, а)3 //, 10 В (п, a)1 Li, 14 N (n, /?)14 С на поляризованных нейтронах [7, 9, 10].

Столь широкое исследование эффектов нарушения пространственной четности в ядерных системах было бы невозможно без применения интегральной методики регистрации событий, предложенной в [11].

Большая часть экспериментов проделана на реакторах нейтронов.

Относительные флуктуации мощности реактора лежат на уровне ~ 10″, что на порядок и больше превосходит относительные статистические флуктуации нейтронного потока. Для успешного проведения эксперимента необходимо уменьшить влияние флуктуаций мощности реактора, т. е. необходимо проводить их компенсацию для получения минимальной статистической погрешности измерений.

В работах [12, 13] компенсация флуктуаций мощности реактора проводилась при вычитании двух сигналов, имеющих разный знак наблюдаемого эффекта, электронным способом, с использованием для получения минимальной погрешности коэффициента корреляции суммы входных сигналов и разности этих сигналов. При этом в разностном сигнале эффекты складываются, а синхронные шумы вычитаются.

В работе [14], выносимой на защиту, была впервые реализована новая система компенсации синхронных шумов «математическим» методом при совместной обработке результатов серии измерений, и было экспериментально показано, что подобная система компенсации флуктуаций мощности реактора дает погрешность измерений, по крайней мере, не хуже, чем электронная. Упрощение аппаратуры за счет ненужности устройства для определения коэффициента корреляции привело к увеличению надежности измерений. о.

При попытке наблюдать эффекты на уровне ~ (2 — 5)-10″ в условиях ограниченного экспериментального времени (это связано с работой на пучке реактора института Лауэ-Ланжевена (ИЛЛ), Гренобль, Франция) появилась необходимость построения более совершенной аппаратуры, обеспечивающей надежную работу в течение всего времени эксплуатации физической установки.

На основе многофункциональных, встраиваемых в компьютер, плат сбора данных и управления была создана система [15], используемая для наблюдения Р-нечетных эффектов в реакциях с легкими ядрами для получения точности эксперимента на уровне о 2 — 5−10″. Эта система позволила отказаться от применения стандарта «САМАС». В настоящее время с использованием этой системы была получена точность измерений [16, 17] в нулевых экспериментах реакций 7 Li (n, a)3 Н и 10 В (п, а)7Li' => 1Li + y на уровне 10″ 9, что полностью удовлетворяет требованиям поставленной физической задачи.

Применение в детекторах у-излучения кремниевых фотодиодов [18] и, в связи с этим, большое усиление сигнала приводило к возникновению в предусилителях сигналов каналов регистрации дополнительного низкочастотного шума за счет «микрофонного» эффекта, который невозможно было устранить обычной системой компенсации флуктуаций мощности реактора.

С целью избежать влияния этого эффекта была впервые разработана новая методика и аппаратура [19, 20], с применением цифрового сигнального процессора для регистрации сигналов, позволяющая работать на частотах переключения спина нейтрона выше частот основного спектра мощности нейтронного шума реактора.

Испытания, проведенные на пучке нейтронов реактора ИЛЛ (Гренобль, Франция), показали, что при частоте переключения спина нейтрона ~ 10 Гц, связь между каналами за счет флуктуаций мощности реактора полностью теряется, каналы при этой частоте становятся независимыми и флуктуации мощности реактора практически не дают вклад в погрешность измерений каждого канала. Шумы за счет «микрофонного» эффекта, по большей части, остаются ниже частоты переключений аппаратуры и также не дают вклад в погрешность измерений. Погрешность измерений уменьшилась по сравнению с применением аппаратуры, работающей при частоте переключения ~ I Гц. При таком методе измерений можно работать с одним детектором.

Данная диссертация посвящена обсуждению вышеуказанных методик в экспериментах по изучению Р-нечетных эффектов в реакциях ядер с тепловыми поляризованными нейтронами.

Структура диссертации следующая:

В первой главе описаны интегральный метод регистрации событий и особенности методики постановки экспериментов по измерению Р-нечетных эффектов в ядерных реакциях с поляризованными нейтронами на реакторе при временах переключений регистрирующей аппаратуры порядка секунд.

Во второй главе описана аппаратура с использованием многофункциональных встраиваемых в компьютер плат сбора данных и управления, подготовленная для экспериментов по наблюдению Р-нечетных эффектов в реакциях нейтронов с ядрами лития и бора, а также характеристики применяемых детекторов, и приведены результаты испытаний детекторов и погрешности измерений интегрального метода в реальных экспериментах.

В третьей главе приводятся сведения и практические примеры использования цифровых сигнальных процессоров в системах регистрации и управления экспериментом.

В четвертой главе описаны метод и макет установки для измерений Р-нечетных эффектов при частотах переключения регистрирующей аппаратуры выше частот основного спектра мощности нейтронного шума реактора. Приведены результаты испытаний метода.

В заключении изложены основные результаты и выводы работы.

Основные результаты данной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Создано программное обеспечение комплекса установок с электронным оборудованием в стандарте САМАС для изучения Р-нечетных эффектов с использованием компенсации флуктуаций мощности реактора для получения минимально возможной погрешности измерений эффектов. Впервые разработан и применен «математический» метод компенсации флуктуаций мощности реактора.

2. Экспериментально показано, что компенсация флуктуаций мощности реактора «математическим» способом, т. е. получение минимальной погрешности измерений при обработке каждой серии измерений, дает погрешность не больше, чем компенсация флуктуаций мощности реактора с помощью электронного метода с применением дифференциального усилителя и знакового коррелятора. «Математический» метод не требует предварительного выравнивания коэффициентов усиления каналов, а делает это автоматически, т. е. является более быстрым, по сравнению с методом аналоговой компенсации. Кроме того, стало возможным полностью отказаться от части аппаратуры, что привело к увеличению надежности установки.

3. На основе современных многофункциональных модулей, встраиваемых в компьютер, построена новая система управления экспериментом и регистрации токовых сигналов. Удалось полностью отказаться от применения аппаратуры в стандарте САМАС, что в десятки раз уменьшило вес установки и ее размеры и увеличило ее надежность.

4. Методом Монте-Карло проведено моделирование работы ионизационной камеры для выбора оптимальной толщины мишеней с целью получения минимальной погрешности измерений в реакции 6Ы (п, а) ъ Н.

5. Проведено экспериментальное исследование установки по измерению Р-нечетных эффектов на у-квантах в реакциях нейтронов с ядрами и установки с ионизационной камерой для измерения Р-нечетных эффектов на заряженных частицах с целью определения минимального значения погрешности измерений и возможности устранения паразитной наводки. Показано, что если эффект наводки и наблюдается по одиночным каналам, то используемая система обработки результатов для двух детекторов и двух направлений ведущего спин нейтрона Mai ни гнию поля эту наводку полностью компенсирует, по крайней мере, до значений эффекта, а < 3−10″ 9, что намного меньше возможной погрешности измерений, которую можно получить при современных интенсивностях нейтронных пучков.

6. Получены значения погрешностей при исследовании реакций: 6 Li (n, а)3 Н: а=1.7−10'7 в сутки, wB (n, a)1Li' => nLi + у: а = 2.6−10'7 в сутки.

7. Впервые был построен, с помощью цифрового сигнального процессора, макет установки с применением принципа регистрации Р-нечетных эффектов в интегральной методике при частоте переключении аппаратуры выше частот основного спектра мощности нейтронных шумов реактора.

8. Проведено испытание макета установки с повышенной частотой переключения знака эффекта на пучке нейтронов реактора ИЛЛ при изучении Р-нечетного эффекта в реакции 10 В (п, а)7Li* => 7Li + y (ЕуЮ.478 МэВ) с подмешиванием сигнала калибровки в сигнал от шумов реактора. При частотах переключения знака эффекта 10 Гц погрешность измерений в одиночном канале стала меньше, чем в методе с компенсацией флуктуаций мощности реактора, за счет «обрезания» паразитных низкочастотных некоррелированных шумов. Отказ от компенсации означает, что появляется возможность работать с одним детектором и при этом получать точность измерений, соответствующую статистической. Это позволит методически просто проводить эксперименты по наблюдению Р-нечетных эффектов в полном и радиационном сечениях захвата нейтронов.

В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю В. А. Весне за постоянное внимание, терпение и поддержку в течение длительной и плодотворной совместной работы.

Автор выражает глубокую признательность академику РАН В. М. Лобашеву, длительная работа в лаборатории которого была интересной и творческой.

Автор благодарен коллегам и соавторам А. Н. Баженову, Ю. В. Борисову,.

Ю. М. Гледенову, Э. А. Коломенскому, М. Р. Колхидашвили, И. С. Окуневу,.

A. Н. Пирожкову, Т. В. Савельевой, П. В. Седышеву, JI. М. Смотрицкому, Ю. В. Соболеву,.

B. А. Соловью, за творческое сотрудничество при выполнении работы, В. Н. Слюсарю и А. И. Шаблию за радиотехническое обеспечение экспериментов.

Автор признателен всем сотрудникам Отдела нейтронной физики и Отдела автоматизации экспериментов на реакторе, за помощь в работе на разных этапах ее выполнения.

Автор благодарен В. В. Несвижевскому, А. К. Петухову за помощь в проведении экспериментов на нейтронном пучке реактора ИЛЛ.

Огромная благодарность коллегам и друзьям за доброжелательность и моральную поддержку в трудные моменты.

Заключение

.

Целью настоящей работы являлась разработка методики измерений, программ управления экспериментом и обработки результатов измерений Р-нечетных эффектов в реакциях взаимодействия поляризованных нейтронов с ядрами с испусканием заряженных частиц и у-квантов.