1.Цели и задачи эксперимента

Экспериментальное исследование по воздействию вращения жидкости на распределение интенсивности излучения возбужденного ядра, показало влияние генерируемого вращением поля на распределение площади пика полного поглощения (пик) гамма-излучения b - активного изотопа цезия-137 в полупроводниковом детекторе [1].

С целью дальнейшего исследования реакции возбужденных ядер на это воздействие, были изучены изотопы с различным периодом полураспада, при котором энергии фотонов, излучаемые изомерными ядрами, значительно отличались друг от друга.

Во первых, эксперимент поставлен таким образом, чтобы можно было определить статистическое распределение площади пика фотонного излучения, статистическое распределение центра тяжести пика (энергии) аппаратурного спектра, при этом определялся его сдвиг относительно первоначального положения (в отсутствии источника возмущения), а также находилась зависимость медианы статистического распределения площади пика от медианы распределения центра тяжести пика.

Во вторых, исследована принципиальная зависимость распределения излучения от угловой скорости и направления вращения вещества.

В третьих, определено влияние жидкости (ее присутствие, либо отсутствие) на статистику изучаемого объекта.

В четвертых, с целью подтверждения влияния ортонормированного вещества на поле воздействия найдено вещество-поглотитель поля воздействия, а также, исследовано влияние поля на источник излучения и детектор.

2.Описание эксперимента

На рис.1 показана принципиальная схема эксперимента, где детектор (1), источник гамма-излучения (2) и стальной стакан с жидкостью (3) расположены на одной линии, перпендикулярной поверхности пола. Вихревое вращение жидкости создавалось лопастями, посаженными на вал электродвигателя (4). Вал вращался со скоростью 2100об/мин и 6000 об/мин по часовой и против часовой стрелки. Мощность двигателя 250 Вт. Стакан, диаметром 10 см и высотой 15 см, крепился болтами к корпусу двигателя и стационарной стойке. При этом стакан с жидкостью располагался над радиоактивным источником.

Для подтверждения влияния вещества имеющего левостороннюю либо правостороннюю закрутку на поле воздействия, полученного с помощью углового момента вращения, были намотаны катушки из капроновой нити с правой закруткой диаметром 1.5 мм и левой с диаметром 3 мм. Катушки, диаметром 7см и высотой 2см, применялись как поглотители (5) данного поля.

В качестве измерительной аппаратуры использовался полупроводниковый детектор (ППД-63в), предусилитель (ПУГ-2К), усилитель (БУИ-3К) и анализатор (АМА-02Ф1). Измерялась площадь пика полного поглощения (в дальнейшем пик) фотона от различных источников радиоактивного излучения. Ширина энергетического разрешения не превышала 3 КэВ. При отсутствии стандартного источника излучения (типа ОСГИ) выбранного заранее изотопа, проводилось облучение изучаемого элемента на Томском исследовательском ядерном реакторе (ИРТ-Т) по методике нейтронно-активационного анализа. Размер получаемого источника не превышал 0.25 см².

Все источники излучения, во время измерения, располагались внизу от дна стакана на расстоянии 2 см по его оси. Измерение пика проходило в двух режимах, при вращении двигателя и после его остановки. Во время проведения эксперимента контроль качества измерений проводился при каждом наборе спектра. Качество определялось следующими параметрами; во первых, при значительном изменении напряжения, либо появлении токов утечки (вследствие повышения влажности), происходит увеличение ширины пика, т.е. увеличивается энергетическое разрешение. Соответственно, значительно ухудшается точность определения площади пика. Аппаратурные факторы (изменение температуры и напряжения) на площадь пика влияние не оказывали. К примеру, за один час измерений дрейф центра тяжести пика в сторону повышения либо понижения не превышал 0,5КэВ. Влияние возможно только при условии дрейфа в несколько единиц (КэВ), за время набора спектра.

Во вторых, в силу того, что пик представляет типичный гауссиан, он характеризуется центром тяжести (первая производная у функции, аппроксимирующий пик, обращается в нуль), т.е. местоположением на энергетической шкале. При каждом измерении производилась регистрация центра тяжести пика.

В третьих, т.к. в эксперименте проводился сравнительный анализ показаний в двух режимах, то с целью избежания систематической ошибки (дрейфа центра тяжести) после каждых десяти измерений изменялся режим эксперимента. Происходило чередование измерений при двух режимах. Изучалось статистическое распределение отношений центра тяжести в режиме вращения Е_rot к центру тяжести в отсутствии вращения Е_st. Это дало возможность исключить значение дрейфа.

Первоначально эксперимент ставился при скорости вращения жидкости 2100об/мин, затем скорость вращения вала (с жидкостью и без жидкости) переключалась на 6000об/мин. Проводились измерения радиоактивности различных изотопов. Следующим этапом были изучены изменения формы распределений площади пика и энергии при различных типах поглотителях (правом и левом кручении нити). Анализ статистических результатов проводился при уровне надежности 95%.

3.Результаты эксперимента

В таблице №1 даны результаты измерений определенных энергий (второй столбец), при воздействии генерируемого вращением поля на различные изотопы. Измерение проводилось при вращении жидкости с угловой скоростью 2100 об/мин (Rot), либо в режиме отсутствия вращения (St). Тип статистического распределения интенсивности фотонов Q_p, обозначается следующими буквами; распределение в форме дуплета D, в форме триплета Т, а также близкий к нормальному (пуассоновскому) N. Средние значения площади пика S, стандартная ошибка s , разница между модами крайних распределений в мультиплете D _р даны в 6 – 8 столбцах. В следующем столбце буквой L обозначена длина "хвоста" распределения импульсов, направленного от среднего в сторону уменьшения интенсивности. В последних четырех столбцах даны те же значения для относительной энергии, причем изучалось распределение отношений E_rot/E_st. Буквой М_Е обозначена медиана статистического распределения относительной энергии.

Сравнительный анализ результатов, для двух режимов измерений, показал, что у различных изотопов распределение площади пика и относительной энергии может значительно отличаться. Например, при проверке нулевой статистической гипотезы между выборками двух режимов, однофакторный дисперсионный анализ показал значения критерия Фишера для цезия F=0.9<F_k=3.8, для кобальта критерий Фишера гораздо больше критического значения F=701.3>>F_k=3.8. Возможно проявление двух факторов влияния на показание измерительной аппаратуры. Во первых, влияние поля воздействия на структуру ядра и во вторых, действие поля на скорость процессов происходящих в детекторе при регистрации гамма-излучения. Соответственно, возникает необходимость в проведении эксперимента повышающего достоверность интерпретации измерений. С этой целью были проведены по 50 измерений цезия-137 в различных режимах на расстояниях 1; 2; 4 сантиметров от детектора, при этом, расстояние от дна стакана не менялось. В этом случае происходит изменение загрузочных характеристик детектора. Изучались относительные распределения P_rot /S_st, где Р_rot - выборочные значения площади пика в режиме вращения, S_st-среднее значение выборки площади пика в режиме отсутствия вращения. Получены следующие результаты, среднее значение относительного распределения выборки в режиме вращения на расстоянии одного сантиметра Sr₁=0.8591 при s =0.0085, на расстоянии двух сантиметров Sr₂=0.9707 при s =0.0019 и Sr₄=0.9869 s =0.0059. Однофакторный дисперсионный анализ для двух вариантов распределений дал следующие коэффициенты F_1-4=150.9 и F_2-4=6.6 при F_k=3.9. Следовательно, при увеличении загрузки детектора пропорционально увеличивается разница в показании распределения площади пика для различных режимов измерений, относительное распределение энергии для двух вариантов, при этом, не изменилось.

Статистический анализ распределений площади пика исследуемых изотопов показал различие влияния поля воздействия на внутреннюю структуру возбужденного ядра, загрузочные характеристики детектора и, следовательно, на форму распределения, интенсивность и дисперсию излучаемых фотонов. К примеру, распределение интенсивности фотонного излучения таких изотопов как цинк, рубидий, кобальт имеет значительный "хвост" ("L", см. таблицу №1), а у таких изотопов как натрий, сурьма, европий он полностью отсутствует. На рисунке №2 показано распределение площади пика излучения цинка по мере его измерения в различных режимах. В режиме отсутствия вращения в основном происходит статистический разброс, в режиме вращения видны значительные выбросы в сторону уменьшения интенсивности. Однофакторный дисперсионный анализ для цинка (при двух режимах) дал следующий коэффициент Фишера F=92.2>>F_k=3.8, двух выборочный t – тест для средних t=9.5>t_k=1.6.

Увеличить >>>

Наличие значительного "расстояния" в дуплете между высокоинтенсивным и низко интенсивным распределениями (например, у цезия при статистике до 25-30 измерений по 50 секунд), позволяет проявляться одному из распределений в одном режиме измерений, тогда как при смене режима возможно проявление следующего распределения [1]. Игнорирование этого эффекта может привести к определенным искажениям при анализе результатов измерений.

Увеличить >>>

Рассмотрим зависимость распределения площади пика излучения цинка от распределения относительной энергии фотона Е_rot/E_st (рис.3). На рисунке определены два "хвоста", обусловленные изменением относительной энергии при различных режимах измерений. Причем, в режиме отсутствия вращения площадь пика не зависит от энергии излучения, в режиме вращения видна явная обратная пропорция. При измерении изотопа рубидия те же зависимости повторились.

В отличие от рубидия и цинка у цезия, независимо от режима измерения, в высокоинтенсивной области распределения идет незначительное повышение площади пика, а в низко интенсивной области понижение, в зависимости от роста относительной энергии. Остальные изотопы значительных зависимостей не проявили.

Увеличить >>>

Рассмотрим отношение распределений площади пика при измерении в режиме вращения к площади пика при отсутствии вращения Р_rot/Р_st. Определяем медиану М_S данного статистического распределения, характеризующую величину отклонения распределения площади пика. Строим зависимость М_S(М_Е), позволяющую выявить закономерность отношений двух распределений (рис.4). На диаграмме показаны результаты измерений проделанных в различных условиях (изменение скорости вращения, геометрии, присутствие либо отсутствие жидкости) с различными источниками излучения. В основном с цезием и кобальтом. Видна явная S-образность полученной закономерности. Вследствие того, что зависимость распределена неоднородно, на рисунке проявляются "запрещенные" зоны. Из общей логики построения закономерности выпадает америций, аномалия, очевидно, связана с типом распада (a -распад).

Анализ статистических распределений P_rot /S_st и Е_rot/E_st, для различных скоростей вращения жидкости при одной и той же геометрии измерений, показал значительное влияние скорости на изменение данных распределений. Например, для цезия, при скорости оборотов 2100об/мин Sr²¹⁰⁰=1.0015 s =0.0037, а при скорости 6000об/мин Sr⁶⁰⁰⁰=0.8991 s =0.0172 где коэффициент Фишера F=33.5>F_k=3.9. Статистическое распределение относительной энергии при этом не меняется, F =1.8<F_k=3.9. В этом же случае, для америция получены следующие показатели, Sr²¹⁰⁰=0.9889 s =0.0002, Sr⁶⁰⁰⁰=0.9987 s =0.0007, где коэффициент Фишера F=21.1>3.8, также проведенный F -тест для дисперсии дал такой результат: F =7.4>F_k=1.4. Статистическое распределение относительной энергии, в отличие от цезия, у америция меняется значительно, однофакторный дисперсионный анализ определил коэффициент Фишера F=15.1>F_k=3.8. Таким образом, для различных изотопов влияние изменения скорости вращения на изменение статистики распределения и его форму различно.

Увеличить >>>

Дальнейшие исследования позволили выявить определенную зависимость статистических результатов от направления вращения и присутствие либо отсутствие жидкости в стакане во время опытов с изотопом цезия (рис.5; 6). Все дальнейшие эксперименты осуществлялись при скорости вращения 6000 об/мин. При проведении опытов с жидкостью, обработка относительных распределений показала следующие результаты; при вращении против часовой стрелки, среднее значение относительного распределения выборки Sr^pr=0.8985 s =0.0169, по часовой стрелке Sr^pо=0.9178 s =0.0141. Однофакторный анализ двух распределений, при различных направлениях вращения, определил F=0.71 (при F_k=3.9). Парный двух выборочный t – тест для средних (при одностороннем критическом коэффициенте t_k=1.6) определил коэффициент Стьюдента t=0.7. В режиме отсутствия вращения и при вращении против часовой стрелки F^pr_st=34.7 и по часовой стрелке F^po_st=32.2.

Увеличить >>>

Опыты при отсутствии жидкости выдали следующие результаты; Sr^pr=0.9631 s =0.0044, Sr^pо=0.9739 s =0.0040. Однофакторный анализ двух распределений, при различных направлениях вращения, определил F=3.2 (при F_k=3.9). Парный двух выборочный t – тест для средних (при одностороннем критическом коэффициенте t_k=1.6) определил коэффициент Стьюдента t=2.2. Таким образом, тест для средних показал, что при отсутствии жидкости средние значения двух выборок различаются. В режиме отсутствия вращения и при вращении против часовой стрелки F^pr_st=49.6, и по часовой стрелке F^po_st=91.2.

Сравнительный анализ результатов опыта с жидкостью и без жидкости определил следующие коэффициенты Фишера; F^pr=20.0, F^po=5.9, F^st=5.3. Следовательно, относительные статистические распределения площадей пиков при двух опытах (с жидкостью и без жидкости) не могут представлять идентичные объекты.

Увеличить >>>

В последнем этапе исследований был обнаружен эффект различного воздействия катушек на изучаемое поле (рис.7). Для каждого режима было проделано по 70 измерений без жидкости. Анализ относительных статистических результатов измерений площади пика, при изучении данных полученных с левозакрученной нитью, показал; Sr^pr=0.9934 s =0.0031, Sr^pо=0.9909 s =0.0027, однофакторный дисперсионный анализ, относительно распределения полученного в режиме отсутствия вращения, определил коэффициенты Фишера F^po_st=5.5, F^pr_st=2.6. Для правозакрученной нити следующие результаты; Sr^pr=0.9627 s =0.0117, Sr^pо=0.9807 s =0.0092, F^po_st=4.5, F^pr_st=9.5 (при F_k=3.9).

При сравнении коэффициентов, полученных из опытов без катушек и с катушками, заметно их уменьшение. Причем, с левозакрученной нитью при вращении по часовой стрелке уменьшение коэффициента в ~16.6 раз, против часовой в ~19 раз. С правозакрученной нитью при вращении по часовой стрелке уменьшение коэффициента в ~20 раз, против часовой в ~5 раз. Кроме поглощающих свойств катушек присутствует эффект поляризации. С левозакрученной нитью поле воздействия проходит через катушку только при вращении вала двигателя по часовой стрелке, а с правозакрученной нитью, в большей степени при вращении против часовой стрелки. Дальнейшие эксперименты с катушками показали, что при увеличении загрузки детектора, эффект сдвига распределения площади пика вновь увеличивается. Изучая влияние поля на изменение относительного распределения энергии у цезия, было замечено, что только при сравнении результатов двух опытов (с катушкой и без катушки), коэффициент Фишера F>F_k.

С целью исследования влияния поля воздействия на расстоянии, изотоп цезия с детектором был вынесен на два метра в сторону от стакана. В режимах отсутствия вращения и вращения против часовой стрелки опыт показал полное отсутствие сдвига распределений, коэффициент F=0.7<F_k=3.9, хотя тип распределения в форме дуплета сохранился.

4.Обсуждение результатов

Исследуемое поле воздействия является спин-торсионным полем [2]. Его влияние на структуру возбужденных ядер и временные характеристики детектора приводит к изменению аппаратурного спектра. Соответственно, в сравнительном статистическом анализе различных режимов измерений результаты опыта могут существенно отличаться.

Данная работа не позволяет выделить степень влияния спин-торсионного поля отдельно на структуру ядра и полупроводниковый детектор. Обнаруженные эффекты, такие как не пуассоновская форма распределений (дуплет, образование "хвоста") и сдвиг распределения при вращении, по всей видимости, зависят от величины потенциала спин-торсионного поля. На величину потенциала влияет скорость и направление вращения. Но, как показали результаты, величина сдвига в значительной степени зависит от загрузки детектора, т.е. его временных характеристик, которые, в свою очередь, так же зависят от потенциала. Соответственно, адекватное изучение воздействия поля на возбужденную структуру ядра возможно только при такой схеме эксперимента, в которой детектор изолирован от воздействия спин-торсионного поля.

Присутствие жидкости, в экспериментах с вращением, меняет форму и дисперсию распределений площади пика, вероятно, это связано с пространственной неоднородностью поля воздействия и приближение возмущающей среды к объекту воздействия меняет потенциал в данной области пространства.

Отличие статистических результатов, в опытах с различными направлениями вращения, можно объяснить следующим образом. Наша планета, при вращении, образует в околоземном пространстве спин-торсионное поле с определенной пространственной ориентацией. Соответственно, любое вращающееся тело создает в пространстве свое поле, пространственная ориентация которого зависит от направления вращения тела относительно Земли. Поэтому, совпадение либо несовпадение ориентации двух полей изменяет потенциал спин-торсионного поля в локальной области пространства.

Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Генерируемое плотностью углового момента спин-торсионное поле оказывает определенное влияние на внутреннюю структуру возбужденного ядра и временные характеристики полупроводникового детектора, регистрирующего фотонное излучение;
2. Потенциал спин-торсионного поля, в локальной области пространства, зависит от скорости и направления вращения физического объекта;
3. Вещество, имеющее в пространстве определенную ориентацию (левую либо правую) может служить поглотителем либо поляризатором спин-торсионного поля.

Литература

1. Мельник И.А., Экспериментальные исследования влияния вращающейся жидкости на интенсивность излучения радиоактивного изотопа.// Изв.вузов.Физика., 2003, №10, с.56-59.
   
2. Акимов А.Е., Тарасенко В.Я. Модели поляризованных состояний физического вакуума и торсионные поля.//Изв.вузов.Физика., 1992, №3, с.5-12