1.Цели и задачи эксперимента

В работах [1, 2, 3], по исследованию влияний внешних вращающих объектов на статистическое распределение спектра гамма-излучения точечного изотопного источника, регистрируемого полупроводниковым детектором (ППД), обнаружены следующие эффекты: при вращении внешнего объекта, распределение может приобрести не пуассоновскую форму и сдвигаться в сторону уменьшения интенсивности и энергии. Величина сдвига, как показали результаты, пропорционально зависит от загрузки детектора, т.е. от его временных характеристик [3].

В экспериментах применялся ППД следующего типа: германиевый, диффузионно-дрейфовый (легированный литием), коаксиальный с чувствительностью регистрации 63мм² (ДГДК). Детектор характеризуется такими временными параметрами как время сбора заряда, временем жизни заряда относительно рекомбинации и постоянной времени нагрузки. При сохранении условий измерения (постоянное напряжение, температура, энергия регистрируемого фотона и загрузка детектора) временные параметры не меняются. Соответственно, распределение интенсивности должно быть пуассоновское и совпадать с последующими полученными распределениями. Энергия аппаратурного спектра, характеризуемая центром тяжести пика полного поглощения, пропорциональна величине заряда снимаемого с зарядочувствительной нагрузки. Поэтому, при длительном измерении возможен дрейф центра тяжести пика в связи с плавным колебанием температуры и напряжения усилительного тракта. С целью устранения данного явления, набор спектра проводился при чередовании двух режимов после десяти измерений, при вращении (E_rot) и при отсутствии вращения (E_st). Исследовались отношения распределений двух режимов измерений центра тяжести пика (E_rot/E_st).

Обнаружение эффекта воздействия, генерируемого вращением поля, на внутреннюю структуру возбужденного ядра и ППД определило дальнейшее направление экспериментальных работ и анализа полученных результатов. Целью данной работы является изучение влияния возбуждаемого вращением поля на изменение статистических распределений площади пика и энергии в связи с изменением временных характеристик детектора.

2.Описание эксперимента

Генератором поля воздействия, в экспериментальных исследованиях, послужил электродвигатель, закрепленный вертикально поверхности Земли. Вал двигателя, вращающийся с угловой скоростью 6000об/мин, располагался над радиоактивными изотопными источниками на расстоянии 2-5см. Источники (Cs¹³⁷, Co⁶⁰) крепились на подставках различной высоты от детектора ППД.

В качестве измерительной аппаратуры использовался полупроводниковый детектор (ДГДК-63в), предусилитель (ПУГ-2К), усилитель (БУИ-3К) и анализатор (АМА-02Ф1). Измерялась площадь пика полного поглощения (в дальнейшем пик) и центр тяжести пика фотона от различных источников радиоактивного излучения. Ширина энергетического разрешения не превышала 3 КэВ. За один час измерений дрейф центра тяжести пика в сторону повышения либо понижения не превышал 0,5 КэВ.

Регистрирующая аппаратура (детектор) характеризуется мертвым временем не продлевающегося типа (t _m). Измерение спектра гамма-излучения проводилось по живому времени (t_g). Это делается с целью устранения влияния загрузки на детектор (при увеличении интенсивности фотонов увеличивается реальное время регистрации). Так же, амплитудно-временной преобразователь анализатора имеет свое мертвое время продлевающего типа (t_m), пропорциональное амплитуде сигнала (т.е. энергии фотона). Следовательно, при измерении одного типа источника (допустим Cs¹³⁷) на различных высотах от детектора можно определить мертвое время измерительной системы.

Проводился следующий эксперимент, в режиме отсутствия вращения измерялась энергия фотона 661.6 КэВ двух изотопов цезия на расстояниях от поверхности детектора 29мм и 25мм. Причем, расстояние подбиралось таким образом, чтобы загрузка на детектор от двух источников была одинакова. В начале осуществлялось 60 измерений одного источника (первое измерение при t_g=50c), затем от двух источников одновременно (второе измерение при t_g=30c) и третьим этапом измерение интенсивности от второго источника (третье измерение при t_g=50c). Исследования повторились при вращении двигателя по часовой и против часовой стрелки.

Так же изучалось влияние энергии фотонов на изменение распределений в зависимости от режима измерения. Кобальт и цезий измерялись одновременно (60 измерений по 90с). Анализ статистических результатов проводился при уровне надежности 95%.

3.Результаты эксперимента

Влияние вращения на изменение распределения площади пика, в сравнительном анализе двух режимов измерений, показаны на следующих рисунках (рис.1) и (рис.2). Результаты эксперимента вынесены в таблицу №1, где средние значения площади пика – S, стандартная ошибка - s , критерий Фишера (в дисперсионном анализе) – F при F_kr=3.9, режимы измерения при отсутствии вращения – (St), при вращении против часовой стрелки – (Pr), по часовой стрелке – (Ро).

Таблица №1

Вычисление мертвого времени производится по формуле [4 стр.92], где N=S/t_g,

t _m={1-[1-(N₁+N₃-N₂)N₂/(N ₁N₃)]^1/2}/N₂.

Отношения мертвого времени в режимах вращения к режиму отсутствия вращения равны следующим значениям t _m^pr/t _m^st=3.02 и t _m^po/t _m^st=1.17. Соответственно, вращение внешнего объекта может значительно увеличить мертвое время регистрирующей системы.

Анализируя полученные результаты, можно заметить явное отличие распределений от двух изотопных источников в режимах отсутствия вращения и при вращении. При отсутствии вращения, распределения полностью совпадают, т.е. загрузка детектора от обоих источников одинакова, что нельзя сказать о режиме вращения. Данное различие предполагает влияние поля воздействия на структуру ядра возбужденного изотопа.

При исследовании аппаратурного спектра заметно проявление еще одного пика, со средней энергией 669.6 КэВ. Причем, частота появления (W) в выборке его различна для разных режимов и геометрий измерений. Назовем его пик-дубль – S_d. При первом измерении в режиме отсутствия вращения S_d1^st=874 имп., s =54.1 W=15% соответственно, определяем среднюю площадь пика-дубля с учетом частоты появления в выборке аппаратурных спектров, т.е. s_d=S_dW/100, где s_d1^st=131имп. При вращении против часовой стрелки S_d1^pr=1197 имп., s =15.5 W=76% s_d1^pr=917 имп. В третьем измерении получили следующие значения: S_d3^st=904 имп., s =34.0 W=13% s_d3^st=120 имп., S_d3^pr=1237 имп., s =19.6 W=93% s_d3^pr=1154 имп. Таким образом, происходит значительное увеличение площади пика-дубля в режиме вращения относительно режима отсутствия вращения. Разница в показании энергии пика-дубля (в третьем измерении), при сравнении режимов (Pr) и (St), составляет D E_st^pr=0.87 КэВ при s ^pr=0.04 КэВ. Увеличение загрузки детектора так же увеличивает пик-дубль, например, во втором измерении определены следующие значения s_d2^st=1442 имп., s_d2^pr=1869 имп.

С целью изучения поведения пика-дубля в зависимости от энергии регистрируемого фотона, одновременно с цезием измерялись пики Со⁶⁰ энергией 1173 КэВ и 1332 КэВ и соответственно площади пиков-дублей, энергией 1183 КэВ и 1343 КэВ. Результаты экспериментов занесены в таблицу №2. В этом случае, энергия регистрируемого излучения и загрузка детектора увеличиваются. При сравнении двух экспериментов по цезию, динамика изменения площадей пиков-дублей, для различных режимов измерений, заметно отличается. Так же можно предположить, что на изменение пика-дубля влияет еще один фактор (помимо изменения мертвого времени). При повторении эксперимента (третье измерение) совместно с кобальтом, разница энергии пика-дубля цезия следующая, D E_st^pr=1.37 КэВ при s ^pr =0.087 КэВ.

Таблица №2

Измерения аппаратурного спектра, в режимах по часовой и против часовой стрелки, проводились в разные дни. Затем были изучены корреляционные зависимости выборок пиков и пиков-дублей для всех режимов. Полученные коэффициенты корреляции занесены в таблицу №3. С целью уменьшения размеров таблицы, столбцы, в которых все коэффициенты корреляции меньше 0.6, были удалены. Выявлены следующие закономерности:

1. корреляция присутствует только в режимах вращения;
2. корреляция выборочных значений может присутствовать в независимых друг от друга экспериментах;
3. между пиками и пиками-дублями корреляция, в данном случае, положительная.

В дальнейшем были исследованы 24 выборки площадей пиков цезия, полученных в разное время и в различной геометрии, на предмет корреляции выборочных значений. Получены двенадцать коррелированных коэффициентов от 0.6 до 0.96 причем, встречаются как положительные, так и отрицательные коэффициенты. Между выборочными значениями пика (661.6 КэВ) и пика-дубля (669.6 КэВ) в основном корреляция отрицательная.

Таблица №3

Проведенные эксперименты позволили построить зависимость для цезия D s_d(D S), где D s_d=|s_d^rot-s_d^st| и D S=|S^rot-S^st| берутся по модулю (рис.3). Определена полиномиальная линия тренда третьей степени с достоверностью аппроксимации 0.74.

4.Анализ и обсуждение результатов

Исследуя причину возникновения пика-дубля в аппаратурном спектре можно заметить что, данный пик не может образоваться вследствие наложения импульсов. Эффект наложения привел бы к прямо пропорциональному росту площади пика-дубля в зависимости от роста площади пика полного поглощения, чего на самом деле не происходит (табл.№2), (рис.3).

По всей видимости, образование пика-дубля связано с временной рекомбинацией части носителей зарядов ловушками запрещенной зоны ППД. Причем, время удержания носителя зависит от положения энергетического уровня ловушки [4]. Если среднее время сбора зарядов - t больше среднего времени удержания в ловушках - t _r, то данная часть рекомбинированных носителей увеличит амплитуду регистрируемого импульса. При следующем неравенстве t <t _r, временно рекомбинированные заряды определяют сигнал, не регистрируемый амплитудно-цифровым преобразователем (АЦП), т.к. среднее мертвое время АЦП – t_m гораздо больше среднего мертвого времени детектора - t _m.

Таким образом, введем значение вероятности образования импульса с увеличенной амплитудой – P(t /t _r), где P(t /t _r)=0 при t <t _r и P(t /t _r)=1 при t >t _r. Соответственно, количество зарегистрируемых детектором импульсов с большей амплитудой, в единицу времени, определяется следующим выражением: n_r=е P_i(t _m/t _r), при t _{m» t} .

В случае пуассоновского потока интенсивность сигналов, полученных с помощью ППД, отличается от интенсивности на входе детектора множителем, равным (1-nе t _m)^-1, где nе -суммарная скорость счета всех зарегистрированных гамма - квантов. Увеличение мертвого времени влечет за собой уменьшение интенсивности регистрируемых сигналов. Поэтому, площадь пика полного поглощения уменьшается.

На самом деле, поток регистрируемых импульсов с увеличенной амплитудой не обладает свойствами пуассоновского распределения. Если сравнить два значения, s_d1^st/t_g=2.6 имп/с и s_d^st669/t_g=20.3 имп/с, то можно заметить, что во втором случае значительное увеличение количества импульсов связанно с одновременным измерением гамма - квантов изотопа кобальта. Таким образом, регистрация гамма – кванта кобальта оказывает определенное влияние на последующую регистрацию гамма – квантов изотопа цезия, т.е. происходит уменьшение времени t _r (относительно измерения при отсутствии кобальта) и соответственно, увеличение s_d^st669 (присутствие последействия). В статическом режиме, при сравнении двух экспериментов, энергия пика-дубля не меняется, хотя разница D E_st^pr (с кобальтом и без кобальта) отличается значительно. Различие в показаниях s_d^st669, s_d^st1173, s_d^st1343 можно объяснить тем что, при увеличении энергии регистрируемых фотонов увеличивается количество временно рекомбинированных зарядов, в свою очередь, это приводит к изменению положения среднего энергетического уровня ловушек и увеличению t _r.

В работе [5], получены уравнения движения для слаборелятивистской частицы во внешнем поле кручения (спин-торсионное поле). Определенно выражение для гамильтониана, предсказывающее воздействие спин-торсионного поля на энергетические уровни. Плотность углового момента вращения внешнего объекта возбуждает спин-торсионное поле в окружающем пространстве. Следовательно, носители зарядов (электроны) ППД, попадая во внешнее поле воздействия, могут испытывать изменение кинетической энергии и соответственно, время сбора носителей определяющее мертвое время детектора. Так же, возмущение энергетического уровня ловушки спин-торсионным полем, приводит к изменению положения данного уровня и времени удержания носителя. Перечисленные эффекты обуславливают образование не пуассоновского распределения площади пика.

Рассматривая вращение материального объекта как источник спин-торсионного поля можно предположить следующее, вращение Земли, в околоземном пространстве, возбуждает потенциал поля кручения с определенными частотными характеристиками, влияющий на статистический разброс распределений площади пика и энергии. В свою очередь, вращение любого объекта модулирует частотные характеристики потенциала торсионного поля в окружающем пространстве и определяет частоту статистического разброса выборочных значений. Поэтому, при определенном соотношении частоты и фазы поля, возможна корреляция независимых друг от друга экспериментальных значений. В этом случае, в пуассоновском потоке случайных величин, нарушается свойство стационарности.

Изменение статистического распределения энергии (центра тяжести пика) в зависимости от присутствия поля воздействия, может быть связано с двумя факторами: во первых, флуктуациями числа образованных и собранных пар носителей в ППД; во вторых, влиянием поля на внутреннюю структуру возбужденного ядра. На данном этапе экспериментальных исследований, определить степень влияния каждого фактора, в эффекте сдвига распределения центра тяжести пика, практически невозможно. Исследована зависимость медиан М_S(М_E) соответствующих распределений Е_rot/E_st и S^*_rot/S^*_st, где S^* - выборочные значения площади пика [3]. Причем, почти все значения данных медиан меньше единицы. Построим следующую зависимость D М_S(D М_E), где D М_S=|1-M_S| и D М_E=|1-M_E|Eg , соответственно Eg - энергия регистрируемого фотона в КэВ (рис.4). Изменение распределения площади пика связанно со сдвигом распределения энергии. По всей видимости, данное явление в значительной степени объясняется влиянием флуктуации мертвого времени детектора не только на изменение количества сигналов, но и на амплитуду импульса. В свою очередь, увеличение мертвого времени детектора приводит к увеличению амплитуды сигнала-дубля. Этот эффект определяется условием прямо пропорциональной зависимости между количеством участвующих в проводимости временно рекомбинирующих зарядов и продолжительностью времени сбора носителей.

Увеличить >>>

Если полученные эффекты связанны только с воздействием поля кручения, то появляется возможность определить порядок константы, связывающую торсионную переменную с соответствующими характеристиками вращающегося объекта.

Литература

1. Мельник И.А., Экспериментальные исследования влияния вращающейся жидкости на интенсивность излучения радиоактивного изотопа.// Изв.вузов.Физика., 2003, №10, с.56-59.
   
2. Мельник И.А., Экспериментальное обнаружение сохранения непуассоновского статистического распределения излучения после отключения источника возмущения.// Изв.вузов.Физика., 2004
   
3. Мельник И.А., Экспериментальное обнаружение воздействия вращения на статистическое распределение аппаратурного спектра гамма-излучения изотопов.//Изв.вузов.Физика., 2004
   
4. Абрамов А.И. и др., Основы экспериментальных методов ядерной физики.//Москва, Энергоатомиздат, 1985, 486с. (с.180-182).
   
5. Багров В.Г., Бухбиндер И.Л., Шапиро И.Л., Возможные экспериментальные проявления поля кручения.//Изв.вузов.Физика., 1992, №3, с.5-12.