Muon catalyzed fusion experiment at the RIKEN-RAL Muon Facility

Abstract

A muon catalyzed fusion experiment is being carried out at the RIKEN-RAL (The Institute of Physical and Chemical Research-Rutherford Appleton Laboratory) Muon Facility. In determining the muon loss by muon's sticking to the recoiling helium nuclei (alpha-particle) produced by the fusion, the X-rays from alpha mu ion, direct products of the sticking can be used to distinguish various atomic processes occurring to the energetic alpha mu particle. Although the X-ray measurement had been very difficult due to the existence of huge bremsstrahlung background from tritium-decay, the signal to background ratio was greatly improved by using the pulsed muon beam and applying the detection time window only around the muon lifetime after the beam pulse. The data quality was greatly improved by the use of the followings: (1) the muon beam with much higher intensity at the above facility, (2) the tritium gas handling system used in the change of the tritium concentration as well as the removal of accumulated He-3, (3) calibrated detectors for fusion neutrons as well as those for X-ray and mu e decay electrons, and (4) new data acqusition system. A clear Doppler broadened 8.2 keV K(sub alpha) X-ray peak from muon to alpha sticking has been observed by this improvement. The following results are obtained from the X-ray measurement and the fusion neutron measurement. (1) The K(sub alpha) X-ray intensity is almost consistent with the calculations, while the final muon sticking probability is smaller than the calculations. (2) The K(sub beta)/K(sub alpha) intensity ratio is much smaller than the calculations, indicating that there is something unknown in the atomic process of the energetic alpha mu atom. (3) Muon transfer from T to He-3 was systematically measured by neutron and X-ray measurements and was compared with the calculations. (4) The He-3 from tritium decay stays several days in solid D/T but it easily evaporates from the liquid.

ミューオン触媒核融合実験がRIKEN-RAL(理研ラザフォード・アップルトン研究所)ミューオン施設で行われている。核融合によって生成された反跳ヘリウム原子核(α粒子)へのミューオン付着によるミューオン損失を決める場合、αμイオンからのX線は、直接の付着生成物であり、高エネルギーαμ粒子に生ずる種々の原子過程の識別に使用できる。トリチウムの崩壊に起因する大きな制動放射バッググラウンドが存在するためにX線の測定は極めて困難であったが、パルスミューオンビームの使用とビームパルス後のミューオン寿命近辺でのみ検出時間窓を適用することにより信号対バッググラウンドの比は大幅に改善された。データの質は以下を用いることにより大幅な向上を見た。(1)上述の施設における遥かに高い強度のミューオンビーム、(2)トリチウム濃度の変更と蓄積したHe-3の除去に使用するトリチウムガス取扱システム、(3)核融合中性子およびX線・μe崩壊電子用の校正済み検出器、(4)新しいデータ取得システムなど。これらの改良により、ミューオンからα粒子への付着に伴う明確なドップラー広がり8.2keVにおけるK(sub α)X線ピークを観察できた。X線測定および核融合中性子測定により、以下の結果が得られた。(1)K(sub α)X線の強度は計算値とほぼ一致するが、最終的なミューオン付着確率は計算値より小さい。(2)K(sub β)/K(sub α)の強度比は計算値よりずっと小さい。このことは、高エネルギーαμ原子の原子過程に何か未知のものがあることを示している。(3)TからHe-3へのミューオンの移行は中性子およびX線測定により系統的に測定し、計算値と比較した。(4)トリチウムの崩壊により生ずるHe-3は固体D/T内に数日間留まるが、液体からは簡単に蒸発する。