WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Результаты экспериментов показали, что при использовании обеих мишеней регистрируются нейтроны. Учитывая, что в результате воздействия лазерного импульса генерируется около 105 нейтронов на TaBe мишени и около 10 нейтронов на Ta мишени, было получено, что на TaBe мишени генерируется около 109 -квантов с энергией свыше 1.67 МэВ и на Ta мишени генерируется около 102 -квантов с энергией свыше 7.56 МэВ. Полученное с помощью активационной методики количество -квантов с энергией свыше 1.67 МэВ, равное 109, хорошо согласуется с данными, полученными с помощью сцинтилляционных детекторов -излучения. Из данных по количеству -квантов при энергиях 1.МэВ и 7.56 МэВ в предположении, что распределение быстрых электронов по энергии является максвелловским, была получена оценка температуры быстрых электронов, равная Te 300 кэВ.

Для детектирования протонов и измерения их энергетического спектра использовались трековые детекторы CR-39 размером 2420 мм2 с фильтрами из Al различной толщины (11 – 80 мкм), позволяющими перекрывать энергетический интервал для протонов 0.8 3 МэВ. Трековые детекторы располагались перед и за мишенью на расстоянии 20 мм по нормали к поверхности мишени.

Также для детектирования протонов, определения их количества и максимальной энергии использовались вторичные активационные мишени из LiF, Cu, Ti, имеющие различные пороговые энергии для (p, n)-реакций: 1.88 МэВ для 7 реакции Li(p, n)7Be, 4.1 МэВ для реакции Cu(p, n)63Zn и 5 МэВ для реакции 48Ti(p, n)48V.

Результаты экспериментов по исследованию различных механизмов генерации быстрых протонов с использованием Ti фольги толщиной 30 мкм показали, что количество ускоренных протонов с передней поверхности мишени навстречу лазерному импульсу, имеющих энергию свыше 1.88 МэВ, составило величину 2107; количество ускоренных протонов с тыльной поверхности 13  мишени наружу составило величину 4108 и количество ускоренных протонов с передней поверхности мишени вглубь ее составило величину 4107. Таким образом, результаты экспериментов показали, что наиболее эффективно процесс ускорения протонов происходит в случае ускорения протонов с тыльной стороны поверхности мишени наружу.

Из измеренных спектров быстрых протонов (рис. 3) следует, что распределение быстрых протонов по энергии соответствует максвелловскому распределению с температурой 180 кэВ для протонов, ускоренных с передней поверхности мишени навстречу лазерному импульсу, с температурой 500 кэВ для протонов, ускоренных с тыльной поверхности мишени наружу и с температурой 250 кэВ для протонов, ускоренных с передней поверхности мишени вглубь ее.

Рис. 3. Спектры быстрых протонов для различных механизмов ускорения.

I-ускорение протонов с передней поверхности мишени навстречу лазерному лучу (Ti,30 мкм) II – ускорение протонов с тыльной поверхности мишени наружу (Ti, 30 мкм) III – ускорение протонов с передней поверхности вглубь ее (LiF, 6 мм) Результаты экспериментов показали, что существует оптимальная толщина мишени, при которой протоны, генерируемые с тыльной поверхности мишени наружу, имеют максимальную энергию. На рис. 4 представлены результаты экспериментов по определению максимальной энергии протонов для мишеней из Al различной толщины от 2.5 мкм до 100 мкм, полученные как с использованием трековых детекторов CR-39 с Al фильтрами различной толщины, так и с использованием активационной методики. Из графика видно, что существует оптимальная толщина Al мишени, равная 10 мкм, при которой генерируются протоны с максимальной энергией 5 МэВ. Отметим, что максимальная энергия протонов, ускоренных с передней поверхности мишени навстречу лазерному импульсу, и протонов, ускоренных с передней поверхности мишени вглубь ее, составляет величину 2 МэВ, что значительно меньше величины максимальной энергии протонов, ускоренных с тыльной поверхности, равной 5 МэВ.

14  Рис. 4. Зависимость максимальной энергии протонов Ep,МАКС от толщины d Al фольги.

Результаты экспериментов по исследованию пространственного распределения пучков протонов за тыльной поверхностью металлических фольг показали, что пучки протонов распространяются по нормали к мишени и угол отклонения протонов уменьшается для протонов большей энергии, при использовании мишеней с большей толщиной и с большим атомным номером атомов мишени. В данном разделе проведено сопоставление полученных экспериментальных результатов по генерации быстрых заряженных частиц при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями с известными теоретическими моделями (см. обзор [28*] и [10]), которые показали достаточно хорошее согласие при интенсивности лазерного излучения 21018 Вт/см2.

Результаты по ускорению быстрых ионов, генерируемых в лазерной пикосекундной плазме, основаны на измерениях доплеровских спектров водородоподобных ионов фтора. В экспериментах регистрировалась область спектра излучения лазерной плазмы, соответствующая линии Ly водородоподобного иона фтора. На рис. 5 приведены результаты измерений (кружки) при длительности импульса 1.5 пс и энергии 10 Дж, соответствующие пиковой интенсивности 21018 Вт/см2. Для сравнения треугольниками показаны также результаты предыдущих измерений профиля линии Ly при энергии импульса 1.5 Дж и интенсивности 21017Вт/см2. Результаты измерений при интенсивности 21018 Вт/смдемонстрируют наличие более широких крыльев линии Ly, что свидетельствует о более эффективной генерации быстрых ионов с энергией до 1 МэВ и выше.

Для интерпретации результатов измерений и определения энергетических параметров плазмы наблюдаемый контур линии моделировался с учетом доплеровского, штарковского уширения и оптической толщины плазмы. Для описания наблюдаемых крыльев линии учитывались вклады от двух групп ионов, характеризуемых температурой Tint (промежуточные ионы) и Tfast (быстрые ионы) и s – систематический сдвиг, учитывающий наблюдаемую асимметрию крыльев линии. Относительные вклады ионов разных групп в выход излучения, характеризуемые константами А и В, также как значения параметров Tint, Tfast и s подбирались из соображений наилучшего согласия модельного контура ли15  нии с результатами измерений. Результаты аппроксимации представлены на рис. 5. Им соответствуют значения параметров Tint = 35 кэВ, Tfast = 350 кэВ, A=0.17 и B=0.052. Сдвиг s, воспроизводящий наблюдаемую асимметрию линии, соответствует энергии иона, равной 25 кэВ. Крылья линии, полученные при измерениях с энергией импульсов 1.5 Дж, практически полностью определяются ионами с Tint = 35 кэВ, тогда как при энергии импульса 10 Дж далекое крыло соответствует значительному вкладу быстрых ионов, в том числе с энергией 1 МэВ и выше.

Распределение быстрых ионов по энергиям, полученное из расчета и извлеченное из эксперимента, показано на рис. 6. Экспериментальные точки получены вычитанием из наблюдаемого контура линии симметричного вклада от тепловых и промежуточных ионов.

Рис. 5. Экспериментально наблюдаемый контур линии Ly иона F IX в плазме, создаваемой лазерным импульсом с длительностью t = 1.5 пс и энергией E = 10 Дж (кружки) и E=1.5 Дж (треугольники). Сплошная кривая – результат расчета с учетом доплеровского уширения при температуре ионов Ti=3 кэВ и штарковского уширения при плотности электронов Ne=1021 см-3, с дополнительным учетом ионов с Tint=35 кэВ (A=0.17) и Tfast=350 кэВ (B=0.052).

Рис. 6. Распределение быстрых ионов фтора по энергии. Кружки – ионы, движущиеся к мишени (красное крыло линии), треугольники – ионы, летящие от мишени (синее крыло).

Сплошные кривые рассчитаны по зависимости: dN/dE=Bexp[-M(v-v0)2/2Tfast], где v – скорость иона в направлении наблюдения, Mv02/2=25 кэВ, Tfast=350 кэВ.

16  Наблюдаемая асимметрия синего и красного крыла линии объясняется пространственной анизотропией разлета быстрых ионов лазерной плазмы.

В разделе 2.3 представлены результаты экспериментов по измерениям рентгеновских спектральных линий ионов при взаимодействии пикосекундных лазерных импульсов умеренной интенсивности (21017 Вт/см2) с твердотельной мишенью на установке «Неодим». Наблюдались спектры рентгеновского излучения линии Ly водородоподобного иона фтора. Обнаружены сателлиты спектральных линий, свидетельствующие о наличии интенсивных плазменных колебаний. Положение сателлитов и расстояние между ними позволяет связать их с интенсивными электростатическими колебаниями с амплитудой превышающей 108 В/см и частотой вблизи 71014 с-1, заметно меньшей частоты лазерной волны ЛАЗ ~ 1.81015 c-1. Высказывается предположение, что эти колебания могут быть обусловлены сильной турбулентностью плазмы, связанной с развитием колебаний типа берштейновских мод в сильном магнитном поле, генерируемым в плазме. Результаты экспериментов сопоставляются с данными расчетов спектров многозарядных ионов. Подробный теоретический анализ модификации спектра излучения линии Ly ионов FIX, обусловленной действием двух r электрических полей: ионного микрополя F и осциллирующего поля r r E(t ) = E0 cost выполнен Гавриленко В.П. и представлен в статье [14*]. Из рис. 7 видно, что наблюдаемые профили линий могут быть хорошо описаны расчетами, учитывающими наличие осциллирующих электрических полей.

а б Рис. 7. Сопоставление экспериментальных (тонкие кривые) и теоретических (толстые кривые) профилей линии Ly иона FIX.

а – эксперимент при I = 21017 Вт/см2, расчет при Ti = 100 эВ, Ne = 1020 см-3, = 71014 с-1, E0 = 4108 В/см, б – эксперимент при I = 31017 Вт/см2, расчет при Ti = 100 эВ, Ne = 21020 см-3, = 1015 с-1, E0 = 6108 В/см.

Отметим, что экспериментально регистрируемые профили линии несколько отличаются от расчетных в коротковолновых крыльях. Это связано с наличием 17  в плазме быстрых ионов, движение которых в сторону спектрографа и должно приводить к увеличению коротковолновых крыльев спектральных линий. Наличие быстрых ионов не учитывалось в теоретической модели, что и обуславливает различие теоретических и экспериментальных профилей на рис. 7.

В главе 3 представлены результаты по исследованию перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной пикосекундной плазме при интенсивности лазерного излучения 21018 Вт/см2.

Для определения выхода нейтронов использовались детекторы Д5 и Д6 на гелиевых счетчиках и активационный детектор Д7 (рис. 2). Детектор Д5 располагался по касательной к поверхности мишени на расстоянии 25 см от нее, а детектор Д6 располагался за мишенью на расстоянии от 50 см до 10.5 м. Активационный детектор Д7 располагался на расстоянии 22 см над мишенью. Для детектирования протонов и -частиц, являющихся продуктами ядерных реакций синтеза, применялись детекторы Д8 – Д10 на основе трековых детекторов CR-(площадь поверхности от 0.5 до 3.0 см2) с фильтрами из алюминия различной толщины – от 11 мкм до 1.1 мм. Детекторы располагались в вакуумной камере под различными углами (от 0° до 85°) к нормали мишени и на различных расстояниях (от 1.8 до 2.5 см) от мишени. Использование детекторов с фильтрами из алюминия различной толщины позволяет оценить энергию и определить тип детектируемых частиц, а расположение детекторов под различными углами дает возможность оценить их угловое распределение.

Калибровка детекторов CR-39 была проведена с помощью протонного пучка ускорителя Ван-де-Граафа (Ер = 0.75 – 3.0 МэВ), стандартных -источников (Е = 0.4 – 7.7 МэВ) и пучка циклотрона (Е = 8 – 30 МэВ) в НИИЯФ МГУ. После облучения проводилось травление детекторов в растворе 6М NaOH в H2O при 70°С в течение 7 ч. На рис. 8 представлены результаты калибровки, т.е. зависимости диаметров d треков протонов и -частиц от их энергии E. Просмотр детекторов проводился на микроскопном комплексе ПАВИКОМ в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

  частицы  протоны (р)  Рис. 8. Зависимость диаметров треков -частиц и протонов от их энергии.

Первичная реакция D + D имеет два практически равновероятных экзотермических канала:

18  D + D 3He + n + 3.27 МэВ (1) D + D 3H + p + 4.03 МэВ (2) В результате ядерной реакции (1) генерируются нейтроны с энергией 2.45 МэВ. Регистрация таких нейтронов использовалась при исследовании протекания реакции D(d, n)3He в лазерной пикосекундной плазме. Отметим, что впервые такие нейтроны были зарегистрированы в лазерной пикосекундной плазме с использованием LiD мишени в ФИАН в 1968г. [11], что явилось прямым экспериментальным доказательством возможности лазерного нагрева плазмы до термоядерных температур.

В качестве мишеней в наших экспериментах использовались плоские пластинки из дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной от 100 до 500 мкм.

При исследовании выхода перспективных ядерных реакций синтеза проводилось до 10 серий экспериментов (от 5 до 10 экспериментов в каждой серии).

Рис. 9. Осциллограммы импульсов от детекторов нейтронного излучения на гелиевых счетчиках Д5 и Д6 (верхний луч – с аналогового выхода детектора Д6, расположенного на расстоянии 10.4 м от (CD2)n-мишени, нижний луч – с аналогового выхода детектора Д5, расположенного в 25 см от мишени).

Масштаб по горизонтали – 40 мкс/дел., по вертикали – 0.2 В/дел.

На рис. 9 приведены осциллограммы импульсов от детекторов нейтронного излучения на гелиевых счетчиках Д5 и Д6, полученные при регистрации нейтронов при интенсивности лазерного излучения 2 1018 Вт/см2. Учитывая телесный угол регистрации нейтронов и эффективность регистрации нейтронов детекторами Д5 и Д6 было получено, что выход нейтронов составил (1±0.3)нейтронов в 4 ср. за один лазерный импульс. Одновременно сцинтилляционные детекторы Д2 и Д3 зарегистрировали нейтроны с энергией около 2.5 МэВ при использовании времяпролетной методики. Активационный детектор Дтакже зарегистрировал около 105 нейтронов за один лазерный импульс.

Реакции синтеза D + Li в мишени носят многоступенчатый разветвляющийся характер, причем со сравнимыми вероятностями синтезируется целый ряд изотопов легких элементов. В первом поколении идут семь экзотермических реакций D + 6Li:

19  He +4 He + 22.37 МэВ, Li + p + 5.03 МэВ Li* + p + 4.55 МэВ D +6 Li Be + n + 3.38 МэВ (3) Be* + n + 2.95 МэВ He + T + p + 2.56 МэВ He +3 He + n +1.80 МэВ Кроме того, идут две реакции D + D (1), (2).

Для исследования была выбрана одна из реакций первого поколения:

D + 6Li 4He + 4He + 22.37 МэВ (4) с E ~ 11 МэВ (средняя энергия -частиц).

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»