Экспериментальное исследование энергетического и зарядового распределения быстрых тяжелых ионов при взаимодействии с плазмой

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом относится к классическим разделам атомной и ядерной физики. Изучение процессов возникающих при прохождении заряженных частиц через вещество, начатое в ранних работах Бете и Бора [1,2] до сих пор актуально и находится в фокусе исследований многих экспериментальных и теоретических групп [3−5].

Интерес к исследованиям взаимодействия тяжёлоионных пучков с веществом в настоящее время обусловлен введением в действие новых мощных ускорителей частиц и развитием новых направлений их использования, как медицинских — таких как пучковая терапия [6], позитронно-эмиссионная томография [7], так и поиск пути решения энергетических проблем — тяжёлоионный инерциальный термоядерный синтез [8]. С развитием ускорительной техники, направленной на создание мощных ускорительных установок, позволяющих получать мощные пучки тяжёлых ионов ГэВ-ных энергий с полной энергией в пучке до 100 кДж, особенно вырос интерес к исследованиям процессов при взаимодействии интенсивных пучков тяжелых ионов с веществом в диапазоне энергий от десятка до сотен МэВ/а.е.м. [9−11]. Это обусловлено необходимостью знания точных значений фундаментальных параметров взаимодействия, таких как, полный пробег ионов, энергетические потери ионов, фрагментация ядер, зарядовое и энергетическое распределение ионов в веществе и другие [12−15] для широкой области применения пучков ионов. Такие установки в настоящее время создаются как за рубежом, в Германии, в GSI (Gesselschaft fur Schverionen GmbH), Дармштадт проект SIS-200 [16], так и в России, в ИТЭФ (Институт Теоретической и Экспериментальной Физики), Москва проект ТВН (Терраватный накопитель) [17]. Одно из приоритетных направлений исследований на создаваемых ускорительно-накопительных комплексах являются исследования в области физики высокой плотности энергии в веществе, включающие исследования по уравнениям состояния вещества при мегабарном давлении и высоких температурах, физики плотной высокотемпературной плазмы и атомной физики [18]. Кроме того, ускорители тяжелых ионов с энергией ионов около 5−10 ГэВ, рассматриваются как перспективные для использования в качестве тяжёлоионного драйвера для инерциального термоядерного синтеза (ИТС) на пучках тяжелых ионов [8].

В настоящее время экспериментальные исследования по управляемому термоядерному синтезу (УТС), опирающиеся как на принцип магнитного удержания в установках типа «ТОКАМАК», так и на принцип инерциального удержания с использованием в качестве драйвера мощных лазеров, вплотную подошли к осуществлению демонстрационного эксперимента по зажиганию управляемой термоядерной реакции в лабораторных условиях. В то же время наиболее перспективным кандидатом на роль драйвера для термоядерной электростанции на принципе инерциального удержания является ускорители тяжелых ионов. Основанием для такой оценки являются:

• Высокий КПД преобразования подводимой к ускорителю электрической энергии в энергию потока ионов 25 -г- 35%;

• Возможность осуществления высокой повторяемости импульсов ионного пучка 10 Ч-100 импульсов в секунду;

• Пространственное разделение ускорительного комплекса («драйвера») и реакторной камеры, что повышает безопасность работы термоядерной установки;

• Высокая надежность и стабильность работы основных компонентов ускорительного комплекса, важные для его долговременной эксплуатации.

В общем случае, для инерциального термоядерного синтеза существуют два класса термоядерных мишеней: мишени прямого действия и мишени непрямого действия («радиационные» или рентгеновские мишени). В мишенях прямого действия энергия пучка ионов непосредственно выделяется во внешнем слое ускоряемой сферической оболочки (термоядерной капсулы), окружающей термоядерное топливо. В мишенях непрямого действия, энергия ионных пучков трансформируется в рентгеновское излучение, заполняющее радиационную полость, в центре которой находится сферическая термоядерная капсула. Переход к мишеням непрямого действия связан с дополнительными энергетическими потерями, но зато позволяет упростить решение проблемы симметричного облучения мишени. Мишени непрямого действия представляются наиболее реалистичными для достижения термоядерного зажигания в лабораторных установках инерциального синтеза.

На сегодняшний день в мире проводится большое количество теоретических и экспериментальных работ по изучению фундаментальных физических процессов, определяющих конструкцию термоядерной мишени и необходимые параметры будущего драйвера [19,20]. Расчет параметров драйвера тяжёлоионного инерциального синтеза требует адекватного количественного описания процессов взаимодействия тяжёло-ионных пучков с плотной плазмой в широком диапазоне параметров. Основное энерговыделение пучка тяжёлых ионов в обоих типах термоядерных мишеней будет проходить в плотной (пе > 1022 см-3) высокотемпературной (Те = 100 — 300 эВ) плазме, образованной передним фронтом интенсивного пучка ионов. Таким образом, пробеги тяжелых многозарядных ионов в мишени, и ионизационные потери будут обусловлены тормозной способностью плотной высокотемпературной плазмы. Следовательно, знание величин пробегов и профилей энерговыделения тяжелых, заряженных частиц в плазме позволят более точно рассчитать конструкцию термоядерной мишени.

В настоящее время экспериментально получить плазму с твердотельной плотностью, необходимую для проведения исследования в рамках ИТС, с помощью интенсивного пучка не представляется возможным. Поэтому, для изучения процессов, происходящих при торможении ионов в ионизированном веществе, используют плазму, созданную другими способами (разряд в газе [21, 22], капиллярный разряд [23], лазерная плазма [24], плазма взрывного генератора [25] и т. д.). Эксперименты по измерению энергетических потерь ионов в плазме различных газов [26−30] позволили изучить особенности торможения тяжелых заряженных частиц в ионизованном веществе с плотностью свободных электронов порядка 1017 — 1019 см-3 и выявить два основных эффекта:

• увеличение тормозной способности плазмы по сравнению с холодным веществом за счет взаимодействия со свободными электронами плазмы;

• эффективный заряд налетающего иона в полностью ионизованном газе имеет более высокую величину, чем в холодном газе, что также приводит к увеличению энергетических потерь налетающих частиц.

Однако разделить вклад каждого из этих двух эффектов в суммарную тормозную способность плазмы на основе анализа полученных экспериментальных результатов весьма затруднительно.

Потребность в новых экспериментальных данных, по торможению тяжёлых ионов в плазме, необходимых для адекватного качественного описания процессов взаимодействия тяжёлоионных пучков с плотной плазмой в широком диапазоне параметров, является принципиальным обоснованием, определяющим основную цель настоящей диссертационной работы — систематическое экспериментальное исследование энергетических потерь и зарядового распределения ионов различных атомных масс в диапазоне энергий 3.6 — 11.4 МэВ/а.е.м. в плазме с электронной плотностью выше 1019 см-3.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

1. Впервые проведено измерение давления в плазменной мишени с испаряющейся стенкой на основе сильноточного капиллярного разряда (далее КРИС) с пространственным (вдоль длины капилляра) и временным разрешением 50 не). Получены экспериментальные данные по поведению давления для трех значений диаметра капилляра. Показано, что установление однородной по объёму мишени плазмы происходит через ~3 мке от момента генерации плазмы со временем жизни однородной плазмы мкс.

2. Проведено систематическое измерение энергетических потерь пучков ионов С, Кг, РЪ, 11 с энергией 3.6— 11.4 МэВ/а.е.м. в плазменной мишени на основе КРИС, с плотностью свободных электронов в диапазоне 1019 см-3 — 5−1019 см-3. Из анализа экспериментальных данных видно, что зафиксированный эффект увеличения энергетических потерь ионов в плазме по сравнению с холодным веществом обусловлен взаимодействием со свободными электронами плазмы.

3. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных по энергетическим потерям ионов С, Кг, РЬ, V с энергией в диапазоне 3.6 — 11.4 МэВ/а.е.м. в плазменной мишени с энергетическими потерями протонов той же скорости. Отношение данных для ионов и протонов сравнивается со средним выходным зарядом ионов и расчётной величиной для холодного газа. Показано, что заряд ионов в частично ионизованной неводородной плазме практически совпадает с величиной для холодного газа.

4. На основе экспериментальных данных по энергетическим потерям и зарядовому распределению ионов.

П 28+ и и76+ (с энергией Ео = 11.5 МэВ/а.е.м.) на выходе из плазменной мишени впервые экспериментально обнаружен эффект перехлёста выходного заряда на выходе из плазменного объёма. Полученные значения среднего равновесного заряда пучка ионов на выходе, д = 63±0.5 для ионов.

Ц76+ и д = 64.5 ± 0.5 для ионов [/28+, указывают на влияние тормозных потерь ионов на величину среднего равновесного заряда на выходе из мишени.

Структура и содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, а также из списка использованной литературы — всего 130 страниц текста, созданного пакетом программ компьютерной системы типографского набора включая 39 рисунков и библиографию из 119 наименований.

Основные результаты работы:

1. Собрана и подготовлена к проведению исследований экспериментальная установка с плазменной мишенью на основе капиллярного разряда, позволяющая измерить энергетические потери и зарядовое распределение ионов различных атомных масс после прохождения плазмы, в диапазоне энергий 3.6 -г 11.4 МэВ/а.е.м., в плазме с плотностью свободных электронов 1019 см-3 н- 5 • 1019 см-3 и температурой 3 эВ.

2. Отработаны и налажены диагностические схемы контроля и измерения параметров плазменной мишени: давление и температура плазмы, и параметров пучка ионов за мишенью: энергетические потери и зарядовые распределения ионного пучка.

3. Измерены энергетические потери и зарядовые распределения ионов С, Кг, РЬ и и в диапазоне энергий 3,6-г 11, 5 МэВ/а.е.м. после прохождения плазмы мишени капиллярного разряда с плотностью свободных электронов 1019 см-3 -г- 5 • 1019 см-3 и температурой ~ 3 эВ.

4. В данной работе удалось провести разделение совместного влияния эффектов увеличения заряда ионов в плазме и эффекта взаимодействия со свободными электронами плазмы на увеличение энергетических потерь ионов.

5. Зафиксированный эффект увеличения энергетических потерь ионов в плазме по сравнению с холодным веществом обусловлен взаимодействием со свободными электронами плазмы.

Заключение

.

В данной работе продемонстрирована возможность использования капиллярного разряда в качестве хорошо контролируемой мишени в экспериментах по торможению ионов в плазме.

Полученные в диссертационной работе новые экспериментальные результаты по энергетическим потерям ионов и по зарядовому распределению ионов в плазме с плотностью свободных электронов в диапазоне 1019 см-3 — 5 • 1019 см-3 могут послужить основой для доработки современных теоретических моделей описывающих процессы взаимодействия тяжёлоионных пучков с плазмой.