изучение генерации нейтронов в d(d,n)3he и t(d

ИЗУЧЕНИЕ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОНОВ В D(D,N)3HE И T(D,N)4HE РЕАКЦИЯХ
НА 10 ТВТ ПИКОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ УСТАНОВКЕ СОКОЛ–П
А.В. АНДРИЯШ, В.В. АНДРЮШИН, Д.А. ВИХЛЯЕВ, Д.А. ДМИТРОВ, А.Л. ЗАПЫСОВ, Ю.Н. ЗУЕВ, А.Г. КАКШИН,
И.А. КАПУСТИН, А.В. ЛЕВИН, Е.А. ЛОБОДА, В.А. ЛЫКОВ, Э.П. МАГДА, В.Г. ПОКРОВСКИЙ, А.В. ПОТАПОВ,
В.А. ПРОНИН, Г.Н. РЫКОВАНОВ, В.Н САНЖИН, В.Н. САПРЫКИН, А.А. УГОДЕНКО, О.В. ЧЕФОНОВ, М.Н. ЧИЖКОВ
Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский НИИ технической физики
им. акад. Е.И. Забабахина
Введение
В последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в создании лазерных систем, генерирующих
короткие интенсивные лазерные импульсы. Плазма, возникающая при взаимодействии таких лазерных импульсов с веществом, является источником быстрых электронов и ионов, рентгеновского излучения.
Ионы могут ускоряться на облучаемой либо тыльной стороне лазерной мишени. Механизмы ускорения на
фронтальной стороне еще не полностью изучены. Ионы, которые вылетают из мишени, могут исследоваться
с помощью детекторов заряженных частиц [1, 2].
Ионы, которые ускоряются на фронтальной стороне вглубь мишени, замедляются при движении внутри
мишени. Если мишень достаточно толстая, то такие ионы не вылетают из мишени, и их регистрация невозможна. Если мишень является тонкой, то ионы, прошедшие сквозь мишень, испытывают влияние электромагнитных полей на тыльной стороне. Информация об ионах, ускоренных внутрь мишени, может быть восстановлена по продуктам ядерных реакций, которые ионы инициируют внутри мишени. Например, при облучении
дейтерированных мишеней дейтоны, ускоренные лазером вглубь мишени могут взаимодействовать с холодными ядрами дейтерия мишени, производя нейтроны в D(d,n)3He реакции [3—6]. По нейтронным спектрам,
измеренным под разными углами, может быть восстановлена информация о распределении ускоренных ионов
по углам и энергии, которая может быть полезной для изучения механизмов ускорения ионов.
В РФЯЦ — ВНИИТФ запущена в эксплуатацию 10 ТВт пикосекундная лазерная установка на неодимовом
стекле СОКОЛ–П [7]. На этой установке проведены эксперименты по генерации нейтронов. Главная цель этих
экспериментов — исследование ионов, ускоренных внутрь мишени.
1. Постановка экспериментов
Эксперименты по облучению плоских твердотельных мишеней были проведены на лазерной установке
СОКОЛ–П, которая генерировала импульсы длительностью 0,85—2 пс с энергией 5—8 Дж. Пиковая лазерная
интенсивность на мишени составляла (0,5—2)⋅1018 Вт/см2. Контраст пикосекундного предымпульса за 12 нс до
основного импульса варьировался в диапазоне 5·105—109.
На рис. 1 показана схема экспериментов. Нейтронный выход измерялся тремя детекторами, установленными под разными углами к лазерной оси. Энергия нейтронов определялась времяпролетным детектором. Все
детекторы были защищены свинцом от рентгеновского и γ излучения. Мишень помещалась внутрь стальной
вакуумной камеры.
В экспериментах плоские мишени из дейтерированного полиэтилена CD2 и мишени, содержащие тритий — TiD0.3T0.7 (рис 2, a, b), облучались s– и p–поляризованными лазерными импульсами.
2
Снежинск, 5—9 сентября 2005 г.
Рис. 1. Схема экспериментов
Рис. 2. Типы мишеней
Распределение ускоренных ионов по энергии и отношение сечения реакции к тормозным способностям
среды определяют нейтронный выход при взаимодействии пучка быстрых ионов с мишенью:
∞
Nn = n
∫
0
dN d ( Ed )
dEd
d Ed
Ed
σ(E)
∫ | dE / dx |dE ,
0
где n — плотность реагирующих ядер в мишени, dNd /dEd — распределение ускоренных ионов по энергии, σ —
сечение реакции, |dE/dx| — тормозные способности среды. Отношение σ /|dE/dx| для мишеней, содержащих
тритий, значительно выше (рис. 3). Это позволяет получить большой нейтронный выход при умеренной лазерной интенсивности.
Рис. 3. Отношение сечения реакции к тормозным способностям вещества для CD2 и CDT мишеней
VIII Забабахинские научные чтения
3
В некоторых экспериментах использовались дополнительные мишени, которые размещались вблизи облучаемой или тыльной стороны лазерной мишени (см. рис. 2, c, d)
2. Результаты экспериментов
Нейтронный выход в экспериментах был почти изотропным. Моделирование переноса нейтронов от источника к детекторам осуществлялось по трехмерной программе методом Монте–Карло с учетом реального
окружения мишени. Расчеты указали на значительную роль процесса рассеяния нейтронов в проведенных
опытах. Около половины нейтронов попадали в детектор от стен и пола экспериментального помещения. Рассеяние нейтронов могло помешать зарегистрировать анизотропию выхода нейтронов в опытах.
На рис. 4 представлена зависимость нейтронного выхода на единицу лазерной энергии от контраста
предымпульса. В этой серии экспериментов облучались толстые CD2 мишени (300 мкм), лазерное излучение
падало вдоль нормали к мишени (см. рис. 2, а).
Рис. 4. Зависимость нейтронного выхода на единицу лазерной энергии от контраста предымпульса
Контраст предымпульса варьировался в диапазоне от 5·105 до 109. Влияние контраста на нейтронный выход не зафиксировано. Максимальный выход нейтронов в этой серии составил около 104 нейтр/Дж.
В следующей серии экспериментов мишени из CD2 облучались p–поляризованным излучением (рис. 2, b).
Нейтронный выход был выше, чем при падении излучения вдоль нормали. Максимальный выход составил
около 2,5·104 нейтр/Дж (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость нейтронного выхода от лазерной интенсивности для s– и p–поляризованного излучения (CD2 мишени)
В экспериментах с мишенями, содержащими тритий, было зафиксировано до 105 нейтр/Дж (рис. 6).
В экспериментах с дополнительной CD2 мишенью, размещенной перед облучаемой CD2 мишенью, полный
выход нейтронов составил около 106. Выход на единицу лазерной энергии – около 105 нейтр/Дж.
4
Снежинск, 5—9 сентября 2005 г.
Рис. 6 Зависимость нейтронного выхода от лазерной интенсивности
в случае s–поляризованного излучения — CD2 (кружки) и TiD0.3T0.7 (треугольники) мишени
В экспериментах с двумя дополнительными мишенями, содержащими тритий, было измерено около 107 нейтронов. Выход на единицу лазерной энергии — около 2·106.
Использование времяпролетной методики позволило идентифицировать нейтроны от D(d, n)3He
и T(d, n)4He реакций (рис. 7). Однако чувствительность детектора оказалась недостаточной для определения
энергетического спектра нейтронов.
Рис. 7. Сигнал времяпролетного нейтронного детектора
Для анализа экспериментальных результатов была использована простая модель. Предполагалось, что распределение быстрых ионов по энергии является экспоненциальным с некоторой температурой Td:
dN d N d
=
exp ( − Ed / Td ) .
dEd
Td
Выход нейтронов на единицу лазерной энергии зависит от температуры дейтонов и эффективности передачи лазерной энергии ионам ηd:
Nn
n
= ηd d
Elas
Td 2
∞
Ed
∫ exp ( − Ed / Td ) dEd ∫
o
o
σ DD ( E )
dE / dx
На рис. 8 показана зависимость нейтронного выхода от температуры.
dE
VIII Забабахинские научные чтения
5
Рис. 8. Нейтронный выход на единицу лазерной энергии, отнесенный к эффективности передачи лазерной энергии ионам,
в зависимости от температуры быстрых дейтонов (CD2 мишень)
На рис. 9 приведена эффективность передачи лазерной энергии дейтонам, которая необходима для
объяснения результатов опытов с одиночными мишенями из дейтерированного полиэтилена. При температуре
100 кэВ дейтонам должно быть передано 0,1—0,3% лазерной энергии. Эффективность уменьшается с ростом
температуры. Таким образом, взаимодействие пучка быстрых дейтонов с мишенью может обеспечить нейтронный выход, зарегистрированный в опытах.
Рис. 9. Эффективность передачи лазерной энергии дейтонам, необходимая
для объяснения экспериментальных результатов с одиночными CD2 мишенями,
в зависимости от температуры дейтонов
На рис. 10 показано полное число ускоренных дейтонов, требуемое для объяснения экспериментальных
результатов.
6
Снежинск, 5—9 сентября 2005 г.
Рис. 10. Полное число быстрых дейтонов, необходимое для объяснения экспериментальных результатов
с одиночными CD2 мишенями, в зависимости от температуры дейтонов
Заключение
В докладе представлены результаты экспериментов по генерации нейтронов в D(d, n)3He и T(d, n)4He
реакциях на лазерной установке СОКОЛ–П. Максимальный выход нейтронов из одиночных мишеней из дейтерированного полиэтилена составил около 104 нейтр/Дж при падении излучения вдоль нормали. Выход из
таких мишеней при наклонном падении излучения (p–поляризация) достигал 2,5⋅104 нейтр/Дж. Выход из мишеней, содержащих тритий выше – до 105 нейтр/Дж. При использовании дополнительных мишеней было зарегистрировано до 106 DD и до 107 DT нейтронов. Взаимодействие пучка быстрых ионов с мишенью может
объяснить экспериментальные результаты. Энергетические спектры нейтроны, измеренные под разными углами, могут дать детальную информацию о быстрых ионах. Получение таких спектров – предмет наших
последующих опытов.
Ссылки
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Potapov A.V., Andriyash A.V., Vikhlyaev D.A. et al. Fast deuteron Spectrum Measurement in Experiments at 10 TW Picosecond Laser Facility SOKOL−P. Book of Abstracts of 28th ECLIM, Rome, Italy, p.197, 2004 г.
О.В.Чефонов, А.В.Потапов, А.В.Андрияш и др. Исследование углового распределения и спектра быстрых ионов при
облучении мишеней ультракороткими лазерными импульсами установки СОКОЛ–П. Забабахинские научные чтения 2005, доклад 3−3.
Disdier L., Garconnet J.P., Malka G. and Mique l J.L. Fast Neutron Emission from a High-Energy Ion Beam Produced by
a High Intensity Subpicosecond Laser Pulse. Phys. Rev. Let., vol.82 (7), pp.1454—1457, 1999.
Hilscher D., Berndt O., Enke M., Jahnke U., Nickles P.V., Ruhl H., and Sandner W. Neutron energy spectra from the laserinduced D(d,n)3He reaction. Phys. Rev. E, vol.64, 016414, 2001.
Izumi N., Sentoku Y., Habara H.et al. Observation of neutron spectrum produced by fast deuterons via ultraintense laser plasma
interactions. Phys. Rev. E, vol.65, 036413, 2002.
Norreys P.A, Fews A P, F N Beg, A R Bell, A E Dangor, P Lee, M B Nelson, H Schmidt, M Tatarakis and M D Cable. Neutron
production from picosecond laser irradiation of deuterated targets at intensities of 1019 W cm-2. Plasma Phys. Control Fusion
vol.40, pp.175—182, 1998.
Dmitrov D.A., Fomichev L.A., Kakshin A.G. et al. 10TW picosecond Nd:glass laser facility Sokol−P. Book of Abstracts of 28th
ECLIM, Rome, Italy, p.187, 2004 г; Д.А. Дмитров, В.И. Загвоздин, А.Г. Какшин и др. 10 ТВТ лазерная пикосекундная
установка на фосфатном неодимовом стекле «СОКОЛ–П». VII Забабахинские научные чтения, Снежинск, 2003
(http://www.vniitf.ru/rig/konfer/7zst/reports/s3/s-3.htm).