Диагностика плотности свободных электронов в плазме по энергетическим потерям быстрых протонов

Содержание.
Введение
Глава 1. Проблемы диагностики плотности свободных электронов в плазме. Торможение тяжелых заряженных частиц в плазме.
1.1. Методы диагностики плотности свободных электронов в плазме.
1.2. Теоретическое описание процесса торможения ионов в веществе.
1.3. Экспериментальные исследования торможения ионов в плазме Глава 2. Методика определения плотности свободных электронов на основе экспериментально измеренных значений потерь энергии протонов в плазме.
Глава 3 Экспериментальное измерение потерь энергии протонов в плазме капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС).
3.1. Плазменная мишень на основе КРИС
3.1.1. Описание плазменной мишени на основе КРИС.
3.1.2. Методика измерения давления в плазме, с помощью интерферометра Майкельсона, и ее применение при диагностике капиллярного разряда.
3.2. Измерение тормозных потерь протонов с энергией 3 МэВ в плазме КРИС с помощью магнитного анализатора.
3.2.1 11РО-2 начальная часть ускорителя ИСТРА-36 в ГНЦ РФ ИТЭФ
3.2.2. Измерение потерь энергии протонов в плазме с помощью магнитного анализатора.
3.2.3. Экспериментальная установка по измерению потерь протонов в плазме КРИС с помощью магнитного анализатора.
3.3 Измерение тормозных потерь протонов с энергией 3-6 МэВ в плазме КРИС времяпролетным методом.
4
13
13
29
41
57
66
66
66
73
78
78
81
83
88
2
3.3.1 Электростатический перезарядный ускоритель университета
Эрланген - Нюрнберг. 88
3.3.2. Измерения потерь энергии протонов времяпролетным методом. 90
3.3.3 Экспериментальная установка по измерению потерь протонов в плазме КРИС времяпролетным методом . 93
3.3.4. Система регистрации протонов в экспериментах по измерению потерь энергии протонов в плазме
КРИС методом времени пролета. 96
Глава 4. Результаты экспериментов по измерению тормозных потерь протонов и определение плотности свободных электронов в плазме КРИС. 102
4.1. Обработка результатов измерений потерь энергии протонов
с помощью анализирующего магнита. 102
4.2. Обработка результатов измерений потерь энергии 104
протонов времяпролетным методом.
4.3 Определение плотности свободных электронов в плазме КРИС. 109
Заключение. 115
Благодарности. 117
Список литературы. 119
3
Введение.
Исследование взаимодействия ионизирующего излучения с веществом многие годы остается классической задачей атомной и ядерной физики. Благодаря широкой области применения интерес к этой тематике не ослабевает уже в течении многих лет. Особое место среди работ посвященных различным аспектам данной проблемы занимают исследования в области Инерциального Термоядерного Синтеза (ИТС) на пучках тяжелых ионов. Причина такого особого интереса чрезвычайно проста. При сокращении запасов природного топлива термоядерный синтез становится одним из возможных вариантов решения энергетических проблем. А ИТС на пучках тяжелых ионов представляется одним из реальных путей для создания полномасштабной энергетической установки.
Существует два принципиально различающихся варианта схем ИТС. Это схемы прямого действия, когда драйвер непосредственно облучает мишень, и непрямого действия, когда энергия лазера или пучка ионов преобразуется в ренгеновское излучение. Преобразование происходит либо в специальных конверторах, располагаемых по периметру внешней оболочки мишени, в случае использования ионного пучка, либо в самой оболочке, которая окружает капсулу в случае лазерного нагрева. На сегодняшний день соображения равномерности облучения мишени, а также желание уменьшить чувствительность схемы к гидродинамическим нестабильностям, привели к тому, что реальные программы по созданию установки ИТС предполагают использование схемы непрямого сжатия. В случае использования в такой схеме в качестве драйвера тяжелоионного пучка, конверторы, выполняемые из легких материалов (например, Ве или пластик), поглощают энергию ионов и переводят ее в излучение в мягком рентгеновском диапазоне (~ 300 эВ), которое через процесс абляции оболочки капсулы и осуществляет ее имплозию. При оптимальной конструкции мишени, примерно 70 - 80 % энергии драйвера конвертируется в излучение в
4
мягком рентгеновском диапазоне. Один из вариантов мишени ИТС на пучках ионов для схемы непрямого сжатия представлен на рис.1.
Цилиндрическая оболочка-^ ні материала с высоким Ъ \
Спмуктргиши
/•*.. Мф*КЫ \
КО \ /
Рис. 1 Пример конструкции термоядерной мишени для схемы непрямого сжатия на пучках тяжелых ионов.
Поглоти Tt3.1L і
^ Пучок 1ЯЖСДЫЛ ноиее
Симметрия: — = коэффициент сжатия » 20 - 35
гм
=>ц»\0-\5%
Связь меду драйвером и мишенью
=> I, <, КVіВт/см1 или < 300 эВ
способы управления:
• Поглощение/ предварит.
Разогрев
• Конверсия в рентгеновское излучения
• Транспортировка/ инициирование
Рис. 2 Общая схема мишени ИТС и условия необходимые для эффективного термоядерного горения.
Характерные особенности мишени ИТС с высоким коэффициентом усиления, необходимого для обеспечения условий эффективного
Стабильность
г аспектное 1„ 2.4 х Ю'‘Вг/смгили 250 эВ;
— =-------------= 25-35 => — ; 1
ДЯ отношение поверхи. < 1000 А
Инициирование:
Т, -ЮкэВ К* - 3-4х 10? см/с ргт~ 0.3 г /см* для Е6р/Лтг = 1-2 МДж
5
термоядерного горения показаны на рис. 2. Наиболее часто встречающаяся модель мишени представляет собой полость, стенки которой выполнены из материала с высоким атомным номером. Внутри полости располагается капсула, состоящая из внешней области из которой формируется аблятор, и внутренней области, замороженного или жидкого дейтерий-трития (ОТ), являющегося основным топливом.
Аблятор, поглощая энергию драйвера, преобразованную в конверторе в мягкое ренгеновское излучение, нагревается и начинает расширяться, образуя так называемую плазменную корону плотность, которой уменьшается по мере удаления от поверхности. В соответствии с законом сохранения импульса, разлет аблятора во внешнюю среду приводит к тому, что в оставшейся части оболочки возникают силы направленные к центру капсулы. Таким образом, оболочка играет роль поршня сжимающего ядро топливной мишени до плотностей, в 103 - 104 раз превышающих плотность твердого тела [1]. Возникающее давление способствует нагреву ядра мишени до температур при которых возможно термоядерное горение. Эффективность выгорания термоядерного топлива лежит в диапазоне от 5 до 15 %. В окончательной конфигурации топливо равномерно сжимается до давления ~ 200 Гбар, но при этом разделяется на две области -центральная горячая точка, в которой сконцентрировано ~ от 2 до 5 % топлива, и основную плотную область содержащую оставшуюся массу. Инициирование реакции синтеза происходит в центральном ядре и вслед за этим фронт термоядерного горения распространяется в основную внешнюю топливную оболочку, которая обеспечивает высокий коэффициент конверсии. Для того, чтобы данная схема топливной сборки была эффективна, необходимо наложить строгие требование на параметры драйвера, в особенности на удельную мощность и временной профиль облучения, которые определяют гидродинамику сжатия капсулы. Параметры, которые должны быть достигнуты для осуществления эффективного сгорания топлива, с выходом энергии, превышающим затраченную энергию драйвера, могут быть оценены
6
непосредственно из анализа процесса горения термоядерного топлива. [2,3].
Несмотря на то, что для создания первой установки по инерциальному термоядерному синтезу (USA National Ignition Facility), в качестве драйвера был выбран мощный лазер, интерес к ИТС на пучках тяжелых ионов не ослабевает как в самих Соединенных Штатах, так и в Европе, России и Японии. Это связано с тем, что по своей потенциальной эффективности, долговечности и частотным характеристикам тяжелоионный ускоритель имеет наилучшие перспективы для использования в качестве драйвера для будущей термоядерной энергетической установки [4].
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. Развитие основ ИТС на пучках тяжелых ионов стало толчком к решению многих важнейших физических задач.
Одной из таких задач является исследование процессов происходящих при торможении тяжелых заряженных частиц в ионизованном веществе. Основное энерговыделение пучка тяжелых ионов в термоядерной мишени, как прямого действия («direct drive»), когда пучок непосредственно облучает мишень, так и не прямого действия («indirect drive»), когда энергия пучка ионов преобразуется в поглотителях в энергию излучения в мягком рентгеновском диапазоне, будет происходить в плотной (пе > 1022 см*3) высокотемпературной (Г* «300 эВ) плазме, образованной передним фронтом пучка ионов. Таким образом пробеги тяжелых многозарядных ионов в мишени будут обусловлены тормозной способностью плазмы. Следовательно, знание величин пробегов и профилей энерговыделения тяжелых, заряженных частиц в плазме позволят более точно рассчитать конструкцию термоядерной мишени.
7
Еще одной чрезвычайно важной задачей, возникающей при экспериментальном развитии ИТС, является контроль параметров плазмы термоядерной мишени и установления соответствия между этими параметрами и тормозной способностью вещества. Отметим, что принципиальной проблемой, на пути решения этой задачи, в случае, если рассматривать термоядерную мишень в процессе нагрева и сжатия как единое целое является необходимость создания диагностического комплекса для измерения плотности изменяющейся на десять порядков величины и температуры в пределах пяти порядков величины. Существующие методики пока не позволяют контролировать весь указанный диапазон плотностей и температур. Наибольшие трудности возникают при диагностике плазмы с плотностью свободных электронов п/е > Ю19 см*3, когда возможности стандартных оптических и спектроскопических методов резко уменьшаются в связи с ростом оптической толщины плазмы, а результаты рентгеновских исследований сильно зависят от выбора термодинамической модели плазмы. Соответственно для данной области параметров собрано очень небольшое количество экспериментальных данных, что делает развитие новых диагностических методов задачей чрезвычайно актуальной.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка новой методики диагностики плотности свободных электронов плазмы по измерению энергетических потерь протонов, а так же исследование Кулоновского торможения протонов с энергиями 3-6 МэВ в плазме с электронной плотностью выше 1019 см'3.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
1. Разработана методика определения плотность свободных электронов в плазме, основанная на совместном использовании экспериментальных данных по торможению протонов в плотной плазме и термодинамических расчетов состава ионизованного вещества.
2. Предложена новая экспериментальная схема измерения давления в плазме, на базе интерферометра Майкельсона, позволившая достигнуть временного разрешения - 50 не. Получены временные
8
зависимости давления для трех различных диаметров капиллярной плазменной мишени.
3. Впервые проведены комплексные экспериментальные измерения потерь энергии протонов с энергиями 3-6 МэВ в плазменной мишени с испаряющейся стенкой на основе капиллярного разряда (далее КРИС), с плотностью свободных электронов riß > 1019 см"3 Продемонстрировано соответствие между температурой и давлением исследуемого вещества мишени и его тормозной способностью.
4. Продемонстрированы возможности разработанной методики по определению плотности свободных электронов на примере плазмы КРИС со средней величиной плотности в диапазоне (2 • 10’9 < < 7 ■ 1019) см'3
5. Показано, что с учетом ограничений, разработанный метод определения плотности свободных электронов по экспериментально измеренным потерям энергии протонов в плазме позволяет диагностировать электронную плотность плазмы известного химического состава, по крайней мере, до 1022 см'3.
Диссертация состоит из Введения, 4-ех Глав и Заключения, всего 124 страницы текста, созданного пакетом программ компьютерной системы Microsoft Word 97, включая 28 рисунков и библиографию из 105 наименований.
Глава 1 содержит анализ проблемы диагностики плотной плазмы, изложена мотивировка необходимости развития методов определения электронной плотности плазмы и приведен краткий обзор существующих методик. Так же приводятся теоретические предпосылки исследования тормозной способности плазмы, и дается обзор экспериментальных работ, посвященных данной тематике. На основании проделанного анализа сформулирована постановка задачи данной работы и обосновывается выбор плазменной мишени и типа используемого иона.
Во второй главе приводится обоснование возможности использования экспериментальных данных о потерях энергии протонов в плазме для определения плотности свободных электронов и описание
9
предлагаемой для решения этой задачи методики. Определены необходимые условия для применения данной методики.
Третья глава посвящена описанию исследуемой плазменной мишени и физических схем, позволяющих провести измерения ее параметров. Кроме того, приведено описание методик и рассмотрены детали экспериментальных установок, использованных для измерения
тормозных потерь протонов различных энергий в углеродно - водородной плазме.
В четвертой главе описаны методики обработки экспериментальных данных, проводится обсуждение результатов экспериментов по торможению протонов в плазме капиллярного разряда с испаряющейся стенкой. На примере проведенных измерений описан механизм получения количественной информации о плотности свободных
электронов выше 1019см'3 в плазме КРИС по методике, описанной в Главе 2. Результаты по определению электронной плотности,
полученные по экспериментальным данным потерь энергии протонов различных энергий, совпадают в пределах погрешности метода. Этот факт позволяет сделать вывод о возможности применения разработанной методики для диагностики плотности свободных
электронов в экспериментах по Физике плазмы и ИТС.
В заключении обсуждается область применения результатов и приведены основные выводы работы.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Разработка новой методики диагностики плотности свободных электронов, основанной на измерении тормозных потерь протонов в плотной плазме. Данная методика позволяет определять плотность свободных электронов в плазме с п^> 1019см‘3, то есть в области, где получение информации о параметрах вещества другими методами крайне затруднено. В случае частично ионизованного вещества предлагается схема объединения экспериментальных данных о потерях энергии протонов и возможностей термодинамических расчетов состава исследуемой плазмы для количественного определения величины п)е.
10