ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 6, с. 516-530
^ ДИНАМИКА
ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ГЕНЕРАЦИЯ И АНИЗОТРОПИЯ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КОНДЕНСИРОВАННОМ Z-ПИНЧЕ
© 2014 г. Ю. Л. Бакшаев, В. А. Брызгунов, В. В. Вихрев, И. В. Волобуев*, С. А. Данько, Е. Д. Казаков, В. Д. Королев, Д. Клир***, А. Д. Мироненко-Маренков, В. Г. Пименов**, Е. А. Смирнова, Г. И. Устроев
Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва, Россия * Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия ** Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, Москва, Россия *** Чешский технический университет, Прага, Чешская республика e-mail: korolev_vd@nrcki.ru, bakshaev_yl@nrcki.ru Поступила в редакцию 19.11.2013 г.
Окончательный вариант получен 23.01.2014 г.
Приведены результаты измерений нейтронного излучения, возникающего в перетяжке быстрого Z-пинча, на установке С-300 (2МА, 100 нс). Для увеличения концентрации энергии использовалась составная нагрузка, центральная часть (шейка) которой была сделана из микропористого дейтери-рованного полиэтилена с плотностью 100 мг/см3 и диаметром 1—1.5 мм. Шейка помещалась между агар-агаровыми цилиндриками диаметром 5 мм. Для измерения характеристик нейтронного излучения в 2-х аксиальных и радиальных направлениях использовался времяпролетный метод. Спектр нейтронов восстанавливался из измеренных нейтронных сигналов методом Монте-Карло. Во всех экспериментах проводились измерения пространственно-временных параметров плазмы в перетяжке Z-пинча с помощью диагностического комплекса установки С-300, включающего импульсное покадровое фотографирование в оптическом и ВУФ-МР спектральных диапазонах, оптическую щелевую развертку, регистрацию импульсного мягкого рентгеновского излучения и интегральное фотографирование в области мягкого рентгена. Образование высокотемпературной плотной плазмы в перетяжке Z-пинча сопровождалось возникновением жесткого (с энергией E > 30 кэВ) и мягкого рентгеновского излучения (с энергией E > 1 кэВ и длительностью 2—4 нс) и эмиссией нейтронов. Обнаружена анизотропия в распределениях нейтронов по энергиям в аксиальном направлении. Средняя энергия нейтронов, измеренная в 4-х направлениях относительно оси нагрузки под углами 0° (над анодом), 90°, 180° (под катодом) и 270°, соответственно составляла: 2.1 ± 0.1, 2.5 ± 0.1, 2.6 ± 0.2, 2.4 ± 0.1 МэВ. Максимальный интегральный нейтронный выход для шейки диаметром 1 мм составлял 6 х 109 [нейтронов]. Выполнены расчеты анизотропии нейтронного излучения для Z-пинча со степенным распределением ионов в области высоких энергий.
DOI: 10.7868/S0367292114060018
1. ВВЕДЕНИЕ
В работах [1, 2] было предложено для зажига-
ния термоядерной реакции в цилиндрической
мишени из ЭТ смеси использовать эффект кон-
центрации энергии в перетяжке Z-пинча. Из расчетов следует, что для достижения необходимых
параметров плазмы разрядный ток должен пре-
вышать 10 МА [1]. Хотя наиболее подходящим ве-
ществом для моделирования сжатия ЭТ смеси является твердотельный дейтерий, в экспериментах с замороженными твердыми дейтериевыми нитями, при токах ~1 МА не удалось создать условия для их устойчивого сжатия [3, 4]. Как показали эксперименты по исследованию сжатия плазмы в перетяжке Z-пинча, нагрузки из микропористых веществ с малой плотностью 30—100 мг/см3 обеспечивают хорошие стартовые условия и эффек-
тивное согласование их с сильноточным генера-
тором при токах до 3 МА [5, 6]. При использовании профилированных нагрузок, выполненных на основе агар-агара с примесью дейтерия, при токах до 3 МА формирование горячей плазмы с минимальным размером 30—50 мкм сопровождалось возникновением коротких импульсов нейтронного излучения длительностью меньше 10 нс и средней энергией нейтронов 2.45 МэВ, соответствующей энергии реакции ЭЭ [7]. Нейтронный выход в этих экспериментах достигал 108. При переходе к малоплотному дейтерированному полиэтилену был получен воспроизводимый и более высокий нейтронный выход [6]. При изменении тока от 1.4 до 2 МА для нагрузок с шейкой диаметром 1—1.5 мм и плотностью 50—75 мг/см3 нейтронный выход возрастал от 108 до 4.5 х 109.
Нейтронная эмиссия, сопровождающая протекание ядерной реакции синтеза ЭЭ, позволяет
получить важную информацию о параметрах высокотемпературной плазмы и механизме генерации нейтронов. От механизма генерации нейтронов существенно зависит такой важный параметр как нейтронный выход [8]. Из экспериментальных измерений и результатов численного моделирования следует, что значительный вклад в нейтронный выход вносят высокоэнергетические ионы в нетепловом спектре Z-пинча, возникающие в процессе его образования [8]. Появление высокоэнергетических ионов оказывает существенное влияние на зависимость характеристик спектра ионов (формы, полуширины, энергетической анизотропии) от угла наблюдения [9, 10, 11].
В первых работах по измерению параметров нейтронов, возникающих при сжатии конденсированного пинча на основе микропористого дей-терированного полиэтилена, была обнаружена анизотропия средней энергии нейтронов в аксиальном направлении [12]. Такой эффект наблюдался во многих конфигурациях пинчей, в прямых разрядах [13], в плазменных фокусах [14], газовых струях [15, 16]. Традиционно анизотропия нейтронного излучения объясняется появлением высокоэнергетического ионного пучка в результате возникновения аксиального электрического поля на конечной стадии сжатия пинча (так называемый ускорительный механизм). В данной работе энергетическая анизотропия нейтронов объясняется на основе представления о том, что в результате развития перетяжки на оси пинча появляются быстрые ионы дейтерия с изотропным распределением по углам и немаксвеллов-ским распределением по энергии. В настоящее время установлено, что распределение ионов в пинчах несколько отличается от максвелловско-го, особенно это отличие наблюдается в области спектра для ионов с высокой энергией [8]. В экспериментах с плазменным фокусом было обнаружено, что высокоэнергичный хвост ионного распределения спадает не экспоненциально, а по степенному закону с показателем степени, изменяющемся в зависимости от энергии ионов в диапазоне 2—4 [17—20]. Связано это с тем, что при существующих параметрах высокотемпературной плазмы в пинчах ион-ионные столкновения не обеспечивают тепловое (т.е. максвелловское) распределение ионов в области высоких энергий. Из результатов численных расчетов, выполненных в работе [8], показано, что с ростом энергии количество ионов в высокоэнергетическом хвосте спектра Z-пинча убывает по степенному закону, причем показатель степени меняется для ионов с различной энергией. При этом диапазон показателя степени близок к полученному в экспериментах. Аналогичный закон распределения высокоэнергетических ионов был получен в работе [16], в которой было проведено численное
моделирование динамики сжатия газовых дейте-риевых струй в экспериментах на мощных импульсных установках С-300, Z, Saturn [9, 21, 22] в широком диапазоне токов 2—16 МА.
Высокоэнергичные ионы вследствие сжатия плазмы в радиальном направлении появляются в основном вблизи оси Z-пинча и имеют примерно изотропное распределение. Однако, из-за своей большой энергии по сравнению с ионами остальной плазмы они уходят от оси на большее расстояние, чем основная масса плазмы, в которой успевает установиться за короткое время существования пинча (порядка нескольких наносекунд) тепловое равновесие. Двигаясь в радиальном направлении от оси, ионы с высокой энергией под действием силы Лоренца приобретают преимущественное направление своего движения в сторону катода. Таким образом, возникает анизотропия высокоэнергичных ионов по отношению к направлению оси Z-пинча. В работе [23] была сделана попытка объяснить анизотропию исходя из максвелловского распределения ионов по энергии. Однако наблюдаемая энергетическая анизотропия в направлении вдоль оси пинча в экспериментах была более значительной, нежели она получалась в расчетах.
В данной работе исследовалась эмиссия нейтронов из горячей плазмы, образующейся в перетяжке быстрого Z-пинча из малоплотного (100мг/см3) дейтерированного полиэтилена на установке С-300 (I = 2 МА, t = 100 нс) [24]. Для определения характеристик нейтронного излучения использовалась времяпролетная методика. Спектр нейтронов восстанавливался методом Монте-Карло с помощью измеренных по времени пролета нейтронных импульсов [25, 26]. Измерения проводились в двух аксиальных (вдоль оси нагрузки) и в двух радиальных (под углом 900 к оси нагрузки) направлениях.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Изучение характеристик нейтронной эмиссии было выполнено на установке С—300, обеспечивающей разрядный ток в нагрузке 1.4—2 МА с фронтом нарастания 150 нс. Нейтронное излучение измерялось из плазмы, образующейся в области шейки при протекании тока через цилиндрическую профилированную микропористую нагрузку. В ходе исследований проводилась оптимизация экспериментальных условий путем подбора плотности материала, диаметра и высоты шейки с целью достижения наибольшего нейтронного выхода. Нагрузка состояла из агар-агаровых столбиков диаметром 5 мм, между которыми для увеличения эффекта концентрации энергии помещалась шейка меньшего диаметра (1— 2 мм). Шейка длиной 1—1.5 мм была изготовлена из малоплотного (100 мг/см3) дейтерированного
Рис. 1. Диагностический комплекс а) — 1 — система формирования высоковольтных импульсов с водяной изоляцией, 2 — рентгеновский ЭОП, 3 — камера-обскура, 4, 13 — сцинтилляционные детекторы для радиальных направлений, 5 — диагностический канал, 6 — щелевая камера со ступенчатым ослабителем, 7 — сцинтилляционные детекторы верхнего аксиального направления, 8 — вакуумная камера, 9 — рентгеновские вакуумные диоды, 10 — нагрузка, 11 — оптическая щелевая развертка, 12 — оптические ЭОП'ы, 14 — магнитные зонды, 15 — полупроводниковые диоды, 16 — сцинтилляционные детекторы нижнего аксиального направления. Внизу приведена фотография мишенного узла (б).
полиэтилена. Нагрузка устанавливалась в межэлектродном промежутке мишенного узла установки, который мог изменяться от 7.5 до 10 мм.
Характеристики нейтронно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.