ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 104-112
УДК 538.9:533.9
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ В ФОЛЬГАХ ИЗ ВОЛЬФРАМА, ОБЛУЧЕННЫХ ДЕЙТЕРИЕВОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМОЙ В ЗАПОЛНЕННЫХ Н2О ИЛИ D2O ГЕРМЕТИЧНЫХ КАМЕРАХ
© 2015 г. А. Ю. Дидык1, В. А. Бехтерев1, В. С. Куликаускас2, С В. Серушкин3, В. Я. Никулин4, 6, *, П. В. Силин4, В. Белоус5, Yan W&sjak5, Е. Hajewska5
Объединенный институт ядерных исследований, 141980Дубна, Россия 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, 119991 Москва, Россия 3Московский государственный технический университет им. Н.Е. Баумана, 105005 Москва, Россия 4Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия 5Национальный центр ядерных исследований, 05-400 Отвоцк, Польша 6Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Москва, Россия
*Е-таИ: vnik@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
Методом регистрации упруго рассеянных ядер отдачи водорода (ЕЯЭ) изучен процесс накопления и перераспределения дейтерия и водорода при воздействии импульсной высокотемпературной дей-териевой плазмы на установке "Плазменный фокус" (ПФ-4) на две внешние вольфрамовые фольги, являющиеся составными элементами герметичных камер, заполненных дистиллированной или тяжелой водой, и одну внутреннюю фольгу, помещенную в водную среду. Установлено, что при воздействии импульсной дейтериевой плазмы (ИДП) на камеру, заполненную тяжелой водой, происходит перераспределение имплантированного дейтерия и дейтерия из тяжелой воды, а также присутствующего в вольфрамовых фольгах водорода на всю толщину трех фольг. При воздействии ИДП на камеру, заполненную дистиллированной водой, имплантированный дейтерий наблюдается по всей толщине внешних вольфрамовых фольг с максимумом распределения по глубине. Максимальная концентрация и дейтерия, и водорода наблюдается на поверхности фольги, погруженной в жидкость. Обнаруженное явление может быть объяснено разрывом связей в молекулах тяжелой и дистиллированной воды с последующим переносом высвободившегося дейтерия или водорода в вольфрамовые фольги под воздействием мощных ударных волн, образующихся в камерах.
Ключевые слова: дейтерий, водород, высокотемпературная плазма, плазменный фокус, метод упруго рассеянных ядер отдачи.
DOI: 10.7868/S0207352815080065
ВВЕДЕНИЕ
Исследования воздействия мощных наносе-кундных плазменных импульсов и ударных волн, создаваемых на установке "Плазменный фокус" (ПФ-4), имеют важнейшее значение для развития фундаментальных представлений в физике твердого тела, гидродинамике, газодинамике, высокотемпературной плазме, а также для научно-технического и технологического применений [1—4].
Цель представленной работы состоит в изучении воздействия импульсной высокотемпературной дейтериевой плазмы на перераспределение водорода и дейтерия [5—15] при облучении герме-
тичных камер, заполненных жидкостной средой (дистиллированная (Н20) или тяжелая (Э20) вода) с внешними уплотнительными вольфрамовыми фольгами и вольфрамовой фольгой, расположенной внутри жидкой среды. Проведено исследование выхода нейтронов из сгустка (пинча) дейтериевой плазмы в реакционной камере ПФ-4 по реакции ё + ё ^ 3Не + п, а в случае тяжелой воды — из имплантированных в вольфрам ионов дейтерия и из тяжелой воды. В задачу работы входит изучение воздействия ударных волн от импульсной дейтериевой плазмы на разрыв связей в Н—О—Н или Э—0—В молекулах на последующий транспорт высвободившихся атомов дейтерия или водорода в вольфрамовые фольги.
Жидкость
О.
Рис. 1. Герметичная камера с двумя внешними фольгами из вольфрама, между которыми заливается жидкость и помещаются образцы фольг, а снизу осуществляется воздействие импульсов плазмы. Справа показан внешний вид камеры в сборке.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ПРИ ПЛАЗМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Воздействие высокотемпературной плазмы на образцы осуществлялось на установке "Плазменный фокус" (ПФ-4) в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. Параметры ПФ-4 следующие [5—14]: энергия конденсаторной батареи 3.6—4.0 кДж, максимальный ток ~400 кА, скорость плазменного потока до 108 см/с, плотность плазмы до 1018 см-3, длительность плазменного импульса 50-100 нс, плотность потока энергии на поверхности мишени в диапазоне 108-109 Вт/см2. Время между импульсами для частичного охлаждения мишени составляло не менее 5-6 мин, рабочее давление азота в камере установки ПФ-4 было в интервале 3-4 Торр, число импульсов дейтериевой плазмы равнялось 15. Расстояние от анодной вставки до поверхности защитной диафрагмы мишени было выбрано равным 45 мм. При этом полное расстояние от первой внешней вольфрамовой фольги в герметичной камере с дейтерием до анода было 52 мм, а в эксперименте с дистиллированной водой - на 10 мм больше, т.е. 62 мм. Естественно, что большее расстояние снижало эффекты воздействия плазмы во втором эксперименте. Выход нейтронов из термоядерной реакции ё + ё измеряли с использованием нейтронных детекторов [16]. На рис. 1 представлена схема герметичной камеры. Она представляла собой объем, ограниченный двумя вольфрамовыми фольгами толщиной 100 мкм, которые прижимались кольцевыми уплотнениями типа "зуб-канавка", что позволяло заполнить пространство между вольфрамовыми фольгами жидкостью (дистиллированная или тяжелая вода) и поместить их в реакционную камеру ПФ-4 с рабочим давлением дейтерия порядка
(2-4) х 10-4Торр. В жидкой среде примерно на равном расстоянии от внешних фольг располагалась третья вольфрамовая фольга толщиной 100 мкм.
Для удобства введем следующие обозначения образцов: первую уплотнительную вольфрамовую фольгу обозначим как ^-1 со стороны, ближней к аноду установки ПФ-4, а с дальней стороны - как '^12. Вольфрамовая фольга, которая находилась в жидкости, обозначена символами ^-2 и '^22, а третья уплотнительная -^-3 и 1^32.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Исследование распределения дейтерия и водорода в W-фольгах в герметичных камерах с тяжелой водой. После облучения 15 импульсами высокотемпературной дейтериевой плазмы состав фольг с обеих сторон был изучен методом регистрации ядер отдачи (ЕЯЭ) на специализированном канале на ускорителе ЭГ-5 в НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова. Ионы гелия с энергией 1.9 МэВ были использованы в ЕЯЭ при скользящем падении пучка в 15° и угле регистрации в 30° [11, 12]. Для большей достоверности результатов измерений будут представлены концентрационные зависимости распределений водорода и дейтерия по глубине вольфрамовых фольг вместе с полученными спектрами и аппроксимирующими кривыми для всех проведенных экспериментов.
На рис. 2 даны концентрационные зависимости распределения водорода и дейтерия по глубине в первой, ближней к ПФ-4 стороне фольги ^-1 (а) и соответствующий спектр ЕЯЭ (б). Все расчетные концентрации в максимумах распределений
100
т.
а я,
и ц
а р
т н
е ц
н
о Ко
80
60 -
40 -
20
20
120
140
200 400 600 800 Глубина, 1015 ат./см2
1000
400
в о
£ 300 ч с т о
200
100
200
(б)
Энергия, кэВ 400 600
800
1 - Эксперимент
-Н-аппроксимация
-Э-аппроксимация
? Ш
- А
200 400 600 Номер канала
800
Рис. 2. Распределения водорода и дейтерия по глубине в центре первой фольги ^-1 (а) и спектр упруго рассеянных ядер отдачи (б). Эта сторона фольги находилась в атмосфере дейтерия при давлении (2—4) х 10-4 Торр.
т.
а я,
и ц
а тра
н
е ц
н
о Ко
100 80 60 40 20
(а)
Глубина, нм 20 40 60 80 100 120 140
—I-1-1-1-1-1— I
Н(2)
В(1)
СН = 7.15 X 1016 ат./см
СВ = 1.9 х 1016 ат./см:
200 400 600 800 Глубина, 1015 ат./см2
в о т е ч с т о о л с и
&
1000
1200
1000
800
600
400
200
200 1
(б)
Энергия, кэВ 400 600
800 т
200
400
Номер канала
600
800
Рис. 3. Распределения водорода и дейтерия по глубине в центре первой фольги (а) и спектр упруго рассеянных ядер отдачи (б).
0
0
0
0
0
0
0
0
макс
В и их интегральные
С макс
Н и дейтерия С
Синт г-! инт
Н и СВ получены с использованием программы SIMNRA 6.05. Отметим, что концентрация дейтерия и водорода в максимумах
С макс 1 о/)/ у-гмакс /■ г/у
В « 1.3% и СН « 6.5% соответственно.
На рис. 3 представлены концентрационные зависимости распределения водорода и дейтерия по глубине в удаленной от анода ПФ-4 стороне первой фольги (а) и соответствующий
спектр ERD (б). Эта сторона имела контакт с тяжелой водой. Концентрации дейтерия и водорода в максимумах концентрационных зависимостей
составляют: СВ
1.3% и С
макс Н
6.5% соответ-
ственно. Из сравнения результатов, представленных на рис. 2 и 3, видно, что и максимальные концентрации, и интегральные концентрации водорода и дейтерия существенно выше на стороне фольги, обращенной к объему, заполненному тяжелой водой. Увеличение концентрации водорода на данной стороне фольги можно объяснить только преимущественным переносом примесного водорода, присутствующего в исходной вольфрамовой фольге с ближней к аноду ПФ-4 стороны фольги на его обратную сторону ударными волнами, возникающими под действием импульсной дейтериевой плазмы. Увеличение концентрации дейтерия с обратной стороны фольги может быть объяснено двумя причинами: перено-
н
а
«
и
Я
а &
я
о
я я
о
а
(а)
Глубина, нм
200 400 600 800 Глубина, 1015 ат./см2
1600 1400
1200
<ч
Й 1000
1000
0
800 600 400 200
0
200
(б)
Энергия, кэВ 400 600
800 1000
с ■ Эксперимент
^ -Н-экстраполяция
- Г I -О-экстраполяция
-. ) 1Н
1 -- .
200
400 600 Номер канала
800
1000
Рис. 4. Распределения водорода и дейтерия по глубине в центре второй, ближней к аноду ПФ-4 фольги ^-2 (а) и спектр упруго рассеянных ядер отдачи (б).
0
100
^ 80 -
т а
ия, 60
Я
а тра
н е я н
о
а
0 20
40 -
20 -
(а)
Глубина, нм 40 60 80 100
120 140
200 400 600 800
Глубина, 1015 ат./см2
1200
1000
<ч
то800
е
§ 600
о л
к 400 &
200
1000
(б)
Энергия, кэВ 200 400 600
200
800
1000
Эксперимент
_ Н-аппроксимация
-1 -О-аппроксимация
- Н
1 О У.. . —____ _1__— " и |_
400 600 Номер канала
800
1000
Рис. 5. Распределения водор
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.