ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ ЭФФЕКТА УСИЛЕНИЯ РЕАКЦИИ Б(р,7)3Не, ПРОТЕКАЮЩЕЙ В ДЕЙТЕРИРОВАННОМ ТИТАНЕ В ОБЛАСТИ УЛЬТРАНИЗКИХ ЭНЕРГИЙ СТОЛКНОВЕНИЯ
В. М. Быстрицкий"* Вит. М. Быстрицкийь, Г. Н. Дудкин€, М. Филипович''. III. Гажис, И. Гуран', Г. А. Месяц^, Б. А. Нечаевс, В. Н. Падалкос, С. С. Паржицкийа, Ф. М. Пеньков9, А. В. Филиппов", Ю. Ж. Тулеушев9
а Объединенный институт ядерных исследований Ц1980, Дубна, Московская обл., Россия.
ь Калифорнийский университет, Калифорния, США
с Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634050, Тол).ск, Россия.
Факультет энергии и топлива, Университет науки и технологий 30-059, Краков, Польша
е Электротехнический институт, САН 84Ю4, Братислава, Словакия.
1 Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук 119991, Москва, Россия.
9 Институт ядерной физики 050032, Алматы, Казахстан
Поступила в редакцию 19 декабря 2013 1".
Проведено исследование /«¿-реакции (р+<1 —лНе+7(5.5 МэВ)), протекающей в дейтериде титана в области астрофизических энергий столкновения протонов с дейтронами от 5.3 кэВ до 10.5 кэВ. Эксперименты выполнялись на импульсном плазменном ускорителе Холла НИ ТПУ (г. Томск, Россия). Число ускоренных протонов в импульсе длительностью 10 мкс составляло 5 • 1014 при частоте следования 7 • Ю-2 Гц. Регистрация гамма-квантов с энергией 5.5 МэВ осуществлялась с помощью восьми детекторов на основе кристаллов Ка1(Т1) (100x100x400 ммл), расположенных вокруг мишени из Т1Б. Измерены зависимости астрофизического 5-фактора и эффективного сечения /«¿-реакции от энергии столкновения протонов с дейтронами, а также определен потенциал электронного экранирования взаимодействующих протонов с дейтронами в дейтериде титана.
ЕЮ1: 10.7868/80044451014070074
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время возрос интерес к изучению механизмов протекания реакций между легкими ядрами (р(1, (Ы) в металлах, насыщенных изотопами водорода, в области ультранизких энергий столкно-
Е-таП: Ьу^ут'йутг.ги
вепня частиц во входных каналах указанных реакций [1 10]. Результаты изучения реакций
В((1,п)3Яс, (1а)
Щd,p)t, (1Ь)
полученные на протяжении последнего десятилетия [1 10], свидетельствуют о существовании эффекта усиления протекания реакции (М-синтеза в дей-
5 ЖЭТФ, выи. 1(7)
65
торидах металлов из-за наличия электронного экранирования взаимодействующих дейтронов. Для проверки существования данного эффекта нами были проведены эксперименты на пучке ускоренных дейтронов импульсного ускорителя Холла с использованием мишеней из дейтеридов титана, циркония и тантала [8 10].
В результате выполнения данных экспериментов определены потенциалы электронного экранирования взаимодействующих дейтронов в дейтеридах указанных металлов. Кроме того, в качестве альтернативы механизму электронного экранирования рассмотрена возможность существования механизма каналирования [11] дейтронов пучка при протекании (/(/-реакции в дейтериде титана (ТТОг). К настоящему времени нет однозначного заключения о вкладах этих двух механизмов в эффект усиления (/(/-реакции. Для получения ответа на этот вопрос необходимо провести исследования (/(/-реакции с различными металлическими мишенями и с разной степенью насыщения их дейтерием.
Аналогичные исследования необходимо выполнить в плане изучения эффекта усиления /«/-реакции
Б(р, 7) 3Не, (2а)
Н(«/,7)3Но, (2Ь)
протекающей в металлических мишенях, насыщенных дейтерием (реакция (2а)) или водородом (реакция (2Ь)).
Следует отметить, что, насколько известно авторам, к настоящему времени в литературе отсутствует как экспериментальная, так и теоретическая информация о /></-роакции, протекающей в дейтеридах (гидридах) металлов в области ультранизких энергий столкновения протонов с дейтронами. Имеется лишь весьма ограниченное число публикаций, посвященных изучению /«/-реакции с использованием мишеней из газообразного дейтерия [12], тяжелой воды БгО [13 15] и дейтерированного полиэтилена [16 18].
Учитывая малость значений сечения /«/-реакции (Ю-34 Ю-32 см2) в области ультранизких энергий столкновения протонов с дейтронами (несколько килоэлектронвольт), трудно при реальных интенсив-ностях потоков ускоренных дейтронов (протонов) рассчитывать па количественное экспериментальное определение вклада в величину астрофизического ¿»-фактора для /«/-реакции за счет эффекта электронного экранирования для данной реакции. Тем не менее требуется проведение экспериментов по определению вклада в величину астрофизического
¿»-фактора (либо его оценка) из-за эффекта усиления для /«/-реакции, протекающей в металлах, насыщенных дейтерием (водородом). Необходимость таких исследований основана на примере изучения механизмов протекания (/(/-реакции в некоторых металлах, насыщенных дейтерием. Экспериментально измеренные значения потенциалов электронного экранирования для (/(/-реакции, протекающей в некоторых тяжелых металлах (Ть Ъх, Р1), насыщенных дейтерием, примерно на порядок превышают значение данной величины, найденной при работе с мпше-ныо, заполненной газообразным дейтерием при давлении 2 • Ю-4 атм [18], и значительно больше результата теоретических оценок [19]. Не исключено, что и для /«/-реакции возможно такое же проявление эффекта электронного экранирования взаимодействия протонов с дейтронами.
В связи с этим, нами был выполнен эксперимент по изучению /«/-реакции (реакции (2а)) в интервале энергий протонов в лабораторной системе 9 11 кэВ с использованием мишени из дейтерида циркония [20,21]. Найденные значения ¿»-фактора находятся в хорошем согласии с результатом работы [12] для газообразного дейтерия и превышают результат [14], полученный с мпшеныо из тяжелой воды БгО. Наличие растущей зависимости астрофизического ¿»-фактора от энергии столкновения протонов с дейтронами, измеренной в работе [12], подтверждает в пределах ошибок измерения результат наших работ [20,21]. Это свидетельствует о том, что если эффект электронного экранирования для /«/-реакции и существует, то из-за своей малости он не проявляется на экспериментально наблюдаемом уровне энергии в дейтериде циркония. Из этого следует, что влияние эффекта электронного экранирования на интенсивность протекания /«/-реакции в дейтериде циркония существенно меньше, чем для (/(/-реакции.
Целыо настоящей работы являлось измерение зависимости астрофизического ¿»-фактора для /«/-реакции (2а) от энергии столкновения протонов с дейтронами в интервале энергий 5.3 10.5 кэВ с использованием мишени из дейтерида титана ИБ. Выполнение данного эксперимента позволит также определить вклад эффекта электронного экранирования в величину ¿»-фактора, если величина данного вклада превышает ошибку измерения астрофизического ¿»-фактора.
2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
Экспериментальное определение значений астрофизического ¿»-фактора и коэффициента усиления
/></-роакции в области ультранизких энергий столкновения основано на измерении выхода гамма-квантов с энергией 5.5 МэВ в реакциях (2а) и (2Ь) и на использовании параметрической зависимости сечения данной реакции от энергии столкновения протонов с дейтронами [9,10,15, 20,21]:
ОС
Щ*Р(ЕР) = N„^6, 11(Е)<1Ех "о
Е
х {ар(Е')пН ЛЕ>. (3)
<т;У(£) = а^(Е + ие) = а^МЕМс 5';У(£) = (согласно (4)),
V
(Е) =
^ра(Е)
Е
охр (—2 тпу),
(4)
(5)
(6)
2тпу = 31.29ч
Здесь // приведенная масса взаимодействующих протона и дейтрона; М^хр число зарегистрированных гамма-квантов из /«/-реакции; число протонов (дейтронов), попавших в мишень; Е энергия столкновения протонов с дейтронами в системе центра масс; эффективность регистрации гамма-квантов в реакциях (2а) и (2Ь); п(х) плотность дейтронов (протонов) в мишени; (1Е/(1х удельные потерн энергии протонов (дейтронов) в мишени; /(Е) функция распределения протонов (дейтронов), падающих на мишень со средней энергией Ер\ Бр^Е) астрофизический ¿»-фактор для /«/-реакции при энергии столкновения Е\ // параметр Зоммерфельда; <?р<1{Е), Б^Е) сечение и астрофизический ¿»-фактор для /«/-реакции при взаимодействии «голых» протонов с дейтронами, соответственно; сг^"{Е) сечение /«/-реакции при наличии электронного экранирования; ис потенциал электронного экранирования для /«/-реакции; коэффициент усиления /«/-реакции из-за электронного экранирования протонов, взаимодействующих с дейтронами.
Уравнение (3) получено с учетом энергетического разброса протонов (дейтронов), падающих на дей-териевую (водородную) мишень, а также кулонов-ских потерь энергии протонов (дейтронов) в результате взаимодействия их с атомами (молекулами) мишени. Выражение для коэффициента усиления /«/-реакции имеет вид
, _ Е 1р" ~ Е+и(
охр (-2тг//(£ + ис) + 2щ{Е)). (7)
При ис -С Е коэффициент усиления имеет более простой вид:
¡рг1 « охр (тгТ1(Е)ис/Е).
(8)
Значение потенциала электронного экранирования ис определяется путем аппроксимации экспериментально измеренной зависимости выхода гамма-квантов Ат""р в реакции (2а) от энергии столкновения протонов с дейтронами следующим выраженном:
Е
Щ*Р(ЕР) = N„^6,I /(£) ЛЕ "о
ЬрАЕ')
.] Е' + и с о
(1Е'\
х охр (-2тп-/(£" + ис))п(х) ( ) (/£'. (9)
Таким образом, аппроксимация экспериментально измеренной зависимости Лг'гр выраженном (9) с использованном в ном в качестве 5*^(1?) зависимости Бра(Е), найденной для газовой мишени в работе [12], позволяет однозначно извлечь информацию о величине потенциала электронного экранирования /«/-реакции {/с, протекающей в дейтериде металла, насыщенном дейтерием. Заметим, что в экспериментальной зависимости [12] скрыт коэффициент усиления ядерной /«/-реакции, обусловленный экранированием протонов, взаимодействующих с дейтронами, атомными электронами. Значение потенциала экранирования, обусловленного атомными электронами, измерялось в (/(/-реакции (1а) с использованием мишени в виде газообразного дейтерия при давлении 2- Ю-4 атм и составило 25 ±5 эВ [18]. Поэтому об усилении /«/-реакции, протекающей в дейтериде металла, можно говорить при экспериментальных значениях потенциала экранирования, значительно больших этой величины. Или, как нетрудно оценить из (8), при экспериментальных значениях коэффициента усиления /«/-реакции,
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.