ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 5, с. 436-439
ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ1
УДК 533.9
КОРРЕЛЯЦИЯ АНИЗОТРОПИИ ВЫХОДА НЕЙТРОНОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ РАЗРЯДА ТИПА "ПЛАЗМЕННЫЙ ФОКУС" © 2010 г. В. Е. Аблесимов, Ю. Н. Долин, О. В. Пашко, З. С. Цибиков
Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики Саров, Нижегородская область, Россия Поступила в редакцию 17.07.2009 г.
Исследована анизотропия выхода и энергии нейтронов, генерируемых в малогабаритной плазмо-фокусной камере с выходом около 4 х 109 БВ-нейтронов в импульсе. Регистрация нейтронов проводилась сцинтилляционными детекторами на пролетной базе 3 м. Измерения проведены под углами 0° и 90° по отношению к оси камеры. Максимальная энергия нейтронов под углом 0° — 2.8 МэВ и 90° — 2.5 МэВ определена методом времени пролета. Измеренная величина анизотропии выхода нейтронов составляет от 1.15 до 1.88. Интегральный выход ВБ-нейтронов источника измерялся ак-тивационной методикой (активация изотопов серебра). Для исследованной установки обнаружена линейная связь выхода и анизотропии выхода нейтронов с величиной скачка разрядного тока Д/ в момент генерации нейтронов.
ВВЕДЕНИЕ
Анизотропия характеристик нейтронного потока, возникающего в DD-реакции в плотном плазменном фокусе (ПФ), являлась предметом исследований во многих работах, например в работах [1—3]. Эта анизотропия приписывается ускорительному механизму образования нейтронов, согласно которому ускоренные в малой области фокуса дейтроны бомбардируют области невозмущенного газа и разогретой плазменной оболочки (модель "пучок-мишень").
В работах [1, 2] измеренная величина анизотропии выхода нейтронов составляла от 1.28 до 1.48, в работе [3] в узком конусе углов ±5° от оси камеры зафиксирована анизотропия до 5.4—6. Такую величину анизотропии авторы работы [3] связывают с зарегистрированным экспериментально с помощью камеры Фарадея возникновением узких ионных пучков, распространяющихся из области фокуса в том же интервале углов.
Об ускорительном механизме образования выходящих из ПФ-камеры нейтронов свидетельствует и анизотропия распределения нейтронов по энергии. Исследованию спектрально-энергетического распределения нейтронов, рождающихся в ПФ-камерах, посвящены многие работы, в частности работы [1, 2, 4].
1 Под этой рубрикой публикуются избранные статьи, кото-
рые были представлены на XIII Всероссийской конферен-
ции по диагностике высокотемпературной плазмы (8—
13 июня, 2009 г., Звенигород, Московская область).
Наряду с ускорительным механизмом в ПФ-камере в области фокуса (максимального сжатия плазмы) реализуется термоядерный механизм образования нейтронов. Исследование анизотропии выхода нейтронов из ПФ-камеры представляет интерес для изучения вопроса о соотношении термоядерного и ускорительного механизмов генерации нейтронов в исследуемых устройствах.
В работе исследована анизотропия выхода и энергии нейтронов, генерируемых в малогабаритной плазмофокусной камере. Энергозапас конденсаторной батареи составляет 45 кДж. При напряжении конденсаторной батареи 27 кВ, энергии в разряде 13 кДж, давлении дейтерия в камере 2.45 кПа (18 мм рт. ст.) и разрядном токе 0.47 МА с временем нарастания ~1.5 мкс был достигнут выход около 4 х 109 нейтронов в импульсе.
Электроды плазмофокусной камеры имеют геометрию Мейзера — внешний диаметр анода 2.7 см, внутренний диаметр катода 10 см. Длина анода 8.7 см, включая изолятор 1.6 см, наполняемый дейтерием объем около 1 дм3.
Геометрия камеры и условия разряда (величина тока разряда, время нарастания тока, давление газа) близки к оптимальным [5] для широкого диапазона установок с плазмофокусными камерами.
КОРРЕЛЯЦИЯ АНИЗОТРОПИИ ВЫХОДА НЕЙТРОНОВ
437
1. ПОСТАНОВКА ИЗМЕРЕНИИ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Регистрация нейтронного излучения проводилась сцинтилляционными детекторами В1 и В2. Измерения проведены по отношению к оси камеры под углами 0° (детектор В2, располагался на высоте 3 метра ) и 90° (детектор В1, располагался на расстоянии 3 метра в горизонтальной плоскости).
При обработке результатов был учтен вклад рассеянных нейтронов, нелинейность детекторов, зависимость чувствительности детектора от энергии нейтронов.
Выход ОО-нейтронов источника измерялся активационной методикой (активация изотопов серебра) с точностью не хуже 15% (относительная погрешность 3%). Активационный детектор-монитор размещался под углом 90° к оси камеры на расстоянии 96 см от оси.
Коэффициент анизотропии Ка определяется как отношение выхода нейтронов У под углом 0° относительно оси камеры к выходу нейтронов под углом 90° к оси камеры
Ка = У(0°)/У(90°). (1)
В тестовых измерениях оба детектора располагались практически рядом (на расстоянии 5 см между центрами сцинтилляторов) под углом 90° относительно оси камеры на расстоянии 3 м от ее оси. Среднее по четырем измерениям отношение выхода нейтронов в тестовых измерениях, измеренное этими детекторами, составляет 0.98, отклонение от среднего в отдельном измерении не превышает ±0.1. Эта величина является экспериментальной оценкой абсолютной погрешности измерения Ка, поскольку в этот результат входят все погрешности: относительной чувствительности детекторов, влияния электромагнитной наводки, погрешности оператора при обработке осциллограмм.
По зарегистрированным сцинтилляционными детекторами временным зависимостям (рис. 1) генерируемого в камере излучения методом времени пролета определена максимальная энергия нейтронов Еп под углом к оси камеры 0° — 2.8 МэВ и 90° - 2.5 МэВ. Энергия нейтронов определялась методом времени пролета, исходя из интервала времени /(у, п) между фронтами гамма (у) и нейтронного (п) импульсов и пролетного расстояния 3 м.
Энергия нейтронов Еп определялась из известного соотношения
амплитуда, В
/ = 72.3 I/ Е.
1/2
(2)
1.5 1.6
время, 10-6 с
Рис. 1. Пример осциллограмм сигналов с детекторов: Ш-сигнал детектора, установленного под углом 90° к оси камеры, Е(90) = 2.46 МэВ; Ш-сигнал детектора, установленного под углом 0° к оси камеры, Е(0) = = 2.77 МэВ. Символы у и п обозначают соответственно выход гамма-излучения и нейтронов.
(10 нс), I [м] = 3м — пролетное расстояние, Еп — энергия нейтронов в МэВ.
Поскольку уровень сигнала от гамма-излучения спадал к началу нейтронного импульса практически до нуля, интервал времени между фронтами гамма и нейтронного импульса определялся, следуя [1], как интервал между точками пересечения касательной к соответствующему фронту импульса с осью времени на осциллограмме (рис. 1).
В табл. 1 приведены характерные результаты определения энергии нейтронов для направления выхода по оси камеры и перпендикулярно к ней.
Погрешность измерения энергии определяется погрешностью измерения времяпролетного интервала (примерно 1—2 нс, что согласуется с интервалом дискретизации регистратора 1 нс) и
Таблица 1. Результаты измерения анизотропии нейтронного излучения
Здесь / [нс] — сумма интервала времени между фронтами гамма и нейтронного импульса и временем пролета гамма — квантами расстояния 3 м
Дата № импульса Максимальная энергия нейтронов Еп (МэВ) Выход нейтронов У х 109
90° 0°
5.05 5 2.46 2.77 3.63
6 2.40 2.89 3.72
3.06 3 2.50 2.78 2.58
6 2.51 2.83 3.08
среднее 2.47 2.82
438
АБЛЕСИМОВ и др.
амплитуда, В
Ka 2.0
время, 10 6 с Рис. 2. Определение величины тока разряда /тах и его скачка Л/ (штрихпунктирная линия) и сигнал сцин-тилляционного детектора (сплошная линия).
3 А/, отн. ед.
Рис. 3. Зависимость коэффициента анизотропии Ка от величины скачка тока Л/ для 23 измерений (импульсов).
оценивается значением ±0.1МэВ. Средняя энергия распределения нейтронов в наших измерениях не определялась.
Таблица 2. Результаты измерения выхода и анизотропии выхода нейтронов
Дата Номер импульса А/ Ka /max Y х 109
05.05 4 2.63 1.67 14.81 2.74
05.05 5 3.49 1.88 14.01 3.63
05.05 6 3.28 1.82 14.38 3.72
06.05 2 3.17 1.68 14.11 3.74
06.05 3 3.36 1.69 13.69 3.59
06.05 6 3.21 1.69 13.60 3.27
07.05 5 1.34 1.26 16.23 3.29
07.05 6 2.97 1.68 14.80 3.79
12.05 0 2.06 1.60 14.06 3.29
13.05 5 1.79 1.69 13.20 2.74
13.05 6 1.73 1.73 13.46 2.76
13.05 7 1.64 1.70 13.33 3.09
14.05 3 1.81 1.46 13.36 3.04
14.05 7 1.66 1.64 13.48 3.39
20.05 3 1.54 1.33 13.42 2.61
20.05 5 1.48 1.54 13.74 2.41
21.05 2 2.07 1.30 14.27 3.49
21.05 3 2.03 1.39 14.91 2.76
21.05 6 2.33 1.18 13.58 2.63
03.06 1 1.06 1.24 14.35 1.74
03.06 2 1.43 1.15 14.91 1.99
03.06 3 1.28 1.24 14.48 2.58
03.06 4 1.41 1.23 14.58 2.29
Значение максимальной энергии нейтронов в тестовых измерениях для детекторов D1 — 2.50 МэВ и D2 — 2.53 МэВ практически совпадает. Оценка по модели "пучок-мишень" (beam-target) [6] дает величину энергии дейтронов, ускоренных в направлении оси камеры, около 0.2 МэВ.
Пример осциллограмм сигналов с детекторов приведен на рис. 1, результаты измерений выхода нейтронов и анизотропии выхода — в табл. 2.
2. КОРРЕЛЯЦИЯ АНИЗОТРОПИИ ВЫХОДА С ВЕЛИЧИНОЙ СКАЧКА РАЗРЯДНОГО ТОКА
Помимо выхода Y и анизотропии выхода нейтронов в каждом импульсе (как это иллюстрируется рис. 2) регистрировалась зависимость разрядного тока / от времени и определялся скачок тока А/, который соответствует так называемой "особенности" на осциллограмме разрядного тока. За минимальное значение тока принималась его величина в момент генерации излучения. Заметим, что максимальная величина разрядного тока менялась незначительно — предельное отношение в серии импульсов составило 1.23.
В табл. 2 приведены для 23 импульсов — величина скачка разрядного тока А/ и максимальное его значение /max (в относительных единицах), значение коэффициента анизотропии Ka и интегрального выхода нейтронов Y в импульсе.
По результатам обработки величина коэффициента анизотропии Ка составляет от 1.15 до 1.88.
Была исследована связь величины анизотропии выхода нейтронов с величиной скачка А/ разрядного тока в камере. Экспериментальные данные аппроксимировались линейной зависимостью методом наименьших квадратов.
1
2
КОРРЕЛЯЦИЯ АНИЗОТРОПИИ ВЫХОДА НЕЙТРОНОВ
439
Y х 109 4
3
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.