Comparison of collective accelaration of protons and deuterons in Luce diode with a polyethylene anode.pdf Предложенный и реализованный Плютто А.А. с соавт. [1] подход к коллективному ускорению ионов электронным пучком из плазменного сгустка в области анода, модифицированный в дальнейшем Дж. Люсом [2] использованием диэлектрической шайбы на аноде для образования плазмы, обеспечивает достаточно высокую эффективность ускорения ионов, что может применяться для проведения прикладных исследований с такими пучками. В последующих публикациях других авторов этот подход называется диодом Люса (см., например, один из последних обзоров [3] и ссылки в нем). Этот термин используется и в данной работе. Механизм ускорения ионов в таких системах, отвечающий результатам различных экспериментальных данных, до сих пор не установлен и является предметом исследований. Важным, в частности, для понимания того или иного механизма ускорения является установление связи максимальной энергии иона с его зарядом или с массой иона, независимо от его заряда. Для этого случая целесообразно использовать изотопы водорода: протия и дейтерия, массы которых различаются в 2 раза. Для выяснения механизма коллективного ускорения ионов в диоде Люса [2] важно определить соотношения энергий и потоков ускоренных ионов одного заряда, но разной массы, что идеально представлено для изотопов водорода: протия и дейтерия. В силу разницы масс таких изотопов водорода при одинаковой скорости протонов и дейтронов это выразится в удвоенной энергии основной группы ускоренных дейтронов по сравнению с энергией протонов. Данный подход был использован при ускорении ионов из нейтрального газа при распространении электронного в камере дрейфа в прямых пучках [3, 4] и в диоде Люса [5]. В последнем случае источником дейтерия служил изотоп природного происхождения. Утверждалось о двухкратном превышении энергии дейтронов над протонами, т.е. одинаковой скорости их распространения. В этом случае авторы трактовали механизм ускорения ионов на фронте импульса электронного пучка. В следующей же работе [6] авторы, повторив эксперименты на другом ускорителе, пришли уже к другому выводу о возможном механизме ускорения ионов в диоде Люса. Более подробно этот факт изложен в обзоре [3]. Цель данной работы - проверка положения о коллективном ускорении ионов разной массы до максимальной энергии ионов, пропорциональной массе, а не заряду иона. Для этого нами использовалась диэлектрическая вставка с пленкой из дейтерированного полиэтилена и вставка из обычного полиэтилена. Задачей данной работы являлась проверка тезиса, который можно кратко сформулировать как закон сохранения энергии для коллективного ускорения ионов, поскольку ополовиненное (по сравнению с протонами) количество дейтронов с удвоенной энергией приобретает от электронного сгустка ту же самую энергию. Здесь необходимо сделать поправку на то, что протий как газовое загрязнение поверхности анода и катода присутствует (в виде воды или углеводородов) на уровнях, достаточных для коллективного ускорения протонов числом до 4∙1013 в импульсе, даже с применением анодов из нитрида бора [7, 8], т.е. не содержащих водород. Так, в работах по коллективному ускорению дейтронов ультракороткими импульсными пучками лазеров показано, что поверхностные загрязнения ускоряемых дейтерированных мишеней водородом являются одной из основных проблем [9-11] получения чистого пучка дейтронов. Это означает неизбежную конкуренцию протонов с ионами дейтерия при их захвате в коллективное ускорение даже в случае использования в качестве анода дейтерированного полиэтилена с очень высоким изотопным обогащением. Такая конкуренция должна приводить к соотношению числа ускоренных до одинаковых скоростей протонов и дейтронов при прочих равных условиях существенно большему, чем два. В данной работе число и энергию коллективно ускоренных протонов и дейтронов определяли радиоактивационным методом в одинаковых геометриях диода Люса. Полиэтиленовые аноды были выполнены в виде шайб толщиной 8 мм с внутренним диаметром 12 мм. В случае ускорения дейтронов внутреннее отверстие анода и оба торца около отверстия покрывали припаиванием тонкой (около 200 мкм) плёнки дейтерированного полиэтилена с обогащением по дейтерию около 98 aт. %. В исследуемой геометрии диода Люса торец цилиндрического вольфрамового катода диаметром 4 мм и длиной 15 мм выставляли аксиально заподлицо с внешним торцом анода, что обеспечивало максимально возможную для данной геометрии энергию ионов [7]. В такой геометрии диод Люса был способен генерировать электронные сгустки с длительностью 90 нс (на полувысоте), током до 30 кА при ускоряющем напряжении 250 кВ. Пучок коллективно ускоренных ионов перехватывали жаропрочными мишенями в виде пластин карбида бора (В4С), гексагонального пиронитрида бора (h BN) и алюмонитридной керамики (AlN) поперечным размером 55 см и толщиной 5, 1 и 1.5 мм соответственно, размещаемыми соосно с катодом и анодом на расстоянии 9 см от внешнего торца анода приклеиванием двусторонним коммерческим полипропиленовым скотчем Profitto (толщиной 80 мкм) к металлическому держателю. Сразу после облучения сериями из трех, десяти и пятидесяти импульсов, следующих один за другим через 5 с, рабочую камеру ускорителя ТЕМП-4 вскрывали для немедленной транспортировки облученной мишени на торец коаксиального детектора из высокочистого германия (Canberra) в свинцовой защите, для регистрации наведенной γ активности 7Be (T1/2 = 53.12 дней, Eγ = 477.6 кэВ) и 28Al (2.242 мин, 1779 кэВ) и позитронной активности 15О (2.037 мин), 13N (9.965 мин) и 11С (20.34 мин) в пике аннигилляционных γ квантов с энергией 511 кэВ согласно методикам радиоактивационной диагностики протонов [8] и дейтронов [12]. Рис. 1. Зависимости отношений выходов радионуклидов от энергии дейтронов Активность позитронных излучателей измеряли в течение трех периодов полураспада самого долгоживущего из них для того, чтобы максимально точно разложить кривые распада на индивидуальные вклады аналитических радионуклидов 15О, 13N и/или 11C, по соотношению которых определяли энергию дейтронов, а по рассчитанной абсолютной активности - число дейтронов. Принцип определения средней энергии дейтронов в серии выстрелов по отношению выходов пар аналитических радионуклидов показан на рис. 1. Из приведенных на этом рисунке зависимостей отношений выходов радионуклидов от энергии видно, что при энергии дейтронов более 2 МэВ точность определения энергии этим способом сильно ухудшается. Суммарные результаты определения средних энергий и числа коллективно ускоренных дейтронов и протонов сведены в таблицу, где серии экспериментов с анодом, покрытым пленкой дейтерированного полиэтилена, приведены в порядке их следования. Из этой таблицы на примере серий со сбросом дейтронов на мишени B4C видно, что дейтерированное покрытие анода довольно быстро деградировало с каждой последующей серией импульсов. При ускорении протонов с использованием сплошных анодных вставок из обычного полиэтилена скорее следует говорить об уменьшении вклада в ускорение протонов, вызванного газовыми примесями анода и другими деталями рабочей камеры. Очевидно, что увеличение вклада газовых загрязнений протием являлось сильным конкурирующим фактором в количестве ускоренных протонов на фоне деградации анодного покрытия из дейтерированного полиэтилена и ускорении дейтронов. Суммарные результаты № серии Число импульсов в серии Материал анода, номер Мишень Энергия ионов, кэВ Число ионов, 1013 ион/имп. 1d 10 (CD2)n, № 1 AlN 1100 2.2 2d 10 -"- B4C 1300 0.48 3d 10 -"- B4C 1140 0.35 4d 10 -"- B4C 1130 0.11 5d 10 -"- BN 1400 0.068 6p 10 (CH2)n, № 1 B4C 600 3.93 7p 10 -"- B4C 620 2.76 8p 10 -"- B4C 625 2.97 9p 3 (CH2)n, № 2 B4C 650 5.05 10p 10 -"- B4C 625 4.33 11p 50 -"- B4C 620 2.85 Среднее значение энергии дейтронов в этих пяти сериях составило (1214±130) кэВ, а средневзвешенное (в соответствии с числом импульсов в серии) по шести сериям протонов - (620±15) кэВ, что дает отношение энергии дейтронов и протонов как 1.96±0.2, т.е. фактически соответствующее двум, что предполагает одинаковые скорости дейтронов и протонов при ускорении в одной и той же геометрии диода Люса. Среднее количество дейтронов, ускоренное за один импульс, в первых трех сериях определено как (1±1)1013, тогда как средневзвешенное для всех серий по ускорению протонов равно (3.2±0.6)1013, что дает соотношение протонов и дейтронов, ускоренных в одном импульсе, как около 3.2±3.2. Это соотношение согласуется с тезисом о том, что неизбежные поверхностные загрязнения протием будут подавлять захват в ускорение дейтронов даже при использовании анодов с очень высоким изотопным содержанием дейтерия. Существенно больший разброс по средней энергии дейтронов (±10.7%) по сравнению с таковым для энергии протонов (±2.4%) может быть обусловлен намного большим разбросом по среднему количеству ускоренных в разных сериях дейтронов (±100%) по сравнению с числом протонов (±19%). Этот результат, связанный с тем, что более тяжелые ионы имеют больший разброс по энергии, представляется важным и может быть соотнесен именно с особенностью механизма коллективного ускорения. Можно предположить, что меньшее число ионов (в случае ускорения дейтронов) ускоряется до больших энергий, и наоборот, большее число ионов (протонов) - до меньших энергий. Аппроксимация данных по средним энергиям и количествам дейтронов, ускоренных во всех пяти сериях, приведенная в виде кривой на рис. 2, может свидетельствовать в пользу такого предположения. Таким образом, в данной работе получено экспериментальное подтверждение предположения о том, что при коллективном ускорении ионы с меньшей массой ускоряются в пропорционально бóльших количествах, чем ионы с большей массой, причем, меньшее количество ионов (дейтроны) при прочих равных условиях будет ускорено до больших энергий, и наоборот. Очевидным следствием обнаруженного факта является ограничение по числу коллективно ускоренных ионов тяжелее протонов: так, для дейтронов, ускоренных до тех же скоростей, что и протоны, ожидаются меньшие количества. В худшем случае, когда уровень поверхностных загрязнений анодной вставки и катода водородом будет высоким, могут наблюдаться различия в числе коллективно ускоренных в одних и тех же условиях дейтронов и протонов, но в силу одинаковых скоростей, энергия дейтронов при этом будет удвоенной по сравнению с энергией протонов. Рис. 2. Зависимость средней энергии ускоренных дейтронов от их количества

Скачать электронную версию публикации