Методы диагностики атомных и ядерных процессов в исследованиях лазерной пикосекундной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Андрианов Василий Петрович

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ АТОМНЫХ И ЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЛАЗЕРНОЙ ПИКОСЕКУНДНОЙ ПЛАЗМЫ

Специальность 01.04.04-Физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Научно-исследовательский институт импульсной техники

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Беляев Вадим Северианович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Склизков Глеб Владимирович доктор технических наук, профессор Лоборев Владимир Михайлович

Ведущая организация: Институт ядерного синтеза Российского научного центра «Курчатовский институт».

Защита состоится «¿^ 'ХМ^&М 2004 г. в час 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.156.01 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700 Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9, МФТИ, ауд. 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан „ел Л^Ь-т О- 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скорик В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Исследования мощных пучковых плазменных разрядов лежат в русле современного научно - технического прогресса, имеющего целью обеспечение высоких темпов роста народного хозяйства. Известно, что при фокусировке мощного лазерного излучения на поверхность мишени удаётся получить плазму с температурой, достаточной для протекания термоядерных реакций. Значительные выходы термоядерных нейтронов были получены на больших (с энергией около 10 000 Дж) лазерных установках. Однако, из-за огромных размеров лазеров, такие экспериментальные установки не нашли широкого применения.

Положение изменилось с развитием технологии получения ультракоротких лазерных импульсов. Для получения термоядерных нейтронов при использовании лазерных импульсов пикосекундной длительности требуются лазерные установки с энергией, на несколько порядков меньшей. В настоящее время созданы лазерные системы небольших размеров, обеспечивающие пикосекундные импульсы излучения с энергией около 10 Дж. Появление таких лазерных систем обеспечило широкое развитие лабораторной базы и, соответственно, прогресс в исследовательских работах. В настоящее время в России созданы лазеры "Прогресс" г.Сосновый Бор и "Неодим" г. Королев с длительностью импульса ~10-12с, обеспечивающие интенсивность излучения на мишени более 1018 Вт/см2.

Проведение исследований на таких лазерных установках дает возможность получения новых знаний как в области фундаментальных физических исследований, так и в области разработок новых технологий. В их числе получение энергии на принципиально новых основах, создание генераторов электромагнитной энергии широкого частотного диапазона, ускорителей частиц и т.д. Плазма, образованная воздействием на мишень короткого ( г<10-12с) интенсивного (1016-т-1021Вт/см2) лазерного импульса, представляет новые возможности исследования на атомном уровне физических явлений в веществе, находящемся в уникальном состоянии. Такая плазма является источником мощных потоков электронов с энергиями до 100 МэВ, потоков заряженных частиц, возникает электромагнитное излучение от гамма до СВЧ-диапазона, появляется нейтронное излучение как следствие ядерных процессов, рождаются электрон-позитронные пары, возникают мощные магнитные поля до 109 Геи давления до 1010 атмосфер.

Сложность и многообразие характера атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме требует для их экспериментального

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С Петербург л

Оэ ааЦнузйд;

исследования использование новых методов и средств. Регистрация, контроль и анализ этих процессов возможен лишь по регистрации, контролю и анализу различных видов излучений, сопровождающих эти процессы. Для практической реализации необходимо иметь средства диагностики, позволяющие проводить регистрацию временных, спектральных и интегральных параметров импульсных излучений пикосекундной плазмы.

Специфическими особенностями регистрации излучений такой плазмы являются:

малая длительность импульса, лежащая в пикосекундном диапазоне;

большое количество различных видов излучений электромагнитной и корпускулярной природы;

большая неопределённость по выходу нейтронов и гамма-квантов, от единиц до миллионов за импульс;

широкий энергетический диапазон нейтронного и гамма излучений, от сотен кэВ до нескольких десятков МэВ;

высокий уровень фона сопутствующих излучений и электромагнитных помех;

невозможность вывода некоторых важнейших продуктов лазерной плазмы (заряженных частиц, протонов, альфа-частиц, мягкого рентгеновского излучения и др.) за пределы измерительной камеры;

необходимость регистрации пространственного распределения излучений.

Перечисленные особенности позволяют сформулировать требования к методам и средствам регистрации параметров излучений пикосекундной лазерной плазмы:

высокая чувствительность для регистрации малых выходов излучения;

высокое (вплоть до пс) временное разрешение; предельно широкий динамический диапазон в линейном режиме; обеспечение избирательности детектирования одного вида излучения на фоне других;

высокая помехозащищённость аппаратуры, что требует обеспечения больших сигналов на выходе первичных преобразователей;

регистрация параметров излучения заряженных частиц после окончания воздействия лазерного излучения на мишень; многоканальность. В настоящее время существуют методы регистрации ионизирующих излучений для различных применений. В основном

разрабатываются методы и средства для обнаружения постоянных источников излучений, что делает невозможным их применение для регистрации импульсных излучений лазерной плазмы. Известны методы регистрации импульсных излучений, применяемые при физмерениях. Однако, в основу этих методов положено предположение о больших выходах различных видов излучений, тогда как в начальной стадии исследований процессов в лазерной плазме, образовавшейся при воздействии высокоинтенсивного лазерного импульса на вещество, выходы различных видов излучений (особенно нейтронов) невелики и не могут быть зарегистрированы предлагаемыми методами и аппаратурой. Кроме этого, отсутствуют методы регистрации импульсного интегрального выхода и энергетического распределения заряженных частиц. Требуется существенная модификация и разработка принципиально новых методов применительно к исследованиям лазерной плазмы пикосекундного диапазона.

Таким образом, создание комплекса методов и средств диагностики атомных и ядерных процессов в пикосекундной плазме и её внедрение в практику экспериментальных исследований на высокоинтенсивных лазерных установках является актуальной научной задачей, решение которой имеет существенное значение для исследований на качественно новом этапе развития физики взаимодействия излучения с веществом. Цель работы

Цель настоящей работы - создание методов диагностики атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме, проведение исследований и получение экспериментальных данных о параметрах излучений плазмы. Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующих методов регистрации излучений и выбор оптимальных для использования на мощных лазерных установках.

2. Исследование физических процессов в первичных преобразователях, выбор конструкции, разработка и исследование детекторов.

3. Анализ существующих подходов к разработке каналов регистрации и диагностической системы, реализующей выбранные методы регистрации.

4. Создание и внедрение в практику экспериментальных исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме автоматизированной диагностической системы, обеспечивающей оперативную обработку и наглядное представление информации.

Научная новизна работы

1. Предложен и реализован комплекс методов, позволяющий проводить исследования атомных и ядерных процессов лазерной пикосекундной плазмы на основе регистрации её излучений.

2. Разработан активационный метод, обеспечивающий высокую чувствительность регистрации нейтронов в исследованиях пикосекундной плазмы. Рассчитаны оптимальные параметры детектора нейтронов с использованием наборной кольцевой конструкции индикатора.

3. Разработан и реализован метод регистрации нейтронного излучения с использованием индикатора одного типа и с двумя схемами распада радиоактивного изотопа.

4. Разработан детектор протонов, позволяющий регистрировать большие потоки (более 108 протонов за импульс) методом вторичных мишеней.

5. Модернизирован применительно к исследованиям пикосекундной плазмы сцинтилляционный детектор гамма-излучения с повышенной чувствительностью и расширенным динамическим диапазоном.

6. С использованием созданных методов получены экспериментальные данные и исследованы характеристики гамма- нейтронного излучения плазмы и заряженных частиц при интенсивности излучения на мишени (10"-1019)Вт/см2.

Практическая ценность работы

Разработанные методы регистрации и результаты проведенных экспериментальных исследований ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме дают возможность создания и практического внедрения:

новых энергетических технологий, в том числе в области ядерного синтеза;

установок, моделирующих условия протекания ядерных процессов и поражающие факторы ядерного взрыва, позволяющих проводить верификацию численных методов моделирования физических процессов при высокой концентрации энергии;.

высокоэффективных ускорителей электронов, протонов, позитронов, альфа-частиц, ионов, дейтонов;

компактного импульсного источника нейтронов; технологии производства радиоактивных изотопов; технологии переработки долгоживущих радиоактивных изотоп' (отходов) в короткоживущие.

Внедрение результатов работы

на основании теоретических и экспериментальных исследований разработана и изготовлена система диагностики импульсных ионизирующих излучений пикосекундной плазмы;

изготовленная диагностическая система применяется при проведении экспериментальных исследований на лазерных пикосекундных установках ПРОГРЕСС г. Сосновый Бор Ленинградской области и НЕОДИМ г. Королев Московской области;

результаты исследовании, полученные в диссертации, используются при разработке диагностической аппаратуры для лазерной установки нового поколения ИСКРА-6 в Российском Федеральном Ядерном Центре ВНИИЭФ г.Саров Нижегородской области. Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Межотраслевая научно-техническая конференция "Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе". ВНИИ автоматики, Москва,2003.

2.IV Международная конференция "Физика плазмы и плазменные технологии". Минск, 2003 (два доклада).

3. 10 Российско-китайский семинар по конверсии. НИИ импульсной техники, Москва, 2003.

4. 10 семинар "Спектрометрический анализ. Аппаратура и обработка данных на ПЭВМ ". Государственный центральный институт повышения квалификации, Обнинск, 2003.

5. "Tenth International Conference on Cold Fusion". Cambridge, Massachusetts, USA, 2003.

6. "XXIII International Conference on Photonic Electronic, and Atomic Collision". Stockholm, Sweden,2003.

7. International Conference "The Fourth Asian Pacific Laser Symposium". Yongpyong, Korea, 2004, (два доклада).

Личный вклад автора

Анализ существующих методов регистрации параметров, выбор и обоснование методов диагностики ионизирующего излучения пикосекундной плазмы, разработка новых принципов построения первичных преобразователей импульсного нейтронного излучения и заряженных частиц активационным методом, расчет предельных условий применения первичных преобразователей для регистрации импульсного гамма и нейтронного излучений пикосекундной длительности проведены автором лично. Изготовление системы диагностики, ее настройка, градуировка чувствительности первичных преобразователей проводилась сотрудниками НИИ импульсной техники по техническим заданиям, разработанным автором. В проведении экспериментальных исследований принимали участие сотрудники лабораторий к.ф.м.н. А.П.Матафонова (ЦНИИМАШ) и к.т.н. А.В.Чарухчева (НИИКИ ОЭП), которым автор выражает свою искреннюю благодарность.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 149 страниц текста, включая 49 рисунков и 17 таблиц, в списке использованных источников приведено 105 наименований. Основные положения, представляемые к защите

1. Созданный комплекс методов диагностики атомных и ядерных процессов в исследованиях лазерной пикосекундной плазмы на основе регистрации излучений плазмы, реализованный в виде автоматизированной диагностической системы.

2. Высокочувствительный активационный метод нейтронов с использованием двух схем распада радиоактивного изотопа индия, позволяющий регистрировать выход от 103 нейтронов за импульс.

3. Созданный детектор протонов, позволяющий регистрировать большие потоки (более 108 протонов за импульс) методом вторичных мишеней.

4. Результаты экспериментальных исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, полученные с помощью отработанных методов на действующих пикосекундных лазерных установках "ПРОГРЕСС" и "НЕОДИМ".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика проблемы диагностики параметров плазмы, показано многообразие и сложность физических процессов в пикосекундной плазме, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, определяющие научную новизну и практическую ценность полученных результатов, приведены защищаемые положения.

В первой главе проведен аналитический обзор существующих методов регистрации параметров импульсных излучений и заряженных частиц. Показано, что отличительной особенностью излучений пикосекундной плазмы является мгновенный одновременный выход различных видов излучений. Поэтому, чтобы иметь возможность уверенно говорить о факте регистрации того или иного вида излучения, необходимо использовать методы раздельной регистрации.

Условия регистрации заряженных частиц имеют свои особенности. В отличие от проникающего нейтронного и гамма-излучений заряженные частицы не смогут выйти за пределы измерительной камеры. По этой причине вся регистрация должна вестись в камере в непосредственной близости от мишени. В этих условиях наряду с электромагнитными наводками, нейтронным и гамма-излучениями появляются дополнительные фоновые воздействия, такие как температурные, световые, ударные. Использование традиционных детекторов корпускулярных частиц, таких как ионизационные камеры,

пропорциональные счетчики, полупроводниковые становится

невозможным. В столь жестких условиях выполнения измерений возможны способы регистрации либо с выводом физического эффекта за пределы камеры (например, с помощью волоконно-оптической линии связи), либо путем пассивной, интегральной регистрации в камере с последующей обработкой результатов измерений вне камеры.

Для регистрации импульсного выхода нейтронов используются несколько методов:

метод затянутой регистрации; метод ядерных эмульсий; аналоговый метод регистрации; метод активационных индикаторов.

Метод затянутой регистрации основан на эффекте замедления быстрых нейтронов в водородосодержащем замедлителе и регистрации гамма-квантов, возникающих при последующем захвате медленных нейтронов ядрами водорода. Возникающие при захвате гамма-кванты регистрируются детектором. Время жизни (диффузии) тепловых нейтронов в замедлителе составляет порядка 100-300 мкс, что намного превышает длительность нейтронного импульса. Этот эффект позволяет увеличить время регистрации нейтронов, возникающих в результате воздействия на мишень короткого пикосекундного импульса лазерного излучения, до величины времени жизни тепловых нейтронов. Детекторы, основанные на данном методе, используются для исследований импульсных потоков быстрых нейтронов с выходом из источника излучения не менее 105 нейтронов.

В методе ядерных эмульсий регистрация нейтронов с энергией более 2 МэВ осуществляется по регистрации ядер отдачи. Треки протонов легко идентифицировать и эмульсии представляют в принципе простой и прямой способ измерения интенсивности и энергии нейтронов. Кроме того, можно визуально исключить эффекты от сопутствующих излучений, например гамма-лучей. Применяются водородосодержащие пластины с концентрацией атомов водорода ~ 0,06 г/см3. Ядра отдачи (протоны) создают скрытое изображение треков, которые выявляются при проявлении. В случае рассеяния быстрого нейтрона с энергией En на водороде, выражение для энергии протона отдачи (Ер) имеет вид: Ep=En cos2 ф;

где -угол между направлением вылета протона отдачи и направлением нейтрона до столкновения.

Из выражения следует, что при изменениях <р от 0 до 10° энергия протона отдачи изменяется приблизительно на 3%. Анализируя треки, лежащие в пределах угла 10° , можно считать энергию протонов,

образовавших эти треки, равной энергии нейтронов. Образовавшиеся треки рассматривают под микроскопом. Эффективность регистрации быстрых нейтронов данным методом составляет~0,01%, поэтому минимальный выход быстрых нейтронов из мишени должен быть не менее 8-106 нейтронов с энергией не менее 2 МэВ.

В аналоговом методе регистрации детектор осуществляет преобразование временного распределения регистрируемых нейтронов в электрический аналог-ток, который в свою очередь регистрируется осциллографическими методами. В качестве первичного преобразователя обычно используют детекторы с органическими сцинтилляторами (стильбен, антрацен, пластмасса). Они обладают высокой эффективностью регистрации быстрых нейтронов, высоким временным разрешением и позволяют разрабатывать высокочувствительные детекторы на их основе. Чувствительность сцинтилляционных детекторов к нейтронам с энергией 14 МэВ достигает величины до 10"9 Юг см ,/нейтрон. Такая величина чувствительности при временном разрешении около 10 нс позволяет (при возможности разделения гамма и нейтронного импульса методом времени пролёта) проводить регистрацию больших (от 10 8) выходов нейтронов .

В методе активационных индикаторов выход нейтронов из мишени регистрируется по количественному спектру наведенного на индикаторе вторичного излучения. При постоянном облучении индикатора потоком нейтронов образование радиоактивных ядер в секунду описывается следующим выражением: N=110 /ф(Е) а(Е)ёЕ где По -количество ядер в индикаторе;

-плотность потока нейтронов с заданным энергетическим распределением;

-сечение ядерной реакции. Образующееся при распадах излучение регистрируют по наведённой активности изотопа:

где -постоянная распада радиоактивных ядер.

В случае импульсного нейтронного источника, как правило, время облучения ^ обл.) намного меньше периодов полураспада (Т) изотопов, используемых в качестве ядер-мишеней, т.е. t обл.<Т , и можно не учитывать распад продуктов реакции в течение времени облучения. В этом случае можно определить количество попавших на детектор нейтронов (Р), регистрируя наведённую активность: Р(Е)= А(1)/( с(Е) пД)-

Существуют материалы, обладающие высоким (несколько сотен барн) сечением активации для тепловых нейтронов. Кроме этого, данный

метод позволяет проводить регистрацию наведённой вторичной активности индикатора после рабочего выстрела лазерной установки. Этим отсекаются воздействия различных помех и других видов излучений (включая электромагнитное излучение) на детектирующее устройство при рабочих циклах регистрации. Исходя из этого, метод активационных индикаторов выбран в качестве основного для регистрации выхода нейтронного излучения. Аналоговый метод применяется в качестве второго (дополнительного) для регистрации нейтронов при редкоповторяющихся экспериментах на лазерных установках.

В задачу регистрации гамма-излучения входят оценка выхода и оценка спектрального распределения импульсного излучения. Регистрация импульсного гамма-излучения имеет характерные особенности. Так, при работе в однократном режиме имеет место широкий диапазон изменения параметров потока излучения (до ). Это обстоятельство требует организации измерений в нескольких диапазонах (рангах) чувствительности детекторов.

Для регистрации выходов импульсного гамма-излучения широкое применение нашли сцинтилляционные, черенковские, полупроводниковые детекторы. Сцинтилляционные детекторы характеризуются достаточно высоким быстродействием (временное разрешение - несколько не), высокой чувствительностью (до 10"9 Кл-см3/квант). В черенковских детекторах гамма-излучения регистрируется черенковское излучение, испускаемое электронами, образующимися в чувствительном объеме детектора. Временное разрешение таких детекторов составляет порядка 1нс, а чувствительность приблизительно на четыре порядка хуже , чем у сцинтилляционных детекторов.

Трековые детекторы (ТД) являются новым типом детекторов, применяемых для регистрации заряженных частиц. Механизм образования и выявления треков в диэлектрических материалах связан с тем, что тяжёлые ионизирующие частицы при прохождении в диэлектрической среде создают узкую (3-10нм) область повреждений. В кристаллах эта зона состоит из смещённых атомов, находящихся в междоузлиях решётки, и вакансий. Она окружена областью весьма существенных напряжений и деформаций решётки. В пластиках радиационное повреждение приводит к разрыву молекулярных цепочек, образованию свободных радикалов и т.д.

Характерные размеры треков: длина -(1ч- 10)10"6 см, диаметр -10"6 см. В объёме трека размещается 108 4- 109 атомных позиций.

Наиболее распространённая методика выявления треков-избирательное химическое травление треков, основанное на том, что повреждённые области твёрдого тела растворяются гораздо быстрее, чем

неповреждённые.

Приведенный анализ характеристик ТД и методов регистрации с их помощью показывает, что:

- они наименее чувствительны к сопутствующим излучениям по сравнению с другими методиками и устройствами, то есть их можно использовать для регистрации заряженных частиц в условиях большого фона слабо ионизирующих излучений (электронов и фотонов);

они находятся в «активном» состоянии неограниченно долго; отличаются исключительной простотой применения, механической прочностью, не подвержены воздействию света и умеренного нагревания;

низкая стоимость полимеров, используемых для ТД.

В результате проведенного анализа методов регистрации параметров излучений и заряженных частиц выбраны и обоснованы методы, реализующие диагностику атомных и ядерных процессов в плазме, образованной пикосекундным лазерным импульсом.

Во второй главе проведен анализ физических процессов в активационном детекторе при регистрации малого выхода однократного импульса быстрых нейтронов лазерной плазмы. Рассчитаны оптимальные конструктивные параметры детектора для получения его максимальной чувствительности.

Нейтроны представляют из себя частицу, не имеющую заряда, поэтому они могут быть зарегистрированы либо с помощью вторичных заряженных частиц, образующихся при прохождении нейтронов через вещество, либо в результате других вторичных процессов. В частности, по радиоактивному излучению ядер индикатора при захвате нейтрона.

При выборе материала индикатора к нему предъявляются следующие требования:

высокое сечение активации исследуемыми нейтронами в заданном диапазоне энергий нейтронов;

небольшой период полураспада образующегося

радиоактивного излучения с целью уменьшения вклада фона в общий счёт детектора;

хорошая технологичность материала при изготовлении детекторов.

Наиболее подходящими веществами, удовлетворяющими вышеуказанным требованиям, являются 1п 115 и А^09 .Следует отметить , что содержание Аё109 в естественном изотопном наборе составляет 48,65% , а 1п 115 95,77%. Кроме этого, наличие у 1п 115 двух схем распада с высоким сечением активации и удобным периодом полураспада,

возможность получать тонкую фольгу , доступность и технологичность позволяют выбрать индий в качестве основного вещества для изготовления активационного индикатора.

Для образования большего количества радиоактивных ядер при облучении толщина и объём активируемого индикатора должны быть по возможности больше. Однако толщина индикатора ограничивается величиной пробега частиц вторичного излучения в материале индикатора. Показано, что для граничной энергии вторичных электронов, равной 3,3 МэВ, максимальная толщина индикатора из индия равна 0,38 мм.

Проведен расчет оптимальных параметров замедлителя быстрых нейтронов. Показано, что оптимальным является применение в качестве материала замедлителя быстрых нейтронов полиэтилена (СН2), имеющего высокие значения замедляющей способности и коэффициента замедления. Проведённые методом Монте-Карло расчеты показали, что для получения максимальной чувствительности активационного детектора нейтронов конструкция замедлителя из полиэтилена должна быть следующей: передний слой толщиной 1 см, боковой слой толщиной 14 см. Оптимальная толщина передней свинцовой защиты при регистрации нейтронов реакции Т(ё,п)4Не составляет Зсм, а при выборе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) предпочтение отдается ФЭУ 173 (диаметр колбы 170 мм). При регистрации нейтронов реакции Б(ё,п)3Не толщина передней свинцовой защиты должна быть минимальной (1мм).

Проведенные теоретические расчеты и экспериментальные исследования показали, что оптимизация конструкции активационного детектора нейтронов позволила достигнуть максимальной чувствительности для регистрации малых ыходов быстрых нейтронов из облучаемой мишени от 103 нейтронов за импульс.

В третьей главе приведены результаты исследований по расчету параметров первичных преобразователей, входящих в состав структурной схемы системы диагностики атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.

Диагностическая система для регистрации импульсных излучений, образованных пикосекундным лазерным импульсом, имеет

специфические особенности, отличающие её от других систем. Эти особенности следующие:

длительность излучения значительно меньше временного разрешения существующих детекторов; широкий динамический диапазон регистрации излучений; широкий диапазон энергий регистрируемых излучений; высокая надёжность получения информации, что определяется

сложностью физического эксперимента с применением высокоинтенсивного лазера;

высокая устойчивость системы к различного вида помехам ( электромагнитным, световым, фоновым);

перестраиваемая структура для реализации разнообразных экспериментов при ограниченном составе регистрирующих каналов.

Приведенные специфические особенности учтены при разработке структурной схемы системы диагностики и входящих в её состав приборов и устройств.

С целью определения реальных технических характеристик детектора интегрального выхода гамма излучения, входящего в состав подсистемы регистрации, и возможности его применения при проведении экспериментальных исследований на лазерных пикосекундных установках проведены исследования модернизированного сцинтилляционного детектора . Исследования детектора предусматривают расчет зависимости тока детектора от параметров падающего на детектор излучения, расчет граничных условий применения детектора при регистрации гамма-излучения, расчет и измерение основных технических характеристик: максимальная чувствительность к гамма излучению, временное разрешение, флюктуации выходного сигнала.

В качестве чувствительного элемента в детекторе используется пластмассовый сцинтиллятор диаметром 65 мм и длиной 63мм. Для преобразования световых импульсов сцинтиллятора в электрические и для усиления их применяется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) типа СНФТЗ с анодной чувствительностью не менее 120 А/лм. Для изменения величины чувствительности при конкретных измерениях предусмотрена возможность установки специальных светофильтров между сцинтиллятором и входным окном ФЭУ. Кроме того, можно изменять усиление ФЭУ с помощью специальной вставки с резистором, что позволяет подбирать чувствительность без разборки детектора. В детекторе имеются два выхода - для получения сигналов положительной и отрицательной полярности. Регистрация импульсных сигналов осуществлялась с помощью осциллографа Tektronix TDS 3032.

Максимальная чувствительность детектора к гамма-излучению изотопа Со60 составляет /кв с погрешностью не более ±20%.

При проведении экспериментальных исследований с помощью сцинтилляционного детектора регистрируется зависимость тока детектора от плотности потока исследуемого излучения . Так как длительность излучения лазерных пикосекундных установок очень мала (~ 1,5 Пс), то возможен лишь интегральный режим измерений, при

котором значение выходного тока детектора есть сумма от токов, образованных отдельными частицами. В этом случае выражение связывающее ток детектора с плотностью потока излучения имеет вид: ï(t)=At! J h(a)<faj <p(t)g(t)dt,

где А-площадь детектора; ^-эффективность регистрации, которая определяется как отношение количества зарегистрированных детектором квантов к количеству попавших в детектор квантов;

-распределение амплитуд единичных токов ;

- импульсная характеристика детектора, как реакция детектора на дельта- излучение. Нахождение <p(t) по регистрации тока I(t) с помощью сцинтилляционного детектора сводится к решению уравнения свертки.

Проведён расчет динамического диапазона регистрации интегрального выхода гамма квантов сцинтилляционным детектором на пикосекундных лазерных установках. Показано, что при его применении в стандартной комплектации минимальное значение регистрируемой плотности потока оставляет 1,6 кв/см2, а динамический диапазон равен 7. Применяя ранжирование чувствительности модернизированного детектора с помощью специальной шунтирующей вставки, можно увеличить значение динамического диапазона до 450.

Регистрация выхода и энергии заряженных частиц лазерной пикосекундной плазмы осуществляется с помощью трековых детекторов и вторичных мишеней. Определение спектральных характеристик протонов проводится трековыми детекторами, крытыми фильтрами различной толщины. Для изготовления наборного фильтра до энергий протонов до 2,5 МэВ используется полиэтилен толщиной 0,01 мм (1 мг/см2 ), а для протонов большей энергии алюминиевая или медная фольга толщиной 0,1 мм (27 мг/см2 и 89 mjVcm2 соответственно). С помощью несколько трековых детекторов, закрытых фильтрами различной толщины, и установленных под разными углами относительно первичной мишени регистрируется анизотропия разлёта протонов различных энергий. Проведенные расчеты первичных преобразователей позволили разработать структурную схему и провести изготовление системы для исследований атомных и ядерных процессов в пикосекундной лазерной плазме.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований лазерной плазмы с применением разработанной и изготовленной системы диагностики на предприятии ЦНИИМАШ на лазерной установке "Неодим" г. Королёв Московской области и на предприятии НИИКИ ОЭП на лазерной установке "Прогресс" г.Сосновый

Бор Ленинградской области.

На установке "Прогресс" зарегистрированные нейтроны

образовались в результате ядерной реакции типа (с1,с!) и имели энергию 2,5МэВ. Выход нейтронов составил(2,3±0,8) • 104.. Полученные экспериментальные данные соответствуют теоретическим расчётам по выходу нейтронов из дейтерированных мишеней .

В качестве детекторов заряженных частиц применялись трековые детекторы 01-39. Детектор представляет собой пластину полимера С12Н18О7. Калибровка детектора проведена с помощью протонного пучка ускорителя Ван-де-Граафа (Е„ =0.75 - 3.0 МэВ) и стандартных альфа-источников (Е„ = 2 - 7.7 МэВ) , пучка циклотрона Еа = 8 — 30 Мз^) в НИИЯФ МГУ. После облучения детекторы травились в растворе КаОН в Н2О при 70оС в течение 7 ч. В экспериментах использовались как открытые детекторы, так и детекторы, закрытые фильтрами из А1 (11, 33, 66 мкм) и Си (25, 50 мкм). Часть детекторов располагалась со стороны облучаемой поверхности вблизи нормали к мишени, под углами и

30° на расстоянии 20 см от точки фокусировки. Такое расположение детекторов обусловлено тем, что, как показали эксперименты с использованием массива ионных коллекторов, разлет быстрых ионов с энергиями вплоть до нескольких сотен кэВ в основном происходит в сравнительно узкий конус (±30°) вблизи нормали к мишени. Отдельный детектор был установлен за мишенью на расстоянии 4 см. В качестве мишеней использовались фольги Т1 (30 мкм), ТС02|(30 мкм).

Анализ полученных результатов показывает, что наряду с протонами, с которыми связаны треки диаметром 4,5-7,0 мкм, на всех детекторах и для всех мишеней присутствуют частицы, появлению которых отвечают треки размером 7-12 мкм. Тот факт, что такие треки присутствуют во всех опытах независимо от наличия или отсутствия в мишени дейтерия означает, что такие треки не могут быть вызваны только ускоренными дейтронами. Наличие эмиссии протонов в Т1 мишенях связано с осаждением на мишени паров воды или углеводородных соединений, присутствующих в атмосферном воздухе и мишенной камере. Также в мишенях присутствует некоторое количество остаточного водорода, поскольку использовался Т1, который не подвергался вакуумному отжигу. Значительная доля частиц, ускоренная вперед внутрь мишени, имеет энергию в пределах (2,0 - 3,3) МэВ для протонов и (2,4-4,4) МэВ для дейтронов. В то же время в направлении назад, т.е. в сторону фокусирующей оптики, поток частиц с такой энергией более чем на порядок ниже. Основная доля частиц, ускоренных назад (до 10" ср*1), имеют энергию меньше 0,8 МэВ для протонов и меньше 1 МэВ для дейтронов.

Зарегистрировано различие в распределениях по диаметрам треков: так, если для мишени из титана виден характерный пик при 5-6 мкм, отвечающий протонной компоненте с характерной энергией ~ 2,5 МэВ, то для дейтерированной мишени распределение более гладкое. На этом широком распределении не выделяется пиков, а диаметры треков распределены, в основном, от 5 до 10 мкм с пологим максимумом при 7,59 мкм. В последнем случае на протонную компоненту, очевидно, накладываются треки от ускоренных дейтронов. Этот факт подтверждает и контроль нейтронного выхода ёё-реакции, проведенный с использованием высокочувствительного активационного детектора. Эксперименты показали, что для опытов с мишенями, содержащими дейтерий, был зарегистрирован выход нейтронов . В то же

время для мишеней без дейтерия нейтронный выход отсутствовал. Эти данные хорошо согласуются с оценкой потока протонов с энергией 3 МэВ, которые могут быть продуктами сШ-реакции. Для мишени "ПЭг этот поток оценен как ~ 104 с"1 в телесный угол 4л. Считая, что ускоряющий ионы потенциал формируется вблизи передней поверхности мишени, можно оценить минимальную энергию протонов и дейтронов, прошедших сквозь мишень из Тк Ерття*2МэВ, Едпип ~2,4 МэВ.

Из представленных результатов эксперимента видно, что поток частиц с энергией 2-3 МэВ, ускоренный внутрь мишени, заметно превысил поток таких же частиц назад, от мишени. Максимальная энергия протонов и дейтронов, ускоренных вперед не превышает 3,3 и 4,8 МэВ, соответственно. Кроме того, обнаружены треки частиц, по крайней мере еще двух групп более тяжелых, чем дейтроны. На этот факт указывает регистрация треков с диаметрами более 7 мкм в опытах с Т1 мишенями без дейтерия. При этом поток тяжелых частиц сопоставим с потоком более легких, которым отвечают треки < 7 мкм. Сопоставление плотностей треков с диаметрами (7-12) мкм на детекторах с фильтрами разной толщины и результатов калибровки альфа- частицами дает возможность предположить появление в экспериментах с мишенями И и Т1Б2 альфа-частиц, энергии которых достигают 15 МэВ, а потоки достигают 103

. Механизм генерации альфа-частиц с такими энергиями до конца не ясен. Тем не менее, альфа- частицы с энергиями (12 - 16) МэВ были зарегистрированы в экспериментах с воздействием пучка дейтронов на мишень из "ЛОг- Подобная альфа-эмиссия (Еа = 8—14 МэВ) наблюдалась также в образцах при десорбции дейтерия (водорода) и

при электролизе на тонких Рё пленках, нанесенных на диэлектрическую подложку. Установлено, что альфа-эмиссия наблюдается с поверхности металлов, имеющих высокую степень сродства к водороду, находящихся в состоянии внутреннего напряжения или подверженных сильным внешним

воздействиям. Треки с диаметрами больше 12 мкм могут быть оставлены ионами, которые тяжелее альфа-частиц, с А > 4. Наличие таких треков на детекторах с толстыми фильтрами говорит о том, что оставившие их ионы должны иметь энергию не меньше 3 МэВ/нуклон.

На установке "Неодим" для мониторинга нейтронного излучения лазерной плазмы использовался детектор нейтронного излучения на гелиевых счетчиках, размещенный на расстоянии 25 см от мишени. Возникающие при коротком (~ 1.5 пс) лазерном импульсе нейтроны при попадании в полиэтилен замедляются до тепловой энергии за разное время и регистрируются гелиевым счетчиком в разные моменты времени. Тем самым реализуется задержка (растягивание) времени регистрации мгновенного потока нейтронов. Эффективность регистрации нейтронов для стационарного потока нейтронов от источника составляет около 50%. Данный детектор используется для мониторинга нейтронного излучения, а для определения выхода нейтронов использовался высокочувствительный активационный детектор нейтронов, размещенный на расстоянии 20 см от мишени. При исследовании выхода нейтронного излучения из лазерной плазмы при интенсивности Вт/см2 было

проведено несколько серий экспериментов с использованием трех мишеней из дейтерированного полиэтилена (СО^) разной толщины: 150 мкм, 250 мкм и 350 мкм. Был зарегистрирован выход нейтронов со всех трех мишеней, но наилучшие результаты были получены с использованием мишени ( ) толщиной 350 мкм.

Импульсы от нейтронов регистрировались только в течение первых 200 мкс, что соответствовало расчетному времени жизни нейтронов в данном детекторе. При использовании Ве и фторопластовой мишеней нейтронов не было зарегистрировано. Учитывая величину телесного угла регистрации нейтронов, равную , чувствительность детектора и

предполагая распределение нейтронов изотропным максимальный выход нейтронов составил величину, равную

Следует отметить наличие достаточно большой флуктуации в величине выхода нейтронов от импульса к импульсу. С помощью сцинтилляционного детектора с набором свинцовых фильтров были проведены эксперименты по определению максимальной энергии гамма-квантов в лазерной плазме на (СБ2) мишени. Проводилась регистрация ослабления потока гамма-квантов в зависимости от толщины свинцового фильтра. По измеренной зависимости была проведена оценка максимальной энергии гамма-квантов, которая составила величину на уровне 500 кэВ, причем количество таких гамма-квантов составило величину, равную 10

Сравним полученные экспериментальные данные по выходу

нейтронов с оценкой по известной формуле для числа нейтронов, генерируемой в лазерной плазме:

где Г - время существования плотной плазмы и/или ее остывания, V -объем плазмы, - усредненная по максвелловскому распределению

скорость термоядерной реакции.

Исходя из измеренного распределения быстрых ионов в лазерной плазме можно предположить, что средняя энергия дейтронов в лазерной плазме при интенсивности лазерного излучения 1017 Вт/см2 составляет

DD

ю-18 cmv

Ев а 10 кэВ. Тогда скорость реакции будет равна (рУ^

Для полного числа нейтронов, генерируемых в лазерной плазме, имеем при , что находится в

соответствии с экспериментально полученным выходом нейтронов.

Выход нейтронов, равный 5-Ю4 нейтронов за один импульс, был зарегистрирован с использованием твердотельной мишени (СБ2) при умеренной величине лазерной интенсивности на уровне 1017 Вт/см5. Ранее такие выходы нейтронов регистрировались с (СБ2) мишеней только при интенсивности более 1018Вт/см*.

г Intensity Л W/cm*

На рисунке приведены сведения по экспериментальным данным выходов нейтронов из лазерной плазмы на поверхности твердотельных дейтерированных мишеней (CD2}. полученные на разных лазерных установках (Д -относятся к лазерам фемтосекундной длительности в диапазоне 50 фс - 300 фс, а • - относятся к лазерам пикосекундной длительности в диапазоне 1.3 пс - 1.5 пс, • 6-получено в данной работе).

Из рисунка видно, что с точки зрения получения максимального выхода нейтронов из лазерной плазмы на поверхности твердотельной дейтерированной мишени (CD2) более предпочтительно использовать

лазеры с пикосекундной длительностью импульса, причем пороговая интенсивность лазерного излучения для получения достаточно большого выхода нейтронов ~-104 за импульс для фемтосекундных лазеров составляет величину более 1018 Вт/см2., а для пикосекундных лазеров на уровне 1017 Вт/см2

Проведенные экспериментальные исследования созданной системы диагностики показали ее работоспособность, целесообразность и перспективность применения для комплексного исследования атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Предложен и реализован комплекс методов, позволяющий проводить диагностику атомных и ядерных процессов в исследованиях лазерной пикосекундной плазмы по регистрации её излучений.

2.Предложены и исследованы высокочувствительные методы регистрации нейтронного излучения применительно к излучению пикосекундной плазмы. Показано, что с помощью активационного метода с применением рассчитанной оптимизированной конструкции замедлителя нейтронов из полиэтилена и индикатора из индия производится регистрация импульсного излучения от нейтронов за импульс в диапазоне энергий 100 кэВ - 50 МэВ.

Разработанные два типа активационных детекторов с коротким (13с) и длинным (54 мин.) периодом полураспада позволяют регистрировать нейтроны при проведении исследований на лазерных установках с различными конструкциями вакуумных камер.

3. Проведен расчет динамического диапазона регистрации потоков гамма излучения модернизированным высокочувствительным сцинтилляционным детектором, позволяющим регистрировать потоки гамма-излучения в диапазоне ( ) квантов в энергетическом диапазоне (0,1-15 МэВ) с временным разрешением не хуже 10 не и чувствительностью не менее

Регистрация спектра гамма-излучения с энергией свыше 100 кэВ реализована каналом на основе спектрометра фильтрационного типа с полупроводниковыми детекторами с чувствительностью не хуже Ю-14 Кл-см2/кв.

4. Разработаны методы регистрации малых (до ) выходов и энергетического распределения протонов с помощью трековых детекторов СЯ39, больших (болееЮ8) выходов протонов за импульс с помощью вторичных мишеней по регистрации позитронной активности .

5. На основе созданных методов разработана диагностическая система,

проведено её изготовление и экспериментальная отработка на действующих установках в исследованиях атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме.

6. Получены экспериментальные результаты по характеристикам излучений, возникающих в результате атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме при интенсивности излучения на мишени (1017-1019)Вт/см2. Зарегистрирована генерация:

альфа-частиц (с выходом до 6*103); ионов углерода (с выходом до 10э); протонов (с выходом до 10й); нейтронов(до 5-Ю4 ).

7. Проведенные экспериментальные исследования процессов ускорения электронов и заряженных частиц, процессов синтеза в ядерном топливе показали наличие оригинальных физических явлений по генерации альфа-частиц и ионов углерода. Обнаружена генерация значительного выхода нейтронов (до 5- 104) при умеренной интенсивности лазерного излучения на уровне 1017Вт/см2 и использовании дейтерированной мишени.

Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в следующих работах авторам

1. Андрианов В.П., Бандуркин К.В., Брехов О.М., Волгин А.Н., Игнатьев Г.Н. Исследование методов лазерной спектоскопии и разработка высокочувствительных лазерных газоанализаторов. Российский химический журнал. Журнал Российского химического общества, том XLV, №5-6,2001,с.73-77.

2. Андрианов В.П., Бандуркин К.В., Брехов О.М., Волгин А.Н., Игнатьев Г.Н Лазерный газоанализатор, Приборы и техника эксперимента, № 3,2002, с.111-114.

3. Андрианов В.П., Игнатьев Г.Н., Насыров Ф.Х. Высокочувствительные детекторы нейтронов. Сборник трудов Межотраслевой научно-технической конференции " Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе", ВНИИ автоматики, Москва,2003,с.41-42.

4. Andrianov V.P.Jgnatyev G.N., Nasirov F.H. Neutron detector for investigating laser plasma, IV International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology ", Contributed Papers, Minsk ,V1, 2003, p.345-347.

5. Andrianov V.P.,Belyev V.S., Ignatyev G.N.,Matafonov A.P. The detection techniques of the pulse neutron emission by the picosecond laser plasma, IV International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" Contributed Papers, Minsk,Vl,2003,p.337-340.

6. Андрианов В.П.,Игнатьев Г.Н.,Насыров Ф.Х. Высокочувствительные детекторы нейтронов для нейтрон — спектрометрического анализа. Сборник трудов 10 семинара "Спектрометрический анализ. Аппаратура и

обработка данных на ПЭВМ", ГЦИПК,Обнинск,2003,с.45-46.

7. Andrianov V.P., Lipson A.G., Roussetski A.S. Nuclear emissions from titanium hydride/deuteride, induced by powerful. picosecond laser beam. Proceedings of the "Tenth International. Conference on Cold Fusion", Cambridge, Massachusetts, USA, 2003, p. 113-125.

8. Andrianov V.P., Ignatyev G.N., F.H.Nasirov F.H. Highly sensitive detector of neutrons. Abstract Tu 148. "XXIII International Conference on Photonic Electronic, and Atomic Collision", Stockholm, Sweden,2003,p.76.

9. Andrianov V.P.,Belyev V.S.Jgnatyev G.N.,Matafonov A.P. Pinch-effect in laser produced plasma. Abstract FrS-B5. International Conference "The Fourth Asian Pacific Laser Symposium",Yongpyong, Korea ,2004,p.l5.

10. Andrianov V.P.,Bdyev V.S., Ignatyev G.N.,Matafonov A.P. Experimental Investigation of Neutron Yield at Moderate Laser Intensity of about 1017 W/cm2.Abstract FrS-C5. International Conference "The Fourth Asian Pacific Laser Symposium ",Yongpyong, Korea,2004, p. 16.

Формат 60x84 Щб.Уся.гечлЛЛЗак.ГПЗ. Тир. 100 экз.

ФГУП" ШИИАТСМИН4aIМ, Москв», а/я 971.

P-74Î5

Введение.

1 Анализ методов регистрации гамма- нейтронного излучения и заряженных частиц.

1.1 Задачи, решаемые системой диагностики, и условия проведения экспериментов на высокоинтенсивных лазерных установках.

1.2 Методы регистрации нейтронного излучения.

1.3 Методы регистрации гамма-излучения.

1.4 Методы регистрации заряженных частиц.

1.5 Выводы.

2 Активационный детектор нейтронов.

2.1 Исследование и выбор материала индикатора.

2.2 Выбор и оптимизация параметров замедлителя.

2.3 Детектор нейтронов с регистрацией гамма-активности.

2.4 Выводы.

3 Система диагностики ионизирующего излучения лазерной плазмы.

3.1 Классификация измерительных систем.

3.2 Подсистема регистрации излучений.

3.2.1 Канал регистрации выхода гамма-излучения.

3.2.2 Канал регистрации энергетического спектра гамма-излучения.

3.2.3 Детектор нейтронного излучения на гелиевых счетчиках.

3.2.4 Канал регистрации заряженных частиц.

3.3 Подсистема сбора и обработки информации.

3.4 Структурная схема системы диагностики.

3.5 Выводы.

4 Экспериментальные исследования атомных и ядерных процессов в пикосекундной плазме.

4.1 Экспериментальные исследования на лазерной установке " Прогресс".

4.2 Экспериментальные исследования на лазерной установке " Неодим".

4.3 Выводы.

Исследования мощных пучковых плазменных разрядов лежат в русле современного научно - технического прогресса, имеющего целью обеспечение высоких темпов роста народного хозяйства. Известно, что при фокусировке мощного лазерного излучения на поверхность мишени удаётся получить плазму с температурой, достаточной для протекания термоядерных реакций [1]. О получении нейтронов в лазерной плазме с наносекундной длительностью импульса сообщалось ещё в семидесятых годах [2]. Позднее появились сообщения о получении значительных выходов термоядерных нейтронов на больших (с энергией около 10 кДж) лазерных установках.

Качественно новое положение сложилось с развитием технологии получения ультракоротких лазерных импульсов. В работе [3] показано, что для получения термоядерных нейтронов при использовании лазерных импульсов пикосекундной длительности требуются лазерные установки с энергией на несколько порядков меньшей. В настоящее время созданы лазерные системы небольших размеров (в том числе «настольные» варианты), обеспечивающие пикосекундные импульсы излучения с энергией около 100 мДж. Появление таких лазерных систем способствовало развитию лабораторной базы и прогрессу в исследовательских работах. Проведение таких исследований дает возможность получения новых знаний как в области фундаментальных физических исследований, так и в области разработки новых технологий. В том числе для получения энергии на принципиально новых основах, для создания генераторов электромагнитной энергии широкого частотного диапазона, ускорителей частиц и т.д. Плазма, образованная воздействием на мишень

10 1A "i 1 л короткого (г <10* с) интенсивного (10 -s-10 Вт/см ) лазерного импульса, создает новые возможности исследования физических явлений в веществе, находящемся в уникальном состоянии [4-7]. Такая плазма является источником мощных потоков электронов с энергиями до 30 МэВ [8-14], потоков заряженных частиц [14], возникает электромагнитное излучение от гамма до СВЧ-диапазона [8,14,15], появляется нейтронное излучение как следствие ядерных процессов [13,16,17], рождаются электрон-позитронные пары [17], возникают мощные магнитные поля [18-20] и давления до Ю10 атмосфер [21].

При облучении мишени мощным коротким лазерным импульсом поток излучения достаточно эффективно трансформируется в поток быстрых электронов. В настоящее время обсуждаются четыре механизма генерации быстрых электронов при воздействии лазерного импульса на плазму с плотностью выше критической. Если импульс не имеет предымпульса, то лазерное излучение взаимодействует с плазмой твердотельной плотности, имеющей резкую границу. В этом случае возникает механизм "вакуумного нагрева" [22], а также vxB-механизм [23], обусловленный пондеромоторной силой. Пондеромоторный механизм становится существенным при релятивистских интенсивностях (когда энергия осцилляций электрона сравнима л или выше тсс=511 кэВ). Существует также механизм генерации быстрых электронов в плазменном резонансе на критической поверхности [24-26], когда лазерное излучение имеет проекцию вектора электрического поля на градиент плотности. В отличие от пондеромоторного vxB-механизма, "вакуумный нагрев" и резонансный механизм возникают и при нерелятивистских (существенно более низких) интенсивностях. Во всех рассмотренных выше трех механизмах средняя энергия быстрых электронов может быть оценена как энергия осцилляций электрона в электромагнитном поле. Для построения скэйлинга обычно используют падающую интенсивность I при оценке энергии осцилляций: е =тес2 ч!/2 Q 1+—

Qo

- 1 Q=M2. Qo =2.8хЮ18-^-.мкм2 (1.1)

CM

В случае резонансного механизма действующее в резонансе поле может существенно превосходить поле падающего излучения. В этом случае (1.1) даст заниженную оценку энергии электронов. Известен еще один механизм генерации быстрых электронов в плазменном канале за счет бетатронного резонанса в магнитном поле, возникающем в канале [27]. В этом режиме электрон ускоряется поперечным полем волны в канале, а азимутальное магнитное поле, создаваемое током быстрых электронов, меняет траекторию электронов так, что они "отражаются" от стенок канала. В случае бетатронного резонанса отражение происходит в момент смены направления поперечного электрического поля, так что электроны все время находятся в режиме ускорения. Скэйлинг для этого механизма дает значения температуры быстрых электронов в несколько раз выше, чем (1.1): л >

Г = 1,5 Q

1/2

Rt

МэВ, Q- —у'мкм2 (1.2) см

1,00.

Существуют также другие механизмы ускорения электронов, для которых необходимо создавать в эксперименте специальные условия, например, ускорение в кильватерной волне [28,29].

В последние годы генерация быстрых электронов исследовалась в ряде работ [30-33]. В работе [30] экспериментально исследовались зависимости температуры быстрых электронов и эффективности трансформации лазерной энергии в энергию быстрых электронов от интенсивности падающего излучения

IЯ лл л в диапазоне 10-3x10^ Вт/см (длина волны лазера - 1.06 мкм). Лазерная энергия на мишени составляла 280-500 Дж. Мощность лазера менялась в диапазоне от 20 ТВт до 1 пВт, при этом длительность импульса уменьшалась от

20 пс до 0.5 пс. Мишень состояла из трех слоев. Толщина фронтального слоя из алюминия менялась в пределах от 200 до 1000 мкм для ослабления потока электронов. Далее следовал слой молибдена толщиной 50 мкм. Затем располагался защитный слой пластика толщиной 1 мм. Толщина молибденового слоя подбиралась равной длине пробега излучения для максимизации выхода этого излучения. Защитный слой пластика предотвращал возвращение быстрых электронов в молибден. Это снижало фоновый шум, а также ложный сигнал молибдена от отраженных электронов. В данной работе впервые сделана

20 2 проверка скэйлинга (1.1) в диапазоне интенсивности до 3x10 Вт/см.

Температура быстрых электронов определялась по изменению интенсивности излучения молибдена при изменении толщины фронтального слоя. Сравнивая экспериментально полученное изменение свечения с расчетным, выполненным по методу Монте-Карло в предположении какого-либо распределения электронов (в частности Максвелловского), можно описать электроны определенной температурой. Найден экспериментальный скэйлинг зависимости температуры быстрых электронов от интенсивности Th~I04±015 при иитеисивностях вплоть до 3x10 Вт/см. Найдено, что средняя энергия электронов в случае Максвелловского распределения £А=1.5ГА=930 кэВ при = ЗхЮ20 Вт/см2. Хотя экспериментальный скэйлинг в пределах погрешности совпадает со скэйлингом (1.1), однако рост температуры с интенсивностью оказывается несколько ниже, чем в (1.1). Необходимо отметить, что в этом эксперименте интенсивность менялась вместе с изменением длительности импульса. При /=1018 Вт/см2 длительность импульса составляла тр=20 пс, при /=1019 Вт/см2 тр=5 пс, при /= ЗхЮ20 Вт/см2 тр=0.5 пс. Поэтому при большой длительности импульса в эксперименте могло возникнуть вынужденное рассеяние [26]. Вынужденное рассеяние подтверждает значительное уменьшение эффективности конверсии rj лазерного излучения в быстрые электроны при удлинении импульса. Экспериментальные данные дают следующие значения: ц =50% при тр=0.5 пс, ц =18% при тр=5 пс и ц =12% при гя=20пс [26].

Генерация высокоэнергетичных протонных и ионных пучков в лазерной плазме при воздействии ультракоротких импульсов в настоящее время является быстроразвивающейся областью исследований. Это обусловлено, в частности, возможностью получить важные практические применения в таких областях как протонные ускорители, исследование структуры материалов, протонная радиография, производство короткоживущих радиоизотопов для медицинских целей.

Ускорение ионов в пико- и фемтосекундной лазерной плазме связано с появлением больших электрических полей, создаваемых быстрыми электронами. Если плазма имеет резкую границу, то поле, создаваемое на границе E^4lTh/elD [34], где 7д- температура быстрых электронов,

0=(га/87te2nh)W2 - Дебаевская длина определяемая температурой и плотностью быстрых электронов. Если размер неоднородности плазмы l,=n,(dn,/<£с)~' превосходит Дебаевскую длину, то плотность быстрых электронов будет следовать за плотностью ионов плазмы до тех пор, пока локальная Дебаевская длина не превзойдет размер неоднородности плазмы. При lD>l, в плазме произойдет разделение зарядов. Следовательно, для оценки ускоряющего поля необходимо брать максимум из lD и /,:

E^4lTh/emax(lD,ll) (1.3)

В работе [34] исследовалось влияние размера неоднородности плазмы на генерацию мультимэвных протонов. Обнаружено, что энергия ускоренных ионов падает с ростом размера неоднородности плазмы L на задней стороне тонкой мишени. Эксперимент проводился на установке VULCAN (50 Дж, 1пс, размер фокального пятна 8-10 мкм, 5х 1019 Вт/см2, мишень: А1-фольга толщиной 25мкм). Основная диагностика протонов осуществлялась с помощью радиохромных пленок. Пленка состоит из органических красителей, расположенных в виде сэндвича между двумя или более слоями пластика с общей толщиной 250 мкм. В зависимости от энергии протонов появляется цвет того или иного красителя. В случае резкой границы на задней стороне мишени наблюдались протоны с энергией более 20 МэВ и температурой 2.5 ±0.3 МэВ. Затем на задней стороне мишени создавалась плазма с помощью отдельного лазерного импульса (длительность - 600 пс, длина волны - 0.527 мкм, 7 интенсивность - 3xl0,J Вт/см , размер фокального пятна - 300 мкм). Этот импульс стартовал за 250 пс перед началом короткого импульса. С помощью интерферометрического метода исследовалось распределение плотности плазмы. Размер неоднородности плазмы составлял /, = 100 мкм. При образовании преплазмы на задней стороне мишени максимум энергии протонов упал до 5 МэВ.

В работе [35] показано, что с уменьшением толщины мишени энергия ускоренных протонов возрастает. Эксперимент выполнен в Ливерморской лаборатории (LLNL, США) на титан-сапфировом лазере (0.8 мкм, 100 фс, лл л

10 Вт/см ). Лазер имел систему подавления усиленного спонтанного излучения, поэтому контраст по интенсивности составлял Ю10. При толщине алюминиевой мишени 100 мкм энергетический спектр протонов имеет температуру 1.4 МэВ с отсечкой при 6.5 МэВ. При уменьшении толщины мишени до 3 мкм эти значения составили 3.2±0.3 МэВ и 24 МэВ соответственно. Экспериментальный результат объясняется с помощью численного моделирования PIC-кодом. С уменьшением толщины мишени быстрые электроны многократно проходят фольгу туда и обратно, что приводит к более эффективному ускорению протонов. Качественно результат можно объяснить с помощью (1.3), так как в тонкой фольге плотность быстрых электронов выше, следовательно, дебаевская длина меньше.

В [36] наблюдались коллимированные пучки ионов углерода и фтора с энергиями до 5 МэВ/нуклон (~100 МэВ). Эксперимент выполнен на лазерной установке в лаборатории LULI (Франция). Параметры лазера: 30 Дж, 300 фс, 1.05 мкм, 5х1019 Вт/см2. Контраст по интенсивности сотавлял 107 в течение 1.5 не. В качестве мишеней использовались слои алюминия и вольфрама толщиной 50 мкм, покрытые на тыльной стороне слоем углерода толщиной 1 мкм или слоем CaF2 толщиной 0.3 мкм. Обычно в экспериментах по ускорению ионов наблюдаются высокоэнергетичные протоны, которые возникают из адсорбированных на поверхности мишени гидрокарбонатов или Н20. Для подавления этого эффекта авторы подвергали мишени резистивному нагреву. При этом удалось подавить на порядок число ускоренных протонов (их число было ~Ю10) и увеличить на два порядка (до 2х 10м) число ионов углерода. Для объяснения экспериментальных результатов авторы разработали одномерную численную модель динамики плазмы, в которой учитывался процесс надбарьерной ионизации полем. Поле на тыльной стороне мишени создавалось быстрыми электронами. В модели оно находилось решением уравнения Пуассона. По мере роста поля происходит ионизация атомов, которая стремится уменьшить поле, так как возникают ион и электрон, движущиеся в противоположные стороны (ион - из мишени, электрон - в мишень). Таким образом, ускоряющее поле устанавливается на некотором уровне, который меняется по мере разлета тыльной стороны мишени.

В работе [37] исследовалась генерация быстрых протонов при умеренной интенсивности. Параметры лазера: 0.5 Дж, 1 пс, 1.05 мкм, 1017 Вт/см2. Контраст по интенсивности составлял ~104 в течение 1 не. В качестве мишеней использовались фольги из полистирола (PS) и алюминия, а также двойные слои из золота с полистиролом (0.05 мкм - Аи, 2 мкм - PS) и меди с полистиролом (с такими же толщинами). Обнаружено, что энергия протонов возрастает в 2-3 раза при использовании двойной мишени (Au/PS) по сравнению с мишенью из полистирола. Для объяснения этого факта авторы предполагают, что в случае воздействия лазерного импульса на мишень с большим зарядом ядра Z увеличивается энергия быстрых электронов и их число. Это предположение подтверждается измерением выхода жесткого рентгеновского излучения быстрых электронов Хц (в диапазоне 4-30 кэВ), который с ростом Z увеличивается по закону Хц ~ Z2'1. При неизменной энергии и числе электронов выход должен расти по закону Хц ~ Z. Общее число быстрых протонов с энергией более 100 кэВ составило свыше 109. Эти протоны летели по нормали к мишени в пределах конуса с углом не более 3°.

В работе [38] исследовалась генерация ионных пучков и вызываемых ими ядерных реакций при воздействии короткого лазерного импульса на мишени из Al, Sn и Аи. Эксперименты выполнены на Nd-лазере "Прогресс " (Сосновый Бор, Россия) при длительности импульса 1.5 пс. Максимальная плотность потока составляла 5х1018 Вт/см2. Длительность предымпульса усиленной спонтанной эмиссии составляла 5 не, контраст по интенсивности -менее 5х10"9. Контраст предимпульса в диапазоне 10-100 пс составлял меньше 10° (предел метода измерения) по интенсивности. Измерения показали, что быстрая ионная компонента состоит в основном из протонов (при облучении мишени из А1). Максимальная энергия ионов составляет 2.5-3 МэВ, и летят они в основном в направлении нормали к поверхности мишени. Доля энергии ионов п со скоростями более 10 см/с составила 1-3% от энергии лазера. Общее число быстрых ионов составило 1012-1013 за выстрел, число ионов с энергией более 2 МэВ составило Ю9-Ю10. При воздействии этих ионов на другую мишень наблюдались различные ядерные реакции, в которых образовывались короткоживущие изотопы ПС (время полураспада 20.4 мин), 13N (10 мин), 18F (110 мин), 63Zn (38.4 мин), распадающиеся с испусканием позитрона.

Быстрые электроны при распространении в плотной области мишени излучают у-кванты за счет тормозного механизма при столкновениях с ионами. Энергия этих квантов является высокой, вплоть до максимальной энергии электронов (десятки МэВ). Кванты с такой энергией способны вызывать различные фотоядерные реакции, если энергия кванта превышает порог реакции.

Работа [39] посвящена исследованию углового распределения и энергетического спектра быстрых электронов и гамма-квантов при облучении танталовой мишени импульсами длительностью 60 фс с частотой повторения 10 Гц. Эксперимент выполнен на титан-сапфировом лазере в Иене (Германия), энергия импульса сотавляла 0.25 Дж. Максимальная плотность потока на мишени равнялась 5х1018 Вт/см2, угол падения - 45°, использовалась р-поляризация. В процессе облучения мишень перемещалась, и доза излучения накапливалась в течение 20000 выстрелов. Угловое и спектральное распределения у-излучения измерялись с помощью 12 спектрометров, основанных на термолюминесцентных детекторах. Наблюдались следующие особенности в угловом распределении гамма-квантов. Излучение слаборелятивистских электронов оказалось почти изотропным. Это могло быть связано с множественным рассеянием быстрых электронов в мишени и дипольным характером тормозного излучения. При энергии гамма-квантов более теС2=511 кэВ тормозное излучение направлено преимущественно в направлении движения электронов. Наблюдаемое угловое распределение гамма-квантов в этом диапазоне энергий повторяло распределение сильнорелятивистских электронов. В данном эксперименте наблюдалась фотоядерная реакция 9Ве(у,п), для которой нужны кванты с энергией более 1.67 МэВ. Для этого на расстоянии 4.5 см от мишени в направлении зеркального отражения лазерного излучения располагался бериллиевый диск (12 мм -толщина, 70 мм - диаметр). Этот диск был внедрен в поверхность полиэтиленовой сферы (сферы Боннера) диаметром 12.5 см. В центре сферы располагался золотой диск (197Аи, 16 г). Нейтроны от (у,п)-реакции термализовались в сфере Боннера, далее происходил захват тепловых нейтронов 197Au + n 198Au с сечением 99 барн. Изотоп I98Au претерпевал p-распад в 198Hg с периодом полураспада 2.7 дня. При этом излучался у-квант с энергией 411.8 кэВ. После 20000 лазерных импульсов активность 198Аи вследствие термализации фотонейтронов превосходила естественный фон в 2.5 раза. Это соответствует около 100 фотонейтронам (у,п)-реакции за один импульс. В данном эксперименте продемонстрированы возможности лазера с небольшой энергией отдельного импульса, но с большим числом повторяющихся импульсов. Авторы приводят сравнение с аналогичными экспериментами на петаваттном лазере Ливерморской лаборатории (США) и на 100 ТВт-лазере Резерфордовской лаборатории (Великобритания). Интенсивности лазерного излучения в этих экспериментах превосходят данный эксперимент в 100 и 10 раз, а энергии и размеры лазерных систем в 1000 и 100 раз, соответственно. Однако, частота повторения у них ниже в 104 раз.

Исследование реакций D(d,n)3He при воздействии на мишень мощных коротких лазерных импульсов имеет важное практическое значение в связи с возможностью создания очень короткоимпульсного источника нейтронов. К настоящему времени проведено порядка 10 экспериментов по наблюдению генерации нейтронов из лазерной плазмы. Использовались три типа дейтерированных мишеней - твердотельные плоские мишени из дейтерированного полиэтилена, D2 - кластеры и газовая дейтерированная струя.

13

В работе [40] были обнаружены термоядерные нейтроны DD-реакций при облучении струи D2-ra3a. Эксперимент выполнен на лазере VULCAN (Резерфордовская лаборатория, Великобритания): энергия импульса - 62 Дж, длительность 0.8-1 пс, длина волны - 1.05 мкм, размер фокального пятна Q *У

20 мкм, интенсивность - до 2x10 Вт/см . Идея эксперимента состояла в том, что сравнивалось угловое распределение нейтронов в двух случаях: с дополнительной твердой С02-мишенью (толщиной 200 мкм и шириной 5 мм) расположенной на расстоянии 2.5 мм от зоны взаимодействия, и без мишени, когда нейтроны рождались лишь в газовой струе. В случае с твердой мишенью выход нейтронов имел минимум в направлении распространения лазерного импульса и был максимальным в перпендикулярном направлении. Такое угловое распределение получалось из-за дейтопов, ускоренных в радиальном от лазерной оси направлении вследствие кулоновского взрыва (выдавливания электронов пондеромоториой силой и ускорения ионов). Температура дейтонов в пучке составляла (216 ±36) кэВ, причем наблюдались дейтоны с энергией до 1.2 МэВ. Выход нейтронов в этом случае составил ~106. В случае без твердой мишени угловое распределение нейтронов оказалось изотропным, что исключало пучковый характер реакций в окружающем D2-ra3e. Выход нейтронов в этом случае составил 104. Это распределение нейтронов получается, если предположить, что дейтоны в зоне взаимодействия имеют Максвелловское распределение с температурой 1 кэВ. В то же время выход 104 нейтронов можно объяснить, если для температуры дейтонов взять значение 40 кэВ. Различие этих значений температуры авторы связывают с наличием в функции распределения дейтонов немаксвелловских высокоэнергетичных хвостов, а также возможностью нагрева плазмы ударной волной, что увеличивает объем реагирующей плазмы. Причиной изотропизации функции распределения дейтонов могут быть только флуктуирующие плазменные поля, создаваемые пондеромоториой силой, так как характерное время кулоновских столкновений слишком велико (~1 не) из-за низкой плотности плазмы.

В [41] исследовалась генерация нейтронов в реакциях D(d,n)3He при облучении конденсированного слоя (CD2) . Эксперимент выполнен на титансапфировом лазере в Германии. Параметры импульса: 0.3 Дж, 50 фс, 18 2

2x10'° Вт/см , частота повторения 2.5 Гц. Мишень состояла из слоя пластика (CD2) толщиной 200 мкм, нанесенного на алюминиевый диск толщиной 1,8 мм. В процессе облучения повторяющимися импульсами мишень перемещалась. Угол падения лазерного излучения равнялся 45°. Максимальный нейтронный выход составил 104 нейтронов за импульс. Детально исследовался спектр нейтронов по двум направлениям: 5° относительно оси лазерного импульса (детектор со стороны задней поверхности мишени) и 112° относительно той же оси (детектор со стороны фронтальной поверхности мишени). Оба спектра имеют ширину около 700 кэВ, причем, максимум спектра в детекторе за мишенью сдвинут на 300 кэВ в сторону более высоких энергий. Для объяснения спектров нейтронов проводилось численное моделирование по методу Монте - Карло. Спектры удается объяснить в следующих предположениях. Функция распределения высокоэнергетичных дейтонов является изотропной. Вероятность реакции снижена на 30% для дейтонов движущихся от мишени в сторону лазера по сравнению с дейтонами движущимися в мишень. Это предположение можно интерпретировать либо как снижение плотности атомов дейтерия, с которыми сталкиваются быстрые дейтоны, либо как снижение вероятности ускорения дейтонов в этом направлении. Из численного моделирования следует, что дейтоны ускоряются как в направлении от фронта мишени, так и в сторону мишени. Максимальная измеренная энергия нейтронов составляла около 4 МэВ. Из этого следует, что возникали дейтоны с энергией до 1 МэВ. Авторы отмечают, что от выстрела к выстрелу наблюдаются большие флуктуации энерговклада в плазму, выхода нейтронов, гамма-квантов и быстрых электронов. При этом наиболее сильной является корреляция между выходом жестких гамма-квантов, генерируемых электронами в алюминии, и выходом нейтронов. Это можно объяснить тем, что при увеличении числа электронов, ускоренных в направлении мишени, растет и число быстрых дейтонов, ускоренных в том же направлении. В этом случае из-за более высокой плотности плазмы число реакций возрастает.

В эксперименте [42] облучалась струя кластеров из дейтерированного

1 О Л метана (CD4). Параметры импульса: 0.8 Дж, 0.82 мкм, 50 фс, 10'° Вт/см . Максимальный нейтронный выход составил 2*102 нейтронов. Авторы делают вывод, что подавляющая часть DD-реакций происходит в столкновениях ускоренных дейтонов с окружающей холодной струей, так как наблюдалась ионная эмиссия в наносекундном масштабе времени. Во многих работах отмечается возможность создания яркого точечного источника нейтронов на основе облучения ультракоротким импульсом дейтёрированных мишеней. о

Расчеты и эксперимент показывают возможный выход DD-реакций ~10 нейтронов/Джоуль (или ~Ю10 нейтронов/Джоуль для DT-реакций) при

1 ft 9 интенсивности не менее 10 Вт/см .

Сложность и многообразие характера атомных и ядерных процессов в лазерной плазме требует для их экспериментального исследования использования уникальных методов и средств. В случае исследования плазмы, созданной воздействием на твердую мишень высокоинтенсивного лазерного

1 (\ О излучения с интенсивностью больше 10 Вт/см и с длительностью излучения меньше 10"12 с к методам и средствам диагностики такой плазмы предъявляются особые требования. Направление подобных экспериментальных исследований в настоящее время особенно актуально и стремительно развивается в ведущих физических лабораториях мира. Создание лазеров сверхвысокой интенсивности и сверхкороткой длительности привело к принципиально новым и экстремальным параметрам, в т.ч. плотности, температур, электромагнитных полей в лазерной плазме. В настоящее время в России созданы ТВт-лазеры «Прогресс-П» г. Сосновый Бор и « Неодим» г.Королев с длительностью импульса ~ 10"12 с, обеспечивающие интенсивность излучения на мишени более 1018 Вт/ см2.

Все перечисленные выше процессы, происходящие при взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом, характеризуются малой длительностью, лежащей в пикосекундной области.

Регистрация, контроль, анализ этих процессов возможен лишь по регистрации, контролю и анализу различных видов излучений, сопровождающих эти процессы, о которых было сказано выше. Для проведения исследований процессов в лазерной плазме необходимо иметь диагностическую систему, позволяющую проводить регистрацию параметров излучений лазерной плазмы. Регистрация временных, спектральных и интегральных характеристик излучений на плазменных установках позволяют определять параметры плазмы и изучить кинетику протекающих в ней процессов. Это даёт возможность установить перспективность тех или иных принципов формирования и разогрева лазерной плазмы и определить пути дальнейших исследований. Важное значение имеет исследование излучения нейтронов и заряженных частиц, которое характеризует степень разогрева плазмы.

Основными особенностями регистрации излучений на лазерных установках являются:

1. малая длительность импульса, лежащая в пикосекундном диапазоне;

2. большое количество различных видов излучений электромагнитной и корпускулярной природы;

3. большая неопределённость по выходу нейтронов и гамма-квантов, от единиц до сотен тысяч за импульс;

4. широкий энергетический диапазон нейтронного и гамма излучений, от 100 кэВ до нескольких МэВ;

5. высокий уровень фона сопутствующих излучений и электромагнитных помех;

6. невозможность вывода заряженных частиц, протонов, альфа-частиц, мягкого рентгеновского излучения за пределы измерительной камеры;

7. необходимость регистрации в одном эксперименте выходов излучений в различных направлениях.

Перечисленные особенности позволяют сформулировать ряд специфических требований к методам регистрации излучений пикосекундной лазерной плазмы:

- высокая чувствительность для регистрации малых выходов излучения;

- высокое временное разрешение;

- предельно широкий динамический диапазон в линейном режиме;

- обеспечение избирательности детектирования одного вида излучения на фоне других;

- высокая помехозащищённость аппаратуры, что требует обеспечение больших сигналов на выходе первичных преобразователей ;

- возможность регистрации параметров излучения заряженных частиц после окончания воздействия лазерного излучения на мишень;

- многоканальность.

В настоящее время отсутствует комплекс методов , который отвечал бы вышеперечисленным требованиям.

Таким образом, обеспечение лазерных пикосекундных установок методами регистрации параметров излучений плазмы представляет собой актуальную задачу, от решения которой зависит успешное развитие исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. Оптимальным образом эта проблема может быть решена путем разработки унифицированных каналов регистрации, отвечающих требованиям на конкретных лазерных установках. Канал регистрации состоит из следующих составных частей:

- детектора (первичного преобразователя);

- передающей линии (кабели);

- регистратора;

- персонального компьютера.

В настоящее время существуют приборы и методы регистрации ионизирующих излучений для различных применений. В основном разрабатывается аппаратура для обнаружения постоянных источников излучений. Основным поставщиком аппаратуры для ядерно-физического эксперимента среди российских предприятий является фирма "Аспект" г. Дубна [43]. Изделиями, поставляемыми этой фирмой, являются детекторы рентгеновского и гамма- излучения в диапазоне энергий до ЮМэВ, детекторы тепловых (с энергией менее 1 эВ) и быстрых нейтронов (с энергией до 10 МэВ), спектрометрические усилители и АЦП, интенсиметры и другие устройства. Поставляется, также, ПМО обработки зарегистрированной информации. Вся поставляемая фирмой аппаратура предназначена прежде всего для исследования стационарных , либо периодических излучений. Детекторы гамма излучения построены на основе кристалла NaJ и имеют временное разрешение около 250 не. Конструкция детекторов нейтронов позволяет обнаруживать слабые стационарные потоки нейтронного излучения на уровне фонового. Регистрирующая аппаратура производит обработку информации с целью определения параметров постоянного ионизирующего излучения, что делает возможность применения подобной аппаратуры для регистрации импульсного излучения лазерной плазмы крайне затруднительным.

Предлагаемая аппаратура других российских и зарубежных фирм также не обеспечивает реализацию вышеперечисленных требований для регистрации однократных ядерных излучений [44,45].

В Российской Федерации значительных успехов в области регистрации импульсных излучений добились сотрудники НИИ импульсной техники (НИИИТ) Министерства по атомной энергии [46]. На предприятии разработаны методы и средства диагностики импульсных излучений при физизмерениях. Предлагаются к поставке детекторы импульсного излучения с временным разрешением нано и субнаносекундного диапазона. Так, детектор ССДИ8М

Q л имеет чувствительность до 10" Кп- см / квант (при энергии гамма квантов 1,25 МэВ) при временном разрешении не более 10 не [47]. Данный детектор может быть положен в основу разработки канала регистрации выхода гамма излучения после проведения исследований по установлению граничных условий его применения в конкретных физических экспериментах на лазерных установках.

В НИИИТ разработана аналоговая и цифровая регистрирующая аппаратура. Осциллографические регистраторы однократных импульсов имеют предельное временное разрешение, близкое к Ю'10 с, а электронно-оптические регистраторы - порядка 10'12 с. Несколько хуже временное разрешение цифровых регистраторов электрических импульсов 10"8 с- 10'9 с), которые обеспечивают лучшую точность и многокапальность измерений при сравнительно небольших габаритах аппаратуры. Однако, в основу предлагаемых методов и аппаратуры положено предположение о больших выходах различных видов излучений, тогда как в начальной стадии исследований процессов в лазерной плазме, образовавшейся при воздействии высокоинтенсивного лазерного импульса на вещество, выходы различных видов излучений (особенно нейтронов) невелики. Чувствительность активационного детектора нейтронов СДИ17 к нейтронам с энергией 14 МэВ составляет не г ^ более 6 • 10 отсчёта см / нейтрон [48]. Такая чувствительность не позволяет зарегистрировать малые выходы (~103) нейтронов за импульс. Чувствительность детектора ССДИ13, регистрирующего нейтроны по методу задержанной регистрации, позволяет проводить измерения при выходе более 10 5 нейтронов за импульс при расположении детектора рядом с источником излучения. Кроме этого, отсутствуют развитые методы и аппаратура регистрации выхода и энергетического распределения заряженных частиц.

Таким образом, известные из литературных источников сведения не позволяют решить комплексную задачу по обеспечению лазерных установок с высокой интенсивностью излучения на мишени методами и средствами измерения импульсного ионизирующего излучения. Отсутствуют единые требования к импульсным первичным преобразователям для этих установок, анализ физических процессов в них с целью достижения предельных параметров и характеристик. Отсутствуют расчётные данные и технические средства по регистрации предельно малых выходов нейтронов активационным методом, отсутствуют сведения о методах регистрации и методах обработки зарегистрированной информации при длительности импульса гамма-излучения значительно короче импульсной характеристики детектора. Отсутствует методика регистрации и восстановления первичной информации при многоканальной регистрации заряженных частиц.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что разработка системы диагностики атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме является актуальной научной задачей, решение которой имеет существенное значение для исследований на качественно новом этапе развития физики взаимодействия излучения с веществом.

Цель настоящей работы - создание методов диагностики атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме, проведение исследований и получение экспериментальных данных о параметрах излучений плазмы. Диагностика предполагает регистрацию, спектрометрию и исследование анизотропии излучений возникающих при облучении мишеней короткими импульсами лазерного излучения.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи: 1. Анализ существующих методов регистрации излучений и выбор оптимальных для использования на мощных лазерных установках.

2. Исследование физических процессов в первичных преобразователях, выбор конструкции, разработка и исследование детекторов.

3. Анализ существующих подходов к разработке каналов регистрации и диагностической системы, реализующей выбранные методы регистрации.

4. Создание и внедрение в практику экспериментальных исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме автоматизированной диагностической системы, обеспечивающей оперативную обработку и наглядное представление информации.

Научные положения, выдвигаемые для защиты :

1. Созданный комплекс методов диагностики атомных и ядерных процессов в исследованиях лазерной пикосекундной плазмы на основе регистрации излучений плазмы, реализованный в виде автоматизированной диагностической системы.

2. Высокочувствительный активационный метод регистрации нейтронов с использованием двух схем распада радиоактивного изотопа индия, позволяющий регистрировать выход от 103 нейтронов за импульс.

3. Созданный детектор протонов, позволяющий регистрировать большие о потоки (более 10 протонов за импульс) методом вторичных мишеней.

4. Результаты экспериментальных исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, полученные с помощью отработанных методов на действующих пикосекундных лазерных установках "ПРОГРЕСС" и "НЕОДИМ".

Научная новизна диссертации

В работе получены следующие новые научные результаты : 1. Предложен и реализован комплекс методов, позволяющий проводить исследования атомных и ядерных процессов лазерной пикосекундной плазмы на основе регистрации её излучений.

2. Разработан активационный метод, обеспечивающий высокую чувствительность регистрации нейтронов в исследованиях пикосекундной плазмы. Рассчитаны оптимальные параметры детектора нейтронов с использованием наборной кольцевой конструкции индикатора.

3. Разработан и реализован метод регистрации нейтронного излучения с использованием индикатора одного типа и с двумя схемами распада радиоактивного изотопа.

4. Разработан детектор протонов, позволяющий регистрировать большие о потоки (более 10 протонов за импульс) методом вторичных мишеней.

5. Модернизирован применительно к исследованиям пикосекундной плазмы сцинтилляционный детектор гамма-излучения с повышенной чувствительностью и расширенным динамическим диапазоном.

6. С использованием созданных методов получены экспериментальные данные и исследованы характеристики гамма- нейтронного излучения плазмы и заряженных частиц при интенсивности излучения на мишени

10 17-10 19) Вт/см2.

Практическая ценность работы Разработанные методы регистрации и результаты проведенных экспериментальных исследований ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме дают возможность определения наиболее рационального и достоверного пути по созданию и практическому внедрению:

- новых энергетических технологий, в том числе в области ядерного инерциального синтеза;

- установок, моделирующих условия протекания ядерных процессов и поражающие факторы ядерного взрыва, позволяющих проводить верификацию численных методов моделирования физических процессов при высокой концентрации энергии;

- высокоэффективных ускорителей электронов, протонов, позитронов, альфа-частиц, ионов, дейтонов; компактного импульсного источника нейтронов;

- технологии производства радиоактивных изотопов.

8. Результаты работы используются при проведении исследований атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме на действующих высокоинтенсивных лазерных установках "Прогресс" и "Неодим".

Заключение

Основные полученные в диссертации результаты сводятся к следующему:

1. Предложен и реализован комплекс методов, позволяющий проводить диагностику атомных и ядерных процессов в исследованиях лазерной пикосекундной плазмы по регистрации её излучений.

2.Предложены и исследованы высокочувствительные методы регистрации нейтронного излучения применительно к излучению пикосекундной плазмы. Показано, что с помощью активационного метода с применением рассчитанной оптимизированной конструкции замедлителя нейтронов из полиэтилена и индикатора из индия производится регистрация выхода импульсного излучения от 103 нейтронов за импульс в диапазоне энергий 100 кэВ- 50 МэВ. Разработанные два типа активационных детекторов с коротким (13с) и длинным (54 мин) периодом полураспада позволяют регистрировать нейтроны при проведении исследований на лазерных установках с различными конструкциями вакуумных камер.

3. Проведен расчет динамического диапазона регистрации потоков гамма -излучения модернизированным высокочувствительным сцинтилляционным детектором, позволяющим регистрировать потоки гамма-излучения в диапазоне (8,2- 103—3,7- 106) квантов в энергетическом диапазоне (0,1-15 МэВ) с временным разрешением не хуже 10 нс и чувствительностью не менее 10'9 Кл •см /кв. Регистрация энергетического распределения нейтронного излучения в диапазоне 100 кэВ-50 МэВ осуществляется этим же детектором по методу времени пролета.

Регистрация спектра гамма-излучения с энергией свыше 100 кэВ реализована каналом на основе спектрометра фильтрационного типа с полупроводниковыми детекторами с чувствительностью не менее 10"14 Кл-см2/кв.

4. Разработаны методы регистрации малых (до 108) выходов и энергетического распределения протонов с помощью трековых детекторов

CR39, больших (более!О8) выходов протонов за импульс с помощью вторичных мишеней по регистрации позитронной активности .

5. На основе созданных методов разработана диагностическая система, проведено её изготовление и экспериментальная отработка на действующих высокоинтенсивных лазерных установках "Прогресс" и "Неодим" в исследованиях атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме.

6. Проведенные экспериментальные исследования созданной системы диагностики показали ее работоспособность, целесообразность и перспективность применения для комплексного исследования атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме.

При проведении экспериментов на установке "Прогресс" зарегистрированы следующие виды ядерных излучений при воздействии лазерного излучения с интенсивностью 3*10,8Вт/см2 на различные мишени: а) гамма излучение при воздействии лазерного излучения на медную мишень в диапазоне энергий от 100 кэВ до 3 МэВ с выходом до 1,2-105 квантов; б) выход нейтронного излучения при воздействии лазерного излучения па дейтериевую (TiD2) мишень составляет 2,3- 104 нейтронов; в) выход протонного излучения с энергией до 4 МэВ при воздействии лазерного излучения на титановую и полиэтиленовую мишени составляет до 10м протонов; г) выход альфа- излучения с энергией до 15,2 МэВ составляет до 6-103.

На установке "Неодим" при интенсивности излучения 1017 Вт/см2 проведены систематические измерения максимальной энергии гамма- квантов. Для мишеней из бериллия, алюминия, меди, тантала получено значение 240±30 кэВ, при этом не установлено зависимости от материала мишени. Максимальное количество гамма - квантов в одном импульсе составляет (5,0±2,0)-105.

Для дейтериевой (CD2) мишени максимальная энергия гамма-квантов составило величину 500 кэВ при общем выходе 106 квантов.

7.Проведенные экспериментальные исследования при интенсивностях излучения (1017-10,9)Вт/см2 процессов ускорения протонов и заряженных частиц, процессов синтеза показали наличие оригинальных физических явлений по генерации альфа- частиц и ионов углерода. Обнаружена генерация значительного выхода нейтронов (до 5- 104) при умеренной интенсивности лазерного излучения на уровне 10,7Вт/см2 и использовании дейтериевой мишени.

1. Н. Г. Басов, О.Н. Крохин , ЖЭТФ, 46,с. 171,1964.

2. F.Floux et.al.Phys.Rev. А, 1,р.821,1970.

3. P.A. Norreys, Plasma Phys. Controlled Fusion,40„р.175,1998.

4. Gamaly E.G., Laser and Particle Beams, 12, No. 2, p. 185-208, 1994.

5. Арефьев В.И., Беляев B.C. ДАН, 348, № 3, с.318-322, 1996.

6. Arefyev.V.I., Beliaev V.S., Laser Physics, 6, No. 5, p.906-924, 1996.

7. Arefyev.V.I., Beliaev V.S., Laser Physics, 5, No. 4, p.856-867, 1995.

8. Hamster H. et al., Phys. Rew. E, 49, No. 1, p.671-677, 1994.

9. Malka G., Miquel J.L., Phys. Rew. Lett., 77, No. 1, p.75-78, 1996.

10. Moore C.I. et al., Phys. Rew. Lett., 79, No. 20, p.3909-3912, 1997.

11. Wagner R. et al., Phys. Rew. Lett., 78, No. 16, р.3125-3128,1997.

12. Gibson P., Phys. Rew. Lett., 73, No. 5, p.664-667, 1994.

13. Shkolnikov et al., Appl. Phys. Lett., 71, No. 24, p.3471-3473, 1997.

14. Ruhl H. et al. Electronic preprint, 1998, http://xxx.lanl.gov/phvsics/9808039.

15. Moore J.E. Electronic preprint, 1998, http://xxx.lanl.gov/phvsics/9802025.

16. Pretzler G. et al., Phys. Rew. B, 58, No. 1, p. 1165-1168, 1998.

17. Грязных Д.А., Кандиев У.З., Луков В.А., Препринт ВНИИТФ, 1998.

18. Ruhl Н. et al. Electronic preprint, 1998, http://xxx.lanl.gov/phvsics/9807021.

19. Pukhov A., Meyer-ter-Vehn, Phys. Rew. Lett., 76, No. 21, p.3975-3978, 1996.

20. Malka G. et al., Phys. Rew. Lett., 79, No. 11, p.2053-2056, 1997.

21. Borghesy M. etal., Phys. Rew. Lett., 78, No. 5, p.879-882, 1997.

22. F.Brunei. Phys. Rev. Lett. 59, p.52 ,1987.

23. S.C.Wilks, W.L.Kruer, et al., Phys. Rev. Lett. 69,p. 1383 ,1992.

24. J.P.Freidberg, R.W.Mitchell, et al., Phys. Rev. Lett. 28, p.795 ,1972.

25. S.Yu.Gus'kov, N.N.Demchenko, et al., JETP Lett. 73,p. 655, 2001.

26. N.N.Demchenko, V.B.Rozanov, Journal of Russian Laser Research, 22, p.228 ,2001.

27. A.Pukhov, Z.M.Sheng, J.Meer-ter-Vehen, Physics of Plasmas, 6, p.2847, 1999.

28. T.Tajima, J.M.Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, p.267,1979.

29. F.Amiranoff, et al., Phys. Rev. Lett. 81, p.995,1998.

30. K.Yasuike, et al., Procidings of ISFA-2001, Elsevier Publ. Edit., p. 425,2002.

31. L.M.Chen, J.Zhang, et al., Phys. Rev. Lett. 87, p.225,2001.

32. J.J.Santos, F.Amiranoff, et al., Phys. Rev. Lett. 89,p. 250,2002.

33. S.X.Hu, A.F.Starace, Phys. Rev. Lett. 88, 245003,2002.

34. A.J.Mackinnon, M.Borghesi, et al., Phys. Rev. Lett. 86, p. 1769 ,2001.

35. A.J.Mackinnon, Y.Sentoku, et al., Phys. Rev. Lett. 88, p.2150 ,2002.

36. M.Hcgelich, S.Karsch, et al., Phys. Rev. Lett. 89, p. 085002,2002.

37. J.Badziak, E.Woryna, et al., Phys. Rev. Lett. 87, p.215001,2001.

38. A.A.Andreev, V.G.Borodin, et al., Proceedings of ISFA-2001, Elsevier Publ. Edit., 2002, p. 926.

39. H.Schwoerer, P.Gibbon, et al., Phys. Rev. Lett. 86, 2317 ,2001.

40. Fritzler S., Najmudin Z., Malka V. Et al., Phys. Rev. Letters 89, 16,165004-1, 2002.

41. Hilsher D., Bcrndt О., Enke M., Jahnke V., Niklcs P.V. et al., Phys. Rev. E 64, 016414-1,2001.

42. Grillon G., Balcon Ph., Chambarct J.-P. Et al., Phys. Rev. Letters 89, 6, 065005-1 ,2002.

43. Научно-производственный центр «АСПЕКТ» Каталог продукции 2003 г.44 .Каталог продукции «АТОМТЕХ» 2003г.45 .Каталог продукции « CANBERRA» 2003 г.

44. Средства диагностики однократного импульсного излучения. Сборник трудов НИИИТ,1999.

45. Детектор сцинтилляционный ССДИ8М Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

46. Г.Н. Игнатьев, Ф.Х. Насыров Детекторы импульсного излучения с избирательной чувствительностью. Технический прогресс в атомной промышленности. Выпуск 10-11 ,1990.

47. A.P.Fews, P.A.Norreys, A.E.Dangor et.al. Central Laser Facility, Rutherford Appleton Laboratory, Annual Report 1994-95, p.30-32.

48. B.M. Горбачев, H.A. Уваров Приборы и техника эксперимента, 1965,№5, с.77-82.

49. И.В. Волобуев, Д. Н. Горбунов Приборы и техника эксперимента, 1975, №2,с.65-66.

50. И.В. Волобуев, Д. Н. Горбунов, Б.В. Гранаткин Труды Ордена Ленина Физического института им. Лебедева ,1977,т.94, с.21-28.

51. Детектор сцинтилляционный ССДИ 15 Техническое описание и инструкция по эксплуатации.54 .Ядерная фотография. Труды 3 международного совещания, Под ред. К.С Богомолова, Из-во АН СССР,М,1962.

52. Н.А. Власов Нейтроны М.Наука, 1971.

53. А.И. Абрамов, Ю.А. Казанский,Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Атомиздат, 1977.

54. Л.Кертис Введение в нейтронную физику, Атомиздат, 1965.

55. А.И.Веретенников, В.М.Горбачев, Б.А.Предеин Методы исследования импульсных излучений, М, Энергоатомиздат, 1985.

56. Е.А. Крамер-Агеев, B.C. Трошин, Е.Г. Тихонов Активационные методы спектрометрии нейтронов,М.,Атомиздат, 1976.

57. Б.С.Джелепов, С.Ф Кокшарова Гамма-кванты изотопов, применяемых в нейтронно-активационном анализе ,М., Атомиздат, 1974.

58. H.U. Fabian,U. Nemsmann Atomkernenergie v.l6,N2,1970,p.l43-145.

59. Kelly J.G.,Posey L.D. IEEE Trans. On Nuclear Science ,1971 ,V.18,N1, p.131-141.

60. Дюррани С., Балл P., Твердотельные ядерные детекторы: Пер. с англ. М,: Энергоатомиздат, 1990.

61. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С., Основы экспериментальных методов ядерной физики: Учебное пособие для вузов, -3-е изд., М: Энергоатомиздат, 1985,488 с.

62. Ceglio N.M.,Benton E.V., Imaging thermonuclear burn using solid state track detectors. In: Proc. 10th Int. Conf. Solid State Nucl. Track Detectors. Lyon, and Suppl. 2, Nucl. Tracks, Pergamon, Oxford, 1980, p. 755 762.

63. Stone G.F.,Ceglio N.M., A proton shadow camera using CR-39 track detectors, Nuclear Tracks, 8, 1984,p.605 608.

64. И.Н. Иванов, O.K. Николаенко. Активационный анализ по короткоживущим нуклидам.Москва,Энергоатомиздат, 1987,с.ЗЗ.

65. Б.С Джелепов, С.Ф. Кокшарова Гамма-кванты изотопов, применяемых в нейтронно-активационном анализе. Справочник. М. Атомиздат ,1974.

66. В.Д. Аллен Регистрация нейтронов. Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники. Москва ,1962.

67. Баранов В.Ф. Дозиметрия электронного излучения. М. Атомиздат, 1974.

68. Д. Райлли Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов. М. Бином ,2000.

69. МИФИ Научно-технический отчёт. Расчётно-теоретические исследования детектирующих устройств и методов измерений нейтронного излучения. Заключительный отчёт по теме №82-3-005-582. 2002.

70. В.П. Андрианов, Г.Н. Игнатьев ,Ф.Х. Насыров Детектор нейтронов для исследований лазерной плазмы. Доклад на IV Международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии», Минск, сентябрь 2003г.

71. Андрианов В.П. Игнатьев Г.Н., Насыров Ф.Х. Высокочувствительные детекторы нейтронов для нейтрон спектрометрического анализа. Доклад на 10 семинаре "Спектрометрический анализ. Аппаратура и обработка данных на ПЭВМ", ГЦИПК,Обнинск,2003.

72. Системы измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения. МИ 2438-97.

73. А.И.Веретенников, В.М.Горбачев, Б.А.Предеии Методы исследования импульсных излучений, М, Энергоатомиздат, 1985.78. ТЗ на тему 20170, НИИИТ.79. ТЗ на тему 03040, НИИИТ.

74. Альбиков З.А., Веретенников А.И., Козлов О.В. Детекторы импульсного ионизирующего излучения. М., "Атомиздат", 1978.

75. Prcdhorsky, D.Licr, APACHE: A low-background hard x-ray spectrometer for 10,6-цт laser fusion experiments, Rev.Sci. Instrum. 53 (1982), No. 8,p.l 189-1197.

76. WM. J. Veigele, Photon cross section from 0,1 keV to 1 MeV , Atomic Date Tables, 5, p.51-111 ,1973.

77. Под редакцией Ю.А. Егорова. Экспериментальные исследования полей гамма-излучения и нейтронов. Москва, Атомиздат, 1974.

78. О.Ф. Немец,Ю.В. Гофман, Справочник по ядерной физике . Киев ' Наукова думка',с.145,1975.

79. Протокол экспериментальных исследований на лазерной установке "Прогресс". НИИИТ, Инв. № 06-04/350.

80. Протокол экспериментальных исследований на лазерной установке "Неодим". НИИИТ, Инв. № 06-04/362.

81. А.А.Андреев, В.М.Комаров, А.В.Чарухчев и др. ЖЭТФ, т.121, с.266,2002.

82. Kasagi et al. Journal. Phys. Soc. Japan, 64, p.777,1995.

83. Takahashi A. et al. Fusion Tech., 34, p.256,1998.

84. А.Г. Липсон, А.С. Русецкий, Дж. Касаги, А. Такахаши. Краткие сообщения по физике ,ФИАН. N10, с.22, 2001.

85. A.G. Lipson, A.S. Roussetski, С.Н. Castano and J. Miley. Bull, of Amer. Phys. Soc., v47, p. 1219,2002.

86. Okihara S. et. al. Journal ofNucl. Sci. And Tech. v.39, p. 1-5,2002.

87. A.P.Fews, P.A.Norrreys, F.N.Beg et.al. Phys.Rev.Lett., v.73, p. 1801,1994.

88. E.L. Clark, К. Krushelnick, J.R. Davies ct. al. Proc. of Int. Conf. On Inertial Fusion Scienccs and Applications -IFSA 99 (Bordeaux, France, 1999), p.961.

89. E.L. Clark, K. Krushelnick, M. Zepf, et al. Phys. Rev. Lett., 85, p. 1654,2000.

90. K. Nemoto, S. Banerjee, K. Flippo et. al. Appl. Phys. Lett., 2001, v.78, p. 955,2001.

91. Быченков В.Ю., Розмус В., Максимчук А. и др. //Физика плазмы, т.27, с. 1076,2001.

92. В.С.Беляев, В.И.Виноградов, А.С.Курилов, А.П.Матафонов, С.М.Рыбаков, Сборник научных трудов ЦНИИМАШ,с. 47 ,2002.

93. К.Бракнер, С.Джорпа, Управляемый термоядерный синтез, М, Атомиздат,1977.

94. А.А.Андреев, В.Е.Яшин, А.В.Чарухчев, УФН 169(1), с.72,1999.

95. P.A.Norreys, A.P.Fews, F.N.Beg et al., Plasma Phys. & Control Fusion 40, p.175,1998.

96. L.Disdier, J.-P.Garconnet, G.Malka, J.-L.Miquel, Phys. Rev. Letters 82, p. 1454, 1999.

97. D.Hilsher, O.Berndt, M.Enke, V.Jahnke, P.V.Nikles et al., Phys. Rev. E 64, p. 1641,2001.

98. G.Pretzler, A.Saeman, A.Pukhov et al., Phys. Rev. E 58, p.l 165 ,1998.

99. Р.В.Волков, Д.М.Голишенков, В.М.Гордиенко и др., Письма в ЖЭТФ 72, с.577 ,2000.