Исследование выходов DD-реакций из гетероструктуры Pd/PdO:Dx при низких энергиях на установке Гелис Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.17

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫХОДОВ DD-РЕАКЦИЙ ИЗ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Pd/PdO:Dx ПРИ НИЗКИХ ЭНЕРГИЯХ НА УСТАНОВКЕ ГЕЛИС

А. В. Багуля, О. Д. Далъкаров, М. А. Нсгодасв, А. С. Руссцкий, А. П. Чубснко

Приводятся результаты измерения, выходов DD-реакций из гетероструктуры Pd/PdO:Dx в диапазоне энергий 10 — 25 кэВ. Измерялись потоки нейтронов и протонов с помощью нейтронного детектора на основе Не-3 счетчиков и пластикового трекового детектора CR-39. Сравнения, с расчетами показали наличие значительны,а; эффектов усиления, выходов DD-реакций. Потенциал, экранирования, для, данной гетероструктуры при данных условиях эксперимента оценен в диапазоне Ue = 630 — 980 эВ.

Ключевые слова: DD-реакции. потенциал экранирования, потоки протонов и нейтронов.

Измерение сечений ядерньтх реакций синтеза при низких энергиях представляет значительный интерес как для создания энергетических установок нового поколения, так и для понимания процессов, протекающих внутри звезд (обзор раннего периода исследований в этой области можно найти, например, в [1 4]). Напомним, что прямое измерение сечений при малых энергиях затруднено в связи с проблемами обеспечения устойчивости ускорительных пучков низких энергий. Поэтому сечения ядерньтх реакций при низких энергиях (< 100 кэВ) обычно находят с помощью экстраполяции из области высоких энергий, где эти сечения могут быть измерены в экспериментах на ускорителях.

Недавние эксперименты на ускорителях при энергиях < 10 кэВ показали, что в случае использования твердотельных митттеней с имплантированным в них дейтерием наблюдаются значительные эффекты увеличения вероятности протекания DD-реакции по сравнению с экстраполяцией. Степень усиления выхода DD-реакции характеризует

ФИАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].

т.н. потенциал экранирования, который определяется как добавочная энергия, необходимая ядру дейтерия для преодоления кулоновского барьера.

В работах Райола и др. [5, 6] выходы ББ-реакции и потенциалы экранирования изучались систематически для почти 70-ти элементов Периодической системы, включая металлы и неметаллы. Было обнаружено, что большинство изученных металлов имеют “большой” потенциал экранирования, ие > 100 эВ, за исключением металлов 4 группы (Ть НГ) и 11 группы (Си. Ag. Аи). В то же время следует отметить, что ускоритель, использованный в [5, 6], позволял достигать токов дейтронов лишь от 1 до 54 мкА. что минимизировало эффекты усиления, зависящие от плотности тока на митттени.

Касаги и др. [7, 8], используя низкоэнергетический ускоритель с большими токами (ток ионов 60 400 мкА). измеряли выходы реакции Б(с1,р)Т в некоторых металлах и оксидах металлов при энергиях Е1аЬ > 2.5 кэВ. Было обнаружено, что величина потенциала экранирования при данной интенсивности пучка сильно зависит от подвижности дейтерия в металлах. В случае металлов с малой подвижностью дейтерия и высокой энергией активации диффузии дейтеронов (Ть Аи) потенциалы экранирования были низкими, 65 ± 15 эВ и 70 ± 10 эВ, соответственно. Эти потенциалы экранирования ие лишь в 2 раза выше величины для газовой (Д2) мишени. Напротив, для мишеней Рс1 и РсЮ с высокой подвижностью дейтерия ие = 310 и 600 эВ, соответственно [8]. Таким образом, экспериментальные данные показывают, что протекание процессов синтеза ядер дейтерия в твердотельных и газовых мишенях сильно различаются. При этом наибольшее усиление ББ-реакции продемонстрировали материалы с большой степенью подвижности водорода (Рс1 и РсЮ).

Установка ГЕЛИС [9], созданная в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН, позволяет получать непрерывные пучки ионов с током до 50 мА и энергиями до 50 кэВ и предназначена для проведения широкого спектра экспериментов, таких как изучение столкновений легких ядер с энергией в десятки кэВ; изучение элементарных и коллективных процессов в ионно-пучковой плазме, изучение взаимодействий ионного пучка с различными материалами, модификация их поверхности и получение методом ионнолучевого распыления тонкопленочных покрытий.

Основной частью установки ГЕЛИС является ускоритель ионов, который включает в себя: 1) ионный источник с оборудованием, обеспечивающим его питание; 2) систему фокусировки ионного пучка; 3) вакуумную систему; 4) диагностическую аппаратуру для измерения тока и энергии ионного пучка.

Образцы Pd/PdO:Dx размер ом 2.5 х 1 см2 готовились путем термического окисления Pci фольги (99.95% чистоты, толщиной 50 мкм). В результате на поверхности фольги образуется окисная плёнка PdO толщиной ~50 нм. Затем образцы насыщались дейте-

2

тока j = 20 мА/см2 и температуре ~290 К в ячейке с разделенными катодным и анодным пространствами. После 20 мин насыщения дейтерием до степени x = D/Pd ~ 0.73 образцы промывались в тяжёлой воде и охлаждались жидким азотом до температуры Т 77 К (охлаждение образца до температуры жидкого азота необходимо для замедления выхода дейтерия, чтобы исследовать влияние ионизирующего излучения на процесс десорбции). Затем митттень устанавливалась в держатель, напротив закрепленных детекторов CR-39. и помещалась в экспериментальную вакуумную камеру установки ГК. И 1C для последующих исследований. Затрачиваемое на монтаж митттени время не превышало 30 минут.

Для детектирования продуктов DD-реакций

d + d ^ p(3 MeV) + T(1 MeV), (1)

d + d ^ rc(2.45 MeV) +3 tfe(0.8 MeV) (2)

использовались многоканальный детектор нейтронов на основе счетчиков с наполнением Не-3 и трековый детектор CR-39.

Схемы расположения детекторов и митттени на установке ГК. И 1C показаны на рис. 1(a) и рис. 1(6).

Для калибровки Не-3 детектора использовался источник нейтронов Cf-252 с активностью 4.8 • 104 п/с в телесный угол 4п, который помещался на место мишени.

При расположении Не-3 детектора в положении 1 (R1 = 120 см) эффективность регистрации нейтронов оказалась равной Пп\ = 0.1%. При расположении Не-3 детектора (R2 = 30

Пп2 = 0.4%.

Три детектора CR-39 (1, 2. 3) (см. рис. 1(6)) устанавливаются с трех сторон исследуемого образца (4) в держателе с манипулятором, который позволяет перемещать образец поперек пучка ионов (6). Детекторы 1 и 2. расположенные над образцом, имеют покрытия 11 (или 22) и 55 (или 66) мкм А1. соответственно. Они предназначены для регистрации заряженных частиц и нейтронов, вылетевших с облученной поверхности образца против направления пучка. Детектор 3, расположенный под образцом.

2 (а)

Рис. 1: (а) Схема расположения Не-3 детектора на установке ГЕЛИС. 1 и 2 - два положения Не-3 детектора (Я1 = 120 см, Я2 = 30 см), 3 - место расположения мишени, 4 - контуры установки ГЕЛИС; (б) Схема расположения мишени и трековых детекторов в пучке ионов в установке ГЕЛИС. 1, 2, 3 - трековые детекторы СЛ-39 с различными покрытиями; 4 - мишень; 5 - манипулятор; 6 - пучок ионов; 7 - стальная подложка; 8 - диафрагма.

имеет покрытие 11 (или 33) мкм А1. Он предназначен для регистрации нейтронов, вылетевших с облученной поверхности образца в направлении пучка. Покрытия разной толщины позволяют не только защитить поверхность детектора от прямого попадания распыленных частиц образца, но и получить смещение энергетического спектра заряженных частиц на известную величину потерь энергии в соответствующем фильтре.

Калибровка детектора СІІ-39 была проведена с помощью протонного пучка ускорителя Ван-де-Граафа (Ер = 0.75 — 3.0 МэВ), стандартных а-источников (Еа =

2 — 7.7 МэВ) и пучка циклотрона (Еа = 8 — 30 МэВ) в НИИЯФ МГУ. После облучения детекторы травились в растворе 6М №ОН в Н20 при 70 °С в течение 7 ч. Измерение диаметров треков частиц проведено с помощью измерительного комплекса ПАВИКОМ. На рис. 2 представлены результаты калибровки, т.е. зависимости диаметров треков протонов и а-частиц от их энергии.

О 4 8 12 16 20 24 28 32 альфа

1 2 3 4 5 6 7 8 протоны

Энергия, МэВ

Рис. 2: Зависимости диаметров треков а-частиц и протонов от их энергии. Трековый детектор СЯ-39 травился 7 ч в растворе ИаОН в Н20 при 70 °С.

Измерения с источником Ри-239, помещенным на место образца, показали, что детекторы 1 и 2, расположенные над образцом, имеют эффективность детектирования заряженных частиц = 0.026.

Облучение трекового детектора С11-39 нейтронами проводилось с помощью источника СГ-252 с активностью 120 п/с в телесный угол 4п ср. Полный флюенс нейтронов за время облучения составил 7 х 108 п/см2. Быстрые нейтроны от источника испытывают упругое рассеяние на атомах водорода в радиаторе и в самом детекторе, при этом образуются протоны отдачи, которые регистрируются детектором.

Средняя эффективность регистрации быстрых нейтронов трековым детектором оказалась равной Пп = 10-4.

Для вычисления выхода протонов из толстой мишени (катода), бомбардируемой дейтронами с энергией мы использовали формулу [10]:

(3)

о

где N0 (х), а1аь(Е) и йЕ/йх - плотность дейтронов в катоде, сечение ББ-реакции и тормозная способность дейтронов в материале митпени, соответственно. Параметризация Ботпа Халле использовалась для экстраполяции сечения при низких энергиях [11]. Тормозная способность дейтронов предполагалась пропорциональной скорости дейтронов при низкой энергии, что подтверждается данными для различных митпеней, по меныттей мере, до Ел = 1.0 кэВ [12].

С учетом того, что в процессе облучения и повышения температуры митттени начальная концентрация дейтерия в ней может измениться, для расчетов используется эффективная концентрация дейтерия. Эффективная концентрация дейтерия определяется как: N0 (в//) = к(Ш, Т )ND (х), где ТиШ температура и мощность на поверхности мишени. При этом коэффициент к может быть записан как:

где - энергия активации выхода дейтрона с поверхности мишени; Тт - максимальная температура на поверхности мишени, Т0 = 290 К - начальная температура мишени, АТ = Тт — Т0, Шт - максимальная мощность при Еа = 25 кэВ, 1т = 0.2 мА; Шх -значение мощности при других (меньших) значениях тока и напряжения. Величина равняется 0.086 эВ для Рс1.

Зависимость потоков протонов и нейтронов, испущенных по пучку и против пучка (см. поз. 1,2 рис. 1(6)), от энергии показана на рис. 3. Наблюдается анизотропия в вылете продуктов ББ-реакции, испущенных по пучку и против пучка. Также заметна разница в потоках нейтронов и протонов, характеризующая соотношение вероятностей протекания ББ-реакции по каналам (1) и (2). Это указывает на то, что, возможно, ББ-реакция идет не через образование составного ядра Не-4*, а реализуется механизм неполного проникновения дейтрона в ядро.

х

ведена на рис. 4. Там же приведены значения выходов ББ-реакции, рассчитанные для данных условий эксперимента по (3).

Коэффициент усиления определяется как

где Уехр(Е) - экспериментальный выход ББ-протонов, Уь(Е) - выход при той же энергии, определенный в соответствии с экстраполяцией Боша-Халле [11[; 2пп = 31.29^2 (и/Е )1/2 - параметр Зоммерфельда (здесь ^ - заряд дейтрона, и и Е - приведенная масса и энергия дейтрона, соответственно).

к(Ш,Т) = ЄХр * (Шт^х)

кВ Тт Т 0

(4)

! (Е) = Уехр(Е )/Уь (Е) = еМЫЕУЛ/Е],

(5)

Рис. 3: Зависимость потоков протонов и нейтронов, испущенных из мишени Рс1/РсЮ:Ох по пучку и против пучка, от энергии. ■ - поток нейтронов по пучку, • - поток нейтронов проти в пучка, ▲ - поток протонов против пучка. Измерения проведены трековым детектором СЯ-39.

Потенциал экранирования ие оценивался по полуэмпирической формуле [13]:

ие = (Т/То )-1/2 [а1п (у) + Ь], (6)

где а = 145.3 и Ь = 71.2 - численные константы и у = ку0(^/30) (здесь к = ехр(е^АТ/квТТ0), = 0.086 эВ - энергия активации дейтрона в палладии, у0 =

Ые/О = 6.7 - отношение концентраций атомов металла и дейтерия в мишени при Т0 = 290 К и J0 = 0.03 тА/ст2), Jd - плотность тока дейтронов.

В случае ББ-реакции потенциал экранирования можно записать как:

ие = 1п! (Е )3/2/15.7, (7)

где Е (кэВ) - энергия дейтрона в с.ц.и. Подставив в (7) данные по коэффициентам усиления ББ-реакции, можно оценить потенциалы экранирования, полученные в конкретном эксперименте.

■ Pd/PdO;Dx+D experimental DD-reaction yield • Pd/PdO;Dx+D calculated DP-reaction yield

■ j IE-11- ■ *

- •

■

3 IE-12-

з ; •

1E-13-

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

1)еи1егоп спсг^у. кс\

Рис. 4: Зависимость выходов ОИ-реакции из мишени Рд/РдО:Ох от энергии пучка О+. ■ - измеренный выход ИИ-реакции по пучку, • - выход ОБ-реакции, рассчитанный для (3)

Рис. 5: Фотография мишени Рд/РдО:Ох после облучения пучком О + (светлое пятно в центре соответствует области с повышенной плотностью тока).

Коэффициенты усиления и потенциалы экранирования в мишени Рс1/РсЮ:Вх представлены в табл. 1.

Таблица 1

Энергия пучка, Еа, кэВ 10 15 20 25

Плотность тока пучка, мА/см2 0.23 0.2 0.21 0.21

Коэффициент усиления, / 4 1.6 1.4 1.3

Потенциал экранирования ие, эВ 980 630 670 760

Потенциал экранирования (расчет), ие, эВ 114 516 114 516 114 516 114 516

Расчет потенциалов экранирования был проведен для двух “крайних” условий: 1) при Т = 1887 К - температура плавления палладия в области пучка и 2) Т = 350 К -температура, зарегистрированная термопарным термометром на краю митттени.

Расчет при плотности тока пучка дейтронов 0.25 мА/см2 дал величину потенциала экранирования в диапазоне ие = 114 — 516 эВ, что намного меньше экспериментальных значений. Для их достижения, необходимо подставить в формулу (6) величину плотности тока дейтронов ^ =1 — 10 мА/см2 и тогда значение потенциала экранирования находится в диапазоне ие = 700 — 990 эВ. Увеличение плотности тока на мишень Рс1/РсЮ:Вх в процессе облучения мишени наблюдается экспериментально и может происходить из-за дополнительной фокусировки пучка в результате десорбции дейтерия, стимулированной облучением. На фотографии мишени после облучения пучком Б+ (рис. 5) видно, что на области попадания пучка, ограниченного диафрагмой диаметром 6 мм. имеется более яркое пятно диаметром 2 мм с повышенной плотностью тока, обусловленное самофокусировкой пучка вблизи поверхности митттени.

Таким образом, в данной работе при исследовании зависимости выходов продук-

х

10 25 кэВ получены значительные эффекты усиления по сравнению с теоретической экстраполяцией. Потенциал экранирования для данной гетероструктурьт при данных условиях эксперимента оценен в диапазоне ие = 630 — 980 эВ.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки (государственный контракт X 16.518.11.7104 по мероприятию 1.8 ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 2013 годы”).

ЛИТЕРАТУРА

[1] В. А. Царев, УФН 160(11), 1 (1990).

[2] В. А. Царев, УФН 162(10), 6 (1992).

[3] V. A. Tsarev and D. Н. Worledge, Fusion Technology 22, 138 (1991).

[4] V. A. Chechin, V. A. Tsarev, M. Rabinovitz, and Y. E. Ivim, Int. Journal of Theor. Phys. 33(3), 617 (1994).

[5] F. Raiola, P. Migliardi, G. Gyurky, et al., Eur. Phys. J. A13, 377 (2002).

[6] F. Raiola, P. Migliardi, L. Gang, et al., Phys. Lett. B547, 193 (2002).

[7] H. Yuki, T. Sato, J. Ivasagi, et al., J. Phys.G: Xucl. Part. Phys. 23, 1459 (1989).

[8] H. Yuki, J. Ivasagi, A. G. Lipson, et al., JETP Lett. 68, 785 (1998).

[9] М. А. Негодаев, А. В. Багуля, Препринт ФИАН Л"2 11 (М., ФИАН, 1996).

[10] A. G. Lipson, A. S. Roussetski, А. В. Ivarabut, and G. Н. Miley, ЖЭТФ 127(6), 1334

(2005).

[11] Н. S. Bosch and G. M. Halle, Xucl. Fusion. 32, 611 (1994).

[12] H. H. Anderson and J. F. Ziegler, Hydrogen Stopping Powers and, Ranges in All

Elements (Pergamon, Xew York, 1977.)

[13] А. Г. Липсон, А. С. Русецкий, Б. Ф. Ляхов и др. Химия высоких энергий 42(4), 361 (2008).

Поступила в редакцию 5 июля 2012 г.