CC BY
15
УДК 539.1
РЕГИСТРАЦИЯ ВЫХОДА ПРОДУКТОВ D+D ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ ИЗ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ АЛМАЗНОЙ МИШЕНИ НА ИОННОМ УСКОРИТЕЛЕ ГЕЛИС
М.А. Негодаев1, М.А. Кирсанов2, С. А. Мовчун1, А. Ф. Попович1'4,
А. С. Русецкий1, В. А. Рябов1, К. В. Шпаков1, В. И. Цехош1, В. Н. Амосов3, К. К. Артемьев3, С. А. Мещанинов3, Д. А. Скопинцев3
Приведены экспериментальные данные по выходу продуктов d+d ядерной реакции для мишени из поликристаллического алмаза, полученные в исследованиях на ионном ускорителе ГЕЛИС. Описаны используемые в исследованиях на установке оборудование и детекторы для регистрации нейтронов и заряженных частиц. Показана возможность использования УНУ ГЕЛИС для проверки рабочих характеристик полупроводниковых детекторов, предназначенных для регистрации альфа-частиц в исследованиях бор-протонзахватной реакции на комплексе протонной терапии "Прометеус".
Ключевые слова: ядерные реакции, кристаллические структуры, каналирование ионов, сцинтилляционные детекторы нейтронов, алмазный детектор заряженных частиц, бор-протон захватная терапия.
Введение. В экспериментах с дейтерированными кристаллическими структурами на уникальной научной установке (УНУ) ионный ускоритель ГЕЛИС ФИАН [1] была обнаружена анизотропия в выходе нейтронов из реакции d + d ^ n+3He. Поток нейтронов вдоль направления пучка ионов оказался выше потока нейтронов, исходящих из кристаллической мишени в направлении поперек пучка. Наиболее ярко анизотропия в
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: negodaevma@lebedev.ru.
2 НИЯУ "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
3 Частное учреждение Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом" "Проектный центр ИТЭР", 123182 Россия, Москва, пл. ак. Курчатова 1, стр. 3.
4 Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 141190 Россия, Московская область, г. Фрязино, пл. ак. Введенского, 1.
выходе нейтронов проявилась, когда в качестве кристаллической мишени использовалась мишень из текстурированного поликристаллического СУВ-алмаза. Перед облучением образец СУВ-алмаза насыщался дейтерием путем электролиза. В работе [2] было проведено исследование выхода нейтронов из образцов СУВ-алмаза в зависимости от угла между пучком дейтронов и нормалью к плоскости мишени, которое показало, что ориентация образца по отношению к пучку дейтронов оказывает влияние на величину выхода нейтронов. Авторы предположили, что наблюдаемый ими ориентационный эффект вызван каналированием ионов дейтерия в текстурированной кристаллической структуре СУВ-алмаза. Это предположение получило подтверждение в результате моделирования прохождения пучка ионов дейтерия в алмазе под разными углами, которое дало удовлетворительное согласие с результатами эксперимента [3]. Аналогичные измерения были проведены с мишенью Pd/PdO:Dx, здесь также заметен ориентацион-ный эффект и анизотропия в выходе нейтронов вдоль и поперек направления пучка ионов [4].
Анизотропию в выходе нейтронов из кристаллических структур можно было бы объяснить каналированием быстрых нейтронов, которые рождаются в каналах кристаллической мишени в результате ядерных d+d реакций, однако это предположение требует экспериментального подтверждения.
Кристаллические структуры из СУВ-алмаза могут использоваться при создании нейтронных генераторов [5]. Применение мишени-конвертера из текстурированного алмаза на установке ГЕЛИС позволит получить поток моноэнергетических нейтронов для использования их в работе с другими мишенями.
Исследование выхода продуктов ядерных реакций
из кристаллических структур в работе с пучком ионов дейтерия при энергиях меньше 50 кэВ является одной из задач, решаемых в настоящее время на УНУ ГЕЛИС. Результаты исследования выхода продуктов ядерной d + d реакции (как нейтронов, так и заряженных частиц) для мишени из поликристаллического алмаза представлены в этой работе.
Позиционирование мишеней на УНУ ГЕЛИС. Исследуемая мишень-конвертер из СУВ-алмаза, облучаемая пучком ионов дейтерия, крепится в вакуумной камере на
d + d ^ п (2.45 МэВ) +3 Не (0.8 МэВ),
(1)
d + d ^ р (3.03 МэВ) + Т (1.01 МэВ)
охлаждаемом водой поворотном держателе (рис. 1), который позволяет осуществлять измерение мощности, выделяемой в мишени, с помощью калориметрической ячейки.
Рис. 1: Поворотный охлаждаемый водой держатель мишеней и система позиционирования детекторов. (а) 3Б модель; (б) фото собранной конструкции, установленной в вакуумной камере УНУ ГЕЛИС.
Калибровка и проведенные тесты калориметрической ячейки держателя мишени показали ее работоспособность в диапазоне подводимой мощности 0.25-58 Вт. Погрешность измерений составляет не более 12%. Применение двух расходомеров позволяет варьировать расход воды через ячейку в широком диапазоне, что обеспечивает эффективное охлаждение ячейки во всём рабочем диапазоне мощностей. При этом нагрев воды в ячейке не превышает 5.5 °С. При тестировании и калибровке калориметрической ячейки держателя мишени в качестве нагревателя был использован толстоплёночный чип-резистор в корпусе, припаянный к медной подложке, которая была установлена на место мишени в калориметрической ячейке держателя мишени. Для улучшения теплового контакта между ячейкой и подложкой с нагревателем использовалась термопаста. Нагрев резистора осуществлялся блоком питания постоянного тока (0-30В, 0-3А). Перед измерением охлаждаемый водой держатель мишеней был установлен в вакуумную камеру УНУ ГЕЛИС, которая откачивалась до давления ~10-6 Торр. Мощность, вы-
деляемая на резисторе, рассчитывалась как произведение силы тока и напряжения, а отводимая водой мощность рассчитывалась по формуле:
p = Q ■ с ■ (Tout - Tin), (3)
где Q - расход воды, C - теплоёмкость воды, Tin и Tout - температура воды на входе и выходе из ячейки.
Температура воды на входе и выходе калориметрической ячейки регистрировалась термопарами, подключёнными к измерителю - ОВЕН ТРМ 200. Расход воды через калориметрическую ячейку контролировался двумя устройствами - импульсным расходомером с датчиком Холла совместно со счётчиком импульсов СИ8 и стеклянным ротаметром с регулятором расхода воды. Счётчик импульсов во время измерения непрерывно регистрирует расход воды. Измеряемые величины расхода и температуры воды на входе и выходе калориметрической ячейки поступают и записываются в память компьютера.
Изменение тепловой мощности на мишени из текстурированного поликристаллического алмаза при работе с пучком ионов дейтерия приведено на рис. 2.
20.01.2022
13 14 15 16 17
Time, hours
Рис. 2: Изменение тепловой мощности, выделяемой на мишени из текстурированного поликристаллического алмаза при работе с пучком ионов дейтерия.
За держателем с алмазной мишенью-конвертером может располагаться вторая мишень из текстурированного поликристаллического алмаза. Каждая из мишеней находится на отдельном поворотном устройстве. Схема эксперимента представлена на рис. 3.
Рис. 3: Схема эксперимента: 1 - пучок, 2 - мишень из СУБ-алмаза, 3 - мишень из СУБ-алмаза, 4 - сцинтилляционный детектор, 5 - пропорциональные газовые счетчики, наполненные газом 3Не, 6 - оргстекло, 7 - алмазный детектор.
Детектирование продуктов d+d ядерных реакций. На ускорительной установке ГЕ-ЛИС регистрация продуктов d+d ядерных реакций осуществляется детекторами нейтронов и заряженных частиц. Для регистрации нейтронов используются газовые пропорциональные детекторы, наполненные газом 3Не, а также сцинтилляционные детекторы быстрых нейтронов с органическими сцинтилляторами.
Гелиевые газовые детекторы работают в режиме счётчика и определяют количество зарегистрированных нейтронов. На установке ГЕЛИС используются два модуля гелиевых детекторов, каждый из которых состоит из 12 счётчиков и замедлителя из оргстекла. Первый модуль находится напротив мишени перпендикулярно пучку ионов дейтерия, а второй - вдоль пучка в торцевой части корпуса ускорителя ГЕЛИС (рис. 3). Система регистрации нейтронов с помощью 3Не счетчиков описана в [6].
На УНУ ГЕЛИС для регистрации быстрых нейтронов использовались два сцинтил-ляционных детектора с органическими кристаллами из паратерфенила. Один из этих детекторов был размещен за пределами вакуумной камеры и установлен параллельно оси пучка на расстоянии от мишени ~30 см. Второй детектор находился в трубе, которая позволила установить его в вакуумной камере на оси пучка позади второй мишени на расстоянии 15 см от первой мишени.
В сцинтилляционных детекторах для разделения сигналов от нейтронов и гамма-квантов используется метод цифровой идентификации по форме импульсов. Сигналы от детекторов поступают на аналоговые входы дигитайзера CAENDT5730 (8 channels, 14 bit, 500 MS/s). Оцифрованные осциллограммы сигналов с выхода CAENDT5730 записываются в файл данных. Полученный массив данных обрабатывается по специальному алгоритму, который позволяет идентифицировать сигналы от нейтронов и гамма-квантов [7, 8]. Калибровка сцинтилляционных детекторов с органическими сцинтил-ляторами проводится с использованием гамма источников. Поэтому в энергетических спектрах таких детекторов в качестве единицы энергии используется единица кэВ э. э., означающая кэВ в электронном эквиваленте. При регистрации быстрых нейтронов органическим сцинтилляционным детектором в сцинтилляторе образуются протоны отдачи, энергия которых преобразуется в выходной сигнал детектора. На рис. 4 показан спектр протонов отдачи, измеренный сцинтилляционным детектором на установке ГЕ-ЛИС при регистрации нейтронов от d+d реакции в мишени из поликристаллического алмаза.
В эксперименте на УНУ ГЕЛИС в исследованиях выхода продуктов d + d ядерных реакций для регистрации заряженных частиц впервые использовался алмазный спектрометр, который разработан в организации "Проектный центр ИТЭР" [9]. В состав алмазного спектрометра входит: алмазный детектор, зарядочувствительный предуси-литель, усилитель-формирователь, АЦП и персональный компьютер с программным обеспечением, которое позволяет в процессе набора данных в режиме мониторирования наблюдать спектр регистрируемых частиц. Для калибровки алмазного спектрометра использовались альфа-источники (226Ra, 241 Am) и источники конверсионных электронов (137Cs, 207Bi).
Алмазный детектор был размещен в вакуумной камере и установлен в держатель системы позиционирования детектора, которая позволяет фиксировать расстояние между детектором и мишенью и поворачивать детектор в вакууме вокруг оси мишени. Алмазный спектрометр регистрировал заряженные продукты d + d ядерных реакций (p, T,
Е, кэВ э.э.
Рис. 4: Спектр протонов отдачи, измеренный сцинтилляционным детектором при регистрации нейтронов от d+d реакции в мишени из поликристаллического алмаза.
3Не), возникающие в СУВ-алмазной мишени. На рис. 5 представлен спектр заряженных частиц, зарегистрированных алмазным детектором при работе с поликристаллической алмазной мишенью.
Таким образом, установленный на УНУ ГЕЛИС комплекс из нескольких детекторов нейтронов и алмазного детектора позволяют регистрировать все продукты d+d ядерных реакций при работе с разными мишенями. При этом модули гелиевых счётчиков позволяют получать относительные значения выхода нейтронов, а сцинтилляционные детекторы и алмазный спектрометр дают абсолютные величины выхода нейтронов и заряженных частиц соответственно.
Скорость протекания d+d ядерных реакций при работе с недейтерированной мишенью зависит от насыщения мишени дейтерием, которое происходит при воздействии пучка на мишень. Поэтому в экспериментах с пучком ионов дейтерия на ускорителе ГЕЛИС на первом этапе осуществляется имплантация дейтерия в мишень. При этом ведётся контроль выхода продуктов d+d ядерных реакций. На втором этапе после выхода скорости d + d реакций на насыщение проводятся измерения параметров, характеризующих протекание d + d реакций в различных мишенях. Одним из основных таких
160 140 120 100
3 н
:rj 5 80
60
40
20
0
I Не-3 i )Т
• • • ♦ • р
• ♦ ♦ • 5 • • #
• ♦ Ф • « 1 • • • ♦
• ♦ • * • • • • •
♦ ♦ • • • • • : t • • .
<; • * * » > > *
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Номер канала
Рис. 5: Амплитудный спектр, измеренный алмазным детектором при регистрации заряженных частиц от d+d реакции в мишени из поликристаллического ОУБ-алмаза.
параметров является выход вторичных частиц из мишени. Выход У вторичных частиц определённого сорта - это число вылетающих из мишени в полный телесный угол частиц данного сорта, приходящихся на один ион дейтерия, падающий на мишень. На рис. 6 представлена зависимость выхода продуктов d + d ядерной реакции от энергии налетающих ионов дейтерия при использовании поликристаллической алмазной мишени. Энергия ионов дейтерия в пучке ускорителя ГЕЛИС варьировалась от 15 кэВ до 35 кэВ.
Тестирование детекторов альфа-частиц. В ходе экспериментов по изучению d + d ядерной реакции в кристаллических структурах показано, что алмазный спектрометр является эффективным инструментом для регистрации частиц, возникающих в ядерных реакциях при взаимодействии дейтронов с различными мишенями. При этом высокая чувствительность алмазного спектрометра делает возможным обнаружение редких событий (~1 в секунду). Одновременная регистрация 3Не (0.8 МэВ), Т (1.01 МэВ), р (3.03 МэВ) в экспериментах на УНУ ГЕЛИС позволяет проводить тестирование и проверять линейность полупроводниковых спектрометров заряженных частиц, в частности для регистрации альфа-частиц.
4 а «
1
4 и •
1 ц 1 *
10 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4
Е, кэВ
Рис. 6: Выход вторичных частиц, образующихся в d+d реакции в мишени из поликристаллического алмаза, в зависимости от энергии ионов дейтерия. Обозначения точек: ромбы - протоны, квадрат,ы - ионы трития, треугольники - ионы 3Не, кружки - нейтроны.
Детекторы для регистрации альфа-частиц с энергией ~1 МэВ в настоящее время могут быть востребованы для протонной и нейтронозахватной терапии с использованием наночастиц бора в качестве радиосенсибилизаторов. В исследованиях, связанных с развитием протонной терапии онкологических заболеваний, такой подход представлен идеей бор-протонзахватной терапии, основанной на реакции бор-протонного синтеза [10]. В результате такой реакции на очень короткий промежуток времени образуется составное ядро 12С*, которое находится в возбужденном состоянии и распадается на альфа-частицу и ион бериллия 8Ве, который затем распадается на две альфа-частицы. Данный процесс является экзотермическим, высвобождается полная энергия 8.7 МэВ в виде передаваемой альфа-частицам кинетической энергии. Для запуска такой реакции, в предположении, что атом бора находится в состоянии покоя, требуется достаточно малая энергия протона. При низких энергиях (0.1-5 МэВ) эффективное сечение реакции становится значительно больше, тем самым сильно повышая продуцирование альфа-частиц вокруг области пика Брэгга (особый интерес представляет резонанс при 675 кэВ: он имеет наибольшее эффективное сечение захвата - 1.4 барн [11]). Это обсто-
ятельство является одним из преимуществ потенциального применения бор-протонной реакции в протонной терапии.
В рамках проекта ФНТП по нейтронным и синхротронным исследованиям предусмотрено оснащение комплекса протонной терапии "Прометеус" детектором альфа-частиц. В качестве такого детектора предложено использовать как кремниевый, так и алмазный спектрометр, рабочие характеристики которого были проверены в исследованиях ядерных реакций на УНУ ионный ускоритель ГЕЛИС ФИАН.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения № 075-15-2021-1347.
Авторы выражают благодарность А. С. Кубанкину за предоставленное для работ на УНУ ГЕЛИС оборудование, А. В. Огинову за техническое содействие, И. Н. Завестов-ской, М. М. Меркину и И. А. Кудряшову за обсуждение по проблемам использования полупроводниковых детекторов на протонных терапевтических ускорителях.
ЛИТЕРАТУРА
[1] М. А. Негодаев, А. В. Багуля, Препринт ФИАН № 11 (М., ФИАН, 1996).
[2] A. V. Bagulya, O. D. Dalkarov, M. A. Negodaev, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 355, 340 (2015).
[3] A.V. Bagulya, O. D. Dalkarov, M. A. Negodaev, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 402, 243 (2017).
[4] O. D. Dalkarov, M. A. Negodaev, A. S. Rusetskii, et al., Phys. Rev. Accel. Beams 22, 034201 - Published 12 March 2019.
[5] O. D. Dalkarov, M. A. Negodaev, A. S. Rusetskii, et al., Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques 14, 220 (2020).
[6] О. Д. Далькаров, М. А. Негодаев, А. С. Русецкий и др., Приборы и техника эксперимента № 1, 24 (2020). DOI: 10.31857/S0032816220010127.
[7] M. A. Kirsanov, S. G. Klimanov, I. V. Nazarov, et al., J. Phys.: Conf. Series 1690, 012057 (2020).
[8] M. A. Kirsanov, S. G. Klimanov, and A. S. Chepurnov, J. Phys.: Conf. Series 1690, 012061 (2020).
[9] К. К. Артемьев, В. Н. Амосов, Н.Б. Родионов и др., Тезисы докладов XIX Всероссийской конференции "Диагностика высокотемпературной плазмы" 27.09-01.10 2021 г. Сочи, стр. 179-181.
[10] P. Bla'hal, Ch. Feoli, St. Agoste, et al., Front. Oncol. 11, (2021).| https: D01:.org/10.3389/fonc.2021.682647.
[11] M. H. Sikora and Weller HRA. J. Fusion Energ 35, 538 (2016). DOI: 10.1007/s10894-016-0069-y.
Поступила в редакцию 4 марта 2022 г. После доработки 14 марта 2022 г. Принята к публикации 16 марта 2022 г.
