СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ СИНТЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к ядерной и лазерной физике и технике, и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в лазерной физике для решения задач прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза (см. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики // Под ред. Б.Ю. Ширкова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 264 с.). Особенно перспективно использование изобретения для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями (см. Беляев B.C. и др. Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями // Успехи физических наук, т.178, №8, с.823-843, 2008 г.).

Известен способ инициирования ядерной реакции синтеза путем генерации нейтронов в перетяжке Z-пинча из малоплотного дейтерированного полиэтилена (см. Акунец А.А. и др. «Генерация нейтронов в перетяжке Z-пинча из малоплотного дейтерированного полиэтилена». Физика плазмы 2010 г., т.36, №8, XXXVI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 9-13 февраля 2009 г.), который можно принять за первый аналог.

Недостатком способа инициирования ядерной реакции синтеза в статье Акунец А.А. - первого аналога заявляемого способа инициирования ядерной реакции синтеза - является нерациональный выбор материала мишени, который не позволяет получить α-частицы (⁴He) и протоны р.

Известен также другой аналог заявляемого способа, который по технической сути близок заявляемому изобретению.

Это изобретение (патент РФ на изобретение №2449514, приоритет изобретения 24 августа 2010 года) может быть выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения с названием «Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления».

Способ инициирования ядерной реакции синтеза в прототипе основан на генерации ионов из ионизируемого материала мишени с ее тыльной стороны под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с обеспечением ускорения ионов ортогонально тыльной поверхности первой мишени при их движении ко второй мишени. В качестве материала первой мишени при этом выбирают дейтерированный полиэтилен (CD₂)_n толщиной l₁ в диапазоне l₁≈1 мкм÷10 мкм. Под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I≈10¹⁸÷10²⁰ Вт/см² с энергией Е в диапазоне E≈10 Дж÷500 Дж и сверхкороткой длительности t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне k≈10⁸÷10¹⁰ обеспечивают генерацию ионов дейтерия с тыльной поверхности первой мишени, а в качестве приемника ионов дейтерия используют вторую активируемую ускоренными ионами дейтерия мишень из такого же материала толщиной l₂ в диапазоне l₂≈100 мкм÷1 мм, которую располагают на расстоянии L в диапазоне L≈10 мм÷50 мм от первой мишени, при этом движущиеся ко второй мишени ионы дейтерия ускоряют до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами и обеспечения осуществления перспективной ядерной реакции синтеза D+D→³He+n+3,27 МэВ с получением гелия ³He и нейтронов n.

Недостатком способа инициирования ядерной реакции синтеза в прототипе является нерациональный выбор материала мишени, который не позволяет получить α-частицы (⁴He) и протоны р.

Задачей заявляемого изобретения является выбор материала мишени для обеспечения технического результата - инициирования перспективных ядерных реакций синтеза с получением α-частиц (⁴Не) и протонов р.

В способе инициирования ядерной реакции синтеза, с использованием двух мишеней, выборе в качестве материала первой мишени дейтерированного полиэтилена (CD₂)_n толщиной l₁ в диапазоне l₁≈1 мкм÷10 мкм, генерации при этом ионов с тыльной стороны ионизируемого материала первой мишени под воздействием на фронтальную поверхность этой мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне 10¹⁸÷10²⁰ Вт/см² сверхкороткой длительности t в диапазоне 100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне 10⁸÷10¹⁰ с обеспечением ускорения ионов дейтерия при их движении ко второй мишени для воздействия ускоренными дейтерия ионами на поверхностный слой второй мишени, в качестве второй мишени используют титановую мишень толщиной ~500 мкм, фронтальную поверхность которой предварительно активируют ионами гелия ³He на глубину в диапазоне 1 мкм~10 мкм, при этом вторую мишень располагают в вакууме на расстоянии L в диапазоне 10 мм÷50 мм от первой мишени и ускоряют движущиеся к ее поверхности ионы дейтерия до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами дейтерия и гелия и обеспечения осуществления перспективной реакции синтеза D+³Не→⁴He+р+18,3 МэВ с получением α-частиц (⁴He) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ.

Дополнительно в способе инициирования ядерной реакции синтеза фронтальную поверхность второй мишени, выбранной из титана, предварительно активируют ускоренными до энергии ~1 МэВ ионами гелия ³Не на глубину ~1÷10 мкм с образованием слоя ионов ³He толщиной около 1-10 мкм с максимальной концентрацией ³He порядка 1×10²³ см^-3.

Известно устройство для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза путем использования ускорения ионов в патенте Англии №1138212, заявленном 23.05.1966 г., МКИ H05h, H01j (H1D), в котором предложены источник и ускоритель ионов. Это устройство, предложенное в патенте Англии №1138212, по технической сущности близко к заявляемому устройству осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза и может быть выбрано в качестве первого аналога устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза путем ускорения ионов.

Первый аналог устройства осуществления способа в патенте Англии 1138212 содержит мишень из ионизируемого материала, расположенную на пути светового луча лазера. Луч света в патенте Англии №1138212 концентрируется специальным устройством с целью бомбардировки поверхности мишени с энергией, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы. Имеются электроды для извлечения нужных ионов из плазмы, созданной лазерным лучом, падающим на мишень. Электростатический ускоритель предназначен для образования электрического поля, ускоряющего ионы.

Недостатками первого аналога устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза путем ускорения ионов являются его низкая эффективность для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза, а также сложность и громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления способа.

Известно другое устройство для осуществления способа инициирования перспективных реакций синтеза ядерных частиц путем ускорения ионов при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, которое обеспечивает эффекты устройства для осуществления способа инициирования перспективных реакций синтеза по изобретению (патент РФ на изобретение №2449514 с приоритетом от 24.08.2010 г.) и может быть выбрано в качестве второго аналога и прототипа заявляемого изобретения с названием «Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления».

Устройство для осуществления способа инициирования перспективных ядерных частиц - прототип содержит расположенные в вакуумной камере концентратор энергии, мишень и приемник ускоренных ионов, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность первой мишени, которая выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD₂)_n толщиной l₁ в диапазоне l₁≈1 мкм÷10 мкм, а на расстоянии L от первой мишени в диапазоне L≈10 мм÷50 мм установлена вторая мишень из такого же материала толщиной l₂ в диапазоне l₂≈100 мкм÷1 мм, при этом импульсный лазер имеет релятивистскую интенсивность I в диапазоне I≈10¹⁸-10²⁰ Вт/см², энергию Е в диапазоне Е≈10 Дж÷500 Дж, сверхкороткую длительность t в диапазоне 100 фс÷1 пс и контрастность k в диапазоне k≈10⁸÷10¹⁰, а в местах регистрации нейтронов перспективной ядерной реакции синтеза установлены детекторы с гелиевыми счетчиками и/или нейтронными счетчиками.

Недостатком второго аналога-прототипа устройства способа ускорения ионов является его неэффективность для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза с получением α-частиц (⁴Не) с энергией 3,67 МэВ и/или протонов p с энергией 14,67 МэВ.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение технического результата - инициирования перспективных ядерных реакций синтеза ядерных частиц дейтерия D и гелия-3 ³Не с получением α-частиц (⁴He) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ.

В устройстве для осуществления способа инициирования перспективных ядерных реакций синтеза указанных частиц, содержащем расположенные в вакуумной камере концентратор энергии и две мишени, размещенные на расстоянии L друг от друга в диапазоне L≈10 мм÷50 мм, а также размещенного вне камеры импульсного лазера с параметрами релятивистской интенсивности I в диапазоне 10¹⁸÷10²⁰ Вт/см², энергией Е в диапазоне 10 Дж÷500 Дж, сверхкороткой длительностью t в диапазоне 100 фс÷1 пс и контрастностью излучения k в диапазоне 10⁸÷10¹⁰. Первая мишень выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD₂)_n толщиной l₁ в диапазоне 1 мкм÷10 мкм, вторая мишень выполнена из титана толщиной ~500 мкм, фронтальная поверхность которой активирована ионами гелия ³He на глубину в диапазоне 1 мкм~10 мкм, а в зоне перед фронтальной поверхностью размещены детекторы, способные регистрировать α-частицы (⁴He) с энергией 3,67 МэВ и/или протоны p с энергией 14,67 МэВ для решения технической задачи обеспечения технического результата - инициирования перспективных ядерных реакций синтеза.

Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления иллюстрируются временной диаграммой различных типов фонового излучения, возникающих при усилении релятивистского сверхкороткого лазерного импульса, на фиг.1 и блок-схемой на фиг.2 устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза.

Согласно фиг.1 на временной диаграмме различных типов фонового излучения представлены:

1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);

2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~10 нс);

3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10-100 пс);

4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10-100 пс);

5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).

На блок-схеме на фиг.2 устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза изображены:

- импульсный лазер 6, выход которого ориентирован на концентратор;

- лазерный луч 7 на выходе импульсного лазера, направленный через иллюминатор на концентратор;

- иллюминатор 8;

- вакуумная камера 9 с установленными внутри камеры мишенями;

- фронтальная поверхность 10 первой мишени;

- первая мишень из дейтерированного полиэтилена (CD₂)_n 11;

- тыльная поверхность 12 первой мишени;

- плазменное образование (ПО) 13 на тыльной поверхности мишени;

- тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) 14 внутри ПО;

- вторая мишень 15 из титана внутри вакуумной камеры;

- концентратор энергии 16 внутри вакуумной камеры;

- трековые детекторы CR-39 для регистрации α-частиц (⁴He) 17 с Al (алюминиевыми) фильтрами толщиной 10-50 мкм;

- плазменный токовый слой (ТПТС) 18 в подлете ко второй мишени из титана;

- активированный слой 19 ионов ³Не на приемной поверхности второй мишени из титана;

- трековые детекторы CR-39 для регистрации протонов p 20 с Al (алюминиевыми) фильтрами толщиной 0,5-1 мм.

При функционировании устройства для осуществления способа ускорения ионов на тыльной поверхности 12 мишени формируется плазменное образование (ПО) 13, а внутри ПО 13 формируется тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) с включенными в него ионами дейтерия D (см. п.14 на фиг.2).

При этом между первой и второй мишенями показаны в плазменном токовом слое (ТПТС) ионы дейтерия D п.14, которые на этапе подлета ко второй мишени показаны как п.18.

В поверхностном слое второй мишени 15 в результате взаимодействия ускоренных ионов дейтерия с внедренными в поверхностный слой второй мишени 15 ионами гелия инициируется перспективная ядерная реакция D+³He→⁴Не+р+18,3 МэВ с получением α-частиц (⁴He) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ.

При этом способ осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза в устройстве для его осуществления реализуется следующим образом.

Согласно блок-схеме устройства для осуществления перспективной ядерной реакции на фиг.2 на входе вакуумной камеры 9 устанавливают импульсный лазер 6. Лазерный луч 7 на выходе лазера при его функционировании направляют через иллюминатор 8 и концентратор энергии 16 на фронтальную поверхность 10 мишени 11, установленной на координатной платформе (на блок-схеме не показана) в вакуумной камере 9. После откачки камеры приступают к работам по обеспечению контролируемого воздействия на фронтальную поверхность 10 мишени 11 луча лазера 7 релятивистской интенсивности. При этом формируют безпредымпульсный луч лазера релятивистской интенсивности в диапазоне ~10¹⁸ Вт/см²-10²⁰ Вт/см² сверхкороткой длительности ~1×10^-12 с, который с фокусировкой направляют на фронтальную поверхность мишени 10 и приступают к настройке импульсного лазера 6.

При функционировании импульсного лазера 6 основной импульс релятивистской интенсивности на его выходе указан на фиг.1 с надписью около самого большого импульса. Существуют несколько причин возникновения фонового излучения при функционировании импульсного лазера, по-разному проявляющегося на разных временных интервалах функционирования импульсного лазера.

Наиболее типичные случаи фонового излучения изображены на фиг.1:

1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);

2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~10 нс);

3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10 пс-100 пс);

4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10 пс-100 пс);

5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).

В микросекундном диапазоне основным источником шумов является суперлюминесценция в активной среде усилительных каскадов. Для типичных твердотельных активных сред, таких как неодимовое стекло или сапфир с титаном, мощность усиленного спонтанного излучения обычно не превышает нескольких сотен ватт. Оно имеет высокую угловую расходимость и достаточно эффективно подавляется пространственными фильтрами.

Шумовое излучение другого типа связано с периодическим характером генерации сверхкороткого импульса и его последующего усиления в регенеративном усилителе (РУ). Внутрирезонаторное излучение твердотельных лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы, как правило, представляет собой цуг импульсов, следующих с интервалом ~10 нс. При выделении одиночного импульса в результате конечного пропускания электрооптического затвора и других элементов оптической селекции возможно неполное подавление соседних импульсов цуга. На выходе из РУ могут возникнуть аналогичные остаточные импульсы с периодом следования, кратным времени обхода излучением резонатора усилителя.

Помимо импульсов, следующих с наносекундным временным интервалом, могут возникнуть импульсы с интервалом следования в единицы и десятки пикосекунд, в частности, в результате отражения от поверхностей оптических элементов. Существует и другая возможность появления фонового излучения в этом интервале - в результате усиления не полностью подавленных импульсов цуга задающего генератора, опережающих основной импульс. При включении добротности РУ к моменту прихода выделенного импульса большой интенсивности предшествующий остаточный импульс цуга успевает совершить полный обход резонатора РУ и начинает эффективно усиливаться вместе с основным импульсом. Временной интервал между основным и остаточным импульсами указанного типа определяется рассогласованием длин резонаторов генератора и усилителя. Поскольку резонаторы РУ и задающего лазера имеют близкие длины, характерные времена следования таких импульсов находятся в диапазоне десятков пикосекунд.

Ухудшение контраста излучения может происходить также в результате искажения спектра и самомодуляции излучения в процессе усиления. Для подавления самовоздействия обычно используется режим усиления линейно-чирпированного импульса, получаемого из исходного спектрально-ограниченного импульса путем принудительной квадратичной модуляции фазы излучения с помощью стретчера, обеспечивающего линейную положительную дисперсию. Однако даже в этом случае при достижении достаточно большой мощности импульс может приобрести дополнительный чирп в процессе усиления. Если приобретаемый чирп имеет нелинейный характер, полностью компенсировать его компрессором на дифракционных решетках, обеспечивающих отрицательную линейную дисперсию групповой скорости, не удается. Модуляция спектра и неполная компенсация нелинейного чирпа могут привести к появлению импульса-предвестника, опережающего основной импульс на времена, сравнимые с длительностью последнего.

Для того чтобы повысить контраст и свести к минимуму влияние шумового излучения, необходимо обеспечить надежный контроль временных и энергетических характеристик излучения в большом динамическом диапазоне. Измерения параметров фонового излучения в микро- и наносекундном временных диапазонах осуществляются обычными средствами лазерной фотометрии (с помощью быстродействующих фотоприемников и скоростных осциллографов). Для контроля формы сверхкороткого импульса на интервалах, сравнимых с его длительностью, разработаны достаточно эффективные методики с использованием нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядков, основанные на измерении динамических спектрограмм автокорреляционной функции излучения. Такие методы позволяют довольно точно восстановить временную форму исследуемого пико- или фемтосекундного импульса.

Наибольшую сложность представляют измерения характеристик импульсов фонового излучения, имеющих промежуточную задержку в десятки и сотни пикосекунд. Для прямой регистрации таких импульсов быстродействия и динамического диапазона существующих электронных устройств, как правило, недостаточно. Нелинейно-оптические методы измерений позволяют, в принципе, решить указанную задачу, но слишком сложны для оперативного контроля параметров излучения непосредственно в ходе эксперимента, в частности для измерений во временном интервале ~100 пс за одну лазерную вспышку (что особенно актуально для систем с низкой частотой повторения). Более подробно разработка и экспериментальная реализация достаточно простого и эффективного метода диагностики при контроле выходных параметров мощных пикосекундных лазерных комплексов в субнаносекундном временном диапазоне приведена в работе авторов изобретения B.C. Беляева, А.П. Матафонова и др. «Измерение параметров излучения сверхкороткой длительности методом спектральной интерферометрии чирпированных импульсов» // Квантовая электроника, 2000, т.30, №3, с.229. В методе, основанном на применении спектральной интерферометрии чирпированных импульсов, используется тот факт, что в пико- и фемтосекундных лазерных системах для снижения влияния самовоздействия применяется усиление чирпированных импульсов, получаемых из спектрально-ограниченного исходного импульса путем его принудительного удлинения до ~0.5 нс в дисперсионном стретчере. Измерение спектрального состава излучения с интерферометрической точностью непосредственно на выходе усилительных каскадов позволяет получить информацию о контрасте и временной задержке фоновых импульсов, которых можно ожидать после компенсации фазовой модуляции при прохождении временного компрессора.

Об осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза (см. фиг.2) D+³He→⁴Не+р+18,3 МэВ при столкновении ускоренных ионов дейтерия D (см. п.18) и содержащихся во второй мишени 15 ионов ³He (см. п.19) для получения энергии релятивистского лазерного излучения с интенсивностью (~10¹⁸ Вт/см²-10²⁰ Вт/см²) сверхкороткой длительности t в диапазоне ~1×10^-12 с с получением α-частиц (⁴Не) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ судят по показаниям установленных в зоне между первой и второй мишенями детекторов: детектор 17 на основе трековых детекторов типа CR-39 с Al фильтрами с толщиной 10÷50 мкм для регистрации α-частиц (⁴Не) с энергией 3,67 МэВ и детектор 20 типа CR-39 с Al фильтрами толщиной 0,5÷1 мм для регистрации протонов p с энергией 14,67 МэВ (см. на фиг.2 трековые детекторы CR-39 для регистрации протонов p 20 с Al (алюминиевыми) фильтрами толщиной 0,5-1 мм и трековые детекторы CR-39 для регистрации α-частиц 17 с Al фильтрами толщиной 10-50 мкм).