Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2023, № 2, стр. 3-8

ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие пучка ионов дейтерия с неподвижными мишенями, обогащенными дейтерием, были исследованы в [1–14] на ионном ускорителе ГЕЛИС [15], который позволяет создавать пучок ионов с небольшими (<1%) угловыми и энергетическими разбросами. Например, в работе [6] исследован выход нейтронов в DD-реакции:

при облучении поликристаллической текстурированной мишени из CVD-алмаза (алмаза, полученного методом химического осаждения из газовой фазы) [16] пучком ионов D⁺ с энергией около 20 кэВ. Мишень была предварительно насыщена дейтерием путем электролиза. В [6] была обнаружена зависимость выхода нейтронов (продуктов DD-реакций) от ориентации мишени из дейтерированного поликристаллического CVD-алмаза относительно пучка ионов дейтерия. Авторы предположили, что наблюдаемое увеличение выхода нейтронов в направлении пучка ионов связано как с эффектами экранирования, так и с каналированием ионов дейтерия в направлениях, задаваемых структурой мишени. Экспериментальные данные по усилению выхода нейтронов из CVD-алмаза были подтверждены модельными расчетами [7], которые проводили с использованием компьютерного кода BCM 2.0 [17, 18]. Моделирование показало, что плотность потока ионов внутри кристалла периодически достигает максимума – это так называемый эффект увеличения плотности потока ионов [19]. Также в результате моделирования было выявлено, что для параллельного пучка ионов D⁺ в результате их каналирования выход DD-реакции возрастает в 2.2 раза вследствие эффекта увеличения плотности потока ионов внутри кристалла. В работе [20] исследовано прохождение нейтронов от источника ²⁵²Cf через текстурированный CVD-алмаз. Измерения показали зависимость потока нейтронов, падающих на детектор, от ориентации мишени. Возможное объяснение эффекта – каналирование нейтронов в текстурированном CVD-алмазе.

В настоящей работе продолжены исследования по выяснению роли каналирования ионов в протекании DD-реакции в кристаллических структурах с использованием различных детекторов для регистрации продуктов DD-реакции.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для измерения выхода нейтронов реакции ядерного синтеза (1) при низких энергиях ионов (Е ≤ 35 кэВ) в дейтерированных кристаллических структурах на ионном пучке установки ГЕЛИС были использованы детекторы нейтронов на основе газовых счетчиков СНМ-18, заполненных ³Не (далее ³Не-счетчики) и радиаторами из оргстекла (2 группы по 12 счетчиков в каждой), и сцинтилляционный детектор с кристаллом стильбена (диаметром 4 см, высотой 4 см). Радиаторы из оргстекла имели толщину 7 и 10 см для групп ³Не-счетчиков, расположенных на расстоянии 100 и 45 см от мишени соответственно. Калибровка детектора на основе ³Не-счетчиков была проведена с использованием источника нейтронов ²⁵²Cf, детектор с кристаллом стильбена тестировали на нейтронном DD-генераторе. Детектор нейтронов на основе стильбена имеет систему разделения сигналов от нейтронов и от γ-квантов по форме импульса.

Для регистрации заряженных частиц использовали алмазный детектор с диаметром входного окна 3 мм, расположенный в 4.5 см от мишени. Перед проведением экспериментов выполняли процедуру калибровки энергетической шкалы измерительного тракта алмазного спектрометра. Для калибровки использовали источники α-частиц (²²⁶Ra, ²⁴¹Am), набор источников ОСИКЭ (¹³⁷Cs, ²⁰⁷Bi) и прецизионный генератор импульсов. Результаты калибровки представлены в [21]. Поскольку разные детекторы калибровали в различных условиях, то их показания можно сравнивать только качественно.

Схема эксперимента приведена на рис. 1. В качестве мишеней использовали Ti и CVD-алмаз. В отличие от работы [6], мишени предварительно не дейтерировали. Мишени располагали на поворотном держателе, представляющем собой калориметрическую ячейку, охлаждаемую непрерывным потоком воды. Расход воды и ее температуру на входе и выходе держателя мишени непрерывно записывали. В каждой серии измерений на ускорителе выставляли определенное ускоряющее напряжение, энергия пучка E определяется значением ускоряющего напряжения источника питания фирмы Spellman и источником питания разряда ионного источника, который определяет разброс ионов по энергии ΔE < 300 эВ, ток пучка непрерывно контролировали. Время одного измерения составляло 20 мин. Диаметр пучка на мишени при угле поворота мишени β = 0° (мишень перпендикулярна пучку) равнялся 6 мм. Выделяемая пучком мощность на мишени в период проведения исследований не превышала 10 Вт. Измерение мощности пучка, выделяемой на мишени, позволило оценить температуру мишеней для каждого измерения. В результате расчетов в программе ANSYS [22] с учетом используемой в эксперименте конструкции и конструкционных материалов калориметрической ячейки, в которую устанавливали мишени, было показано, что температура алмазной мишени при изменении мощности пучка от 5 до 10 Вт меняется от 30 до 38°С, а температура мишени из Ti – от 98 до 173°С.

Выход нейтронов DD-реакции (1) определяли по формуле Y_DD= n_n/(I_DS), где n_n – поток нейтронов от мишени в 4π ср, I_D – средний ток ионов D⁺ (в ион/с), S – площадь мишени под пучком, β – угол падения пучка на мишень. Для удобства расчетов и сравнения при β = 0° было принято S = 1. Поток нейтронов от мишени в 4π ср определяли по формуле n_n = (n_fg – n_bg)/ε_n, где n_fg и n_bg – средний счет нейтронного детектора в рабочем и фоновом сеансе соответственно, ε_n – эффективность нейтронного детектора.

Выход протонов за один сеанс определяли по формуле Y_p= N_p/(I_Dtε_pS), где N_p – число событий под протонным пиком, t – время измерения, ε_p – эффективность алмазного детектора, S – площадь мишени под пучком. Для удобства расчетов, как и ранее, при β = 0° было принято S = 1. Измерения показали, что фоновый счет протонов равен нулю.

Выход нейтронов по сцинтилляционному детектору определяли с учетом его эффективности регистрации DD-нейтронов по процедуре аналогичной детектору с ³Не-счетчиком.

Расположение детекторов позволяло измерять выход нейтронов в направлениях вдоль пучка и поперек пучка и сравнивать их.

Детектирование протонов DD-реакции:

осуществляли с помощью алмазного детектора, расположенного на поворотном устройстве на расстоянии 4.5 см от мишени, под углом 45° к направлению пучка ионов.

Измерение при каждом выбранном ускоряющем напряжении и угле поворота мишени начиналось спустя некоторое время (в зависимости от энергии пучка) после включения пучка, по достижении равномерного насыщения поверхности мишени дейтерием. Тогда счет детекторов стабилизировался и зависел только от тока пучка. Измерения выделяемой мощности и расчеты температуры мишени позволяют предполагать, что концентрация дейтерия в поверхностном слое мишени при определенной энергии ионов после достижения насыщения менялась незначительно и эти изменения не оказывали большого влияния на изменения выхода продуктов DD-реакции.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для проверки влияния каналирования ионов дейтерия на протекание DD-реакции были проведены измерения зависимости выхода DD-нейтронов из мишеней Ti и CVD-алмаза от угла поворота мишени.

На рис. 2 приведены зависимости выхода нейтронов от угла поворота Ti мишени при энергии ионов 25, 30 и 35 кэВ. Для титановой мишени выход нейтронов почти не зависит от угла поворота мишени.

На рис. 3 приведены зависимости выхода нейтронов от угла поворота мишени CVD-алмаза при энергии ионов 25, 30 и 35 кэВ. При энергии 25 кэВ (рис. 3а) зависимость выхода нейтронов от угла поворота мишени сильная. Это можно объяснить каналированием ионов дейтерия в текстурированной мишени. Также обнаружена анизотропия выхода нейтронов вдоль и поперек направления пучка (особенно при нормальном падении пучка). Возможно, это объясняется каналированием нейтронов – продуктов DD-реакции – в CVD-алмазе. При энергии ионов пучка 30 кэВ (рис. 3б) эта зависимость от угла менее выражена.

С ростом энергии дейтронов до 35 кэВ зависимость выхода нейтронов от угла β в диапазоне 0°–15° пропала, но анизотропия выхода нейтронов вдоль и поперек направления пучка от угла поворота мишени сохранилась (рис. 3в).

На рис. 4 показаны зависимости выхода нейтронов и протонов, измеренных сцинтилляционным и алмазным детекторами соответственно, от угла поворота мишени CVD-алмаза при энергии ионов 25 кэВ и токе пучка 20 мкА. Видна четкая зависимость выхода продуктов DD-реакции от угла поворота мишени.

Такие эффекты анизотропии выхода нейтронов и его зависимость от угла поворота мишени в случае поликристаллического текстурированного CVD-алмаза можно объяснить его структурой. Структура CVD-алмаза существенно неоднородна и анизотропна. На рис. 5 приведены изображение поверхности скола CVD-алмаза в электронном микроскопе QUANTA 650 FEG (рис. 5а) и изображение ростовой поверхности образца CVD-алмаза, полученное с помощью оптического микроскопа Nikon Eclipse L200N (рис. 5б). Кристаллиты CVD-алмаза растут в виде колонн, ориентированных перпендикулярно поверхности алмазной пленки, причем с увеличением толщины пленки поперечный размер колонн увеличивается. Размер кристаллитов возрастает от ∼1 мкм в сильно дефектном слое вблизи подложки до десятков и до сотен мкм на противоположной, более совершенной, ростовой стороне (которая обращена к пучку). Кроме того, на ростовой поверхности все кристаллы имеют четкую текстуру с ориентацией зерен (100). Часть ионов дейтерия при нормальном падении, попадая в каналы на мишени (в границах зерен и в самих зернах), имеют пробеги значительно больше, чем при других углах. Это приводит к большей вероятности протекания DD-реакции и большему выходу нейтронов. Таким образом, при повороте мишени выход нейтронов постепенно падает. Кроме того, сами нейтроны могут попадать в многочисленные каналы CVD-алмаза и, многократно рассеиваясь, двигаются в направлении, задаваемом структурой мишени (преимущественный выход вдоль пучка дейтронов). Это может объяснить анизотропию выхода нейтронов вдоль и поперек направления пучка. С ростом энергии дейтронов характер зависимости выхода нейтронов от угла поворота мишени становится менее выраженным, что, возможно, связано с постепенной деградацией (распылением и аморфизацией) поверхности CVD-алмаза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерения выхода продуктов DD-реакции, проведенных независимыми методами – ³Не-счетчиками и сцинтилляционным детектором – показали зависимость попавшего на детектор потока нейтронов от ориентации мишени из текстурированного CVD-алмаза в пучке ионов дейтерия. Для изотропных образцов Ti подобные эффекты не наблюдали. Возможное объяснение эффекта – это каналирование ионов дейтерия и нейтронов в каналах текстурированного CVD-алмаза.