Приборы и техника эксперимента, 2020, № 2, стр. 9-12

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших параметров, характеризующих результаты эксперимента по исследованию работы термоядерных мишеней на лазерных установках, является нейтронный выход. Совершенствование методик его измерения – важная задача для исследования. Это особенно актуально с развитием мощных лазерных установок нового поколения.

Фотодиссоциационный йодный лазер “Искра-5” [1] представляет собой 12-канальную систему. Длина волны лазерного излучения на основной гармонике составляет λ = 1.315 мкм, энергия на выходе одного канала достигает 1000 Дж.

Проведенная ранее на лазерной установке “Искра-5” серия экспериментов с мишенями с обращенной короной (м.о.к.) с использованием основной гармоники лазерного излучения показала высокую эффективность использования энергии лазерного излучения в таких мишенях [2]. В экспериментах с м.о.к. при подведенной к мишени энергии около 10 кДж был зарегистрирован выход ДД-нейтронов 5 · 10⁹. Для серии подобных экспериментов с м.о.к. с использованием второй гармоники лазерного излучения [3] был разработан и проверен экспериментально метод прямой активации индия ДД-нейтронами по реакции ¹¹⁵In(n, n')^115mIn.

Методика прямой активации успешно применяется на установке NIF (National Ignition Facility, Ливермор, США) для определения интегрального нейтронного выхода в экспериментах как с ДД-, так и с ДТ-топливом [4]. Для установок с импульсным нейтронным выходом, превышающим 10¹⁰ нейтронов на лазерный импульс (далее нейтронов/импульс), активационные методики являются наиболее предпочтительными среди всего спектра нейтронных диагностик [5].

В цели настоящей работы входили: оценка возможностей метода прямой активации индия ДД-нейтронами на установке “Искра-5” и перспективы его применения, разработка оптимального варианта размещения активируемого образца в камере взаимодействия, калибровка системы регистрации наведенной активности и проведение измерений выхода ДД-нейтронов в экспериментах с м.о.к.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА

В первичных реакциях синтеза в дейтериевой плазме в м.о.к. образуется поток нейтронов с энергией 2.45 МэВ. В процессе неупругого рассеяния данных нейтронов в реакции ¹¹⁵In(n, n')^115mIn в индии нарабатывается изомер с периодом полураспада T_1/2 = 4.49 ч. Переход изомера в основное, невозбужденное состояние сопровождается испусканием γ-квантов с энергией 336 кэВ и с ветвлением распада 45.8% [6, 7]. По окончании эксперимента, спустя небольшой промежуток времени, образец помещается в германиевый полупроводниковый γ-детектор для определения наведенной активности. Активность изомера определяется по площади пика соответствующей γ-линии 336 кэВ. По результатам измерений определяется первоначальный выход нейтронов в эксперименте.

Значительное преимущество методов прямой активации различных материалов заключается в том, что сечения активации хорошо известны, поэтому при известных геометрических характеристиках облучаемого образца вместо калибровки метода на источнике нейтронов с использованием монитора достаточно провести калибровку аппаратуры для регистрации вторичного γ-излучения активированного образца. Такую калибровку относительно просто провести с помощью образцовых спектрометрических γ-источников (ОСГИ).

Применение активационных диагностик наиболее распространено при высоких нейтронных выходах, >10¹⁰ нейтронов/импульс, что заметно превышает ожидаемый в экспериментах на установке “Искра-5” нейтронный выход 10⁸–10⁹ нейтронов/импульс. Поэтому для достижения максимальной чувствительности необходимо поместить образец как можно ближе к мишени, при этом максимально увеличив площадь облучения и массу образца. В то же время необходимо не создавать помех для другого диагностического оборудования, применяемого на камере взаимодействия, и не перекрывать пучки лазерного излучения, воздействующего на мишень. Анализ показал, что в условиях установки “Искра-5” индиевый образец диаметром ≥1 см может быть установлен на расстоянии не ближе чем 3.5 см от мишени.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

При организации измерений основной задачей была установка индиевого образца на допустимо близком расстоянии от мишени с возможностью максимально быстрого его извлечения после выстрела из вакуумной камеры взаимодействия. Крепление образца в этом случае представляло собой полую штангу с устройством фиксирования его положения. Штанга позволяла размещать образец непосредственно вблизи мишени на расстоянии d = 3.5 ± 0.1 см от нее и транспортировать образец после снятия фиксации по полости штанги до вакуумного шлюза.

Наличие вакуумного шлюза позволяло после эксперимента изымать образец из вакуумной камеры взаимодействия в течение нескольких минут, не дожидаясь установления в ней атмосферного давления. Это сократило время задержки между выстрелом и началом измерения γ-активности образца с 2–3 ч до 10 мин, что весьма значимо, учитывая период полураспада ^115mIn, равный 4.49 ч. К сожалению, небольшое сечение транспортного канала штанги ограничивало размер образца до его эффективной площади 0.79 ± ± 0.06 см².

Для предотвращения деформации и плавления под воздействием плазмы и рассеянного лазерного излучения индиевый образец был защищен алюминиевой фольгой толщиной 100 мкм.

Нейтронный выход в эксперименте определялся по соотношению, которое было получено с учетом результатов работы [7] и условий реализации метода на установке “Искра-5”:

где C – площадь γ-пика с фоном; B – площадь фона; a_φ – доля нейтронов, попавших на образец; ε_D – эффективность детектора; ε_S – коэффициент, характеризующий самопоглощение излучения в образце; n – концентрация атомов изотопа ¹¹⁵In в образце; σ(E) – сечение поглощения в образце нейтронов с E_n = 2.45 МэВ; ε_B – ветвление распада; V – объем образца; λ – постоянная распада; t₁, t₂ – время начала и конца измерения наведенной активности образца соответственно.

Согласно [8], минимально измеряемая активность определяется соотношением:

где T = t_ф + t – общее время измерения; t_ф – время измерения фона; t – время измерения активности; n_ф – скорость счета фона; δ – требуемая относительная погрешность измерения. Полагая δ = 0.5, можно определить минимально измеримый выход нейтронов в геометрии эксперимента как Y ≈ 1.4 ⋅ 10⁸ нейтронов/импульс.

Калибровка эффективности регистрации γ-квантов германиевым детектором проводилась с использованием калиброванного источника γ-квантов ¹³³Ba из набора ОСГИ на γ-линии с энергией E = = 356 кэВ, что близко к измеряемой в методе линии γ-излучения изомера ¹¹⁵In (E = 336 кэВ). При размещении источника ¹³³Ba на поверхности детектора измеренная эффективность регистрации детектором составила ε_D = 0.093 ± 0.002, что в пределах погрешности совпадает с известными литературными данными [7], полученными в близких условиях.

Для оценки доли нейтронов, перерассеянных от камеры взаимодействия, было проведено моделирование эксперимента с применением метода Монте-Карло в программе MCNPX. По результатам моделирования доля перерассеянных нейтронов составила менее 5% от общего значения. В процессе рассеяния нейтроны теряют энергию, и сечение поглощения в индии для них снижается в разы, что уменьшает их влияние на активность образца до 2–3% от общего значения.

АПРОБАЦИЯ МЕТОДА

Метод измерения нейтронного выхода путем прямой активации индия на лазерной установке “Искра-5” был испытан экспериментально в серии опытов с м.о.к. при использовании второй гармоники лазерного излучения и всех 12-ти каналов установки [9].

Измерения были проведены в шести экспериментах. В двух экспериментах выход нейтронов превысил порог минимально измеримого с учетом погрешностей. Пример измерения ниспадающей наведенной активности изомера индиевого образца после эксперимента показан на рис. 1. Активность, определенная в ходе измерений, представлена отдельными точками и соответствующей экспоненциальной линией аппроксимации.

Постоянная распада для кривой аппроксимации, построенной по экспериментальным точкам, составляет λ_аппр = (5.1 ± 1.5) ⋅ 10^–5, а для изомера ^115mIn λ_{изом In} = 4.3 ⋅ 10^–5 [6]. Таким образом, падение активности индиевого образца, облученного в эксперименте, по скорости распада соответствует распаду изомера ^115mIn.

РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам измерений, представленных на рис. 1, в эксперименте нейтронный выход составил (1.7 ± 0.6) ⋅ 10⁸ нейтронов/импульс. По результатам измерений другими диагностиками, применяемыми на установке “Искра-5”, усредненный нейтронный выход в этом эксперименте составил (2.1 ± 0.5) ⋅ 10⁸ нейтронов/импульс, что свидетельствует о совпадении результатов в пределах погрешности измерений. При увеличении нейтронного выхода до уровня >1 ⋅ 10⁹ нейтронов/импульс относительная погрешность измерения, согласно расчетам, снизится до менее чем 0.15. Таким образом, убедительно продемонстрирована способность измерения данным методом интегрального выхода импульсного нейтронного излучения в экспериментах по термоядерному синтезу на лазерных установках с относительно невысоким нейтронным выходом.

ВЫВОДЫ

В экспериментах на лазерной установке “Искра-5” реализован метод измерения интегрального выхода импульсного нейтронного излучения посредством прямой активации индия. Результаты измерений показали, что в имеющихся условиях чувствительность метода составила примерно 10⁸ нейтронов/импульс при относительной погрешности ~0.35, а увеличение выхода нейтронов свыше 10⁹ при сохранении геометрии облучения образца приводит к снижению относительной погрешности до менее чем 0.15. По сравнению с другими методами измерения нейтронного выхода описанный метод имеет такие преимущества, как относительно простая процедура калибровки и возможность масштабирования параметров, что позволяет измерять как большие, так и малые нейтронные выходы. Таким образом, можно говорить о значительных перспективах применения метода измерения нейтронного выхода путем активации индия как на существующих лазерных установках, так и на потенциально более мощных.