Ядерно-физический способ диагностики плазмы

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

15 4 Н 05 Н 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1) 4136716/25-31 (22) 21.)0.86 (46) 15.09.88. Бюл. Р 34 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова (72) В. Н.Шадрин и О.П .Белянин (53) 533.9 (088.8) (56) Афросимов В.В., Гордеев Ю.С., Зиновьев А.Н. Воэможности активной локальной диагностики ионов примесей в горячей плазме. Письма в ЖТФ, 1977, т. 3, вып. 3, с. 97 100.

Афросимов В.В., Гладковский И.П., Кисляков А.И. О воэможности локальной диагностики ионов примесей в водородной плазме по рассеянию атомного пучка. Письма в ЖТФ, 1977, т. 3, вып. l, с. 10-1 3. (54) ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

„„SU„„1424144 А1 (57) Изобретение относится к области прикладной ядерной физики и может быть использовано для определения в плазме количества ядер примеси. Целью изобретения является расширение диапазона масс анализируемых компонент плазмы. Пучок атомов гелия с энергией 4,24-4,26 МэВ пропускают через систему коллиматоров, затем через систему мониторирования пучка, дающую информацию о количестве атомов в нем, и направляют в исследуемую плазму, в которой определяют концентрацию примесных композиций. В функции возбуждения альфа-частицами ядер примесных компонентов в плазме существуют ф о при рассеянии на угол 180 резонансы в сечении упругого рассеяния. Анализируя энергетический спектр упругорассеянных на угол 180 альфа-частиц, определяют концентрацию примесных ядер. l ил.!

424144

Изобретение относится к прикладной ядерной физике и предназначена для определения в плазме количества ядер примеси в диапазоне масс 6-60 а.е.м.

Целью. изобретения является расширение диапазона масс анализируемых компонент плазмы.

На чертеже изображена схема уст- 10 ройства, с помощью которого осуществляют предлагаемый способ.

Устройство включает пучок 1 атомов гелия, .систему 2 коллиматоров, систему 3 мониторирования пучка, кольцевой 15 полупроводниковый детектор 4, исследуемый объект 5. На чертеже изображены также рассеиваемый атом пучка 6 и ион примеси 7.

Способ осуществляют следующим об- 29 разом.

Пучок атомов гелин пропускают через систему коллиматорон, обеспечивающую его мононаправленность, затем через систему мониторирования пучка, 25 дающую информацию о количестве атомов в нем, и направляют в плазму, концентрация примесных компонент в которой подлежит определению. Рассеянные на ядрах примеси альфа-частицы регистри-gp руют кольцевым полупроводниковым детектором .под углом 180+1 относительо но направления падения пучка. Кольцевой детектор обеспечивает максимальный телесный угол при минимальном кинематическом разбросе.

В функции возбуждения упругого рассеяния альфа-частиц на ядрах углерода С при энергии 4,24-4,26 МэВ существует узкий (около 50 кэВ) изо- 40 лированный резонанс. Высота резонанса сильно зависит от угла рассеяния: при угле рассеяния около 100 резонанс исчезает и при угле 180 достигает максимума. При угле рассеяния в лабо- 45 раторной системе координат (л.с.к)

160 сечение в резонансе равно в л.с.к. 1200 мбн/ср. Вблизи резонанса сечение рассеяния примерно в 50100 меньше.

Если энергию атомов пучка выбрать равной резонансной, то на всем пути взаимодействия пучка атомов гелия с плазмой (в сипу того, что ионизационные потери энергии равны нулю) выход альфа-частиц, рассеянных на ядрах примеси углерода, будет примерно в

50-100 раэ больше, чем на ядрах примеси соседнего атомноге номера.

Энергия рассеянных частиц связана углом рассеяния и массами соотношением:

micosg + 1 m g m ° sine

1 2

Е Е 1 (1) о ш + ш

Ф l где Е„и Е, m, 8 — начальная и конечная энергии, масса, угол рассеяния налетающей частицы, соответственно, m — масса ядра-мише1

Иэ этого соотношения следует, что наилучшее массовое разрешение при заданном отношении масс ш;/п дости1 гается при 8= 180

Число рассеянных честиц onðåäeëÿется соотношением

N; Л<>лй (Е, 8 ) и; Х, (2) где !j — число падающих на исследуемый объект атомов;

4Л вЂ” телесный угол детектора;, c; — дифференциальное сечение упругого рассеяния альфа-частиц на ядрах i-го сорта;

n — плотность ядер i-ro сорта;

Х вЂ” линейный размер анализируемого объема.

Оценка дает значение результирующего разрешения в диапазоне 1040 кэВ. Информация о каждом сорте примеси локализуется в виде узкого распределения с полушириной (щи иной на половине высоты) около 40 кэВ- Это обусловлено тем, что ионизацнонные потери энергии рассеянных альфа-частиц иэ-за малой плотности плазмы и достаточна высокой энергии частиц малы °

Действительно, водородная плазма с плотностью, например, !О см на пути 10 см содержит !011 ат/см или примерно 10 мг/см . He этом пути

2 альфа-частица с энергией 4 МэВ потеряет не более 4 кэВ энергии. В этой ситуации предлагаемый способ позволяет надежно раэделять распределения рассеянных частиц от ядер примеси с близкими массами вплоть до примеси железа и никеля.

Сделаем на основе соотношения (2) некоторые простые оценки. Пусть количество примесных атомов углерода в анализируемом объеме составляет

10 ат/см и пуст." необходимо заре1424144

Составитель К. Клоповский

Техред Л.Олийнык Корректор В Романенко

Редактор Ю.Середа

Тираж 832 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 4697/57

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 гистрнроввть 100 полезных событий (это соответствует примерно 10Х-ной погрешности определения концентрации углерода). Если при этом телесный угол детектора составляет 10 рад., в сечение упругого рассеяния—

675 M6H/ср, то для набора этой статистики необходимо затратить 10. атомов гелия. Это соответствует току

1 экв. мкА при времени анализа

100 с, либо току 100 экв. мкА при воемеии анализа 1 с.

Ф о р м у л а и э о б р е т е н н я

Ядерно-физический способ диагностики плазмы, включащий зондирование плазмы моноэнергетическим пучком атомов гелия, регистрацию энергетического спектра упругорассеяных первичных частиц, и последующее определение концентрации компонент плазмы, о т— л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью расширения днпаэона масс анализируемых компонент плазмы, плазму

10 зондируют пучком атомов гелия с энергией 4,24-4,26 МэВ и под углом 180+1 относительно направления падения пучка, регистрируют энергетический спектр упругорассеянных альфа-частиц

15 на ядрах анализируемой компоненты плаэьь .