Лазерно-плазменный метод инициирования ядерных реакций

 

Сущность изобретения: предлагается метод инициирования ядерных реакций с помощью генерации ускоренных ионов мощным лазером субпикосекундной длительности. В изобретении ультракороткий лазерный импульс фокусируется на фольгу, создает плазму и благодаря электростатическому и/или индукционному полям, ускоряет ионы в виде направленного вперед потока. Этот пучок ионов, бомбардируя специально изготовленную мишень, инициирует ядерные реакции. Весь процесс происходит в вакуумной камере при давлении менее миллиторра. Технический результат заключается в создании компактного, с большой плотностью потока, ускорителя ионов на основе короткоимпульсного лазера для инициирования ядерных реакций с высоким выходом продуктов реакций. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для производства изотопов с заданными свойствами, протонной терапии, материаловедения, дефектоскопии и фундаментальных исследований в ядерной физике.

Как известно, ядерные реакции эффективно вызываются быстрыми ионами при их соударении с ядрами твердотельной мишени. Однако до недавнего времени ядерные преобразования с использованием коротких лазерных импульсов связывались с γ,n) реакциями. При этом лазерный импульс генерировал пучок релятивистских электронов, который благодаря тормозному излучению приводил к γ-квантам, вызывающим фотореакции. Понятно, что эффективность таких реакций мала вследствие электромагнитной природы процесса. Ионы непосредственно участвуют в ядерных реакциях и, следовательно, более эффективны. Обычно ионы с энергией более 1 МэВ для ядерных реакций получают на ускорителях. Однако в этом случае потоки частиц невелики, а затраты в пересчете на один ускоренный ион могут быть весьма высоки из-за значительной стоимости даже линейного ускорителя.

Известно техническое решение [1], выбранное в качестве аналога, в котором поток ускоренных частиц, воздействуя на вещество, может приводить к атомным и ядерным превращениям. В [1] сообщалось о быстрой ионизации и возбуждении газа за счет прохождения через него ускоренных в лазерном канале ионов. Метод состоял в следующем. Пучок гибридного (титан/сапфир - неодимовое стекло) лазера с длиной волны 1,053 мкм, энергией до 4 Дж, длительностью импульса 400 фс (по половинной интенсивности), диаметром 50 мм фокусировался параболическим зеркалом (f/3,3; f=16,5 см) в 10 мкм пятно с вакуумной интенсивностью 6•10¹⁸ Вт/см². Такой пучок воздействовал на струю газа высокого давления из Не ~7 МПа, вытекающую из сопла диаметром 1 мм поперек направления оси лазерного пучка. Плотность атомов Не в области фокусировки составляла ~ 4•10¹⁹ см^-3. При этом наблюдалось самоканалирование пучка внутри струи с образованием длинного канала полностью ионизированной плазмы ~ 1 мм, т.е. длиной порядка ширины газовой струи.

Результаты диагностики окружающего газа и расчетов убедительно свидетельствовали о возникновении волны ионизации и атомных возбуждений, быстро распространяющейся в радиальном направлении от оси лазерного пучка и обусловленной вылетающими из лазерного канала высокоэнергетичными ионами Не с энергией до 0,5 МэВ. Эти ионы ускорялись в радиальном направлении благодаря наличию в канале сильного лазерного поля. За счет столкновений с атомами окружающего газа ионы вызывали в нем атомные превращения (связанно-связанно и связанно-свободные электронные переходы) вследствие достаточно большой энергии ионов ~ 0,5 МэВ, хотя и недостаточной, чтобы вызвать ядерные превращения.

Известно техническое решение [2], выбранное в качестве прототипа, представляющее лазерно-плазменный метод инициирования ядерных реакций, включающий воздействие импульсного лазерного излучения на лазерную мишень, расположенную нормально или под углом к направлению оси лазерного пучка, с последующим воздействием ускоренных ионов на ядерную мишень, расположенную позади лазерной мишени.

В прототипе лазерный импульс с теми же характеристиками, что и в аналоге, падал под углом 45^o на пленку из майлара (H₈C₁₀O₄) толщиной 6 мкм, покрытую тонким (≥ 1 мкм) слоем дейтерированного полистерола. С тыльной стороны пленки на расстоянии 8 мм помещался образец из бора с обогащением ¹⁰В, так что в отличие от естественного бора концентрация ¹⁰В составляла 90%, а концентрация ¹¹В - только 10%. Под действием лазерного поля дейтоны из образовавшейся плазмы ускорялись по направлению к образцу практически по нормали к мишени (с угловым разбросом 20^o) и бомбардировали его. Средства ядерной диагностики регистрировали образование β⁺-активного изотопа ¹¹С.

Образование изотопа ¹¹С подтверждало протекание ядерной реакции ¹⁰B(d, n)¹¹C, вызываемой ускоренными лазерным излучением быстрыми ионами. Оценка показывала, что энергия ускоренных дейтонов составляла 1-2 МэВ. Зарегистрированный выход ¹¹С доходил до 10⁵. Эксперимент свидетельствовал, что ионы преимущественно ускорялись в плазме на фронтальной стороне, поскольку при покрытии фольги дейтерированным полистеролом с тыльной стороны активации не наблюдалось.

Предлагаемое изобретение направлено на создание компактного, с большой плотностью потока, ускорителя ионов на основе короткоимпульсного лазера для инициирования ядерных реакций с выходом, существенно превышающим тот, что был достигнут в прототипе.

Поставленная цель достигается благодаря использованию лазера с плотностью потока энергии ≥10¹⁹ Вт/см², высокой частоты повторения импульсов ≥100 Гц, движущейся мишени и специального профилирования лазерного импульса. При этом длительность лазерного импульса не должна превышать нескольких пикосекунд, а пятно фокусировки десяти микрон.

Повторяющиеся лазерные импульсы фокусируется на движущуюся мишень (лазерная мишень) в виде пленки (фольги) с толщиной, не превышающей несколько десятков микрон. Скорость перемещения лазерной мишени выбирается с тем расчетом, чтобы мишень сдвигалась на расстояние, большее размера пятна фокусировки, т. е. когда каждый последующий импульс попадает на еще не облученную поверхность мишени. При этом каждый лазерный импульс генерирует пучок быстрых ионов за счет электростатического и индукционного полей внутри плазмы с тыльной стороны фольги. Этот пучок быстрых ионов направляется на мишень с заданными свойствами (ядерная мишень), в которой происходят ядерные реакции.

Профилирование лазерного импульса в виде предимпульса с интенсивностью, много меньшей интенсивности основного импульса, или в виде низкоинтенсивного пьедестала, обеспечивает создание плазмы у поверхности мишени в целях более эффективной генерации быстрых ионов в момент прихода основной энергии импульса на лазерную мишень. Плотности потока энергии лазера ≥10¹⁹ Вт/см² обеспечивают генерацию ионов с максимальной энергией ≥10 МэВ и эффективной температурой ≥1 МэВ, что является достаточным для инициации большинства ядерных реакций.

Изобретение предполагает использование вращающейся мишени в виде коаксиального цилиндра. При этом внешняя цилиндрическая фольга (пленка) является лазерной мишенью, из которой ионы данного сорта ускоряются к внутреннему цилиндру, являющемуся ядерной мишенью. После каждого полного оборота внешний цилиндр сдвигается вдоль оси на расстояние, превосходящее размер фокального пятна. В ряде случаев лазерная и ядерная мишени могут быть совмещены. Это достигается в том случае, когда вещество мишени содержит как атомы-снаряды, так и атомы-мишени, например дейтерид лития (⁷LiD), облучение которого лазером позволяет ускорять дейтоны, которые бомбардируя литий, вызывают ядерную реакцию ⁷Li(d, n)⁸Be. В этом случае в качестве мишени достаточно использовать гомогенную мишень в виде вращающегося цилиндра. Длительность облучения определяется периодом полураспада продукта реакции.

Примеры реализации предложенного метода.

Пример 1. Лазерный метод производства нейтронов.

Титан-сапфировый лазер с длительностью импульса 20 фс и энергией 300 мДж фокусируется в пятно диаметром 1 мкм на поверхность вращающегося со скоростью 0,1 об/с цилиндра радиусом 1 см из лития (⁷Li), покрытого пленкой дейтерированного полистирола толщиной в несколько микрон. Лазер работает в режиме повторяющихся импульсов со скважностью 3•10^-4 с, а цилиндр перемещается вдоль своей оси со скоростью 0,2 мкм/с. Лазер производит 1,5•10⁶ нейтронов за вспышку за счет реакции ⁷Li(d, n)⁸Be, вызываемой дейтонами, ускоренными до характерной энергии 5 МэВ. При этом скорость производства нейтронов составляет 5•10⁹ с^-1. При длине цилиндрической мишени 1 см производство нейтронов может происходить в течение 14 ч.

Пример 2. Лазерный метод производства β⁺- активного изотопа ¹³N.

Титан-сапфировый лазер с длительностью импульса 10 фс и энергией 600 мДж фокусируется в пятно диаметром 1 мкм на поверхность вращающегося со скоростью 3 об/с цилиндра радиусом 100 мкм из пластика, покрытого пленкой дейтерированного полистирола толщиной в несколько микрон. Лазер работает в режиме повторяющихся импульсов со скважностью 10^-3 с, а цилиндр перемещается вдоль своей оси со скоростью 6 мкм/с. Лазер производит 4•10⁷ β⁺-активных атомов ¹³N за вспышку за счет реакции ¹²C(d, n)¹³N, вызываемой дейтонами, ускоренными до характерной энергии 10 МэВ. При этом активность мишени после ее облучения в течение периода полураспада ¹³N (10 мин) составляет 0,5 Ки. Для получения такой активности достаточно цилиндрической мишени длиной 4 мм.

Пример 3. Лазерный метод производства β⁺- активного изотопа ⁵⁶Mn.

Титан-сапфировый лазер с длительностью импульса 10 фс и энергией 600 мДж фокусируется в пятно диаметром 1 мкм на поверхность вращающегося со скоростью 3 об/с цилиндра радиусом 100 мкм из марганца (⁵⁵Mn), покрытого пленкой дейтерированного полистирола толщиной в несколько микрон. Лазер работает в режиме повторяющихся импульсов со скважностью 10^-3 с, а цилиндр перемещается вдоль своей оси со скоростью 6 мкм/с. Лазер производит 1,5•10⁷ β^--активных атомов ⁵⁶Mn за вспышку за счет реакции ⁵⁵Mn (d, p) ⁵⁶Mn, вызываемой дейтонами ускоренными до характерной энергии 10 МэВ. При этом, активность мишени после ее облучения в течение периода полураспада ⁵⁶Mn (2,5 ч) составляет 0,2 Ки. Для получения такой активности достаточно цилиндрической мишени длиной 5,5 см.

В изобретении предлагается использовать твердотельный лазер типа описанного в [3] с частотой повторения от нескольких до нескольких десятков кГц, чтобы увеличить выход ядерных реакций. Фокусировка на мишень осуществляется внеосевым параболическим зеркалом, что позволяет получить интенсивность в каустике более 10¹⁹ Вт/см². Примером ядерной реакции полученной с помощью короткоимпульсного твердотельного лазера с плотностью потока энергии до 5•10¹⁸ Вт/см² является реакция ¹⁰(d, n)¹¹C [2]. В этом случае из фольги дейтерированного полиэтилена в направлении вперед генерировался пучок дейтонов с энергией до 2 МэВ и расходимостью около 20^o, который направлялся на мишень из бора. Выход изотопа углерода ¹¹С составил около 10⁵ атомов за лазерный импульс, что при частоте повторения более 10 кГц дает коммерчески интересную наработку этого изотопа. Другим примером является реакция D(D, n)³He, интересная для создания мощного нейтронного источника, который мог бы применяться для материаловедения и дефектоскопии. Не исключено, что при достаточно высоких потоках лазерного излучения возможны ядерные реакции с выходом жестких гамма-квантов в количестве, достаточном для накачки гамма-лазеров.

Литература 1. G. S. Sarkisov, V.Yu. Bychenkov, V.N. Novikov et al. Self-focusing, channel formation, and high-energy ion generation in interaction of an intense short laser pulse with He jet. Physical Review E, 1999, V. 59, N. 6, pp. 7042-7054.

2. K. Nemoto, A. Maksimchuk, S. Banerjee et al. Laser-triggered ion acceleration and table top isotope prodaction. Applied Physics Letters, 2001, V. 78, N. 5, pp. 595-597.

3. O Albert, H. Wang, D. Liu et al. Generation of relativistic intensity pulses at a kilohertz repetition rate. Optics Letters, 2000, V. 25, N. 15, pp. 1125-1127.

Формула изобретения

1. Лазерно-плазменный метод инициирования ядерных реакций, включающий воздействие импульсного лазерного излучения на лазерную мишень, расположенную нормально или под углом к направлению оси лазерного пучка, с последующим воздействием ускоренных ионов на ядерную мишень, расположенную позади лазерной мишени, отличающийся тем, что используют лазерное излучение с длительностью импульса, не превышающей несколько пикосекунд, плотностью потока энергии ≥10¹⁹ Вт/см² и частотой повторения импульсов ≥100 Гц.

2. Метод по п.1 отличается тем, что ядерную мишень выполняют в виде фольги и перемещают поперек или под углом к оси лазерного пучка.

3. Метод по п.1 отличается тем, что лазерную и ядерную мишени выполняют в виде коаксиальных цилиндров и вращают вокруг оси, при этом лазерную мишень перемещают поперек оси лазерного пучка на расстояние, превосходящее размер фокального пятна после каждого полного оборота.

4. Метод по п.2 отличается тем, что лазерную и ядерную мишени совмещают и выполняют из вещества, содержащего ядра-снаряды и ядра-мишени.