Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом относится к классическим разделам атомной и ядерной физики. С развитием ускорительной техники, направленной па создание мощных ускорительных установок, позволяющих получать мощные пучки тяжёлых ионов ГэВ-ных энергий с полной энергией в пучке до 100 кДж, особенно вырос интерес к исследованиям процессов при взаимодействии интенсивных пучков тяжелых ионов с веществом в диапазоне энергий от десятка до сотен МэВ/а.е.м. [ 1-3]. Это обусловлено необходимостью знания точных значений фундаментальных параметров взаимодействия и развитием новых направлений их использования, как медицинских - таких как пучковая терапия [4], позитронно-эмиссионная томография [5], так и поиск пути решения энергетических проблем - инерциальный термоядерный синтез (ИТС) на пучках тяжелых ионов, где ускорители тяжелых ионов с энергией ионов около 5 -10 ГэВ рассматриваются как перспективные для использования в качестве тяжелоионного драйвера.
На сегодняшний день в мире проводится большое количество теоретических и экспериментальных работ по изучению фундаментальных физических процессов, определяющих конструкцию термоядерной мишени и необходимые параметры будущего драйвера [б]. Расчет параметров драйвера тяжелоионного инерциального синтеза требует адекватного количественного описания процессов взаимодействия тяжелоионных пучков с плотной плазмой в широком диапазоне параметров. Основное энерговыделение пучка тяжелых ионов в разных типах термоядерных мишеней будет проходить в плотной (nt > 1022 см""3) высокотемпературной (Tt = 100 — 300 эВ) плазме, образованной этим же энерговыделением. Таким образом, пробеги тяжелых многозарядных ионов в мишени и ионизационные потери будут обусловлены тормозной способностью плотной высокотемпературной плазмы. Следовательно, знание величин пробегов и профилей энерговыделения тяжелых заряженных частиц в плазме позволят более точно рассчитать конструкцию термоядерной мишени.
В настоящее время экспериментально получить плазму с твердотельной плотностью, необходимую для проведения исследования в рамках программы ИТС, с помощью интенсивного пучка не представляется возможным. Поэтому для изучения процессов, происходящих при торможении ионов в ионизированном веществе, используют плазму созданную другими способами (разряд в газе [7,8], капиллярный разряд [9], лазерная плазма [ 10], плазма взрывного генератора [11] и т.д.). Эксперименты по измерению потерь энергии ионов в плазме различных газов [12-16] позволили получить ряд ценных данных по особенностям торможения тяжелых заряженных частиц в ионизовапиом веществе с плотностью свободных электронов порядка 10" — 10м см""3.
Потребность в новых экспериментальных данных по торможению тяжёлых ионов в плазме с электронной плотностью выше 10м см""3, необходимых для адекватного качественного описания процессов взаимодействия тяжёлоионных пучков с плотной плазмой в широком диапазоне параметров, является принципиальным обоснованием актуальности дапных исследований.
Цель работы. Сястеыжическоеэкспериментальноеисследованиеэнергетическихпо-терьк зарядового распределения ионов различных атомных масс в диапазоне энергий 3.6 - 11.4 МэВ/а.с.м. в плазме с электронной плотностью выше 10" см~'.
Общая методика исследований. Импульсный характер работы плазменной мишени определяет необходимость регистрации с временным разрешением энергетических потерь и зарядового распределения тяжёлых ионов при взаимодействии с плазмой капиллярной мишени. Измерение энергетических потерь тяжёлых ионов проведено по методике времени пролёта (time-of-flight или ToF метод), использующрігчистотную^йгулвцию пучка ионов
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА 1
линейного ускорителя. Зарядовое распределение тяжёлых ионов измерено на магнитном анализаторе, изображение зарядовых составляющих пучка получаемое на сцинтилляторе развернуто по времени с помощью фоторегистратора (стрик-камеры).
Научная новизна работы выражается в следующем:
Впервые проведено измерение давления в плазменной мишени с испаряющейся стенкой на основе сильноточного капиллярного разряда (далее КРИС) с пространственным (вдоль длины капилляра) и временным разрешением (~ 50 не). Получены экспериментальные данные по поведению давления для трех значений диаметра капилляра. Показано, что установление однородной по объёму мишени плазмы происходит через ~3 мке от момента генерации плазмы со временем жизни однородной плазмы ~1 мкс.
Проведено систематическое измерение энергетических потерь пучков ионов С, Кг, Pb, U с энергией 3.6 - 11.4 МэВ/а.е.м. в плазменной мишени на основе КРИС, с плотностью свободных электронов в диапазоне 10м см~3 - 5 10м см~3. Из анализа экспериментальных данных видно, что зафиксированный эффект увеличения энергетических потерь ионов в плазме по сравнению с холодным веществом обусловлен взаимодействием со свободными электронами плазмы.
Проведено сравнение полученных экспериментальных данных по энергетическим потерям ионов С, Кг, РЪ, U с энергией в диапазоне 3.6 - 11.4 МэВ/а.е.м. в плазменной мишени с энергетическими потерями протонов той же скорости. Отношение данных для ионов и протонов сравнивается со средним выходным зарядом ионов и расчётной величиной для холодного газа. Показано, что заряд ионов в частично ионизованной неводородной плазме практически совпадает с величиной для холодного газа.
На основе экспериментальных данных по энергетическим потерям и зарядовому распределению ионов U2 8 + и U7S+ (с энергией EQ = 11.5 МэВ/а.е.м.) на выходе из плазменной мишени впервые экспериментально обнаружен эффект перехлёста выходного заряда на выходе из плазменного объёма. Полученные значения среднего равновесного заряда пучка ионов на выходе, q = 63 ± 0.5 для ионов {776+ и q = 64.5 ± 0.5 для ионов [/28+, указывают на влияние тормозных потерь ионов на величину среднего равновесного заряда на выходе из мишени.
Практическая ценность работы. Продемонстрирована возможность использования капиллярного разряда в качестве хорошо контролируемой мишени в экспериментах по торможению ионов в плазме.
Полученные в диссертационной работе новые экспериментальные результаты по энергетическим потерям ионов и по зарядовому распределению ионов в плазме с плотностью свободных электронов в диапазоне 10" см"3 - 5 10" см"3 могут послужить основой для доработки современных теоретических моделей описывающих процессы взаимодействия тяжёлоионных пучков с плазмой.
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на "Всероссийской Конференции по Физике Плазмы", Звенигород, 2001; на международном семинаре "Physics of High Energy Density in Matter" International Workshop at Hirschegg, Klein-Walsertal(Austria), 2001; на XTV международном симпозиуме "Heavy Ion Inertial Fusion", Москва, 2002; на 30* международной конференции EPS "Controlled Fusion and Plasma Physics", С.Петербург, 2003; семинары ИТЭФ, других странах.
Публикации автора. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ (статьи, тезисы докладов). Основные публикации автора по теме диссертации см. в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, а также из списка использованной литературы — всего 130 страниц текста, созданного пакетом программ компьютерной системы типографского набора ШЛХ, включая 39 рисунков и библиографию из 119 наименований.
