文摘

的aneutronic¹¹B(p,α)2α聚变反应的高能激光与物质的相互作用的研究已成为一个热门话题,因为它代表一个潜在的长期目标替代研究最多的氘氚反应。然而,典型的离子产品的检测,特别是阿尔法粒子,低利率的聚变反应是一项具有挑战性的问题,由于其低通量。诊断设备,可以实现之一laser-driven proton-boron聚变实验是汤姆森光谱仪(TS),能够检测和识别离子按照质荷比( ,在哪里数量和质量吗离子的原子序数)。在这项工作中,我们报告的最终测试TS,设计和发展在Frascati ENEA研究中心,意大利,上下文中的p +¹¹B融合实验。我们的设备灵敏度高和一个健壮的屏蔽电磁脉冲(emp)——在朋友实现激光设备(∼∼350 ps 700 J脉冲)的距离367 mm的激光等离子体相互作用的观点。我们这里分析获得的测量信号设备,专注于评估signal-to-background比率。尽管存在强烈的emp和背景辐射在laser-irradiated目标这么短的距离,TS被证明适用于有效地探测质子和重离子由于等离子体源。

1。介绍

氘和氚原子核之间的核反应(DT反应)是一个著名的候选人为未来核聚变发电厂和已经进行了广泛的研究在过去几十年(1]。利用DT反应的主要优点是启动所需的低能量融合过程和高反应截面质量重心的能量低于200 keV [2- - - - - -5]。然而,DT反应需要使用放射性燃料(氚)和产生中子。这些可以用于氚育种和杂交中国核反应堆(6,7),但也有一个能量转换效率低的缺点和激活材料相互作用。由于这些原因,neutronless 反应(3- - - - - -5,8)已成为一个话题的研究作为第三代替代DT反应核聚变反应堆。这个反应的峰值截面达到大约600 keV能量质量重心(3]。这可以在实验室条件下实现高功率激光脉冲与物质的相互作用,在特别设计的实验中,已经证明生产p +¹¹B反应(3,9- - - - - -15]。这些实验利用两个主要方案:(i)辐射特别设计的目标(如塑料目标掺杂硼或主机目标富含硅氢和硼10,12,14,15])和精力充沛的nano -皮秒激光脉冲来触发p +¹¹B聚变反应;(2)生成laser-driven质子束(通常使用微微和飞秒激光脉冲),直接到硼次要目标的聚变反应是启动(3,11,16- - - - - -18]。在这些类型的实验中,一个主要的挑战是由交互条件和准确的描述,特别是检测的典型产品的p +¹¹B聚变反应,即。,alpha particles with energies in the range of a few MeVs [3,19]。由于低利率的聚变反应,产生阿尔法粒子的数量通常是低,和生成的粒子通量,可以收集的诊断设备是有限的(16- - - - - -19]。此外,在高强度激光等离子体相互作用产生广泛的电离电磁(紫外线,X,γ)[20.)和粒子辐射(电子,离子)(21,22)和电磁脉冲(emp) MV / m秩序从射频到太赫兹频率范围23,24]。这些额外的辐射类型与诊断,经常会产生强烈的背景的“噪音”,阻碍了α粒子谱的测量。诊断设备放置在一个近距离的互动点往往受到辐射的损害。不同类型的诊断系统通常用于揭示高能离子在激光等离子体实验中,如飞行时间诊断、固态核跟踪探测器(cr - 39, PM355等等),和电场和/或磁场光谱仪(25- - - - - -27]。在后者中,汤姆森光谱仪(TS)代表一个著名和流行的解决方案,由于其电场和磁场的组合(28,29日),它允许偏转离子物种不同质荷比(一个/Z,在那里一个数量和质量吗Z原子序数)在不同的轨迹。然后粒子撞击探测器和画不同的抛物曲线根据他们的一个/Z价值。

近年来,密集的研究与发展进行了融合物理系ENEA相关为p +诊断设备¹¹B聚变反应的实验,特别是汤姆森光谱仪。TS已经开发的原型Frascati ENEA研究中心的意图来优化他们的阿尔法粒子的检测。这些设备被设计成放置在真空室近距离互动点,为了最大化收集粒子的数量,由于大型拦截立体角[30.,31日]。此外,他们的功能尺寸紧凑,短的长度弯折偶极子(磁和电)和临时屏蔽对emp。这些特性允许雇用他们接近EMP的交互点强度最大,诱发重大扭曲TS信号(12]。这些设备之一,是最近在PHELIX激光测试设施GSI(德国)在一次实验中,强大的员工(在多个几百千伏/米订单)生产,证明一个优秀的工作能力在这样艰苦的条件下的激光等离子体源的距离小于1米(32]。在这项工作中,我们报告的进一步测试这个设备:实验结果在laser-plasma-induced p +一个实验¹¹B聚变反应,表现在朋友激光设备(350 ps激光脉冲的能量约700 J)。在这个实验中,我们的目标是测试我们的诊断设备的性能在一个环境强烈的粒子辐照,电磁脉冲噪声,和电离辐射:典型的恶劣条件下的p +¹¹B融合实验。我们旨在有效地分离和检测质子和重离子,尤其是那些一个/Z= 2,阿尔法粒子,通过将我们的设备的距离小于367毫米的交互点。在下面几节中,我们将关注为质子和测量获得的评价一个/Z= 2离子。

2。材料和方法

2.1。汤姆森谱参数和实验装置

TS的磁场偏转的偶极子 和电极的电压可以达到最大的价值 (导致最大电场 )。TS的偶极子部分的长度l= 25毫米。粒子收集的TS通常由成像显示板(IPs),放置在设备的支持背面漂移后的空间l_D= 197毫米偏转偶极子和探测器。cr - 39探测器的实现也可能使用一个特别设计的框架,可以到位的IP支持。进一步的细节参TS参数报告。(30.,31日]。在表1,我们总结最重要的。在图1(一),我们将展示一种TS组件的示意图。黑色虚线表明辐射进入设备的轨迹通过双针孔总成(第一个针孔直径2毫米和第二个直径0.35毫米)并生成零级信号在IP:的x射线针孔图像交互。红色虚线代表了离子的轨迹,沿着偏转磁场和的电场。离子会影响探测器,生成抛物线的痕迹平面,根据方程(1) 在哪里和的电荷和质量被认为是离子分别;和相关系数是电场和磁场分布的偶极子TS,也考虑边缘效应的领域(见参考文献。(30.,31日为进一步的细节)。

我们评估的质量信号痕迹的质子和检索一个/Z= 2离子signal-to-background比率(SBR)。我们离散x设在图2,即,the horizontal axis on the IP image, in order to consider the actual resolution of the device. This is limited by the pinhole diameter as it is projected on the detector plane and can be evaluated by the thickness of the proton trace (it is inconvenient to evaluate it from the zeroth order in our case since the signal is oversaturated in that region). Hence, we graphically estimated that the pinhole image for protons is about 0.8 mm and for the other ions is about 0.6 mm. This gives the actual energy resolution of the TS for each specific trace. The retrieved signal is therefore divided into energy bins that correspond to subsets of pixels that have the same dimension as the pinhole image. According to the relation between horizontal position on the IP and energy of the particles, it is possible to calculate the average energy of each subset of pixels by considering its central position along the坐标(30.]。它是计算如下: 在哪里 , ,和电荷、质量,和考虑离子的能量分别;是相关系数t的磁场(见方程(1)和文献[30.为进一步的细节)。我们表示离散能量垃圾箱中,他们的平均能量 。然后,我们评估了信号在这些箱子通过集成的PSL值获得像素子集(30.]。背景信号的值进行评估通过集成IP的PSL值来自该地区附近粒子的痕迹,这是为每个位置跟踪执行。自适应背景是监控和减去。我们定义了signal-to-background比率 为每一个能量本。在图4我们报告,# 56027,所得的值和(质子和一个/Z= 2粒子在面板(a)和(b),分别;对于后一种情况,我们表示兆电子伏/核子而言,为了有一个等价的规模不同的离子物种可能导致的信号跟踪)。情节的人物4 (c)和4 (d)(质子和一个/Z= 2,分别)据报道。这些情节清楚地表明,检索跟踪超过背景噪音的信号在整个能量范围,分析这两种情况下的一个/Z= 1,一个/Z= 2。的质子,背景信号超过∼100倍范围0.1 - -0.7兆电子伏。在更高的能量, 为到 ,即。,in the spectral region where the collected particle charge diminishes (and, as a consequence, the values of the correspondent )。兆电子伏,1.2∼的最大能量还4的值。为一个/Z= 2跟踪(图4 (d)),通常很难检测由于其较弱的信号与质子跟踪相比,我们获得的 对离子能量从0.05到0.125兆电子伏/核子和 从约0.125兆电子伏/核子的最高可达到0.55∼兆电子伏能量/核子。

实验装置的示意图中使用的实验报告在图的朋友设施1 (b)。激光脉冲,波长λ= 1315 nm和∼350 ps的时间,有一个能量在600 J和700年之间,这要看情况而定。他们集中在一个坚实的目标在一个角度 从激光轴(见图1 (b)),产生强烈的 。使用不同类型的目标从拍摄到开枪将在下面几节中说明。我们的汤姆森光谱仪被放置在一个角度 从激光轴,视线与目标表面通过激光辐照。TS和目标之间的距离 (测量目标的入口针孔TS)。最大电压的电极TSΔV = 4 kV(导致电场E≈0.78 MV / m)。名义最大电压并不是由于真空条件不足。偏转粒子被发现的IPs BAS-TR类型(33,34]。在TS的前面,我们放置一个外部领导狭缝(约2毫米宽)额外的入射辐射防护。

2.2。扫描的成像板

实现ip BAS-TR型,富士胶片生产的。他们扫描后,每一个镜头,富士胶片IP扫描器bas - 1800 ii扫描仪(50μm像素大小分辨率、灵敏度年代= 4000,纬度l= 5)。这种类型的扫描仪产生的16位编码图像。为了获得photo-stimulated发光(PSL)值的像素,这是必要的正确的校准信号/ IP痕迹,我们使用以下公式(35]: 在哪里该决议(50μ米),灵敏度(4000),(5)纬度,QL编码量子水平,原始图像的分级(65335)。IPs是扫描每一个镜头后大约15分钟。这个延时引起的轻微褪色跟踪信号在IP,将约90%的原始值(36]。这一效应是由一个校正系数补偿,我们数值脚本中包含粒子谱获得的评价。

3所示。结果与讨论

3.1。评估汤森分光计的灵敏度

我们报告在图2(a)一个IP扫描作为一个例子,通常从进行检索。在这种特殊情况下(# 56027),在本节中,我们将详细分析,激光能量为661 J和使用的目标是10μ米厚的塑料薄膜掺杂¹¹b .痕迹的不同离子物种收集的TS上清晰可见IP扫描(没有数字对比增强用于图的形象2(a))。抛物线是分离一个来自所有检测到的其他能量,即。,信号不重叠甚至高能尾巴的痕迹。由于大立体角拦截装置,由367毫米的短距离启用到目标(见图1 (b)),我们获得了重要的离子的高通量(一个微妙的参数,尤其是重型物种)的信号,显示与准确性的TS灵敏度高。另一方面,由于其接近目标,TS暴露在强烈的电离辐射通量和电子激光目标生成的交互(20.),通常会导致背景噪音。这是不知何故从零级强烈的信号识别,在高X-yield直接影响着IP和导致饱和信号(即使多个扫描检测器)。然而,厚的实现外部领导狭缝(授予细长的零级垂直形状),定制的双针孔总成内部电子的偏转和收集,和厚金属屏蔽(ref所示。31日详情)有效保护该地区的IP离子了。我们TS也证实有显著的健壮性显著EMP字段(通常,在朋友设施,在一小部分的顺序MV / m∼1 m距离目标(24,37])。痕迹不特性的典型振荡的存在造成的emp当没有采取特别的预防措施。在参考文献。(12,38),非常震荡痕迹的照片所示的实验相同的伙伴。特别是,引用的结果(12我们报告在图)3相比之下,得到laser-driven p +的一个实验¹¹使用相同的方案B聚变反应实验。此外,这些结果是通过将TS外室和距离约1.5 - 2米的交互点。因此,本质上与员工低得多(超过一个数量级)比那些有经验的TS,我们在我们的实验中实现。附近的一个/Z= 1跟踪所产生的质子,较弱的痕迹是可见的在该地区较低的能量。这些都可能引起的一小部分低能粒子偏转的光束在不同轨迹的边缘领域偶极子和/或粒子偏转的一部分,这与导流板边缘,然后到达探测器。在放大的图2(面板(b)),我们用彩色的线表示对应的粒子的分析抛物线一个/Z= 1(质子)和一个/Z= 2(在这里,我们使用数字改善图像的对比度增强读者清晰)。这些线表示的数值对应的粒子在兆电子伏能量沿着抛物线(不同位置一个/Z= 2抛物线,我们认为这里的阿尔法粒子的能量)。

的分析一个/Z= 2跟踪还允许估计p +的最小值¹¹B反应导致阿尔法粒子的检测量,对于一种TR IP使用探测器。一般来说,信号电平的一个/Z= 2跟踪可以写成: 在哪里和C的贡献吗^{6 +}离子和阿尔法粒子,分别(注意,这里,能量的值兆电子伏/核子而言)。如果我们假设,由于使用的目标是塑料制成的,这是一个大量的来源完全电离的碳ions-the信号水平一个/Z= 2跟踪是完全由C^{6 +}离子,它可以被视为一个参考阈值α的检测。我们可以定义一个“最小可探测贡献”阿尔法的信号一个/Z= 2跟踪,对C的贡献^{6 +}离子。例如,假设阿尔法粒子的存在能被探测到的信号一个/Z= 2跟踪有两倍强度对参考的情况下,只有C^{6 +}离子存在,阿尔法粒子的最小可检测信号 。在以下部分的研究,提供了定量分析的粒子谱,我们将使用这些定义估计探测α粒子的最小数量。因此,最小可探测p +¹¹B reactions-intended生成的阿尔法粒子的总能量的激光脉冲能量的实验参数的竞选伙伴。

3.2。光谱检测离子一个/Z= 1,一个/Z= 2

值得强调的是,相关的信号一个/Z= 2抛物线可能包含两个阿尔法粒子的贡献和C^{6 +}离子,除了可能的O, N离子,可以出现在目标表面上的污染物。这些不能区分使用IP作为检测器。阿尔法粒子从C的区别^{6 +}离子,例如,可能需要替代技术的实现,例如,在某些情况下,使用求购以探测器和/或微分滤波器(39,40]。在这个初步的研究中,我们的主要目标是测试TS的敏感性及其能力获得质子和单独的信号一个/Z= 2离子使用ip。由于这个原因,在以下部分中,我们将分析从获得的光谱一个/Z= 2跟踪分别考虑两种情况下,即,under the hypothesis that the retrieved signal is entirely due to alpha-particles or alternatively entirely due to C^{6 +}离子。质子谱获得的一个/Z= 1跟踪显示在图5(一个)。检索到的最大能量1.2∼兆电子伏,频谱指数下降的斜率,作为laser-accelerated质子是典型。这个频谱使用IP校准曲线,我们得到报告在图5 (b)。> 350 keV能量,校准值是那些报道ref。33),红色标出。较低的能量,没有校准值TR IPs是可用的文学类型,作者的知识。因此,我们假定的线性响应范围0 - 350 keV的检测器,它由黑色表示图曲线的一部分5 (b)从虚线(左)。光谱的低能量部分,图上的虚线隔开5(一个),因此使用这种线性校准曲线,获得了最低质子∼100 keV能量,我们的设备能够检测。有一个更精确的频谱估计E< 350 keV,我们计划执行适当的IP校准质子博览会。

在数据6(一)和6 (c),我们获得的光谱一个/Z= 2跟踪,假设两个独立的情况下,信号的贡献在IP要么完全来自阿尔法粒子(面板(a))或完全从C^{6 +}离子(面板(c))。α粒子谱,通过使用图的校准曲线6 (b)截止2.2∼兆电子伏能量。在文献[这个校准报告41),类似于质子的情况下不提供校准值低于∼800 keVα粒子。出于这个原因,我们在这里再次使用一个线性响应评估的费用获得α谱,黑色部分表示的情节虚线(左)。的情况一个/Z= 2信号而不是完全由碳离子在图表示6 (c)并显示离子的最大能量6.6∼兆电子伏。对于这一分析,我们使用报告的校准曲线面板(d),通过使用方法在文献[42),实验数据的TR IP校准碳离子都配有一个多项式曲线。C校正数据^{6 +}离子从裁判。42),是一个离子能量∼12兆电子伏。实验标定数据能量3兆电子伏也报道,C^{3 +}离子,这些离子加速的阻止本领并不影响他们的电荷状态,我们认为报道多项式的裁判。42)延伸到更低的能量。更精确的评估加速粒子的数量在这两种情况下的阿尔法粒子和碳离子,TR IPs在低能量下的校准是必要的,并将在将来的研究中得到解决。然而,由于这项工作的主要目的是测试TS在proton-boron敏感性实验,证明其能力获取不同的信号一个/Z= 1,一个/Z= 2的痕迹,我们相信梁的初步评价,得到线性化/安装校正曲线的数据5 (b),6 (b),6 (d),服务好我们的研究的目的。

从获得的光谱一个/Z= 2跟踪,也可以定量估计的最低贡献α粒子与使用IP检测器检测,给出我们的实验条件。正如在前一节中所讨论的,我们可以假设的信号电平一个/Z= 2跟踪是完全由C^{6 +}离子,因此,可以作为参考背景水平,上面阿尔法粒子的信号需要被检测到。合理的场景是由阿尔法粒子的情况下,贡献导致最小的阈值有两倍强度的情况下只有C^{6 +}离子存在。因此,阿尔法粒子的最小贡献等于参考一个由碳离子,例如, 。这种情况下由光谱图6,在那里我们获得校准光谱的阿尔法和碳离子从IP检索使用相同的信号。事实上,频谱图6(一)代表可检测出的阿尔法粒子的最小数量,我们正在考虑。通过集成的曲线频谱,假设一个各向同性发射的粒子发射筒内的目标的度(半张角),粒子的总数和总能量的粒子束可以获得。注意,这种发射角的假说是由于我们的TS从目标的位置正常,也就是说,度。阿尔法粒子的总数,因此,估计 。这个值可以与C的数量有关^{6 +}离子获得 。这个值代表一个阿尔法粒子生成的最小数量的估计每加速C^{6 +}离子,从而导致阿尔法粒子的探测信号。阿尔法粒子的总能量,我们获得 ,导致,对激光能量,最低可检测获得的p +¹¹B的反应 。

在图7光谱之间的比较,我们报告了在两种不同的典型的镜头,这是评估方法和我们讨论了到目前为止的实验装置。为一个/Z= 2的痕迹,我们报告的情况下,α和C^{6 +}离子。同时,在这里,质子的数量和阿尔法(或C^{6 +}离子)在能源范围没有覆盖的IP校准中可用的文学,是评估使用线性检测器的响应。我们观察到这些镜头产生相似的光谱,对质子和一个/Z= 2离子的最大能量和估计。为质子,1.2和1.3之间的最大能量枪兆电子伏。这些结果与激光能量的一致,不同的不到5%(这是686年和661年为照片# 56025和# 56027焦耳,分别)。这表明TS能够提供可靠的测量激光产生质子和离子。为一个/Z= 2的痕迹,我们发现类似行为的能量分析照片是相似的(截止能量之间和2.2∼兆电子伏在阿尔法粒子和6.4和6.6∼∼兆电子伏的C^{6 +}离子,对镜头)。

4所示。结论

我们测试和分析了性能先进的汤姆森光谱仪的一个实验的高强度激光等离子体相互作用的起始p +¹¹B反应。设备的操作条件明显严厉,是典型的这种类型的实验:强烈的照射X的影响,γ,和EMP辐射发出等离子体被非常近距离放大设备的目标,即。,只有367毫米。尽管位置接近交互点,TS演示了一个非凡的健壮性与这些类型的辐射和相关的背景噪音。这使得检索的粒子信号高signal-to-background比使用TR-type IPs没有使用额外的过滤器的必要性。特别是,一个/Z= 1跟踪,我们获得了SBR的价值> 100能量范围0.7兆电子伏,> 10 1.1兆电子伏,并为更高的质子能量> 4。为一个/Z= 2跟踪,SBR在能源范围0.05 - -0.125兆电子伏/核子和在0.125 - -0.55范围兆电子伏/核子。这表明TS的屏蔽和双针孔总成的实现保护从传入X射线和伽马射线探测器产生的等离子体,同时允许收集足够高粒子数为一个高质量的信号。此外,痕迹不表现出典型的正弦调制引起的(如果没有采取特殊的预防措施)的存在是员工在RF频谱,据报道在裁判。12),非常相似的激光等离子体相互作用条件但TS设备是利用外部员工的互动室强度大大减少。这表明对这种类型的辐射屏蔽我们的设备提供良好的保护,尽管存在数量级的EMP字段可能高于0.5 MV / m,在衡量朋友设施(37]。我们的设置可以覆盖大立体角,高出了不止一个数量级对之前的其他设置,TS 1.5 - 2米远的目标。这增加的实际灵敏度TS,可以有资格作为一个有效的诊断工具阿尔法产品从低利率以前所未有的精度和SBR核聚变反应。在这个初步的活动中,我们使用TR IPs TS快速测试和评估的功能,尤其是SBR,这些探测器非常敏感。相同的TS已经配备了金属框架使用求购以探测器代替IPs。这将是未来的主要探测器使用阿尔法粒子的实际检测,由于其能力歧视入射离子在同一跟踪,从不同的轨道直径在求购以蚀刻后离开。在这个活动中,我们评估的光谱一个/Z= 1,一个/Z= 2跟踪几个镜头。质子的最大能量变化范围在1.2 - -1.3兆电子伏,和一个/Z= 2跟踪,考虑到完全剥夺了阿尔法粒子,我们获得的最大2.0 - -2.2兆电子伏能量(6.4 - -6.6兆电子伏的C^{6 +}离子)。测量光谱的定量分析照片的# 56027允许我们估计生成的阿尔法粒子的最小阈值导致的信号检测到高于背景信号,生成的C^{6 +}离子,在给定条件下,我们的实验。假设阿尔法粒子的存在可检测的信号一个/Z= 2跟踪相比增加了两倍的情况只有C^{6 +}离子存在时,我们获得了∼0.14生成的阿尔法粒子加速C^{6 +}离子作为最小值。的总α粒子能量的激光能量,我们获得一个最小值 。值得一提的是,这些可以显著降低阈值实现过滤技术,旨在减少检测C^{6 +}离子的能量范围从laser-driven p +α粒子的生成¹¹B反应(39,40]。结果得到了有关收集粒子数量的利用IPs的线性响应曲线的能量范围不受标定研究出现在文学。一般来说,低能量离子的IPs的校准是失踪在文学,和我们的目标是解决它在未来扩展的能力我们的TS提供完整的能量校准光谱范围。总之,我们已经成功地测试了我们的p + TS¹¹B反应实验高能激光器,在计划和实验条件,到目前为止,阿尔法收益的最大数量。这些测试的结果清楚地表明,该诊断可以有效地用于高灵敏度检测,歧视,和生产的阿尔法粒子谱实验p +¹¹B核聚变反应环境和高背景值由高能和高强度激光脉冲引起的。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作进行了EUROfusion财团的框架内,通过原子能共同体由欧盟资助的研究和培训计划(批准的协议。101052200 - eurofusion)。这项研究部分由教育部资助,捷克共和国的青年和体育项目“高级研究使用高强度激光产生的光子和粒子”(CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000789)。