文摘

在准备实验用激光产生强烈的质子束激光聚变研究中心在绵阳调查11B (p,α)2α反应,我们进行测量以非常低的质子能量140 keV和172 keV之间使用高压平台现代物理研究所,兰州。这个实验的目的是测试使用cr - 39探测器跟踪截面测量的能力,重新测量截面的这个反应接近第一共振使用厚的目标的方法。我们获得了横截面σ= 45.6 156 keV附近12.5 mb。我们的结果证实了可行性核反应的cr - 39型轨道探测器测量也在低能区域。

1。介绍

的11B (p,α)2α聚变反应在许多领域显示了巨大的前景。例如,p11B融合被认为是一种中子自由核反应和是聚变能的有利的候选人1,2]。的横截面11B (p, 3α)为结构提供了一个直接调查12C (3]。反应的研究也能提供有用的信息来解释天体物理元素的丰度,,和B在年轻的主线F和G明星(4]。此外,11B (p,α)2α反应提供了一种治疗癌症的新方法(5]。

的11B (p,α)2α核聚变反应是第一个研究在1930年代,奥列芬特和卢瑟福6]:

不久之后,迪和吉尔伯特(7)观察到B的细分为三个粒子云追踪照片。然后,研究了反应多次测量其横截面(8- - - - - -10]。基于这些实验数据,截面由奈文斯给出的经验公式和斯温11]。2005年,Belyaev et al。12通过实验实现了p11B聚变反应通过强烈的ps首次激光束。最近,实验使用laser-driven质子束流初始化p11B聚变反应了增加α收益率(13,14),导致兴趣重燃科学界可能聚变能的应用。

在laser-driven p11B聚变实验,cr - 39类型跟踪探测器是用来代替硅探测器像往常一样核物理实验检测电离粒子(12- - - - - -14]。cr - 39类型跟踪探测器polyallyl-diglycol-carbonate (PADC) C组成的电影12H18O7。cr - 39类型跟踪探测器测量离子的绝对数量和不敏感的电子和光子通量低(15]。在准备实验用激光产生强烈的质子束激光聚变研究中心在绵阳调查11B (p,α)2α反应,我们进行了一个实验来测试的适用性cr - 39型截面测量跟踪探测器。我们重新度量界限的横截面11B (p,α)2α接近它的第一共振,相比以前的结果。

在这里,我们报告一个测量截面厚类型跟踪目标和cr - 39探测器在140 keV - 172 keV的质子能量范围。

2。实验

在320千伏高压实验进行了平台在兰州近代物理研究所的,映射在keV能量共振区域的质子能量 。如图1(一)、质子束通过磁四极透镜和法拉第杯。然后专注于目标的焦斑直径约1毫米。如图1 (b),入射能量的质子束不一140 keV 172 keV步骤4 keV能量的准确性 。我们使用厚的天然硼的目标,并进行了辐射照射目标从上到下,留下一个4毫米的间隙之间照射的地方。电子束电流一直到1μ我们旨在对目标总质子数 和一个法拉第用于监视。质子束的安排,是平行垂直于目标和cr - 39探测器跟踪。目标是天然硼密度为2.35 克/厘米3由80.1%11B和19.9%10b .目标厚度5.0 0.1毫米的尺寸40 1毫米 44 1毫米。

(一)
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(b)
(b)
图1
实验设置。(一)质子束通过镜头和法拉第杯磁翻了两番,然后集中到目标(灰色)和cr - 39 (b)型轨道探测器(橙黄色)。质子能量扫描140 keV 172 keV的执行步骤4 keV附近的Ep = 163 keV共振,形成9点4毫米的间隔。每个能量的辐照时间大约是200年代,电子束电流约为1μ答:任何地区收集的粒子(例如,红色圆圈)的cr - 39探测器跟踪是所有九个入射质子束流的贡献。

cr - 39型轨道探测器,50的大小 1毫米×50 1毫米×1 0.1毫米,放置在90°垂直于目标表面的距离从入射电子束的位置(图3毫米1 (b))。辐照后,cr - 39型轨道探测器是化学蚀刻在6.0 mol / L氢氧化钠溶液和保持在一个恒定的温度 °C 1 h。然后cr - 39型轨道探测器被洗涤处理,浸泡,干燥,消除干扰的水滴,污渍,灰尘,等。在这之后适当治疗,的足迹α粒子与各自的直径和质子cr - 39型轨道探测器是由一个自动跟踪成像和测量图像分析仪。轨道直径的测量误差不超过0.05。

3所示。结果与讨论

这两个,α粒子和分散质子达到cr - 39径迹探测器类型,因此,有必要告诉他们分开使用直径为特色。我们测量α粒子跟踪cr - 39型轨道探测器使用标准241年是源排放α粒子的能量5.49兆电子伏,如图2(一个)。轨道直径α粒子接近到10μ米,与希克斯(的结果是一致的16),蚀刻cr - 39型轨道探测器的解决方案相同的浓度和温度。根据希克斯的结果,质子直径小于α粒子直径。结合我们的研究结果与希克斯”,我们相信,有伟大的质子和之间的轨道直径差异α粒子,从图2 (b)很明显区分不同直径的跟踪。这里,质子的椭圆轨道造成的很大的反向散射角。如图1 (b),cr - 39型轨道探测器收集到的粒子来自九个不同事件。因此,颗粒定向到事件地点很远的地方会有一个大的入射角,从而导致椭圆轨道。

(一)
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(b)
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(c)
(c)
(d)
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图2
cr - 39型轨道探测器轨道。(一)5.49兆电子伏α粒子跟踪的241年我3 h(蚀刻后放射性源。(b)实验3 h(蚀刻后粒子跟踪。(c)实验1 h蚀刻后粒子跟踪。(d)实验粒子跟踪5嗯Al 3 h后的腐蚀。

图3显示检测到的粒子跟踪的函数的数量不同腐蚀时间的轨道直径。图中的红线代表一个double-gauss-curve配件。为蚀刻时间1小时,3小时,有两个高斯峰。第一个峰值是由于质子,第二个峰值是由于α粒子。

(一)
(一)
(b)
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图3
不同腐蚀时间后统计直方图的粒子跟踪。(一)1 h蚀刻后粒子跟踪。(b) 3 h(蚀刻后粒子跟踪。图中的红线是double-gauss-curve适合跟踪号码作为其直径的函数。

图2 (b)和图2 (d)显示追踪没有电影和5 m Al电影3 h蚀刻后,分别。我们发现跟踪的数量与Al cr - 39型轨道探测器电影远低于没有Al电影,因为大部分的粒子质子和低能质子被艾尔电影过滤掉,这是符合结果如图3。

此外,图3显示,当蚀刻时间1 h,质子直径和跟踪α轨道直径明显重叠;当蚀刻时间3 h,两个轨道的重叠面积很小。这是由于这样的事实:质子和蚀刻率α粒子轨迹是不同的。随着腐蚀时间的增加,轨道直径的差距将逐渐增加。因此,它更令人信服的区分两种粒子的蚀刻时间超过3小时。

然而,仍然有一些歧义,因为一些粒子跟踪有一个大范围的相互屏蔽一个蚀刻时间3小时后。因此,我们决定计算的产生基于腐蚀时间1小时。

如图3(一个),因为质子直径和跟踪α轨道直径大幅重叠,我们最后选择两条高斯曲线的交点来区分两种粒子。因此,轨道直径超过2.7被认为是由于α粒子。有了这个假设,相对系统误差是7%。

如图1 (b),对于任何区域(例如,探测器上的红色圆圈),cr - 39型轨道探测器,收集到的粒子的贡献9入射质子束流。我们选择九个地区与均匀亮度cr - 39型轨道探测器和更少的气泡附近的每一个地方,然后构造方程如下: 在哪里Nα,j是α粒子产生对应于jth入射光,N求购以(我)的数量α颗粒检测到我thcr - 39型轨道探测器地区,Ωij是固体的角度jth质子束的我thcr - 39式跟踪探测器。ρij代表的比例α粒子可以逃离的总量的目标α产生的粒子。

在厚的目标情况下,反应截面的变化引起的质子能量沉积在目标必须考虑。总反应截面厚目标如下(17]: 在哪里n是原子密度的目标,N(E)是α粒子每质子和质子能量产量E,μ是目标核的吸收系数,θ是目标平面的法线方向的夹角和入射粒子的方向,φ是目标平面的法线方向的夹角和探测器。因子1/3纠正,对于每一个反应,三人α创建粒子。

在我们的实验中,质子能量140 keV - 172 keV,硼和穿透深度的目标是约恩。的能量α粒子产生的p11B大约反应,1伏和4兆电子伏。根据SRIM代码和α光谱的入射质子能量165 keV [10),我们可以安全地假设几乎所有α粒子通过1嗯浓硼和cr - 39型轨道探测器。因此,第二项公式(3)可以被忽略。

图4(一)显示了α产量每质子事件的不同能量质子束,其中红线是曲线拟合实验数据的标准偏差为24%。图4 (b)显示了p的横截面11B融合,目前获得的数据是基于公式(3)和横截面的误差为28%。我们可以发现156 keV附近出现共振,共振截面测量是45.6 12.5 mb。峰值的位置略有公认的共振能量转移到左边的163 keV [6],横截面的价值和以前作品是一致的(8- - - - - -10,18]。

(一)
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(b)
(b)
图4
(一)α每个质子产生。红色的线是曲线拟合。(b) p11B截面(引用的数据是8- - - - - -10,18])。这里,我们已经纠正贝克尔的价值乘以一个因素的2/3。

主要的错误是由于:(1)在图的拟合误差24%4(一);(2)12%的统计误差造成的粒子计数cr - 39型轨道探测器;和(3)7%的系统误差。

前4的高值从质子后向散射截面的结果。如图3(一个),质子轨道重叠α粒子跟踪在一个大范围,所以一些质子会被误认为是α粒子在粒子计数。此外,第一个质子束可能不是垂直于目标,但一个角度目标平面,这将导致大的反向散射和高粒子计数。

共振峰的变化主要是由于谐振峰值附近的数据非常有限,使用厚的目标。根据蒙克(18),实验室系统的共振宽度163 keV 5.76 keV,而能量间隔是4 keV的质子束流实验,这意味着几乎没有能量点测量谐振峰值附近。因此,这将导致大量的拟合误差峰值位置,从而导致峰值的转变。

当比较这些截面时,我们注意到所有的值明显偏离从贝克尔等的测量。10]。我们怀疑这是由于标准化的问题。贝克尔认为应该使用校正因子2在计算截面时因为三分之二的α粒子可以检测到一个聚变反应检测器覆盖大立体角,而其他人把总α粒子产量的3倍。考虑我们的实验中,我们选择了几个地区在cr - 39型轨道探测器计数α粒子。图像显示在图2,它的大小是238.9μ米 183.77μm,图像相对于最接近的立体角事件点ΔΩ≈10−4rad。这是建议α粒子所产生的 反应质量系统的中心是各向同性的(10),如果总α反应生产的数量N总,那么α数量可以收集在一个地区立体角ΔΩ应该N总 ΔΩ/ 4π。考虑到一个反应会产生三个α粒子,因此,3倍应该划分在计算截面。在图3 (b)我们已经纠正贝克尔的价值乘以2/3的一个因素。

4所示。结论

在这个实验中,在低能量hydrogen-boron核反应截面的研究。实验在320千伏高压平台上进行的,和cr - 39类型跟踪与高灵敏度检测器,带电粒子被用来记录粒子的收益率。我们可以区分质子和α粒子在cr - 39型轨道探测器根据他们的轨道直径,蚀刻后6.0 mol / L氢氧化钠溶液在一个恒定的温度 °C 3小时。更有效的区分两种粒子的蚀刻时间超过3小时。九个入射质子束流,粒子构建实验室获得的收益率方程。根据目标产量和厚的积分公式α粒子能谱,我们获得的峰值截面σ= 45.6 156 keV附近12.5 mb。的峰值与以前的结果一致8- - - - - -10,18],共振的位置略转向左边。共振峰的变化主要是由于谐振峰值附近的数据非常有限,使用厚的目标。我们的结果显示测量的可行性与cr - 39反应截面类型跟踪探测器在低能区域。

数据可用性

的数据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。

作者的贡献

Yongtao赵发起和组织了这次实验。佛山市顺德,徐星,陈竞争,赵Wang Zexian周,鲁麟史和瑞程一起进行实验。佛山市张郝徐、邓中国围棋,音译)周蚀刻和类型跟踪扫描cr - 39探测器。Wenqing魏,任Jieru Benzheng Chen腹股沟淋巴结炎妈,Zhongmin胡锦涛,芳芳,Lirong Liu Mingzhe杨产品Lai宏伟悦,杰,Zhongfeng Xu Guanchao赵,Bing Liu迪罗Yongtao赵,迪特尔·h·h·霍夫曼贡献了实验数据的物理解释。佛山市顺德张WenQing魏,任Jieru Yongtao赵,迪特尔•霍夫曼起草了纸和所有合作者的修订手稿批判性。所有作者批准了最终版本并同意负责出版工作的所有方面确保相关问题的准确性或完整性的任何部分工作适当的调查和解决。

确认

这个实验是在兰州320千伏高压平台执行。作者感谢现代物理研究所的工作人员。国家重点支持的工作是中国的R & D项目(2019号yfa0404900),中国科学的挑战项目。TZ2016005,中国国家自然科学基金(U2030104号,12120101005,12175174,11975174),中国博士后科学基金会(2017号m623145)、激光与物质相互作用国家重点实验室的基础(SKLLIM1807号和SKLLIM2106),中央大学和基础研究基金。