Прогресс в исследовании реакций между легкими ядрами в

Отзыв
Проф. Э.А. Перельштейна на проект LESI
“Изучение реакций между легкими ядрами в астрофизической области
энергий”
Руководитель проекта: В.М. Быстрицкий
Настоящий проект посвящен исследованию pd, dd, d3He и 3Не4Не-реакций в области
энергий 2-15 кэВ. Интерес к изучению указанных процессов в ультранизкой области энергий
обусловлен необходимостью измерения астрофизических S-факторов и сечений данных
реакций с целью прояснения многих вопросов, существующих как в области астрофизики,
так и ядерной физики.
Так как сечения указанных реакций в области ультранизких энергий чрезвычайно малы и
составляют 10-39 ÷ 10-33 см2, то для измерения сечений данных величин необходимы пучки
частиц с плотностью ~ 1019 частиц/с∙см2 (>1А/см2) и более.
Прогресс в исследовании pd, dd, d3He и 3Не4Не - реакций в области ультранизких
энергий, наблюдающийся в последнее время, обусловлен появившейся возможностью
использования для этих целей как сильноточных плазменных ускорителей, так и
прецизионных по энергии линейных ускорителей ионов, рассчитанных на диапазон энергий
4-100 кэВ (при токе частиц 60 мкА).
Применение авторами настоящего проекта сильноточных ускорителей для создания
интенсивных потоков лайнерной плазмы в конфигурации прямого и инверсного Z - пинча
позволило им впервые получить количественную информацию об астрофизических факторах
и эффективных сечениях pd,- dd- реакций в области ультранизких энергий 1,8-3,7 кэВ.
Результаты, полученные авторами
впервые с использованием лайнерной плазмы,
свидетельствуют о том, что, с одной стороны, предложенная ими методика заслуживает
внимания и может быть эффективно применена для реализации программы изучения
ядерных реакций в астрофизической области энергий, а с другой - может рассматриваться
как основа ядерно-физической диагностики плазменных процессов.
Тем не менее, измерение сечений pd, dd, d3He и 3Не4Не-реакций с высокой точностью с
использованием лайнерной плазмы в конфигурации Z-пинча весьма проблематично. Это
связано как с отсутствием воспроизводимости условий проведения эксперимента от
”выстрела” (акт срабатывания ускорителя) к “выстрелу”, так и с достаточно большим
энергетическим разбросом
ускоренных ионов в плазменном потоке, прецизионное
измерение которого представляет собой самостоятельную сложную задачу. Указанные
обстоятельства существенно затрудняют интерпретацию экспериментальных данных в плане
определения сечений изучаемых реакций, т.к. искомые величины экспоненциально зависят
от энергии столкновения частиц во входном канале. В принципе, данные проблемы могут
быть разрешены путем существенной модификации как конструкции самого ускорителя, так
и системы измерения энергетического распределения ионов в плазменном потоке.
Отмеченные трудности стимулировали поиск альтернативных методов генерации
интенсивных плазменных потоков с энергиями ионов в диапазоне 2-15 кэВ.
В связи с этим, для продолжения исследований ядерных реакций с использованием
сильноточных ускорителей, лишенных недостатков, описанных выше, авторами был
разработан и создан импульсный источник ионов с замкнутым холловским током(с
баллистической фокусировкой, с импульсным напуском газа), позволяющий ускорять ионы
плазмы H+, D+ и 3He+ в диапазоне энергий 2-15 кэВ. Принципиальной особенностью
организации процесса ускорения в таких источниках является сохранение
квазинейтральности ускоряющего слоя, вследствие резкого ограничения поперечной
подвижности замагниченных электронов в магнитном поле. В этих условиях снимаются
ограничения плотности ионного тока пространственным зарядом. Это свойство позволяет
отбирать большие по величине ионные токи при весьма низких значениях ускоряющего
напряжения.
Данный метод получения интенсивных пучков ионов характеризуется устойчивостью
процесса ускорения, т.к. необходимый уровень и безинерционность ионной эмиссии
обеспечиваются внешним индукционным плазменным источником с импульсным напуском
газа.
К настоящему времени авторами проекта
выполнены детальные исследования,
посвященные выбору условий эффективной, устойчивой и высокоинтенсивной генерации
импульсных ионных пучков низкоэнергетичного диапазона. Создана система управления и
синхронизации всех источников питания ускорителя Холла для работы в частотном режиме
f = 1 Гц на основе программируемой оптоэлектроники.
С использованием мишеней из дейтерированного полиэтилена(CD2), тяжелой воды(D2 O)
и созданного ускорителя Холла выполнен первый цикл экспериментов по исследованию
dd – реакции в интервале энергий столкновения дейтронов 2.2 – 6.2 кэВ и pd- реакции при
энергиях столкновения протонов с дейтронами 8-10 кэВ.
В пределах статистических ошибок измерений отсутствует различие между
результатами, полученными авторами проекта, и результатами экспериментов, выполненных
с такими же мишенями, либо заполненных газообразным дейтерием. В то же время,
представленные авторами проекта результаты по измерению значений астрофизического S фактора и сечения dd- реакции существенно отличаются от результатов ряда других
экспериментов, выполненных с использованием металлических мишеней, насыщенных
дейтерием(TiD, TaD, ZrD). Привлекаются различные гипотезы для объяснения этого
феномена, и, в частности, гипотеза об электронном экранировании взаимодействующих
дейтронов в мишенях из дейтеридов металлов. Для прояснения природы существующего
различия в характеристиках указанных выше реакций в области ультранизких энергий
крайне желательно продолжить экспериментальные исследования, согласно проекту “LESI”,
с применением разработанных авторами методик, позволяющих получить прецизионные
результаты.
Проведение исследований pd, dd, d3He - реакций с использованием созданного
холловского плазменного ускорителя, комплекса диагностической и регистрирующей
аппаратуры, а также мишеней из CD2, D2O, TiD, TaD ZrD позволит разрешить актуальную
для ядерной астрофизики проблему – проблему, связанную с быстрым выжиганием легких
элементов во Вселенной, что, в свою очередь, может быть обусловлено ростом скоростей
протекания термоядерных реакций в плотной звездной плазме за счет наличия эффекта
электронного экранирования взаимодействующих ядер.
В целом проект весьма интересен как по физической тематике, так и по организации
экспериментов и должен быть рекомендован к его реализации.
Главный научный сотрудник ОИЯИ,
Профессор Э.А. Перельштейн