Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be
A nuclear physics method to determine the intense proton beam characteristics by detecting the alpha particles emitted due to the 11B(p, a)8Be reaction is presented. This method has been successfully used in the diagnostics of high-current proton beams on a collective accelerator.
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4735 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be / И.И. Залюбовский, Н.П. Дикий, Д.В. Медведев, И.Д. Федорец // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 75-79. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860180711593476096 |
|---|---|
| author | Залюбовский, И.И. Дикий, Н.П. Медведев, Д.В. Федорец, И.Д. |
| author_facet | Залюбовский, И.И. Дикий, Н.П. Медведев, Д.В. Федорец, И.Д. |
| citation_txt | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be / И.И. Залюбовский, Н.П. Дикий, Д.В. Медведев, И.Д. Федорец // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 75-79. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | A nuclear physics method to determine the intense proton beam characteristics by detecting the alpha particles emitted due to the 11B(p, a)8Be reaction is presented. This method has been successfully used in the diagnostics of high-current proton beams on a collective accelerator.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:01:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.1.08;539.12.076;621.384.6
© 2008
Член-корреспондент НАН Украины И.И. Залюбовский, Н.П. Дикий,
Д.В. Медведев, И.Д. Федорец
Диагностика интенсивных протонных пучков на основе
ядерной реакции 11B(p, α)8Be
A nuclear physics method to determine the intense proton beam characteristics by detecting
the alpha particles emitted due to the 11B(p, α)8Be reaction is presented. This method has been
successfully used in the diagnostics of high-current proton beams on a collective accelerator.
Параметры интенсивных пучков ускоренных ионов должны определяться в условиях со-
провождающего их генерацию большого фона из жесткого рентгеновского (тормозного)
излучения и высокого уровня электромагнитных помех. Это сильно усложняет примене-
ние электрофизических и оптико-физических методов, которые должны дополняться ядер-
но-физической диагностикой, считающейся в настоящее время наиболее надежной, а в це-
лом ряде случаев — безальтернативной. Каждый из методов, используемых в ядерно-физи-
ческой диагностике, также имеет свою область наиболее эффективного применения и для
ее расширения нуждается в усовершенствовании.
Когда энергия ионов достаточна для того, чтобы вызвать ту или иную ядерную реакцию,
характеристики пучка можно определять, измеряя выход продуктов из соответствующей
реакции. Поскольку энергия сильноточных ионных пучков, генерируемых отражательными
системами, и коллективно ускоренных ионных сгустков часто находится в интервале от де-
сятков до сотен кэВ, этот диапазон оказывается недостаточно обеспеченным уже разрабо-
танными ядерно-физическими методами диагностики. Чтобы использовать для этой цели
подходящую в конкретных условиях эксперимента ядерную реакцию, прежде всего необхо-
димо иметь соответствующую мишень, стойкую к повреждающему действию падающих на
нее интенсивных пучков. Предпринимаемые меры и средства по ослаблению такого дейст-
вия, как правило, существенно усложняют диагностику. Сечение используемой реакции
должно быть хорошо известным, а выход продуктов — эффективно измеряемым в слож-
ных фоновых условиях.
Если на мишень, содержащую n атомов на 1 см2 какого-либо изотопа, падает пучок
из N частиц с энергией E, то число частиц N0, образующихся в результате вызываемой
этими частицами ядерной реакции, определяется выражением
N0(E) = nNσ(E),
где n = NAρ∆x/A; NA — число Авогадро; ρ — плотность вещества мишени; A — масса
атома мишени; ∆x — толщина мишени. Предполагается, что толщина ∆x достаточно мала,
чтобы энергия E не изменялась заметным образом при прохождении частиц через мишень.
Если N0(E) измерено, можно определить число упавших на мишень частиц. Для измерений
с интенсивными импульсными пучками, как правило, используются мишени с толщиной,
превышающей пробег налетающих частиц. Поэтому выход реакции необходимо проинтегри-
ровать по толщине мишени, учитывая энергетические потери dE/dx за счет торможения.
Процедура интегрирования существенно упрощается для резонансных ядерных реакций,
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 75
Рис. 1. Кинематическое соотношение между энергией Eb испущенных под углом θ = 135◦ частиц и энерги-
ей Ea налетающих ионов для реакций 11B(p, α)8Be, 9B(p, α)6Li и 3H(d,n)4He
благодаря резонансному поведению σ(E). Эффективное сечение резонансной реакции мак-
симально при резонансной энергии ER. Сечение в окрестности резонанса шириной Γ опи-
сывается выражением
σ(E) =
Γ
4
σR
(E − ER)2 +
Γ2
4
,
где σR — эффективное сечение в максимуме резонанса. Для узкого резонанса, при условии,
что энергия ионов существенно превышает резонансную (т. е. E − ER ≫ Γ), процедура
интегрирования упрощается еще больше и выражение для выхода из толстой мишени будет
следующим:
Y =
1
ε(ER)
π
2
σRΓ,
где ε(ER) = (1/n)dE/dx — эффективное сечение торможения для резонансной энергии.
В работе предлагается для определения параметров интенсивных пучков низкоэнерге-
тичных ионов использовать ядерную реакцию 11B(p, α)8Be c регистрацией выхода α-час-
тиц. В энергетической зависимости сечения этой реакции σ(E) наблюдаются [1] резонан-
сы при энергиях налетающих протонов 162,8 и 675 кэВ. Для диагностики предлагается
использовать более низкоэнергетичный резонанс 162,8 кэВ с относительно низким сечени-
ем σR = 10 мбн, но с достаточно малой шириной Γ = 5,3 кэВ. Резонанс при энергии 675 кэВ
имеет ширину Γ = 150 кэВ.
Энергия Eb образовавшейся в результате реакции A(a, b)B частицы b зависит от энер-
гии Ea налетающей частицы a, массы частиц a и b, массы ядер A и B, а также от угла вылета
частицы b. Энергия Eb определяется кинематическими соотношениями и энергетическим
балансом реакции. На рис. 1 для сравнения приведены зависимости Eb(Ea), вычисленные
из кинематических соотношений для реакций 11B(p, α)8Be, 9B(p, α)6Li и 3H(d, n)4He. Две
последние реакции имеют характеристики, более благоприятные для использования их в ди-
агностике пучков ионов низкой энергии, чем первая. Так, сечение реакции 9B(p, α)6Li при
76 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
энергии протонов 350 кэВ равно 300 мбн [2], а энергия испускаемых α-частиц не превышает
1,5 МэВ. Большой выход и относительно низкая энергия α-частиц создают благоприятные
условия для их детектирования. Однако реакция 9B(p, α)6Li с широким резонансом в функ-
ции возбуждения при Ep = 350 кэВ [2] эффективно может быть использована только для
диагностики пучков ионов с энергией, превышающей 300 кэВ. Сечение реакции 3H(d, n)4He
при энергии дейтронов 107 кэВ равно 4950 мбн [3]. На коллективном ускорителе для диаг-
ностики низкоэнергетичных ионов можно было бы использовать эту реакцию с применением
тритиевой мишени и инжекцией дейтериевой плазмы в область виртуального катода.
Несмотря на то что метод диагностики пучков по выходу нейтронов относительно прост,
по точности и надежности он значительно уступает ранее развитому активационному ме-
тоду, который, в свою очередь, часто дает заниженные оценки интенсивности потока ионов
из-за частичного испарения тонкого слоя мишени с активированными ядрами. К тому же
ионы плазменной установки могут кроме мишени бомбардировать и другие материалы,
вызывая побочные реакции с выходом нейтронов. Однако основной причиной, усложняю-
щей использование реакций 9B(p, α)6Li и 3H(d, n)4He, является ряд пока еще не решенных
проблем, связанных с применением бериллиевых и тритиевых мишеней.
Материалом для мишени при использовании реакции 11B(p, α)8Be может служить кар-
бид бора B4C. Поскольку в естественный состав бора входит 81,3% изотопа 11В, вещество
мишени в этом случае не нуждается в обогащении. В работе использовалась полученная ме-
тодом синтеза при высоком давлении и температуре мишень, которая отличалась повышен-
ной стойкостью к повреждающему воздействию токов большой плотности. Это избавляло
от необходимости использования ослабляющих пучок защитных экранов.
Учитывая довольно низкий выход α-частиц из реакции 11B(p, α)8Be, имеющих, к то-
му же, энергию около 3 МэВ, необходимо было обеспечить высокую эффективность их ре-
гистрации. В работе это достигается с помощью соответствующего выбора детектора и опти-
мизации процедуры детектирования. Наиболее целесообразным представлялось использо-
вание достаточно высокоэффективного трекового твердотельного детектора, стягивающего
максимально большой телесный угол. Увеличивающееся при этом воздействие рассеянного
пучка на детектор исключает применение часто используемого для регистрации продуктов
ядерных реакций пластика СR-39, поскольку это сопровождалось бы появлением большого
количества фоновых треков от рассеянных протонов и модификацией счетных характерис-
тик такого детектора рассеянными электронами [4]. Поэтому для регистрации α-частиц
был выбран стягивающий большой телесный угол твердотельный детектор на основе май-
лара (C10H8O4), обладающего существенно более высоким порогом детектирования, чем
традиционно используемые пластик СR-39 и нитроцеллюлоза. Детектор в виде усеченного
конуса находился под углом θ = 135◦ по отношению к пучку протонов и стягивал телесный
угол в 2 стерадиана. Образовавшиеся в результате реакции 11B(p, α)8Be α-частицы падали
на майларовый детектор под прямым углом (в пределах погрешности ±10◦), что позволяло
пренебречь зависимостью эффективности детектирования от угла входа регистрируемой
частицы в детектор.
Необходимо отметить, что майлар обладает наименьшим критическим углом регистра-
ции треков − 6◦, тогда как, например, пластик СR-39 — 37◦ [5]. После попадания на мишень
трех импульсов пучка коллективно ускоренных протонов пленка майлара извлекалась из
установки и подвергалась травлению десятипроцентным водным раствором едкого калия
(КОН), нагретым до 70 ◦С. Для снижения порога чувствительности к первичной удельной
ионизации, при которой начинают проявляться треки, в раствор добавлялся этанол. Добав-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 77
Рис. 2. Зависимость пробега α-частиц в майларе от их энергии
Рис. 3. Треки альфа-частиц из реакции 11B(p, α)8Be в пленке майлара толщиной 10 мкм
ление туда же нескольких капель гипохлорита (ClO−) должно было приводить к усилению
активности окислительных процессов. При травлении проводилось постоянное перемеши-
вание раствора и облучение его ультрафиолетовым излучением для повышения скорости
этого процесса. Наработка гипохлорита проводилась электролитическим способом из раст-
вора хлористого натрия (NaCl) в течение 1 часа непосредственно перед началом экспери-
мента. Анодом служил пирографит, катодом — спектрально чистый графит. Электролиз
проводился в кварцевой кювете, помещенной на магнитную мешалку. При плотности то-
ка 15 мА/см2 и напряжением 5,5 В, pH наработанного гипохлорита составляло 8,2. Время
травления зависит также от температуры и концентрации раствора для травления. В на-
шем случае оно составляло 3 мин. Треки в майларе исследовались с помощью микроскопа
МББ-1. Поскольку необходимо было регистрировать α-частицы с энергией около 3 МэВ,
для ускорения процесса травления и получения сквозных каналов в пленке майлара, ее
толщина, в соответствии с приведенной на рис. 2 зависимостью пробега α-частиц от их
энергии, была выбрана равной 10 мкм. Полученные в ней треки от α-частиц из реакции
11B(p, α)8Be показаны на рис. 3.
Одинаковый диаметр треков, равный 6–7 мм, указывает на моноэнергетичность вызвав-
ших их частиц и свидетельствует о том, что в этой реакции участвует только один резонанс.
Выход α-частиц для резонанса при Ep = 162,8 кэВ был равным 3 · 104 на один протон. Рав-
78 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
ная 3 · 104 треков/см2 плотность треков обусловлена падением на мишень 1013 протонов за
один импульс. При длительности импульса 80 нс это соответствует току в импульсе 30 А.
Энергия налетающих на мишень протонов в этом эксперименте не превышала 270 кэВ. По
выходу α-частиц из реакции 11B(p, α)8Be, измеренному при различной энергии налетающих
протонов, изменяющейся с помощью помещенных на пути пучка соответствующих фольг,
можно рассчитать энергетический спектр ускоренных ионов.
Предложенный метод успешно применялся в исследованиях новых методов ускорения
ионов с использованием коллективных полей пространственного заряда [6], обеспечиваю-
щих одновременную радиально-фазовую устойчивость ускоряемого пучка и позволяющих
увеличить ток пучка и темп ускорения. Использование в этих исследованиях сверхмощной
высоковольтной импульсной техники сопряжено с высоким уровнем электромагнитных по-
мех, что делало применение ядерно-физических методов для диагностики ионных пучков
в этих условиях практически безальтернативным.
1. Ajzenberg-Selove F. Energy levers of light nuclei A = 5–10 // Nucl. Phys. – 1984. – A413. – P. 1–214.
2. Pronko P. P., Okamoto P.R., Wiedersich H. Low energy p-Be nuclear reactions for depth-profiling Be in
alloys // Nucl. Instr. Meth. – 1978. – 149. – P. 77–82.
3. Власов Н.А. Нейтроны. – Москва, 1971. – 552 с.
4. Bashir S., Rafique S., Ul-haq F. Laser ablation of ion irradiated CR-39 // Laser and Particle Beam. –
2007. – 25. – P. 181–191.
5. Tusek K. Registration efficiency of charged particles in polymer track detectors // Acta Politechnica. –
1999. – 38, No 3. – P. 153–157.
6. Chupikov P.T., Medvedev D.V., Onishchenko I.N. et al. Experimental investigations on interaction of
supercritical electron beams with plasma // Problems of Atomic Science and Technology. Ser. “Plasma
Physics”. – 2002. – No 4(7). – P. 132–134.
Поступило в редакцию 19.11.2007ННЦ “Харьковский физико-технический институт”
НАН Украины
Харьковский национальный университет
им. В.Н. Каразина
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 79
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4735 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:01:52Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Залюбовский, И.И. Дикий, Н.П. Медведев, Д.В. Федорец, И.Д. 2009-12-22T10:56:31Z 2009-12-22T10:56:31Z 2008 Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be / И.И. Залюбовский, Н.П. Дикий, Д.В. Медведев, И.Д. Федорец // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 75-79. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4735 539.1.08 539.12.076 621.384.6 A nuclear physics method to determine the intense proton beam characteristics by detecting the alpha particles emitted due to the 11B(p, a)8Be reaction is presented. This method has been successfully used in the diagnostics of high-current proton beams on a collective accelerator. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Фізика Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be Article published earlier |
| spellingShingle | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be Залюбовский, И.И. Дикий, Н.П. Медведев, Д.В. Федорец, И.Д. Фізика |
| title | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be |
| title_full | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be |
| title_fullStr | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be |
| title_full_unstemmed | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be |
| title_short | Диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹B(p, α)⁸Be |
| title_sort | диагностика интенсивных протонных пучков на основе ядерной реакции ¹¹b(p, α)⁸be |
| topic | Фізика |
| topic_facet | Фізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4735 |
| work_keys_str_mv | AT zalûbovskiiii diagnostikaintensivnyhprotonnyhpučkovnaosnoveâdernoireakcii11bpα8be AT dikiinp diagnostikaintensivnyhprotonnyhpučkovnaosnoveâdernoireakcii11bpα8be AT medvedevdv diagnostikaintensivnyhprotonnyhpučkovnaosnoveâdernoireakcii11bpα8be AT fedorecid diagnostikaintensivnyhprotonnyhpučkovnaosnoveâdernoireakcii11bpα8be |