Стратиенко В. А., Адаменко С.В., Айзацкий Н.И., Довбня А.Н., Гапоненко Н.И., Прокопенко В.Ф., Рудаков В.А., Синюта Б.Ф., Шендрик В.А. ННЦ ХФТИ, НИК "Ускоритель", Харьков, Украина

Многочисленные исследования по инерциальному термоядерному синтезу (ИТС) с применением пучков заряженных частиц и фотонов продемонстрировали сложность и дороговизну задачи получения данных по физике процессов сжатия, нагрева и разлета высокотемпературн ой плазмы многослойных термоядерных мишеней из нуклидов с различными атомными весами. Создание только драйверов (сильноточных высокоэнергетических ускорителей ионов, мощных лазеров и др.) требует капиталовложений на уровне миллиардов долларов [1]. В связи с этим представляется целесообразным переход к экспериментам с малыми массами мишеней, облучаемых сверхплотными пучками заряженных частиц с более низкими значениями суммарной энергии. Хотя при этом уровень термоядерной энергии, получаемой в микровзрывах, ниже предполагаемого в [2], повышение общего выхода энергии будет получено увеличением частоты процесса смены мишеней и облучения. Эта концепция взята за основу экспериментов по сжатию и фокусировке электронных пучков (за счет внешних и собственных полей) на игольчатых мишенях, проведенных с использованием существующих в ННЦ ХФТИ ускорителей электронов (Табл.1).

Таблица 1:

УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ	ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ (МЭВ)	ЧАСТОТА ПОСЫЛОК (ГЦ)	ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСА 10-6С	ПЛОТНОСТЬ ЧАСТИЦ P, E/CM2C	ИМПУЛЬСНЫЙ ТОК (А)	РАЗМЕРЫ ПУЧКА мкм2
ЛУЭ-2	300	100	2	1021	0.15	100 x 150
ЛУЭ-300	116	50	1.5	(1-8) x 1020	0.08 - 0.03	95 x 105 40 x 70
ЛУЭ-40	25	50	10	3.2 x 1018	0.2	250 x 250
"СТАРТ"	1	1	10-2	2.5 x 1027	104	< 20 x 20

На ускорителе прямого действия "Старт" фокусировка пучка электронов достигалась за счет использования острийных катодов и анодов, расположенных в тонком диэлектрическом канале. Транспортировка пучка вдоль канала обеспечивалась компенсацией ионами плазмы, образующейся на стенках канала, и влиянием собственного магнитного поля пучка с током I_b=10кA. В экспериментах с каналом диаметром 0,5 мм средняя плотность тока по сечению пучка составляла 170-250 кА/см² (оценена по уносу массы с торца коллектора, размещенного на выходе канала). Установка острийных анодных мишеней с частичным входом острия в канал приводила к концентрации пучка на конусной поверхности острия. Поскольку наличие ионов плазмы в канале, ускоренных коллективными полями электронного пучка, количественно пока не определено, принимается, что облучение анодных острий производится потоками электронов. Частично это подтверждается глубиной разогрева и испарения материала острия в данных экспериментах. При облучении использовались вольфрамовые иглы с толщиной основания 165-560 мкм, радиусом закругления 0,1-1 мкм и тангенсами угла острия 0,1-0,3 рад. Контроль геометрических параметров игл после облучения производился с помощью оптического микроскопа, а измерение массы - взвешиванием на весах ВЛР-20 и по изменению геометрии иглы. Результаты измерений игольчатых мишеней после облучения показывают, что фокусировка электронного пучка существенно зависит как от радиуса острия, так и от конусности иглы. Выработка игл составляла 35-430 мкм при уносе массы 1-10 мкГ. Перенос расплавленного материала вдоль поверхности иглы и деформация конусной поверхности свидетельствуют об ударных волнах в процессе облучения, приводящих к сжатию материала мишени. Оценки температуры образующейся плазмы по измерениям испаренной массы и результатам деформации мишеней колеблются в интервале от нескольких десятков эВ до нескольких КэВ. Величина удельной мощности, идущей на разогрев мишени, составляет ~10¹⁶Вт/г, что сравнимо с экспериментами на мощных ускорительных комплексах [1]. Необходимо отметить, что энергия пучка ~100 Дж не полностью переходит в нагрев материала мишени, более 50% энергии пучка теряется на "побочных" процессах (излучениях).

На ускорителях ЛУЭ-2, ЛУЭ-300, ЛУЭ-40 получение плотных микропучков релятивистских электронов достигалось применением коротко фокусной компрессии с использованием дублета квадрупольных линз [3,4]. Достигнутые значения плотностей потока электронов являются предельными для используемой нами техники и начальных параметров пучков. Так, при расходимости пучков электронов на ускорителях ЛУЭ-2 и ЛУЭ-300 в несколько единиц на 10^-4 рад и размерах пучков на входе в дублет в несколько миллиметров, углы сходимости в 2 x 10^-2рад для ЛУЭ-300 и 5 x 10^-3рад для ЛУЭ-2 определяют и получаемые в экспериментах размеры микропучков на уровне (50 - 100) x 10^-6 м для ЛУЭ-300 и (100-200) x 10^-6 м для ЛУЭ-2. При этом режимы питания линз дублета являются также предельными и дальнейшее повышение плотности микропучков возможно лишь за счет улучшения начальной расходимости пучков, а также применением более совершенной техники фокусировки. Полученные на ЛУЭ микропучки релятивистских электронов конвертировались на мишенях с большими Z в интенсивное тормозное излучение, а применение в качестве мишеней делящихся веществ позволяло получать высокоплотные импульсные потоки осколков деления 1018 - 10¹⁹ ОД/м² с. С учетом этих результатов предложено решение задачи экспрессной имитации реакторных повреждений конструкционных материалов [5], имитации СЖР компоненты излучения ЯВ, а также экспрессного контроля загрязненности и герметичности оболочек ТВЭлов [6]. Кроме того, при помощи высокоэнергетичных _Y-квантов (~30 МэВ) предложено осуществлять за счет продуктов фотоядерных реакций равномерное легирование сверхчистых материалов. Эта технология наиболее перспективна для кремния. Проведенное на ускорителе ЛУЭ-40 облучение сборки (2кг) [7] особочистых образцов кремния после дезактивации и отжига радиационных дефектов позволило получить образцы кремния с однородност ью легирования (акцепторный уровень ~0,06 эВ) ~3%. С помощью полученных микропучков также исследовалось упрочнение режущего инструмента. Получено положительное решение на изобретение: способ радиационно-термической обработки режущего инструмента и устройство для его осуществления при помощи полученных п лотных микропучков релятивистских электронов [8]. В заключение отметим, что использование полученных плотных малоразмерных пучков электронов в фундаментольных и прикладных исследованиях существенно улучшает экологическую обстановку при проведении работ на ускорителях высокоэнергетических электронов.

1. B.N.Turman, T.H.Martin et.al./ PBFA-II, a 100 TW Pulsed Power Driver for the Inertial Coninement Fusion Program // Proceeding o the 5-th IEEE Pulsed Power Conference/ Arlington. Virginia, 1985, June 10-12. Session V: Diodes/Beams. P. 155...161.
2. F. Winterberg. Phys.Rev., v.174, ╧1,212 (1970).
3. Стратиенко В.A., и др. Получение электронных пучков малых размеров на линейном ускорител ЛУЭ-40 Доклад на всесоюзной конференции по линейным электронным ускорителям. Харьков, 1985.
4. Довбня А.Н. и др. Получение на линейных ускорителях электронов пучков малых размеров. Труды 13 Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий. Новосибирск. Наука, 1997, т. 2., 296-299.
5. Зеленский В.Ф., Стратиенко В.А. и др. Имитация и изучение с помощью пучков заряженных частиц некоторых явлений, протекающих в материалах ядерных и термоядерных реакторах.
   В кн. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. Вып.1(2), 1975,с.8.
6. Каменев А.С., Прокопенко В.Ф., Стратиенко В.А. и др. Отчет ХФТИ, инв. ╧ 39, 1980г.
7. Зеленский В.Ф. Стратиенко В.А., Мушников В.Н. Прокопенко В.Ф. и др. Получение радиационно-легированного Si на ускорителе электронов ЛУЭ-40. Труды III отраслевого совещания по ФРПТГ, сент. 1978, Харьков.
8. Зеленский В.Ф., Стратиенко В.А., Прокопено В.Ф. и др. "Спосiб радiоцiйноi термохiмiчноi обробки твердосплавного iнструменту, та пристрий для його здiйснення" Позитивне рiшення по заявцi N 94010025 (20.11.1992 г.)