Об ускорении и удержании ионов полем виртуального катода в плазме наносекундного вакуумного разряда

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Ранее на основе миниатюрного наносекундного вакуумного разряда малой энергии была реализована схема инерциального электростатического удержания с обратной полярностью. В эксперименте и PiC-моделировании обнаружена возможность удержания и ускорения ионов до энергий в десятки кэВ полем виртуального катода в наносекундном вакуумном разряде. Экспериментально получены как DD-нейтроны, так и α -частицы из безнейтронной реакции протон–бор. В данной работе приводятся результаты PiC-моделирования в электромагнитном коде КАРАТ процессов, приводящих к реакции протон–бор для реальной геометрии электродов, использованной в первых экспериментах по безнейтронному синтезу в одном миниатюрном устройстве на основе наносекундного вакуумного разряда. Из них следует, что общий выход α -частиц происходит в эксперименте за счет лишь разовых схождений протонов и ионов бора к оси разряда, ускоряемых в очень узкой потенциальной яме, а осцилляций ионов за время приложенного импульса напряжения практически нет. Формирование более объемной потенциальной ямы (широкой по радиусу и протяженной по оси разряда) с хорошо выраженными осцилляциями протонов и ионов бора может обеспечить заметное увеличение выхода реакции протон–бор.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. К. Куриленков

Объединенный институт высоких температур РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: yu.kurilenkov@lebedev.ru
Россия, г. Москва

И. С. Самойлов

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: yu.kurilenkov@lebedev.ru
Россия, г. Москва

Список литературы

  1. Дубинов А.Е., Корнилова И.Ю., Селимир В.Д. Коллективное ускорение ионов в системах с виртуальным катодом // УФН. 2002. Т. 172. № 11. С. 1225.
  2. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., Перельштейн Э.А. Модель коллективного ускорения ионов в вакуумном разряде на основе концепции глубокой потенциальной ямы // ЖЭТФ. 2000. Т. 118. Вып. 6(12). С. 1358.
  3. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., Перельштейн Э.А. Феноменологическая модель неустойчивой стадии вакуумного искрового разряда // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 10. С. 45.
  4. Miley G.H., Murali S.K. Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Fusion Fundamentals and Applications. N.Y.: Springer, 2014.
  5. Lavrent’ev O.A. Electrostatic and Electromagnetic High-temperature Plasma Traps // Ann. N.Y. Acad. Sci. 1975. V. 251. P. 152.
  6. Elmore W.C., Tuck J.L., Watson K.M. On the Inertial-electrostatic Confinement of a Plasma // Phys. Fluids. 1959. V. 2. P. 239.
  7. Kurilenkov Yu.K., Skowronek M., Dufty J. Multiple DD Fusion Events at Interelectrode Media of Nanosecond Vacuum Discharge // J. Phys. A: Math. Gen. 2006. V. 39. P. 4375.
  8. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Skowronek M., Gus’kov S.Yu., Dufty J. Inertial Electrostatic Confinement and DD Fusion at Interelectrode Media of Nanosecond Vacuum Discharge. PIC Simulations and Experiment // J. Phys. A: Math. Theor. 2009. V. 42. 214041.
  9. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu., Karpukhin V.T., Valyano V.E. Warm Dense Matter Generation and DD Synthesis at Vacuum Discharge with Deuterium-loaded Pd Anode // Contrib. Plasma Phys. 2011. V. 51. P. 427.
  10. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu., Oginov A.V., Karpukhin V.T. Oscillating Ions under Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Based on Nanosecond Vacuum Discharge // Contrib. Plasma Phys. 2018. V. 58. P. 952.
  11. Andreev S.N., Kurilenkov Yu.K., Oginov A.V. Fully Electromagnetic Code KARAT Applied to the Problem of Aneutronic Proton–Boron Fusion // Mathematics. 2023. V. 11. 4009.
  12. Atzeni S., Meyer-ter Vehn J. The Physics of Inertial Fusion: Beam Plasma Interaction, Hydrodynamics, Hot Dense Matter. Oxford: Oxford University Press, 2004. V. 125.
  13. Oliphant M., Rutheford L. Experiments on the Transmutation of Elements by Protons // Proc. R. Soc. Lond. 1933. V. A141. P. 259.
  14. Dee P.I., Gilbert C.W. The Disintegration of Boron into Three α -particles // Proc. R. Soc. Lond. 1936. V. 154. P. 279.
  15. McKenzie W., Batani D., Mehlhorn T.A., Margarone D., Belloni F., Campbe E.M. et al. HB11–Understanding Hydrogen-Boron Fusion as a New Clean Energy Source // J. Fusion Energy. 2023. V. 42. P. 17. doi: 10.1007/s10894-023-00349-9.
  16. Cirrone G.A.P., Manti L., Margarone D., Petringa G., Giuffrida L., Minopoli A. et al. First Experimental Proof of Proton Boron Capture Therapy (PBCT) to Enhance Protontherapy Effectiveness // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 1141.
  17. Hong E., Jungmin A. et al. Alpha Particle Effect on Multi-nanosheet Tunneling Field-effect Transistor at 3-nm Technology Node // Micromachines. 2019. V. 10. № 12. P. 847.
  18. Takacs S., Hermanne A., T á rk á nyi F., Ignatyuk A. Cross-sections for Alpha Particle Produced Radionuclides on Natural Silver // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2010. V. 268. P. 2.
  19. Belyaev V.S., Matafonov A.P., Vinogradov V.I., Krainov V., Lisitsa V., Rusetski A.S. et al. Observation of Neutronless Fusion Reactions in Picosecond Laser Plasmas // Phys. Rev. E. 2005. V. 72. № 2. 026406.
  20. Bonvalet J., Nicolai Ph., Rafestin D. et al. Energetic α -particle Sources Produced Through Proton-boron Reactions by High-energy High-intensity Laser Beams // Phys. Rev. E. 2021. V. 103. № 5. 053202.
  21. Margarone D., Bonvalet J., Giufrida L., Morace A., Kantarelou V., Tosca M. et al. In-Target Proton – Boron Nuclear Fusion Using a PW-Class Laser // Appl. Sci. 2022. V. 12. P. 1444.
  22. Magee R.M., Ogawa K., Tajima T., Allfrey I., Gota H., McCarroll P. et al. First Measurements of p11B Fusion in a Magnetically Confined Plasma // Nature Commun. 2023. V. 14. P. 955.
  23. Kurilenkov Yu.K., Oginov A.V., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu., Samoylov I.S. Proton-boron Fusion in a Compact Scheme of Plasma Oscillatory Confinement // Phys. Rev. E. 2021. V. 103. 043208.
  24. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu. Simulation of Proton–boron Nuclear Burning in the Potential Well of Virtual Cathode at Nanosecond Vacuum Discharge // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 774. 012133.
  25. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Oginov A.V., Gus’kov S.Yu., Samoylov I.S. Oscillating Plasmas for Proton-Boron Fusion in Miniature Vacuum Discharge // Laser Part. Beams. 2023. 9563197.
  26. Kurilenkov Yu.K., Andreev S.N. On Scaling of Proton-Boron Fusion Power in a Nanosecond Vacuum Discharge // Frontiers in Physics (Fusion Plasma Physics). 2024. doi: 10.3389/fphy.2024.1440040.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Виртуальный катод (а) в межэлектродном пространстве НВР: векторные синие точки – электроны, красный – анод, синий – катод, зеленый – анодная «трубка», перпендикулярная основанию анода; (б) – скорости всех частиц V r по радиусу анода, отнесенные к скорости света с : синие – электроны, желтые – ионы бора, красные – протоны, фиолетовые – первичные α -частицы, серые – бериллий 8 Be * , оранжевые – вторичные α -частицы, возникающие из-за распада 8 Be * [23] (зеленая область – «анодная плазма», содержащая протоны и ионы бора с зарядом Z B = +3).

Скачать (32KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Потенциальная яма (а) глубиной около 100 кВ, образуемая виртуальным катодом в анодном пространстве НВР ( t = 10 нс); (б) – положение в анодном пространстве случайно выбранных групп протонов (индекс r ) и ионов бора ( y ) в зависимости от времени, число при индексе – номер данной группы.

Скачать (33KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Энергии (а) случайно выбранных различных групп протонов ( r ) и ионов бора ( y ) во времени для геометрии А–К, использованной в эксперименте [23]; (б) – выход вторичных α -частиц в зависимости от времени (п.е.) для геометрии А–К, использованной в эксперименте (рис. 1а); на вставке – выход α -частиц при хорошо определенных осцилляциях ионов в потенциальной яме (PiC-моделирование [23]).

Скачать (25KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024