Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Института сильноточной электроники СО РАН исследуют характеристики излучения «убегающих» электронов, образующихся при термоядерном синтезе. Цель работы — изучить спектрально-угловые характеристики излучения электронов в различных радиаторах и разработать детектор для их надежной идентификации.
Усилия многих ученых мира направлены сейчас на разработку новых источников энергии, основанных на слиянии ядер легких элементов, — так называемых термоядерных источников энергии. Для выработки энергии есть два подхода. В первом используется большая камера, в которой циркулирующим током нагревается плазма до температуры в сотни миллионов градусов (токамак). Происходит реакция слияния, и продукты этих реакций уносят энергию, которая потом перерабатывается в электричество. Другой подход — лазерная технология, которая позволяет получить термоядерную реакцию за счет синхронизации пучков нескольких десятков лазеров в одной точке, где помещается капсула, содержащая термоядерное «топливо».
«Все подходы основывались на известном теоретическом выводе, что продуктами термоядерной реакции являются нейтроны и альфа-частицы, которые взаимодействуют с передней стенкой реактора. Но выяснилось, что там присутствуют и электроны с очень большой энергией.
Они могут нести дополнительную радиационную нагрузку на стенку, что приведет к ее преждевременному разрушению. Такие электроны, получившие название "убегающие", сейчас интенсивно исследуются», — говорит профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Александр Потылицын.
Основные исследования велись на модельных установках, которые генерируют электроны примерно той же энергии, как и на термоядерных установках. Цикл таких экспериментов провели специалисты Института сильноточной электроники на пучках электронов сильноточных ускорителей. Однако энергии этих установок недостаточно для полномасштабных исследований, поэтому эксперименты решили продолжить на ускорителях Томского политеха.
«Сейчас мы исследуем характеристики оптического излучения электронов на микротроне ТПУ, в котором электроны ускоряются до энергии от 3-6 МэВ. Это как раз интересующий нас энергетический диапазон, который не могут получить наши коллеги из других центров, например, в Италии или Китае. Они в основном делают уклон на сильноточные источники электронов, в которых энергия не превышает 1 МэВ. В 2019 году мы провели первые эксперименты с электронами при энергии в 6 МэВ», — поясняет Александр Потылицын.
Сейчас эксперименты проводятся с энергией 3 МэВ с использованием радиаторов из кварца, полиметилметакрилата и сапфира. По словам ученых, такие эксперименты еще не проводились.
В ходе исследования учеными впервые была продемонстрирована эффективная методика выделения черенковского излучения электронов от изотропного фонового излучения. В эксперименте выбиралась геометрия детектирования оптического излучения из кварцевого радиатора при изменении угла разворота радиатора относительно электронного пучка для различных углов наблюдения.
Ученые планируют продолжать эксперименты для получения информации об оптимальных характеристиках радиатора для регистрации черенковского излучения убегающих электронов для различных энергетических диапазонов до 6 МэВ. Они хотят определить коммерчески доступный материал радиатора, его радиационную стойкость, оптические характеристики, технологичность изготовления и многое другое.
«Конечная цель и стратегия — выработать рекомендации для создания работоспособных детекторов для планируемых и действующих термоядерных реакторов», — говорит политехник.
Над исследованием работают специалисты Томского политеха и Института сильноточной электроники. В следующем году ученые планируют подать заявку на грант РФФИ.
Результаты исследования представлены на конференции в Японии и опубликованы в журнале JETP Letters (Q1, IF: 1,494).