Способ моделирования протонной составляющей радиационных поясов земли

 

Использование: ядерная физика, космическое материаловедение, приборостроение, машиностроение. Сущность изобретения: моноэнергетичные протоны больших энергий получают путем облучения дейтерийсодержащей мишени ускоренными до энергии 150 - 200 кэВ ионами ³H⁺. Полученные протоны с энергией ~ 15 МэВ пропускаются через рассеиватель, обеспечивающий преобразование моноэнергетического спектра протонов в непрерывный.

Изобретение относится к области экспериментальных методов ядерной физики, в частности к способу моделирования протонной составляющей радиационных поясов Земли, может использоваться в космическом материаловедении и приборостроении.

Известен способ моделирования протонной составляющей радиационных поясов Земли [1] , в котором с помощью электрического ускорителя заряженных частиц (ЭСУ) ускоряют протоны, а модель протонной составляющей создается последовательным облучением исследуемого объекта набором флюенсов монохроматических протонов соответствующих энергий. Недостатками этого способа являются неудовлетворительная точность моделирования, обусловленная временной и энергетической дискретностью составляющих протонного спектра, неэффективное использование ускорительной техники, обусловленное той же причиной, а также необходимость использования дорогостоящего, громоздкого и сложного в эксплуатации ускорителя заряженных частиц на большие энергии, что не позволяет получать спектр протонов непрерывно (с минимальными временными промежутками порядка 10 часов в неделю) на протяжении длительных интервалов времени.

Существуют задачи, при которых исследуемые образцы должны находиться под непрерывным воздействием протонной составляющей в течение соизмеримого со временем пребывания космического аппарата на орбите (до нескольких лет). Решение этих задач нереально ни для одного протонного ускорителя на большие энергии ни с технической, ни с экономической точки зрения.

Наиболее близким техническим решением является способ моделирования протонной составляющей, заключающейся в ускорении протонов до энергий порядка 10 МэВ и пропускании этих протонов через рассеиватель определенной формы и выполненный из соответствующего материала [2], в результате получают модель протонной составляющей. Основные недостатки такого способа обусловлены необходимостью использования ускорителя протонов на большие энергии.

Цель изобретения состоит в непрерывном получении в течение длительного времени (соизмеримого со временем пребывания космического аппарата на орбите) спектров протонов, близких по интенсивности и спектральному составу протонной составляющей радиационных поясов Земли, повышении надежности экспериментальной установки, ее упрощения и удешевления.

Цель достигается тем, что протоны больших энергий получают не путем их ускорения на соответствующих ускорителях (типа ЭСУ или циклических), а путем преобразования потока низкоэнергетических ионов ³Не⁺ в поток протонов с энергией около 15 МэВ посредством экзотермической реакции ³Не + d = ⁴He + p + Q, (1) где Q - реакция составляет примерно 18 МэВ. Поскольку реакция проходит с выделением большого количества энергии ( 18 МэВ), то отпадает необходимость в использовании дорогостоящих ускорителей протонов на большие энергии. Для осуществления данной реакции вполне достаточно использовать надежные в эксплуатации и дешевые ускорители типа каскадных генераторов (КГ) с ускоряющим напряжением в несколько сот вольт, используемых в нейтронных генераторах [3]. При этом в нейтронных генераторах ускорители КГ используются, как правило, для ускорения дейтpонов, в данном случае он должен ускорять ионы ³Не⁺, так как дейтpоны имеют свойство набиваться в мишени, и в результате длительного использования мишени реакция (1) будет сопровождаться реакцией D + d = ³He + n (2) с вылетом нейтрона, что во многих случаях не желательно. В качестве бомбардируемой мишени используется любая подходящая дейтерийсодержащая мишень (газовая, SeD, TiD, ZrD,...). Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что протоны большой энергии получают в результате реакции (1), а не с помощью ускорителя протонов на большие энергии.

Таким образом заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". В предлагаемом способе используется известная экзотермическая реакция (1) для получения протонов большой энергии, однако авторам не известны технические решения, в которых бы эта реакция использовалась для достижения поставленной цели. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ моделирования протонной составляющей осуществлялся следующим образом.

На ускорителе КГ ускорялись ионы ³Не⁺ до энергии 150 кэВ, ток ионного пучка составлял 1 мА. Ускоренные ионы ³Не⁺ попадали на мишень, толщина активного слоя мишени составляла 1 мг/см². В результате реакции (1) образовывались протоны с энергией 15 МэВ, которые пропускались через рассеиватель, изготовленный согласно 2. Рассеиватель находился на расстоянии 2 см от мишени под углом О^о по отношению к направлению гелиевого пучка. На расстоянии 10 см от мишени под углом О^о плотность протонного пучка составляла 2,310⁵ прот./см²с.

Использование предлагаемого способа позволяет перейти от ускорителя типа ЭСУ с потенциалом на кондукторе в несколько млн.вольт к ускорителю КГ с ускоряющим потенциалом 200 кВ. Кроме того, ускоритель КГ значительно компактней (габаритные размеры КГ порядка 1 м х 1 м х 1 м, ЭСУ - высота 6-8 м). Срок непрерывной эксплуатации ускорителя КГ на порядок продолжительнее, чем для ЭСУ.

Из приведенных соображений видна экономическая целесообразность реализации предлагаемого метода.

Формула изобретения

СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОТОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ, заключающийся в получении моноэнергетичных протонов с энергией, соответствующей верхней границе энергетического спектра протонной составляющей радиационных поясов, и трансформации моноэнергетичного спектра протонов в непрерывный по энергиям, отличающийся тем, что, с целью непрерывного получения в течение длительного времени спектров протонов, близких по энергетическому составу и интенсивности к моделируемому, упрощения и удешевления способа, моноэнергетичные протоны получают за счет облучения дейтерийсодержащей мишени ионами ³He⁺,ускоренными до энергий, превышающих величину кулоновского барьера отталкивания ионов ³He⁺ и D⁺.