Ядерно-физический способ диагностики плазмы Советский патент 1988 года по МПК H05H1/00 

4; ю .

4ib

Изобретение относится к прикладной ядерной физике и предназначено для определения в плазме количества ядер примеси в диапазоне масс 6-60 а.е.м.

Целью изобретения является расширение диапазона масс анализируемых компонент плазмы.

Ка чертеже изображена схема уст- ройства, с помощью которого осуществляют предлагаемый способ.

Устройство включает пучок 1 атомов гелия, .систему 2 коллиматоров, систему 3 мо1шторирования пучка, кольцевой полупроводниковый детектор А, исследуемый объект 5. На чертеже изображены также рассеиваемый атом пучка 6 и ион примеси 7.

Способ осуществляют следующим об- разом.

Пучок атомов гелия пропускают через систему коллиматоров, обеспечивающую его мононаправленность, затем через систему мониторирования пучка, дающую информацию о количестве атомов в нем, и направляют в плазму, концентрация примесных компонент в которой подлежит определещво. Рассеянные на ядрах примеси альфа-частицы регистрируют кольцевым полупроводниковым детектором .под углом leOil относительно направления падения пучка. Кольцевой детектор рбеспечивает максцмальный телесный угол при минимальном ки

нематическом разбросе.

В функции возбуждения упругого рассеяния альфа-частиц на ядрах углерода при энергии 4,24-4,26 МэВ существует узкий (около 50 кэВ) изо- лированный резонанс. Высота резонанса сильно зависит от угла рассеяния: при угле рассеяния около 100 резонанс исчезает и при угле 180 достигает максимума. При угле рассеяния в лабораторной системе координат (л.с.к) 160 сечение в резонансе равно в л.с.к. 1200 мбн/ср. Вблизи резонанса сечение рассеяния примерно в 50- 100 меньше.

Если энергию атомов пучка выбрать равной резонансной, то на всем пути взаимодействия пучка атомов гелия с плазмой (в сипу того, что ионизационные потери энергии равны нулю) выход альфа-частиц, рассеянных на ядрах примеси углерода, будет примерно в 50-100 раз больше, чем на ядрах примеси соседнего атомногв номера.

Энергия рассеянных частиц связана углом рассеяния и массами соотношением:

с

O

5

0

5 о

5

«

0

5

rm.cose+Vtni-miSLne ,,.

Е ЕО1,(0

Lп, +

где Е и Е, т,-, 5 - начальная и конечная энергии, масса, угол рассеяния налет-ающе

частицы, соответственно ;

m - - масса ядра-мишени.

Из этого соотношения следует, что наилучшее массовое разрешение при заданном отношении масс . достигается при 6 180°.

Число рассеянных честиц определяется соотношением

N; .;(Е, 8 ) П,-Х, (2) где Щд - число падающих на исследуемый объект атомов; « SI - телесньй угол детектора; , cij - дифференциальное сечение упругого рассеяния альфа-частиц на ядрах i-ro сорта; п - плотность ядер i-ro сорта; X - линейШ11й размер анализируемого объема.

Оценка дает значение результирующего разрешения в диапазоне 10- 40 кэВ. Информация о каждом сорте примеси локализуется в виде узко го распределения с полушириной ( на половине высоты) около 40 кэВ. Это обусловлено тем, что ионизационные потери энергии рассеянных альфа-частиц из-за малой плотности плазмы и достаточно высокой энергии частиц малы.

Действительно, водородная плазма с плотностью, например, 10 см на пути 10 см содержит Ю ат/см или примерно 10 мг/см . На этом пути альфа-частица с энергией 4 МэВ потеряет не более 4 кэВ энергии. В этой ситуации предлагаемый способ позволяет надежно разделять распределения рассеянных частиц от ядер примеси с близкими массами вплоть до примеси железа и никеля.

Сделаем на основе соотношения (2) некоторые простые оценки. Пусть количество примесных атомов углерода в анализируемом объеме составляет 10 ат/см и необходимо зарегистрировать 100 полезных событий (это соответствует примерно 10%-ной погрешности определения концентрации углерода). Если при этом телесный угол детектора составляет 10 рад., а сечение упругого рассеяния - 675 мбн/ср, то для набора этой статистики необходимо затратить 10. атомов гелия. Это соответствует току 1 экв. мкА при времени анализа 100 с, либо току 100 экв, мкА при воемеми анализа 1 с. Ф о g мула изобретения Ядерно-физический способ диагностики плазмы, включающий зондирование

2А144,

плазмы моноэнергетическнм пучком атомов гелия, регистрацию энергетического спектра упругорассеяных первичных частиц, и последуйтее определение концентрации компонент плазмы, отличающийся тем, что, с целью распшрения дипазона масс анализируемых компонент плазмы, плазму

10 зондируют пучком атомов гелия с энергией 4,24-4,26 МэВ и под углом 180tI относительно направления падения пучка, регистрируют энерпетический спектр упругорас сеянных альфа-частиц

15 на ядрах анализируемой компоненты плазмы.

г 2