alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.25-27.035-044alternative-1182Research ArticleТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКАTHERMONUCLEAR ENERGYК РАСЧЕТУ СИН МАТРИЦЫ МИКРООХЛАДИТЕЛЯ МИШЕНЕЙ С ЗАМОРОЖЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ЯДЕР ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ В УСКОРИТЕЛЯХ МИКРОЧАСТИЦABOUT THE CALCULATION OF THE NIS MATRIX'S MICRO COOLER FOR TARGETS WITH FROZEN NUCLEAR POLARIZATION OF HYDROGEN AND DEUTERIUM IN PARTICLE ACCELERATORSТитовА. Ю.TitovA. Yu.

студент кафедры «Хо- лодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения

Student in the department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems

alexandertitov@outlook.comАрхаровИ. А.ArkharovI. A.

д-р техн. наук, про- фессор кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана, вице-президент комиссии А1 Международного Института холода (МИХ, Франция)

D.Sc. (engineering), Full Professor in the department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems of Bauman Moscow State Technical University, vice-president of the commission A1 of the International Institute of Refrigeration (IIR, France)

ivanarkharov@yahoo.comИвановБ. А.IvanovB. A.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

D.Sc. (engineering), Full Professor in the department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems

20772@mail.ruАрхаровА. М.ArkharovA. M.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ

D.Sc. (engineering), Full Professor in the department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems

ivanarkharov@yahoo.comНавасардянЕ. С.NavasardyanE. S.

канд. техн. наук, доцент кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения

Ph.D. (engineering), Associate Professor in the department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems

navasard@mail.ruМосковский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation201710122017025-273544Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1182

Рассмотрены альтернативные технологии охлаждения криогенных мишеней с замороженной поляризацией ядер водорода и дейтерия. Данные мишени используются на ускорителях элементарных частиц в экспериментах по изучению свойств материи, а полученные результаты позволят совершенствовать топливные криогенные мишени при реализации инерциального термоядерного синтеза. Важным направлением в данной технологии является задача генерации криогенных сферических мишеней на основе дейтерия и трития. Создание таких криогенных мишеней и оптимизация их конструкции обусловливают необходимость большого числа научных экспериментов на пучках заряженных частиц с использованием ускорителей. В зависимости от условий физического эксперимента применяют как пассивные мишени, только для генерации вторичных частиц, так и активные мишени, в которые встроен детектор вторичных частиц. Примером активной мишени может служить криогенная ионизационная камера, в которой на выведенном пучке проводят изучение температурной зависимости мюонного катализа ядерного синтеза в газообразных дейтерии и водород-дейтерии, а также смесях дейтерий-водород. Охлаждение криогенных мишеней до температур 4,2–40 К осуществляется гелиевыми рефрижераторами. Однако ряд физических экспериментов, особенно для частиц с большими апертурами углов, требует использования мишеней с замороженной поляризацией ядер. При этом рабочая температура мишени снижается до 100–300 мК. Данные значения температуры в непрерывном режиме обеспечивают только рефрижераторы растворения 3Не- 4Не. Открытие в структурах сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН) эффекта снижения темпера- туры при туннелировании потока электронов через переход (электронного охлаждения) привело к активному исследованию данных устройств в лабораториях по всему миру не только в качестве активных термометров для измерения температуры в области < 300 мК, но и как самостоятельных генераторов холода. Основная перспектива последнего направления – это создание охлаждающих устройств на базе матрицы СИН элементов. В работе предлагается использовать данные устройства совместно с рефрижератором растворения или обособлено на ускорителях элементарных частиц, что позволит минимизировать габариты установки, снизить финансовые расходы и повысить надежность при проведении испытаний. Приведен пример схемы ускорителя с установкой для охлаждения мишени. На основании опубликованных ранее результатов предложена методика оценочного расчета числа элементов СИН матрицы охладителя мишеней с замороженной поляризацией ядер водорода и дейтерия в зависимости от параметров ее работы.

 

The paper deals with alternative cooling technologies for cryogenic targets with frozen polarization of hydrogen and deuterium nuclei. These targets are used on particle accelerators in experiments on the matter properties, and the results allow improving the fuel cryogenic targets in the implementation of inertial thermonuclear fusion. An important direction here is generation of spherical deuterium-tritium cryogenic targets. The creation of such cryogenic targets and optimization of their design requires large number of scientific experiments on particle accelerators. In accordance with conditions of the physical experiment two types of targets are used: a passive target (only for generation of secondary particles) and an active target (with built-in detector of secondary particles). An example of the active target may be a cryogenic ionization chamber where the extracted beam is used to study the temperature dependence of muonic catalysis of nuclear fusion in deuterium gas, hydrogen-deuterium and mixtures of deuteriumhydrogen. In order to cool cryogenic targets down to temperatures of 4.2–40 K helium refrigerators are used. However, a number of physical experiments especially for particles with large aperture angles require the usage of targets with frozen nuclear polarization. At the same time, the working temperature of the target is reduced to 100–300 mK. These temperatures are reachable in a continuous mode only in dilution refrigerators 3He- 4He. The discovery of the temperature reduction effect in the structures of the normal metal-insulator-superconductor (NIS) by tunneling of electrons through the junction (electron cooling) have led to active study of these devices in labs across the world not only as the active thermometer to measure the temperature in the region of < 300 mK but also as independent generators of cooling power. The main prospect of this direction is the creation of cooling devices on the basis of NIS matrix. In this paper we propose to use these devices with dilution refrigerators or separately in particle accelerators. It will minimize the size of the installation, reduce financial costs and enhance reliability during experiments. An example of a scheme of the accelerator with unit for the target cooling is provided. The paper in accordance with previously published results proposes the method for evaluative calculation of the number of NIS elements for cooler of targets with frozen nuclear polarization of hydrogen and deuterium.

 

термоядерная энергетикамикроохладительСИН структуракриогенный болометрводородмишени с замороженной поляризацией ядер водорода и дейтерияматрица элементовэлектронное охлаждениетуннельный эффектthermonuclear power engineeringmicrocoolerNIS structurecryogenic bolometerhydrogentarget with frozen nuclear polarization of hydrogen and deuteriummatrix of elementselectron coolingtunnel effectReferencesWorld Energy Outlook 2016 [E-resource]. Available on: www.iea.org/weo/ [accessed 01.10.2017].World Energy Outlook 2016. Available on: www.iea.org/weo/ (accessed 01.10.2017) (in Eng.).Александров, А.А. Машины и аппараты криогенных систем [Текст] / Александров А.А., Архаров И.А., Навасардян Е.С. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. – 124 с.Aleksandrov A.A., Arkharov I.A., Navasardyan E.S. Machines and apparatuses of cryogenic systems (Mashiny i apparaty kriogennykh system). Moscow: MGTU im. N.E.Baumana, 2009 (in Russ.).Muhonen, J.T. Micrometer-scale refrigerators / J.T. Muhonen, M. Meschke, J.P. Pekola // ArXiv eprints, 1203.5100v1, Mar 2012.Muhonen J.T., Meschke M., Pekola J.P. Micrometer-scale refrigerators. ArXiv e-prints, 1203.5100v1, Mar 2012 (in Eng.).Arkharov, I.A. Microcryogenic gas machines in strategic satellite navigation, surveillance, and communications systems [Text] / I.A. Arkharov, E.S. Navasardyan, M.V. Simakov // Chemical and Petroleum Engineering. – 2016. – Vol. 51. – No 11–12. – P. 765–770.Arkharov I.A., Navasardyan E.S., Simakov M.V. Microcryogenic gas machines in strategic satellite navigation, surveillance, and communications systems. Chemical and Petroleum Engineering, 2016;51(11– 12):765–770 (in Eng.).Фоминский М.Ю. Разработка и исследование криогенного болометра на холодных электронах: дис. канд. физ-мат. наук: 01.04.01 / М.Ю. Фомин- ский. – Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН. – М., 2011. – 115 с.Fominskii M.Yu. Development and investigation of a cryogenic bolometer on cold electrons (Razrabotka i issledovanie kriogennogo bolometra na kholodnykh elektronakh): Ph.D. Dis. (physics and mathematics): 01.04.01 Institut radiotekhniki i elektroniki im. V.A. Kotel'nikova RAN. Moscow, 2011 (in Russ.).Zmuidzinas, J. Superconducting detectors and mixers for millimeter and submillimeter astrophysics [Text] / J. Zmuidzinas, P.L. Richards // Proceedings of the IEEE. – Oct 2004. – Vol. 92. – P. 1597–1616.Zmuidzinas J., Richards P.L. Superconducting detectors and mixers for millimeter and submillimeter astrophysics. Proceedings of the IEEE, 2004;92:1597– 1616 (in Eng.).Wentworth, S.M. and Neikirk, D.P. Transitionedge microbolometer [Text] / S.M. Wentworth, D.P. Neikirk. – Orlando, FL, USA: s.n. // Proc. SPIE: Superconductivity Applications for Infrared and Microwave Devices. – 1990. – Vol. 1292. – P. 148–154.Wentworth S.M., Neikirk D.P. Transition-edge microbolometer. Kul B. Bhasin and Vernon O. Heinen [ed.]. Orlando, FL, USA: s.n., Proc. SPIE: Superconductivity Applications for Infrared and Microwave Devices, 1990;1292:148–154 (in Eng.).Wentworth, S.M. Composite microbolometers with tellurium detector elements [Text] / S.M. Wentworth, D.P. Neikirk // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 1992. – Vol. 40. – P. 196–201.Wentworth S.M., Neikirk D.P. Composite microbolometers with tellurium detector elements. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1992;40:196–201 (in Eng.).Kuzmin, L. Ultimate Cold-Electron Bolometer with Strong Electrothermal Feedback [Text] / L. Kuzmin // SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation Conf. “Mm and Submm Detectors for Astronomy”. – 2004. – Vol. 5498. – P. 349–361.Kuzmin L. Ultimate Cold-Electron Bolometer with Strong Electrothermal Feedback. SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation Conf. “Mm and Submm Detectors for Astronomy”. 2004;5498:349–361 (in Eng.).Mazin, B.A. Multiplexable kinetic inductance detectors [Text] / Mazin B.A. [et al.] // Proc. 9th Int. Workshop Low temperature detectors. – 2002. – Vol. 605. – P. 309–312.Mazin B.A., Day P.K., Zmuidzinas J., Leduc H.G. Multiplexable kinetic inductance detectors [ed.] F.S. Porter, et al. Proc. 9th Int. Workshop Low temperature detectors. 2002;605:309–312 (in Eng.).Неганов, Б.С. Метод получения сверхнизких температур, основанный на растворении 3Не в 4Не [Препринт ОИЯИ Р-2480; 1965] / Б.С. Неганов, Н.С. Борисов, М.Ю. Либург // ЖЭТФ. – 1966. – Vol. 50. – P. 1445.Neganov B.S., Borisov N.S., Liburg M.Yu. The method of obtaining ultra-low temperatures, based on the dissolution of 3He in 4He (Metod polucheniya sverkhnizkikh temperatur, osnovannyi na rastvorenii 3Ne v 4Ne). Preprint OIYaI R-2480, 1965; ZhETF 50 (1966) 1445 (in Russ.).Borisov, N.S. Target with a Frozen Nuclear Polarization for Experiments at Low Energies [Text] / N.S. Borisov [et al.] // Nucl. Instr. & Meth. – 1994. – Vol. A 345. – P. 421; in Proc. Of the 11th Int. Symposium on High Energy Spin Physics, Bloomington. – 1994. – P. 545.Borisov N.S., Matafonov V.N., Neganov A.B., Plis Yu.A., Schevelev O.N., Usov Yu.A., Jansky I., Rotter M., Sedlak B., Wilhelm I., Gurevich G.M., Lukhanin A.A., Jelinek J., Srnka A., Skrebek L. Target with a Frozen Nuclear Polarization for Experiments at Low Energies. Nucl. Instr. & Meth., 1994;A 345:421; in Proc. of the 11th Int. Symposium on High Energy Spin Physics, Bloomington, 1994, p. 545 (in Eng.).Усов, Ю.А. Разработка и создание криогенных установок для мишеней с замороженной поляризацией ядер водорода и дейтерия: дис. канд. тех. наук: 01.04.01 / Ю.А. Усов. – Объединенный институт ядерных исследований. Лаборатория ядерных проблем. – Дубна, 2000. – 95 с.Usov Yu.A. Development and creation of cryogenic installations for targets with frozen polarization of hydrogen nuclei and deuterium (Razrabotka i sozdanie kriogennykh ustanovok dlya mishenei s zamorozhennoi polyarizatsiei yader vodoroda i deiteriya): Ph.D. Dis. (engineering): 01.04.01; Ob"edinennyi institut yadernykh issledovanii. Laboratoriya yadernykh problem, Dubna, 2000 (in Russ.).Корешева, Е.Р. Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза: дис. докт. физ-мат. наук: 01.04.07, 01.04.21 / Е.Р. Корешева. – Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. – М., 2005. – 248 с.Koresheva E.R. Cryogenic Targets for Inertial Thermonuclear Fusion (Kriogennye misheni dlya inertsial'nogo termoyadernogo sinteza). D.Sc.Dis. (physics and mathematics): 01.04.07, 01.04.21; Fizicheskii institut im. P.N. Lebedeva RAN, Moscow, 2005 (in Russ.).Александрова, И.В. Криогенное водородное топливо для управляемого инерциального термоядерного синтеза (концепция фабрики криогенных мишеней на основе метода FST) [Текст] / И.В. Александрова [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез. – 2016. – Т. 39. – Вып. 1. – С. 30–54.Aleksandrova I.V., Koresheva E.R., Koshelev I.E., Krokhin O.N., Nikitenko A.I., Osipov I.E. Cryogenic hydrogen fuel for controlled inertial fusion (the concept of a cryogenic target factory based on the FST method) (Kriogennoe vodorodnoe toplivo dlya upravlyaemogo inertsial'nogo termoyadernogo sinteza (kontseptsiya fabriki kriogennykh mishenei na osnove metoda FST). Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya Termoyadernyi sintez, 2016;39(1):30–54 (in Russ.).Александрова, И.В. Криогенное водородное топливо для управляемого инерциального термоядерного синтеза (обзор мировых результатов) [Текст] / И.В. Александрова [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез. – 2015. – Том 38. – Вып. 1. – С. 57–79.Aleksandrova I.V., Koresheva E.R., Krokhin O.N., Osipov I.E. Cryogenic hydrogen fuel for controlled inertial fusion (overview of world results) (Kriogennoe vodorodnoe toplivo dlya upravlyaemogo inertsial'nogo termoyadernogo sinteza (obzor mirovykh rezul'tatov). Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya Termoyadernyi sintez, 2015;38(1):57–79 (in Russ.).Александрова, И.В. Криогенное водородное топливо для управляемого инерциального термоядерного синтеза (получение устойчивого ультрадисперсного слоя из твердых изотопов водорода) [Текст] / И.В. Александрова [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез. – 2015. – Т. 38. – Вып. 2. – С. 75–103.Aleksandrova I.V., Koresheva E.R., Krokhin O.N., Osipov I.E. Cryogenic hydrogen fuel for controlled inertial thermonuclear fusion (production of a stable ultradispersed layer of solid isotopes of hydrogen) (Kriogennoe vodorodnoe toplivo dlya upravlyaemogo inertsial'nogo termoyadernogo sinteza (poluchenie ustoichivogo ul'tradispersnogo sloya iz tverdykh izotopov vodoroda). Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya Termoyadernyi sintez, 2015;38(2):75–103 (in Russ.).Александрова, И.В. Криогенное водородное топливо для управляемого инерциального термоядерного синтеза (FST-формирование криогенного слоя топлива в движущейся бесподвесной оболочке: теория и эксперимент) [Текст] / И.В. Александрова [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез. – 2015. – Т. 38. – Вып. 3. – С. 59–82.Aleksandrova I.V., Koresheva E.R., Krokhin O.N., Osipov I.E. Kriogennoe vodorodnoe toplivo dlya upravlyaemogo inertsial'nogo termoyadernogo sinteza (FST-formirovanie kriogennogo sloya topliva v dvizhushcheisya bespodvesnoi obolochke: teoriya i eksperiment). Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya Termoyadernyi sintez, 2015;38(3):59–82 (in Russ.).Александрова, И.В. Криогенное водородное топливо для управляемого инерциального термоядерного синтеза (формирование криогенных мишеней реакторного класса) [Текст] / И.В. Александрова [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез. – 2015. – Т. 38. – Вып. 4. – С. 51–78.Aleksandrova I.V., Koresheva E.R., Krokhin O.N., Osipov I.E. Cryogenic hydrogen fuel for controlled inertial thermonuclear fusion (formation of cryogenic targets of the reactor class) (Kriogennoe vodorodnoe toplivo dlya upravlyaemogo inertsial'nogo termoyadernogo sinteza (formirovanie kriogennykh mishenei reaktornogo klassa). Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya Termoyadernyi sintez, 2015;38(4):51– 78 (in Russ.).Rajauria, S. Electronic refrigeration using superconducting tunnel junctions: Ph.D. thesis / S. Rajauria. – University Joseph Fourier, 2008.Rajauria S. Electronic refrigeration using superconducting tunnel junctions. PhD thesis, University Joseph Fourier, 2008 (in Eng.).Clarck, A.M. Cooling of bulk material by electron-tunneling refrigerators [Text] / A.M. Clarck [et al.] // Applied Physics Letters. – 2005. – Vol. 86. – No 17. – P. 173508.Clarck A.M., Miller N.A., Williams A., Ruggiero S.T., Hilton G.C., Vale L.R, Beall J.A., Irwin K.D., Ullom J.N. Cooling of bulk material by electrontunneling refrigerators. Applied Physics Letters, 2005;86(17):173508 (in Eng.).Kuzmin, L. An Array of Cold-Electron Bolometers with SIN Junctions and JFET readout for Cosmology Instruments [Text] / L. Kuzmin // J. Phys., Conf. Ser. – 2008. – Vol. 97. – No. 1. – P. 012310.Kuzmin L. An Array of Cold-Electron Bolometers with SIN Junctions and JFET readout for Cosmology Instruments. J. Phys., Conf. Ser., 2008;97(1):012310 (in Eng.).Andreev, A.F. The thermal conductivity of the intermediate state in superconductors [Text] / A.F. Andreev // Journal of Experimental and Theoretic Physics. – 1964. – Vol. 46. – P. 1823–1828.Andreev A.F. The thermal conductivity of the intermediate state in superconductors. Journal of Experimental and Theoretic Physics, 1964;46:1823–1828 (in Eng.).Wilhelm, I. Production of monoenergetic neutrons from the T(d, n) α reaction with the associated particle method [Text] / I. Wilhelm, P. Murali, Z. Dolezal // Nucl. Instr. & Meth. – 1992. – Vol. A 317. – Iss. 3. – P. 553–558.Wilhelm I., Murali P., Dolezal Z. Production of monoenergetic neutrons from the T(d, n) α reaction with the associated particle method. Nucl. Instr. & Meth., 1992;A 317(3):553–558 (in Eng.).Broz, J. Measurement of spin-dependent total cross-section difference ΔσL in neutron-proton scattering at 16 MeV [Text] / J. Broz // Z. Phys. – 1996. – A 354. – P. 401; in Proc. 12th International Symposium on High Energy Spin Physics. – Amsterdam, Netherlands, 1996. – P. 280.Broz, J. Černý J., Doležal Z., Gurevich G.M., Kubík P., Lukhanin A.A., Lukhanin G.A., Švejda J., Wilhelm I., Borisov N.S., Kuzmin E.S., Matafonov V.N., Neganov A.B., Pisarev I.L., Plis Yu.A., Usov Yu.A. Z. Phys. 1996;A 354:401; in Proc. 12th International Symposium on High Energy Spin Physics, Amsterdam, Netherlands, 1996, p. 280 (in Eng.).Schoberl, M. Measurement of the neutronproton spin correlation coefficient Ayy at 90º c.m. by elastic scattering of 13.7 MeV polarized neutrons from a polarized proton target [Text] / M. Schoberl [et al.] // Nucl. Phys. – 1988. – A 489. – P. 284–302.Schoberl M., Kuiper H., Schmelzer R., Mertens G., Tornow W. Measurement of the neutron-proton spin correlation coefficient Ayy at 90° c.m. by elastic scattering of 13.7 MeV polarized neutrons from a polarized proton target. Nucl. Phys. A 489 (1988) 284–302 (in Eng.).Ockenfels M. Measurement of the neutronproton polarization transfer coefficient y' K y at 17.4 MeV. / M. Ockenfels [et al.] // Nucl. Phys. – 1991. – A 526. – P. 109.Ockenfels M., Köble T., Schwindt M., Weltz J., Von Witsch W. Measurement of the neutron-proton polarization transfer coefficient y' K y at 17.4 MeV. Nucl. Phys. 1991;A 526:109 (in Eng.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.