К РАСЧЕТУ СИН МАТРИЦЫ МИКРООХЛАДИТЕЛЯ МИШЕНЕЙ С ЗАМОРОЖЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ЯДЕР ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ В УСКОРИТЕЛЯХ МИКРОЧАСТИЦ

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.

1. World Energy Outlook 2016 [E-resource]. Available on: www.iea.org/weo/ [accessed 01.10.2017].

2. 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.

3. Muhonen, J.T. Micrometer-scale refrigerators / J.T. Muhonen, M. Meschke, J.P. Pekola // ArXiv eprints, 1203.5100v1, Mar 2012.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Rajauria, S. Electronic refrigeration using superconducting tunnel junctions: Ph.D. thesis / S. Rajauria. – University Joseph Fourier, 2008.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.