Об ускорении и удержании ионов полем виртуального катода в плазме наносекундного вакуумного разряда

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Ранее на основе миниатюрного наносекундного вакуумного разряда малой энергии была реализована схема инерциального электростатического удержания с обратной полярностью. В эксперименте и PiC-моделировании обнаружена возможность удержания и ускорения ионов до энергий в десятки кэВ полем виртуального катода в наносекундном вакуумном разряде. Экспериментально получены как DD-нейтроны, так и α -частицы из безнейтронной реакции протон–бор. В данной работе приводятся результаты PiC-моделирования в электромагнитном коде КАРАТ процессов, приводящих к реакции протон–бор для реальной геометрии электродов, использованной в первых экспериментах по безнейтронному синтезу в одном миниатюрном устройстве на основе наносекундного вакуумного разряда. Из них следует, что общий выход α -частиц происходит в эксперименте за счет лишь разовых схождений протонов и ионов бора к оси разряда, ускоряемых в очень узкой потенциальной яме, а осцилляций ионов за время приложенного импульса напряжения практически нет. Формирование более объемной потенциальной ямы (широкой по радиусу и протяженной по оси разряда) с хорошо выраженными осцилляциями протонов и ионов бора может обеспечить заметное увеличение выхода реакции протон–бор.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Ю. К. Куриленков

Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: yu.kurilenkov@lebedev.ru
Russian Federation, г. Москва

И. С. Самойлов

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: yu.kurilenkov@lebedev.ru
Russian Federation, г. Москва

References

  1. Дубинов А.Е., Корнилова И.Ю., Селимир В.Д. Коллективное ускорение ионов в системах с виртуальным катодом // УФН. 2002. Т. 172. № 11. С. 1225.
  2. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., Перельштейн Э.А. Модель коллективного ускорения ионов в вакуумном разряде на основе концепции глубокой потенциальной ямы // ЖЭТФ. 2000. Т. 118. Вып. 6(12). С. 1358.
  3. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., Перельштейн Э.А. Феноменологическая модель неустойчивой стадии вакуумного искрового разряда // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 10. С. 45.
  4. Miley G.H., Murali S.K. Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Fusion Fundamentals and Applications. N.Y.: Springer, 2014.
  5. Lavrent’ev O.A. Electrostatic and Electromagnetic High-temperature Plasma Traps // Ann. N.Y. Acad. Sci. 1975. V. 251. P. 152.
  6. Elmore W.C., Tuck J.L., Watson K.M. On the Inertial-electrostatic Confinement of a Plasma // Phys. Fluids. 1959. V. 2. P. 239.
  7. Kurilenkov Yu.K., Skowronek M., Dufty J. Multiple DD Fusion Events at Interelectrode Media of Nanosecond Vacuum Discharge // J. Phys. A: Math. Gen. 2006. V. 39. P. 4375.
  8. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Skowronek M., Gus’kov S.Yu., Dufty J. Inertial Electrostatic Confinement and DD Fusion at Interelectrode Media of Nanosecond Vacuum Discharge. PIC Simulations and Experiment // J. Phys. A: Math. Theor. 2009. V. 42. 214041.
  9. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu., Karpukhin V.T., Valyano V.E. Warm Dense Matter Generation and DD Synthesis at Vacuum Discharge with Deuterium-loaded Pd Anode // Contrib. Plasma Phys. 2011. V. 51. P. 427.
  10. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu., Oginov A.V., Karpukhin V.T. Oscillating Ions under Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Based on Nanosecond Vacuum Discharge // Contrib. Plasma Phys. 2018. V. 58. P. 952.
  11. Andreev S.N., Kurilenkov Yu.K., Oginov A.V. Fully Electromagnetic Code KARAT Applied to the Problem of Aneutronic Proton–Boron Fusion // Mathematics. 2023. V. 11. 4009.
  12. Atzeni S., Meyer-ter Vehn J. The Physics of Inertial Fusion: Beam Plasma Interaction, Hydrodynamics, Hot Dense Matter. Oxford: Oxford University Press, 2004. V. 125.
  13. Oliphant M., Rutheford L. Experiments on the Transmutation of Elements by Protons // Proc. R. Soc. Lond. 1933. V. A141. P. 259.
  14. Dee P.I., Gilbert C.W. The Disintegration of Boron into Three α -particles // Proc. R. Soc. Lond. 1936. V. 154. P. 279.
  15. McKenzie W., Batani D., Mehlhorn T.A., Margarone D., Belloni F., Campbe E.M. et al. HB11–Understanding Hydrogen-Boron Fusion as a New Clean Energy Source // J. Fusion Energy. 2023. V. 42. P. 17. doi: 10.1007/s10894-023-00349-9.
  16. Cirrone G.A.P., Manti L., Margarone D., Petringa G., Giuffrida L., Minopoli A. et al. First Experimental Proof of Proton Boron Capture Therapy (PBCT) to Enhance Protontherapy Effectiveness // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 1141.
  17. Hong E., Jungmin A. et al. Alpha Particle Effect on Multi-nanosheet Tunneling Field-effect Transistor at 3-nm Technology Node // Micromachines. 2019. V. 10. № 12. P. 847.
  18. Takacs S., Hermanne A., T á rk á nyi F., Ignatyuk A. Cross-sections for Alpha Particle Produced Radionuclides on Natural Silver // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2010. V. 268. P. 2.
  19. Belyaev V.S., Matafonov A.P., Vinogradov V.I., Krainov V., Lisitsa V., Rusetski A.S. et al. Observation of Neutronless Fusion Reactions in Picosecond Laser Plasmas // Phys. Rev. E. 2005. V. 72. № 2. 026406.
  20. Bonvalet J., Nicolai Ph., Rafestin D. et al. Energetic α -particle Sources Produced Through Proton-boron Reactions by High-energy High-intensity Laser Beams // Phys. Rev. E. 2021. V. 103. № 5. 053202.
  21. Margarone D., Bonvalet J., Giufrida L., Morace A., Kantarelou V., Tosca M. et al. In-Target Proton – Boron Nuclear Fusion Using a PW-Class Laser // Appl. Sci. 2022. V. 12. P. 1444.
  22. Magee R.M., Ogawa K., Tajima T., Allfrey I., Gota H., McCarroll P. et al. First Measurements of p11B Fusion in a Magnetically Confined Plasma // Nature Commun. 2023. V. 14. P. 955.
  23. Kurilenkov Yu.K., Oginov A.V., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu., Samoylov I.S. Proton-boron Fusion in a Compact Scheme of Plasma Oscillatory Confinement // Phys. Rev. E. 2021. V. 103. 043208.
  24. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Gus’kov S.Yu. Simulation of Proton–boron Nuclear Burning in the Potential Well of Virtual Cathode at Nanosecond Vacuum Discharge // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 774. 012133.
  25. Kurilenkov Yu.K., Tarakanov V.P., Oginov A.V., Gus’kov S.Yu., Samoylov I.S. Oscillating Plasmas for Proton-Boron Fusion in Miniature Vacuum Discharge // Laser Part. Beams. 2023. 9563197.
  26. Kurilenkov Yu.K., Andreev S.N. On Scaling of Proton-Boron Fusion Power in a Nanosecond Vacuum Discharge // Frontiers in Physics (Fusion Plasma Physics). 2024. doi: 10.3389/fphy.2024.1440040.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Virtual cathode (a) in the interelectrode space of the NVR: blue vector dots are electrons, red is the anode, blue is the cathode, green is the anode “tube” perpendicular to the anode base; (b) are the velocities of all particles V r along the anode radius, related to the speed of light c: blue are electrons, yellow are boron ions, red are protons, violet are primary α-particles, gray is beryllium 8 Be * , orange are secondary α-particles arising from the decay of 8 Be * [23] (green region is the “anode plasma” containing protons and boron ions with a charge of Z B = +3).

Download (32KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Potential well (a) with depth of about 100 kV formed by virtual cathode in the anode space of NVR (t = 10 ns); (b) – position in the anode space of randomly selected groups of protons (index r) and boron ions ( y ) depending on time, the number at the index is the number of the given group.

Download (33KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Energies (a) of randomly selected different groups of protons (r) and boron ions (y ) over time for the A–K geometry used in the experiment [23]; (b) – yield of secondary α -particles depending on time (p.u.) for the A–K geometry used in the experiment (Fig. 1a); inset – yield of α -particles for well-defined oscillations of ions in the potential well (PiC-simulation [23]).

Download (25KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences