На рисунке А показана экспериментальная схема, угольная шайба установлена ​​на передней поверхности НОД-3, широко используемого γ-диагностика на объектах ICF. Га-лучи, возникающие при имплозии, первыми достигают детектора. Позже нейтроны, образующиеся при синтезе, могут неупруго рассеиваться в образце углерода с образованием γ-квантов. Этот результирующий сигнал временно отделен от γ-лучей слияния DT. На графике B. График показывает недавний результат для коэффициента ветвления DT (обведен черным) по сравнению с предыдущими измерениями. Ось Y представляет значение коэффициента ветвления, а ось X представляет эффективную энергию дейтрона.

Эта реакция является жизнеспособным кандидатом на получение энергии синтеза, поскольку известно, что она имеет наибольшее поперечное сечение при энергиях центра масс ниже 500 кэВ. Существуют разные ветви этой реакции. К ним относятся интенсивная нейтронная ветвь и значительно менее интенсивная γ-ветвь, причем последняя на пять порядков менее интенсивна, чем первая.

Отношение разветвленности DT γ к нейтрону представляет фундаментальный интерес с точки зрения ядерной физики и физики плазмы, и более точное измерение может увеличить теоретические усилия в этих областях. Этот коэффициент ветвления также представляет интерес для экспериментальных работ по ядерному синтезу и связанным с ним приложениям национальной безопасности.

Результаты работы представлены в Physical Review C, а физик LLNL Джастин Джит выступает в качестве ведущего автора. Работа включала анализ данных предыдущего эксперимента по термоядерному синтезу с инерционным удержанием (ICF), проведенного в 2015 году, который не был оптимизирован для этого измерения.

«Ранние стадии пандемии COVID-19 дали нам свободное время, чтобы пересмотреть эти данные с целью обеспечения более точного измерения отношения ветвления DT γ к нейтрону», — сказал Джит. «Бумага дополняет предыдущие измерения коэффициента ветвления при имплозиях ICF и снижает неопределенность сообщаемого значения почти в три раза».

Джит объясняет, что ограничение его значения имеет первостепенное значение для экспериментальных работ на объектах с инерционным и магнитным удержанием.

«Для ядерных реакторов на основе токамаков, таких как ИТЭР, важно определить коэффициент усиления мощности (Q), определяемый как отношение производимой термоядерной энергии к мощности, необходимой для поддержания плазмы», — сказал Джит. "Q можно точно определить путем измерения выхода гамма-излучения DT-синтеза вместе с точным значением коэффициента ветвления DT-γ-нейтронов. В установках с инерционным удержанием коэффициент ветвления DT может аналогичным образом обеспечивать абсолютные измерения выхода на основе диагностики γ-излучения."

Отношение ветвления дейтерия-трития γ к нейтрону определяется в эксперименте ICF с использованием метода перекрестной калибровки, основанного на сечении неупругого рассеяния нейтронов в углероде-12 ( ¹² C), более известном сечении. Поскольку имплозия ICF является импульсной, а образование ядер происходит в течение ≈100 пикосекунд (пс), γ-лучи синтеза DT сначала попадают на γ-детектор, газовый черенковский детектор (GCD). Образующиеся нейтроны синтеза DT могут взаимодействовать с углеродной шайбой, расположенной выше по потоку от GCD, генерируя γ-кванты на основе неупругого рассеяния. Из-за времени прохождения нейтронов ¹² C γs, образующиеся в угольной шайбе, достигают GCD позже во времени.

Ценность этой методики обеспечивается временным разделением γ-сигналов на детекторе. Соотношение этих сигналов, оба из которых получены при однократном имплозии ICF, используется для определения значения коэффициента ветвления DT, равного (4,6 ± 0,6) × 10 ^-5 . Это измерение устраняет необходимость в абсолютных калибровках детектора, которые могут иметь большие ошибки, и вместо этого основывается на сечении неупругого рассеяния нейтронов в ¹²C и точность измерения выхода термоядерных нейтронов DT. Первое определяется из нескольких экспериментов, проведенных в прошлом, а второе измеряется с высокой точностью в имплозиях ICF. Этот метод приводит к измерению коэффициента ветвления со значительно уменьшенной общей ошибкой по сравнению с предыдущими экспериментами на основе ICF и ускорителя.

Джит сказал, что будущие эксперименты будут проводиться этим летом на установке Omega Laser Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера в Рочестере, штат Нью-Йорк. Эти эксперименты предназначены для оптимизации этого измерения и будут способствовать дальнейшему повышению точности отношения DT γ-нейтронного разветвления. В дополнение к перекрестной калибровке по ¹² C исследуются различные материалы для дальнейшего уменьшения систематических ошибок, возникающих в результате метода перекрестной калибровки. Эти эксперименты также будут направлены на обеспечение перекрестной калибровки отношения γ-разветвленности D- ^3He к протону.