ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ DD-СИНТЕЗ (POLFUSION) Лаборатория криогенной и сверхпроводящей техники

Лаборатория криогенной и сверхпроводящей техники
ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ
DD-СИНТЕЗ
(POLFUSION)
Петербургский институт ядерной физики
Forschungszentrum Jülich, Germany
Cologne University, Germany
KVI, Gronningen, Netherlands
Университет ИТМО
07.05.2016
Финансовая поддержка:
МНТЦ (проект #3881)
DFG
П. Кравцов
1
Мотивация
FIRE
D.
POLFUSION – исследование влияния поляризации исходных частиц.
Основные реакции дейтериевого синтеза:
d+d→n+3He+3.268 MeV
d+d→p+ 3H+4.033 MeV
Реакция d+3He→p+4He+18.34 MeV – следующий этап нашего эксперимента.
Основное топливо в реакциях ядерного синтеза:
07.05.2016
П. Кравцов
3H, 3He,
2
Цели и задачи эксперимента
Исследование основной 4-нуклонной реакции с поляризацией
обеих исходных частиц при низких энергиях (до 100кэВ).
t+p
d + d
3He
+n
• Систематические измерения спин-корелляционных коэффициентов
• Измерение сечения реакции поляризованного синтеза
[R.M. Kulsrud et al., Phys. Rev. Lett. 49, 1248 (1982)]
3He+d → 4He+p : Factor ~1.5 at 430 keV
[Ch. Leemann et al., Annals of Phys. 66, 810 (1971)]
• Измерение подавления нейтронного канала реакции
Quintet suppression factor
[H. Paetz gen. Schieck, Eur. Phys. J. A 44, 321–354 (2010)]
[Deltuva and Fonseca, Phys. Rev. C 81 (2010)]
• Измерение углового распределения продуктов реакции
• Исследование возможности практического использования
поляризованного топлива
Persistence of the Polarization in a Fusion Process
[J.-P. Didelez and C. Deutsch. Few-Body Conference, Bonn (2009)]
07.05.2016
П. Кравцов
3
История. Препринт Адьясевич, Антоненко (1976)
07.05.2016
П. Кравцов
4
The Quintet suppression factor
QSF 
0 
 1,1
0
1
2 1,1  4 1,0   0,0  2 1,1 
9
Необходимо прямое измерение!
07.05.2016
П. Кравцов
5
Схема эксперимента
3
2+
He (0.8 MeV),
3 +
H (1.0 MeV)
Polarized Atomic Beam Source
16
I ~ 1 ∙ 10 a/s
Target density ~ 1011 a/cm2
Vector polarization: ± 0.7
ABS
d 0 (0.1 eV)
dd-polarimeter
or LSP
d

He  n  e
3
H  p e
r0 r 
d d ®
3
2
d  (1-32 keV)
Wien filter
Polarized Ion Source
Ion beam: I ≤ 20 μ A
14
(1. 3 ∙ 10 d/s)
Ebeam ≤ 32 keV
Vector polarization: ± 0.7
d 0 (0.1 eV)
LSP
Ion
source
n (2.4 MeV) ,
p (3.0 MeV)
Lamb-Shift Polarimeter
07.05.2016
П. Кравцов
6
Источник поляризованных атомов (ABS)
QMS
MFT
d
0
10
20
30
40
0
50 cm
ABS stages
1
3
4
1e-7 mbar
1e-6 mbar
IR
TV450
TMU1601
TMU1601
5e-5 mbar
3xTV450
TMU1001 TPH2200
5e-4 mbar
2
DUO030A
D30A
07.05.2016
D16B
D16B
~6000 L/s
П. Кравцов
7
ABS. Диссоциатор
Плазма
Охлаждаемое сопло
(70-300К)
07.05.2016
П. Кравцов
8
Измерение интенсивности и степени диссоциации
Двухкоординатный
стол
QMS или компрессионная
трубка
ANKE ABS
07.05.2016
П. Кравцов
9
Ионный источник (POLIS)
Grounded
High potential (+10...+32kV)
0V
-100 V -5 kV
D0 (0.01 eV)
Cathode
d (10...32keV)
e- (100 eV) d (0.01...100 eV) d (5 keV)
Magnetic field 0.5 T
07.05.2016
П. Кравцов
10
POLIS. Система управления.
• компактная (высокая плотность каналов)
• широко используется во всех установках
ЛКСТ (BNL, PSI, GSI, Juelich, AIRBUS)
07.05.2016
П. Кравцов
11
Детекторная камера
Фланец для электроники
d0
d+
Вакуумный насос
07.05.2016
П. Кравцов
12
Детекторная система (PIN-диоды)
4- detector setup with 60% filling
~300 Hamamatsu Si PIN photodiodes (S3590)
• 1cm2 active area
• 300um depletion layer
• good energy resolution (17keV for 1MeV Carbon ions at RHIC)
Proof of principle:
L. Kroell.
Diploma thesis, 2010.
FZJ – RWTH.
07.05.2016
П. Кравцов
13
Измерения с PIN-диодами
Альфа-источник
(Г.Н.Шапкин и др.):
Pu239 + Pu240 = 80.4%
Pu238 + Am241 = 19.6%
E p1  5152 19 keV
E p2  5483  18keV
8000
Counts
6000
Измерения толщины
мертвого слоя:
П. Монич.
Диплом бакалавра, 2011.
Университет ИТМО.
4000
2000
D≤1μm
0
0.12
07.05.2016
0.14
0.16
V
0.18
0.20
П. Кравцов
0.22
14
Однородность чувствительности PIN-диодов
Сканирование поверхности PIN диода
07.05.2016
П. Кравцов
15
Детекторная система (поверхностно-барьерные детекторы)
ПБД:
50 модулей 4х4
800 каналов
А.Х.Хусаинов
07.05.2016
П. Кравцов
16
Электроника для сбора данных
Требования:
 600(800?) каналов
 Полная скорость счета ≤ 1kHz
 Стандартный интерфейс с ПК (Ethernet?)
 Синхронизация для анализа совпадений
ATLAS CSC CSP
Участники:
В.Т.Грачев, А.В.Надточий, П.В.Неустроев
24 channel CSP
Detector
24 channel ADC
ADC
Charge
Sensitive
Preamplifier
+
Shaper
FPGA
ADC
ADC
07.05.2016
П. Кравцов
17
Тестовая детекторная система
• Две сборки детекторов на карданном подвесе
• Шаговые двигатели с хорошим угловым разрешением (~0.01 градуса)
Конструкция подвеса:
И. Харассов.
Диплом магистра, 2011.
Университет ИТМО.
07.05.2016
П. Кравцов
18
Инфраструктура. Экспериментальный зал
07.05.2016
П. Кравцов
19
Инфраструктура. Размещение установки
07.05.2016
П. Кравцов
20
Инфраструктура. Стойка для электроники
07.05.2016
П. Кравцов
21
План работ


Инфраструктура
январь 2012
 Подготовка экспериментального зала
март 2011
 Платформа для электроники
май 2011
 Система охлаждения
декабрь 2011
Сборка и запуск ионного источника март 2012
 Механическая сборка
июнь 2011
 Вакуумная и водяная система
декабрь 2011
 Система управления
февраль 2012
 Пуско-наладка
весна 2012
 Эксперимент с твердотельной мишенью
осень 2012
Создание атомарного источника
осень 2012
 Вакуумная система
весна 2012
 Разработка магнитной системы
февраль 2012
 Разработка диссоциатора
декабрь 2011
 Конструкция ВЧ блоков перехода
май 2012
 Пуско-наладка источника
осень 2012
Детекторная система
конец 2012
 Детекторная камера
апрель 2011
 Разработка механики ДС
весна 2012
 Разработка электроники
осень 2012
 Производство электроники
конец 2012







07.05.2016
П. Кравцов
22
Формирование коллаборации

SPIN-2010. CERN Courier 51 N3
(2010).

PSTP-2011. St-Petersburg,
September 2011.
07.05.2016
П. Кравцов
23
07.05.2016
П. Кравцов
24
Count rate
Energy,
keV
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CrossCount rate
section, mb
1/hr
0.09
0.273
1.161
2.667
4.651
6.927
9.237
11.38
14.08
16.44
4
13
54
125
218
324
432
533
659
769
Typical charged-particle spectra
[Becker et al.
Few Body Sys. 13 (1992)]
07.05.2016
Beam time
(10000), h
Beam time
(10000), days
2374
783
184
80
46
31
23
19
15
13
98.9
32.6
7.7
3.3
1.9
1.3
1.0
0.8
0.6
0.5
0.82 MeV 1.01 MeV
П. Кравцов
3.02 MeV
25
Adjacent experiments
Persistence of the Polarization in a Fusion Process.
J.-P. Didelez and C. Deutsch. Few-Body
Conference, Bonn (2009).
Basic study on polarized D-D fusion.
N. Horikawa. International Symposium on
Polarized Target and its Application (2008).
07.05.2016
П. Кравцов
26
Hyperfine states
ABS
HFS after
Sextupole 1
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
MFT
--1-4
3-4
3-4
3-4
1-4
1-4
HFS after
Sextupole 2
1, 2, 3
2, 3
1, 2
1, 2
1, 2
2, 3
2, 3
85% value
SFT
WFT
HFS after ABS
Pz
Pzz
Pz
Pzz
Beam
--------2-6
2-6
3-5
------on
-------
1, 2, 3
2, 3
1, 2
3, 4
1, 6
3, 6
2, 5
+1/3
0
+2/3
-2/3
+5/6
+1/6
-1/6
-1/3
-1
0
0
+0.5
-0.5
-0.5
0.272
-0.02
+0.561
-0.561
+0.714
+0.145
-0.145
-0.332
-0.85
-0.02
+0.02
+0.434
-0.391
-0.459
0
1
2
3
4
5
6
POLIS
HFS after
Sextupole 1
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
1, 2, 3
07.05.2016
MFT
--1-4
3-4
3-4
3-4
1-4
1-4
HFS after
Sextupole 2
1, 2, 3
2, 3
1, 2
1, 2
1, 2
2, 3
2, 3
75% value
SFT
WFT
HFS after ABS
Pz
Pzz
Pz
Pzz
Beam
--------2-6
2-6
3-5
------on
-------
1, 2, 3
2, 3
1, 2
3, 4
1, 6
3, 6
2, 5
0
-0.5
+0.5
-1
+1
0
0
0
-0.5
-0.5
+1
+1
+1
-2
0
-0.375
+0.375
-0.75
+0.75
+0.02
-0.02
0
-0.375
-0.375
+0.75
+0.75
+0.75
-1.5
0
1
2
3
4
5
6
П. Кравцов
27
ABS: Magnet system
Magnet N1
N
N_Poles
М1
М2
М3
М4
072
114
092
6
6
6
6
4
4
4
2.0
Length, Diameter 1, Diameter 2,
mm
mm
mm
40.1
15
42
9.3
13.1
41.6
9.1
13.5
41.6
9.8
13.5
50.5
27
31.8
76.05
76.05
31.8
-
B, T
1.8
0.85
1
1.05
0.8
0.6
0.6
R=7.4mm
R=6.5mm
R=5.0mm
R=3.5mm
R=1.0mm
1.5
1.0
B, T
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
0
1
2
3
4
5
6
7
Azimuthal angle
07.05.2016
П. Кравцов
28
Electron screening
Nuclear Potential
Coulomb Potential
Astrophysical S-Factor:
F. Raiola et al.; Eur. Phys. J. A 13, 377 (2002)
07.05.2016
?
Distance
П. Кравцов
29
Unpolarized cross sections
  2 H d , n 3 He 
10
, mb
  2 H d , p 3 H 
1
0.1
0
20
40
60
80
100
120
Ed, keV
R. E. Brown, N. Jarmie, Phys. Rev. C 41 N4 (1990)
07.05.2016
П. Кравцов
30
Data situation
Tagishi et al.; Phy. Rev. C
46 (1992) 1155-1158
[Analysing Powers:
2H(d,p)3H, solid target]
Becker et al.
Few Body Sys. 13 (1992)
[Analysing Powers]
Imig et al.
Phys.Rev. C 73 (2006)
[Spin-Transfer Koeff.]
All experiments were performed at solid targets
07.05.2016
П. Кравцов
31
The Formula
Spins of both deuterons
are aligned:
Only pz(qz) and pzz(qzz) ≠ 0
Only beam is polarized:
(pi,j ≠ 0, qi,j = 0)
σ(ϴ,Φ) = σ0(ϴ) · {1 + 3/2 Ay(ϴ) py
+ 1/2 Axz(ϴ) pxz
+ 1/6 Axx-yy(ϴ) pxx-zz
+ 2/3 Azz(ϴ) pzz }
07.05.2016
П. Кравцов
32
Photomultiplier
Polarization measurement
B
B
B
B
B
t
Spin filter
Ionization
of atoms
Spin axis
rotation
Ions to
metastable
atoms
Spin
separation
120
120
te or
Pz = +1
Pzzteor= +1
100
80
mI=–1
te or
Pz = -1
teor
Pzz = +1
mI=+1
550
600
650
700
750
800
850
500
140
Pz(Ly- a) = 0
Pzz(Ly- a) = +0.72
WFT 1-4
SFT 2-6
100
mI=+1
mI=–1
te or
Pz = 0
Pzz teor= +1
80
60
mI=0
600
650
700
750
800
850
500
550
600
650
700
750
Magnetic field, a.u.
Magnetic field, a.u.
Pz = 0.73±0.05
Pz = –0.82±0.06
Pzz = 0.77±0.06
П. Кравцов
te or
Pz = 0
teor
Pzz = -2
80
mI=–1
mI=+1
40
Magnetic field, a.u.
07.05.2016
mI=0
100
60
40
550
Pz(Ly- a) = -0.06
Pzz(Ly- a) = -1.09
WFT 1-4
SFT 3-5
120
mI=0
40
40
500
80
60
mI=–1
mI=0
60
100
Pz(Ly- a) = -0.76
Pzz(Ly- a) = +0.57
MFT 3-4
WFT 1-4
2-3
Ly-α
spectrum
Emission
of photons
N(Ly-a)
mI=+1
Quenching Faraday
Cup
chamber
120
140
N(Ly-a)
N(Ly-a)
Cs cell
Pz (Ly- a) = +0.68
Pzz(Ly- a) = +0.68
MFT 3-4
SFT 2-6
160
140
Wien filter
N(Ly-a)
Atomic
beam from
the ABS
Ionizer
800
850
500
550
600
650
700
750
800
850
Magnetic field, a.u.
Pzz = –1.17±0.08
33
J. Raeder et al., Kontrollierte Kernfusion, Teubner, Stutgart (1987)
07.05.2016
П. Кравцов
34
POLIS. Vacuum system.
Dissociator
Hexapools
PV1
PV2
ECR
Ioniser
PV3
Solenoid lens
PV4
D2
SV22
TP1
TP2
TP3
TP5
TP6
SV21
n/o
COLD HEAD
COMPRESSOR
TV 1
PROCES S
GAS
TP4
DN40
TP7
DN16
WKP1
TV 2
VP2
VP1
07.05.2016
П. Кравцов
35
Deuterium polarization
1
2
3
4
Vector polarization
Pz
1
1
6
2
mF
W/W
F=3/2
0
1:
2:
3:
4:
5:
6:
+3/2
+1/2
-1/2
-3/2
-1/2
F=1/2 +1/2
-2
mj=+1/2
mj=+1/2
mj=+1/2
mj=-1/2
mj=-1/2
mj=-1/2
0.5
mI=+1
mI=0
mI=-1
m I=-1
m I=0
m I=-1
2
0
3
-0.5
5
4
5
6
-4
4
2
0
6
Pzz 
4
0.01
8
=B/Bc
Pz 
-1
Pzz
N m I  1  N m I  1
0.1
1
 = B/Bc
10
Tensor polarization
1
1
+
4
0.5
N m I  1  N m I  0  N m I  1
6
0
1  3N mI 0
5
-0.5
N m I  1  N m I  0  N m I   1
3
-1
2
-1.5
-2
0.01
07.05.2016
П. Кравцов
0.1
1
 = B/Bc
10
36