Криогенные мишени

Криогенные мишени — это твёрдые или жидкие мишени, используемые в экспериментальной физике, в частности в физике высоких энергий и ядерной физике, которые поддерживаются при криогенных температурах (обычно ниже 120 К) для получения или удержания вещества в необходимом агрегатном состоянии. Основное назначение криогенных мишеней — создание плотной, однородной и чистой среды для взаимодействия с пучками ускоренных частиц (протонов, электронов, ионов) или для изучения свойств конденсированных сред в экстремальных условиях.

История

Первые эксперименты с использованием газовых мишеней, охлаждённых до низких температур, относятся к середине XX века, когда развитие ускорительной техники потребовало создания мишеней из водорода, дейтерия и других газов, которые при комнатной температуре имеют низкую плотность. Охлаждение позволяло перевести газ в жидкое или твёрдое состояние, значительно увеличивая количество ядер-мишеней на единицу объёма.

В 1950-х годах в СССР и США были разработаны первые жидководородные мишени для синхроциклотронов. В 1960-х годах, с появлением пузырьковых камер, криогенные мишени стали ключевым элементом для регистрации треков заряженных частиц. В 1970–1980-х годах развитие технологии криогенных мишеней было связано с программами по управляемому термоядерному синтезу (инерциальное удержание), где требовались сверхточные сферические мишени из замороженного дейтерия или трития.

В XXI веке криогенные мишени активно применяются в экспериментах на крупных ускорительных комплексах, таких как Большой адронный коллайдер (ЦЕРН), а также в установках лазерного термоядерного синтеза (например, Национальный комплекс зажигания в США).

Типы криогенных мишеней

Криогенные мишени классифицируются по агрегатному состоянию рабочего вещества, способу его подачи и конструктивному исполнению.

По агрегатному состоянию

• Жидкие мишени. Вещество находится в жидкой фазе при температуре кипения. Наиболее распространены жидководородные (H₂, температура кипения 20,3 К) и жидкодейтериевые (D₂, 23,7 К) мишени. Используются в экспериментах по рассеянию частиц, где требуется высокая плотность (около 0,07 г/см³ для жидкого водорода) и однородность.
• Твёрдые мишени. Вещество замораживается до твёрдого состояния. Примеры: твёрдый водород (температура плавления 14,0 К), твёрдый дейтерий, твёрдый неон, аргон, ксенон. Твёрдые мишени обеспечивают ещё большую плотность (например, плотность твёрдого водорода около 0,086 г/см³) и используются в экспериментах по ядерной физике и лазерному синтезу.
• Газовые мишени с криогенным охлаждением. Газ находится в газовой фазе, но охлаждается для уменьшения теплового движения атомов и повышения плотности. Применяются в спектроскопии и экспериментах по изучению холодных столкновений.

По конструктивному исполнению

• Стационарные мишени. Фиксированный объём вещества, помещённый в криостат. Обычно имеют форму цилиндра или сферы. Используются в экспериментах с непрерывным или импульсным пучком.
• Струйные мишени. Вещество в виде тонкой струи (жидкой или газовой) подаётся в вакуумную камеру. Криогенное охлаждение позволяет формировать сверхзвуковые струи с высокой плотностью. Применяются в ускорительных экспериментах, где требуется минимизировать взаимодействие пучка с материалом стенок.
• Мишени-мишени (pellet targets). Твёрдые сферические гранулы (пеллеты) диаметром от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, изготовленные из замороженного водорода, дейтерия или их смесей. Подаются в зону взаимодействия с помощью специальных устройств — пеллет-генераторов. Используются в экспериментах по термоядерному синтезу с инерциальным удержанием и в некоторых ускорительных экспериментах.

Устройство и принцип работы

Криогенная мишень представляет собой сложную инженерную систему, включающую несколько ключевых компонентов:

• Криостат — теплоизолированный сосуд, в котором поддерживается низкая температура. Обычно состоит из внешнего вакуумного кожуха и внутренней камеры с рабочим веществом. Для охлаждения используются криогенные жидкости (жидкий гелий, жидкий азот) или криокулеры (замкнутые циклы охлаждения, например, на основе пульсационных трубок).
• Система подачи и конденсации — устройство для ввода газа в криостат, его конденсации или замораживания. Включает в себя клапаны, теплообменники и капилляры.
• Система термостабилизации — датчики температуры (термопары, платиновые термометры сопротивления, диоды) и нагреватели, позволяющие точно поддерживать заданную температуру (с точностью до 0,1 К).
• Система контроля давления — манометры и регуляторы давления, необходимые для поддержания рабочего давления в криостате (обычно от 0,1 до 2 атм).
• Вакуумная система — откачка воздуха из внешнего кожуха и, при необходимости, из внутренней камеры для создания изоляции и предотвращения конденсации атмосферных газов.

Принцип работы: газ (например, водород) подаётся в криостат, где охлаждается до температуры ниже точки кипения или плавления. Конденсированная жидкость или твёрдое вещество заполняет мишень. Пучок частиц проходит через мишень, взаимодействуя с её ядрами. Продукты взаимодействия регистрируются детекторами, расположенными вокруг мишени.

Применение

Криогенные мишени находят применение в нескольких областях науки и техники.

Физика высоких энергий и ядерная физика

• Эксперименты по рассеянию частиц. Жидководородные и жидкодейтериевые мишени используются для изучения структуры протонов и нейтронов, а также для исследования сильного взаимодействия. Например, в эксперименте CLAS (Thomas Jefferson National Accelerator Facility, США) применялась жидководородная мишень.
• Изучение ядерных реакций. Твёрдые мишени из изотопов водорода, гелия, лития и других лёгких элементов используются для измерения сечений ядерных реакций, важных для астрофизики и термоядерного синтеза.
• Производство вторичных пучков. Криогенные мишени применяются для генерации вторичных частиц (нейтронов, пионов, каонов) при бомбардировке первичным пучком.

Управляемый термоядерный синтез

• Инерциальное удержание. В установках лазерного термоядерного синтеза (например, Национальный комплекс зажигания, США) используются сферические мишени диаметром 1–2 мм, заполненные замороженным дейтерием и тритием (DT-лед). Лазерные лучи обжимают и нагревают мишень, вызывая термоядерную реакцию.
• Магнитное удержание. В токамаках и стеллараторах криогенные мишени (пеллеты) используются для инжекции топлива (дейтерия, трития) в плазму. Пеллеты, впрыскиваемые со скоростью до 1 км/с, испаряются в плазме, обеспечивая её подпитку.

Физика конденсированного состояния

• Изучение свойств криокристаллов. Криогенные мишени позволяют получать и исследовать твёрдые фазы газов (водород, неон, аргон) при температурах ниже 10 К. Изучаются их кристаллическая структура, теплопроводность, оптические свойства.
• Спектроскопия. Охлаждённые газовые мишени используются для получения спектров поглощения и испускания атомов и молекул при низких температурах, что важно для астрофизики (изучение межзвёздной среды).

Медицина и промышленность

• Производство радиоизотопов. Криогенные мишени из газов (например, неона, аргона) используются для облучения пучками протонов или дейтронов с целью получения короткоживущих радиоизотопов для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
• Нейтронная терапия. Криогенные мишени из дейтерия или трития применяются в генераторах нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии рака.

Технические сложности и ограничения

Эксплуатация криогенных мишеней сопряжена с рядом технических проблем:

• Теплоизоляция. Необходимость минимизации теплопритока из окружающей среды требует использования многослойной вакуумной изоляции, криоэкранов и специальных материалов.
• Безопасность. Работа с водородом, дейтерием и тритием требует строгих мер предосторожности из-за их взрывоопасности и, в случае трития, радиоактивности. Криогенные жидкости (жидкий гелий, жидкий азот) могут вызывать криогенные ожоги.
• Однородность. Для получения точных экспериментальных данных мишень должна быть однородной по плотности и толщине. Флуктуации температуры или давления могут приводить к неоднородностям.
• Радиационная стойкость. В условиях интенсивного облучения пучками частиц материалы мишени и криостата могут деградировать (радиационное повреждение, нагрев). Для отвода тепла используются системы активного охлаждения.

Примеры экспериментальных установок

• Криогенная мишень CLAS (Jefferson Lab, США). Жидководородная мишень объёмом 10 см³, работающая при температуре 20 К и давлении 1,2 атм. Используется для изучения электромагнитного взаимодействия.
• Криогенная мишень ANKE (COSY, Германия). Твёрдая водородная мишень, работающая при температуре 4,2 К. Применяется для измерения сечений ядерных реакций.
• Пеллет-генератор для токамака ASDEX Upgrade (Германия). Генерирует сферические пеллеты из дейтерия диаметром 1–2 мм, впрыскиваемые в плазму со скоростью до 500 м/с.
• Криогенная мишень для лазерного синтеза (Национальный комплекс зажигания, США). Сферические мишени из полимерной оболочки, заполненные замороженным DT-льдом. Диаметр мишени 2 мм, толщина стенки 10–100 мкм.

Источники

• В. П. Белов, А. И. Голутвин, «Криогенные мишени для ускорителей», Журнал технической физики, 1985.
• J. D. Jackson, «Classical Electrodynamics», 3rd ed., Wiley, 1999 (глава о рассеянии частиц).
• A. M. Gleeson, «Cryogenic Targets for Nuclear Physics Experiments», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2003.
• H. J. J. van der Meulen, «Cryogenic Pellet Targets for Fusion Plasmas», Fusion Engineering and Design, 2007.
• Материалы Национального комплекса зажигания (LLNL, США), 2010–2020.
• Доклады ЦЕРН по криогенным мишеням (CERN Yellow Reports, 2015).