РЕГИСТРАЦИЯ НАРАБОТКИ СТАБИЛЬНЫХ И ГАММА ИЗЛУЧАЮЩИХ НУКЛИДОВ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ КАТОДА СИЛЬНОТОЧНОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
A. Б. Карабут
ФГУП НИИ НПО “ЛУЧ”, Железнодорожная 24, г. Подольск, Московская область, 142100, Российская федерация
АННОТАЦИЯ
Представлены экспериментальные результаты регистрации избыточной тепловой мощности, наработанных примесных нуклидов, гамма излучения, эмиссии рентгеновского излучения в экспериментах с сильноточным тлеющим разрядом в D2, Xe and Kr. Использовались катодные образцы из Pd, V, Nb, Ta. Избыточная тепловая мощность до 10 -15 Вт и КПД - отношение выведенной тепловой мощности к введенной электрической мощности (до 160 %) регистрируется для предварительно дейтерированных Pd катодных образцов в Xe, Kr разрядах. В тоже время избыточная тепловая мощность не регистрируетсядля чистых Pd катодных образцов в Xe, Kr разрядах.
Зарегистрировано образование примесных нуклидов с атомными массами меньше и больше массы катодного образца. Для регистрируемых примесных элементов наблюдается большое отклонение от природного соотношения изотопов. Рентгеновское излучение с использованием термолюминисцентных детекторов, рентгеновской пленки и сцинтилляционных детекторов с фотоумножителями регистрируется во время горения разряда и после выключения тока разряда (до нескольких часов) в экспериментах с разрядами in H2, D2, Ar, Xe, Kr. Получены спектры рентгеновского излучения в диапазоне энергий 0.5 – 10 кэВ. Слабое (до 1000 событий в секунду) гамма излучение зарегистрировано при специальных режимах эксперимента. Спектры рентгеновского излучения включают континуум и большое количество линий в диапазоне энергий 0.1 – 3.0 МэВ. Обсуждается возможный механизм регистрируемых тепловых и ядерно-физических явлений.
1. ВВЕДЕНИЕ
В экспериментах с сильноточным тлеющим разрядом за последние несколько лет был получен значительный объем результатов по регистрации тепла наработки примесных нуклидов и эмиссии проникающего излучения. Совокупность этих результатов позволяет рассматривать вопрос о создании феноменологической теории явлений протекающих в среде твердого тела катода разряда. К этим явлениям можно отнести: возможность осуществления ядерных реакций трансмутации с производством избыточного тепла и примесных нуклидов и предполагаемый модель этих реакций, механизме инициирования ядерных реакций трансмутации. Дальнейшие экспериментальные исследования проводились для получения дополнительных экспериментальных данных в этом направлении.
2. ИЗМЕРЕНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО ТЕПЛА ПРОТОЧНЫМ КАЛОРИМЕТРОМ
Измерения проводились на установке тлеющего разряда, состоящей из водоохлаждаемых вакуумной камеры, анодного и катодного узлов[1]. Конструкция катода позволяет размещать на охлаждаемой поверхности катодные образцы из различных материалов. Установка помещалась в теплоизоляционный пакет и представляла собой проточный калориметр. В отличии от ранее выполненных экспериментов использовался режим "плазменного анода". Анод установлен у стенки камеры и был погружен в плазменную область, располагавшуюся над катодом. Использовался импульсно периодический источник электрического питания постоянного тока.
Три узла установки катод, анод и камера имели независимые тракты водяного охлаждения.
Каждый канал охлаждения включал датчики температуры на входе и выходе, включенные дифференциально и расходомер воды. Тепловые параметры (сигналы с датчиков температуры и расходомера воды) и электрические параметры (напряжение и ток разряда) регистрировались с использованием компьютерной платы АЦП Data Acquisition. Регистрируемые величины обрабатывались по специальной компьютерной программе. При наличии внутри камеры источника избыточного тепловыделения PEH, его величина определится
PEH = (PHC + PHA + PHCh) - Pel ± DPerror
Здесь Pel - введенная электрическая мощность тлеющего разряда, PHC, PHA, PHCh - выведенная тепловая мощность с водой охлаждения катода, анода и камеры соответственно, DPerror - полная абсолютная ошибка измерений мощности для данной измерительной системы.
Калибровка системы измерений осуществлялась следующим образом. В каждом канале измерений тепловой мощности между датчиками температуры устанавливался водоохлаждаемый электрический резистивный нагреватель помещенный в теплоизоляционный пакет. Величина расхода воды охлаждения соответствовала расходу в системе охлаждения проточного калориметра. Электропитание резистивного нагревателя осуществлялось от импульсно периодического источника питания. Электрические параметры нагревателя были одинаковые с параметрами тлеющего разряда. Измеренная тепловая мощность резистивного нагревателя приравнивалась к измеренной электрической мощности нагревателя. Калибровочная зависимость определялась при различных величинах введенной электрической мощности.
Система измерений позволяла регистрировать электрическую мощность введенную в разряд и тепловую мощность выведенную охлаждающей водой с точностью ±0.6 Вт при абсолютной величине электрической мощности до120 Вт (относительная погрешность ±0.5%.
Эксперименты проводились с Pd катодными образцами в D2 разряде, с предварительно дейтерированными Pd катодными образцами в Xe и Kr разрядах. В контрольных экспериментах использовались не дейтерированные Pd катодные образцы в Xe и Kr разрядах. В этой серии экспериментов плотность тока не превышала 100 мА/см2. При таких значениях тока разряда в D2 происходит непрерывная загрузка D2 в Pd до наступления насыщения. Количество загруженного D2 определялось по уменьшению давления в камере. Периодически производился напуск в камеру D2 для поддержания требуемого давления. Количество загруженного дейтерия в палладий определялось по объему газа поглощенному из разрядной камеры катодным образцом. При достижении насыщения (прекращение поглощения D2) величина отношения D/Pd оценивается как близкая к единице.
Тепловые измерения проводились для Pd катодных образцов в разряде при изменении следующих параметров: плотность тока разряда, напряжение, длительность импульсов тока и временной интервал между импульсами тока источника питания. Абсолютная величина избыточной тепловой мощности (Рис.1) и тепловой КПД возрастает с увеличением мощности введенной в разряд (Рис.2). Большие величины избыточной тепловой мощности и теплового КПД регистрируются для предварительно дейтерированных катодных образцов в Xe и Kr разрядах (Рис.2, кривая 2). Выделяются две области (сильная, кривая 1 и слабая, кривая 2) зависимости величина избыточной тепловой мощности и тепловой КПД от введенной электрической мощности. Максимальные величины избыточной тепловой мощности и теплового КПД регистрируются в экспериментах: в режимах при оптимальном напряжении горения разряда 1000 – 1400 В.
Избыточная тепловая мощность не производится при использовании катодных образцов из чистого (не дейтерированного Pd) в Xe и Kr разрядах.
Таким образом экспериментально показано, что производство избыточной тепловой мощности определяется двумя процессами. 1- в среду кристаллической решетки твердого тела должен быть загружен дейтерий. 2- кристаллическая решетка должна получить начальное возбуждение, в среде твердого тела должны быть созданы высокоэнергетические долгоживущие возбужденные уровни. Эти возбужденные состояния могут быть созданы при использовании дополнительного источника (например потоком ионов инертного газа).
Трехканальная система раздельной регистрации выведенной тепловой мощности (анод, катод, камера) позволила определить структуру избыточного тепловыделения в тлеющем разряде. График показывает, что большие величины КПД регистрируются в экспериментах с большим относительным тепловыделением на катоде. Эти результаты показывают, что избыточная тепловая мощность выделяется преимущественно на катоде (Рис.3).
3. Регистрация примесных нуклидов
В настоящее время одним из доминирующих является представление, что избыточная тепловая мощность производится в результате реакций с производством 4He и реакциями трансмутации с наработкой примесных нуклидов. В рамках этих представлений производился анализ примесных нуклидов в материале катодных образцов до и после эксперимента. Разница в содержании примесных элементов до и после эксперимента определялась, как наработка элементов в эксперименте.
Примеси определялись для Pd катодных образцов после разряда в D2 и для катодных образцов из моноизотопных металлов V, Nb, Ta после разряда в D2 и H2 при одинаковых режимах разряда.
Использовались следующие методы: искровая масс-спектрометрия, вторичная ионная масс-спектрометрия, вторичная нейтрал масс-спектрометрия.
Определялось содержание примесей в объеме катодного образца на разных глубинах. Процедура определения примесей методом вторичной ионной масс спектрометрии включала в себя следующие операции: удаление методом плазменного травления верхнего дефектного слоя толщиной 1.5 нм, сканирование одного слоя 10 нм, плазменное травление материала катодного образца на глубину 50 нм, сканирование второго слоя 10 нм, с определением содержания примесных нуклидов, удаление слоя толщиной 700 нм и сканирование третьего слоя 10 нм, удаление слоя толщиной 100 нм и сканирование четвертого слоя 10 нм с определением примесных нуклидов (Рис.4). Максимальное количество примесных нуклидов нарабатывается в Pd после разряда в D2. Примеси элементов с массой меньше массы Pd приблизительно в два раза и с массой близкой к массе Pd регистрируются в приповерхностном слое толщиной 100 nm в количестве до несколько десятков процентов (Рис.5) (Таблица 1).
Таблица 1
A Прим. нуклид | 1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | 4 слой 800 нм, кол., % | A Прим. нуклид | 1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | 4 слой 800 нм, кол., % | |
6Li | 0.075 | 0.22 | 0.21 | 0.16 | 71Ga | 4.0 | 4.9 | 5.6 | 3.4 | |
7Li | 0.84 | 0.53 | 0.45 | 0.47 | 72Ge | 5.1 | 4.4 | 5.1 | 6.0 | |
11B | 0.14 | 0.31 | 0.18 | 0.18 | 75As | 6.2 | 4.9 | 7.4 | 4.7 | |
12C | 0.93 | 0.63 | 0.47 | 0.54 | 77Se | 3.4 | 3.9 | 4.8 | 4.0 | |
13C | 0.19 | 0.15 | 0.05 | 0.06 | 78Se | 4.5 | 3.45 | 5.8 | 1.4 | |
20Ne | 0.14 | 0.27 | 0.14 | 0.16 | 79Br | 3.0 | 2.4 | 2.8 | ||
42Ca | 0.72 | 1.14 | 1.08 | 0.8 | 80Se | 4.0 | 3.4 | 2.5 | 2.3 | |
44Ca | 2.0 | 3.2 | 3.1 | 2.6 | 82Se | 3.4 | 3.0 | 3.2 | ||
45Sc | 0.74 | 0.91 | 0.86 | 0.8 | 85Rb | 2.2 | 3.4 | 3.3 | 3.6 | |
46Ti | 0.57 | 0.72 | 0.52 | 0.7 | 88Sr | 3.1 | 4.4 | 4.2 | 6.0 | |
47Ti | 0.25 | 0.14 | 0.31 | 0.14 | 90Zr | 2.4 | 1.5 | 2.3 | 5.8 | |
48Ti | 1.1 | 1.23 | 1.1 | 0.66 | 111Cd | 2.8 | 3.0 | 3.0 | 3.4 | |
52Cr | 0.62 | 0.41 | 0.31 | 0.1 | 112Cd | 3.4 | 3.2 | 4.2 | ||
56Fe | 2.9 | 2.6 | 3.1 | 2.7 | 113Cd | 4.0 | 1.8 | 2.8 | 5.1 | |
57Fe | 5.5 | 3.25 | 3.53 | 3.16 | 114Cd | 4.7 | 3.9 | 3.3 | 3.6 | |
59Co | 1.0 | 1.0 | 1.4 | 1.5 | 115In | 2.2 | 2.5 | 2.3 | ||
66Zn | 0.21 | 0.43 | 0.54 | 1.0 |
Таблица 2
A Прим. нуклид | V – H | V – D | |||||
1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | A Прим. нуклид | 1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | |
99Ru | ND | ND | ND | 99Ru | 0.42 | 0.11 | 0.02 |
102Ru | 0.66 | 0.73 | 0.4 | 102Ru | 0.74 | 0.51 | 0.4 |
103Rh | 0.25 | 0.14 | 0.02 | 103Rh | 0.19 | 0.23 | 0.34 |
104Pd | 0.16 | 0.04 | 0.3 | 104Pd | 0.22 | 0.2 | 0.37 |
106Pd | 0.15 | 0.02 | 0.02 | 106Pd | 0.29 | 0.16 | 0.12 |
108Pd | 0.45 | 0.04 | 0.06 | 108Pd | 0.21 | 0.24 | 0.12 |
111Cd | 0.05 | 0.16 | 0.01 | 111Cd | 0.15 | 0.2 | 0.07 |
Таблица 3
A Прим. нуклид | Nb – H | Nb – D | |||||
1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | A Прим. нуклид | 1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | |
99Ru | 0.08 | 0.07 | 0.07 | 99Ru | 0.27 | 0.16 | 0.1 |
102Ru | 0.14 | 0.07 | 0.05 | 102Ru | ND | ND | ND |
104Pd | 1.02 | 0.53 | 0.47 | 104Pd | ND | ND | ND |
106Pd | 1.97 | 1.76 | 1.59 | 106Pd | 0.26 | 0.26 | 0.17 |
108Pd | 1.26 | 1.56 | 1.65 | 108Pd | 0.32 | 0.35 | 0.28 |
110Pd | 1.0 | 1.32 | 0.79 | 110Pd | 0.27 | 0.25 | 0.31 |
118Sn | 0.12 | 0.07 | 0.19 | 118Sn | ND | ND | ND |
120Sn | 0.34 | 0.24 | 0.16 | 120Sn | ND | ND | ND |
139La | ND | ND | ND | 139La | 0.34 | 0.23 | 0.16 |
Значительно меньшее количество примесных нуклидов производится в V, Nb, Ta катодных образцах. В образцах из V наблюдается наработка нуклидов с массой в 2 раза и более массы V. Отсюда можно предположить, что в реакциях трансмутации участвуют два ядра V и ядра H и D.
Таблица 4
A Прим. нуклид | Ta – H | Ta – D | |||||
1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | A Прим. нуклид | 1 слой 10 нм, кол., % | 2 слой 50 нм, кол., % | 3 слой 700 нм, кол., % | |
23Na | 1.5 | 0.74 | 0.36 | 23Na | 0.85 | 0.49 | 0.24 |
40Ca | 1.1 | 0.74 | 0.51 | 40Ca | 1.1 | 0.81 | 0.39 |
63Cu | 0.08 | 0.07 | 0.03 | 63Cu | ND | ND | ND |
65Cu | 0.043 | 0.023 | 0.19 | 65Cu | ND | ND | ND |
99Ru | 0.022 | 0.006 | 0.005 | 99Ru | 0.015 | 0.004 | 0.003 |
106Pd | 0.019 | 0.017 | 0.024 | 106Pd | 0.009 | 0.004 | 0.003 |
108Pd | 0.015 | 0.017 | 0.016 | 108Pd | 0.006 | 0.004 | ND |
182W + TaH | 13.1 | 13.5 | 16.4 | 182W | 6.7 | 5.9 | 8.5 |
183W | 2.14 | 2.42 | 2.4 | 183W | 1.5 | 1.75 | 1.8 |
184W | 0.21 | 0.27 | 0.27 | 184W | 0.21 | 0.16 | 0.14 |
185Re | 0.004 | ND | ND | 185Re | 0.027 | 0.027 | 0.03 |
186W | 0.006 | 0.007 | 0.005 | 186W | 0.045 | 0.04 | 0.04 |
153Eu | ND | ND | ND | 153Eu | 0.004 | 0.012 | 0.005 |
163Dy | ND | ND | ND | 163Dy | 0.0045 | 0.006 | 0.004 |
173Yb | ND | ND | ND | 173Yb | 0.006 | 0.012 | ND |
Значительно меньшее количество примесных нуклидов производится в V, Nb, Ta катодных образцах. В образцах из V наблюдается наработка нуклидов с массой в 2 раза и более массы V. Отсюда можно предположить, что в реакциях трансмутации участвуют два ядра V и ядра H и D. Наработка легких нуклидов (в том числе и редкоземельных) регистрируется в Ta. Для всех этих металлов наблюдается большое различие по виду и количеству наработанных нуклидов после разрядов в H2 и D2. Предположительно это свидетельствует о ядерном характере явления, так как химические и теплофизические характеристики практически одинаковы H2 и D2. Кроме производства примесных нуклидов для V, Nb, Ta регистрируется значительное (в десятки раз) уменьшение некоторых легких примесей, которые содержатся в образцах перед экспериментом.
4. РЕГИСТРАЦИЯ ГАММА ИЗЛУЧЕНИЯ
В специальных условия проведения эксперимента (специальная геометрия разрядной камеры, катода и анода) регистрируется слабое гамма излучение. Регистрация гамма-излучения проводилось с использованием Ge-Li детектора см3 и многоканального анализатора спектра. Детектор вместе с установкой тлеющего разряда помещался в камеру из свинца (Рис.6) толщиной 10 мм.
Гамма-излучение в диапазоне энергий 0,1–3.0 МэВ наблюдается во время горения разряда и после выключения тока разряда в течении до 8 суток. Гамма излучение регистрируется из всего объема разрядной камеры. В длительных перерывах между экспериментами (до нескольких месяцев) проводилась также многократная регистрация фоновых спектров. Запись фона каждый раз велась спустя 10-14 дней после последнего включения разряда. Длительность регистрации одного спектра составляла 1-65 часов. Калибровкой по эталонным источникам спектры приводились к энергетической шкале. Далее в выбранном энергетическом интервале по всем каналам анализатора определялась полная сумма событий и делилась на время регистрации спектра. Величина гамма излучения в 4p определялась с учетом геометрической и физической эффективности детектора и зарегистрированной величины фона. Величина флуктуации гамма фона за это время (~ 5 месяцев) не превышала 10 %. При использовании катодов из различных материалов величина индуцированного гамма-излучения после выключения тока разряда увеличивается с увеличением дозы облучения ионами плазмообразующих газов Ar, D2, H2 катодного образца. В спектрах зарегистрированных от одного Pd катодного образца в течении 8 дней после выключения разряда наблюдаются группы радиоактивных нуклидов с периодом полураспада от 1 дня до 6-7 дней.
23F ¾® 23Ne ¾® 23Na
24F ¾® 24Ne ¾® 24Na ¾® 24Mg
39S ¾® 39Cl ¾® 39Ar
59Cr ¾® 59Mn ¾® 59Fe ¾® 59Co
67Ni ¾® 67Cu ¾® 67Zn
69Ni ¾® 69Cu ¾® 69Zn ¾® 69Ga ¾® 69Ge
73Zn ¾® 73Ga ¾® 73Ge
81Ga ¾® 81Ge ¾® 81As ¾® 81Se ¾® 81Br
83Ge ¾® 83As ¾® 83Se ¾® 83Br ¾® 83Kr
84As ¾® 84Se ¾® 84Br ¾® 84Kr
87As ¾® 87Se ¾® 87Br ¾® 87Kr ¾® 87Rb
93Br ¾® 93Kr ¾® 93Rb ¾® 93Sr ¾® 93Y¾® 93Zr
94Kr ¾® 94Rb ¾® 94Sr ¾® 94Y ¾® 94Zr
99Rb ¾® 99Sr ¾® 99Y ¾® 99Zr ¾® 99Nb ¾® 99Mo
100Y ¾® 100Zr ¾® 100Nb ¾® 100Mo
101Y ¾® 101Zr ¾® 101Nb ¾® 101Mo ¾® 101Tc ¾® 101Ru
105Nb ¾® 105Mo ¾® 105Tc ¾® 105Ru ¾® 105Rh ¾® 105Pd
115Rh ¾® 115Pd ¾® 115Ag ¾® 115Cd ¾® 115In
Спектры индуцированной гамма-активности включают участки превышения сплошного спектра (континуума) и наложенные на них отдельные линии (Рис.7, Рис.8). В этих условиях превышение площади гамма линии над фоном (сигма) имеет небольшую величину (s =2,5-5). Для континиума значение s =8-10. Гамма спектры, полученные во время горения разряда и после выключения, обрабатывались для отождествления гамма линий излучающих нуклидов с использованием базы данных [2]. Анализ показал, что гамма-излучателями являются нейтронно избыточные ядра с массами от А=16 до А=136 дающие b - радиоактивные цепочки распада. Для каждого b - перехода отождествляются 30 - 40 гамма линий. Для одной b - радиоактивной цепочки распада (одной атомной массы радиоактивных нуклидов) отождествляются 100 - 200 гамма линий.
Спектр гамма излучения зарегистрированный после выключения тока разряда содержит гамма линии короткоживущих b - радиоактивных цепочек. Предположительно в твердом теле после выключения тока разряда существуют условия для осуществления ядерных реакций. Приведены b - цепочки дающие наибольший вклад в гамма излучение.
4. X-RAY REGISTRATION
Для инициирования ядерных реакций в твердом теле (плотность реагирующих ядер соответствует плотности твердого тела) нужна энергия возбуждения до нескольких keV. Существование возбужденных энергетических уровне определялось по регистрации рентгеновского излучения. В экспериментах регистрируется интенсивное рентгеновское излучение из среды твердого тела катодных образцов. Регистрация рентгеновского излучения проводилась с использованием термолюминисцентных детекторов (TLD), рентгеновской пленки и сцинтилляционных детекторов, с фотоумножителями. Энергетический спектр излучения регистрировался с использованием спектрометра мягкого рентгеновского излучения на основе изогнутого кристалла слюды.
Эксперименты по регистрации излучения с использованием камеры обскуры показали, что регистрируется рентгеновское излучение. Наложение поперечного магнитного поля с индуктивностью 0,3 Тл не приводит к существенному искажению регистрируемого изображения (Fig.9). С целью измерения интенсивности и оценки средней энергии эмиссии мягкого рентгеновского излучения от катода разряд использовались термолюминесцентные детекторы (ТЛД) на базе кристалла Al2O3, которые позволяют регистрировать величины проникающего излучения начиная с фоновых значений радиоактивного излучения окружающей среды. Детекторы в виде дисков диаметром 5mm и толщиной 1mm, закрытые бериллиевой фольгой различной толщины (15mm, 30mm, 60mm, 105mm, 165mm, 225mm и 300 mm) размещались над катодом в специальной кассете (семиканальном спектрометре).
Таблица 5.
Материал катода | Al | Sc | Ti | Ni | Mo | Pd | Ta | Re | Pt | Pb |
Напряжение разряда, В | 1650 | 1540 | 1730 | 1650 | 1420 | 1650 | 1600 | 1520 | 1650 | 1610 |
Ток разряда, мA | 130 | 130 | 170 | 150 | 210 | 138 | 138 | 125 | 138 | 138 |
Энергия рентг. излуч. во время горения разряда, EX-ray, кэВ | 1.54 | 1.26 | 1.45 | 1.91 | 1.48 | 1.98 | 1.62 | 1.36 | 1.47 | 1.36 |
Энергия рентг. излуч. без разряда, EX-ray, кэВ | 1.68 | 1.5 | 1.46 | 1.96 | 1.33 | 1.71 | 1.62 | 1.38 | 1.75 | 1.45 |
Плотность энергии излучения, j, ´ 10-4 Вт/cм2 | 1.2 | 1.7 | 3.18 | 1.2 | 1.36 | 1.4 | 2.13 | 0.74 | 1.9 | 1.7 |
Число вспышек излучения, Np, ´ 105 вспышек/с | 3.8 | 3.7 | 6.0 | 3.4 | 2.7 | 4.0 | 5.1 | 2.2 | 4.4 | 4.4 |
Макс. Энергия вспышки, Emax, ´ 10-10 J | 1.2 | 1.5 | 1.9 | 1.5 | 1.5 | 1.3 | 1.4 | 1.1 | 1.6 | 1.3 |
Число фотонов в одной вспышке, n, ´ 105 | 0.50 | 0.74 | 0.83 | 0.49 | 0.63 | 0.41 | 0.55 | 0.87 | 0.68 | 0.94 |
Оценка энергии рентгеновского излучения производилась по изменению дозы излучения поглощенной TLD детекторами, снабженных Be экранами различной толщины. [1]. Временные характеристики рентгеновского излучения исследовались с использованием сцинтилляционных детекторов с фотоумножителями.
Эти измерения показали, что диффузная компонента рентгеновского излучения наблюдается в виде большого количества вспышек (до 106 фотонов во вспышке). Отдельные вспышки регистрируются после выключения тока разряда в интервале времени до 100 ms и более.
Для PM сцинтиллятор детектора относительная интенсивность рентгеновского излучения определялась как сумма амплитуд SAi всех рентгеновских вспышек за временной интервал 1 секунда. Далее по величине интенсивности измеренной ТЛД детекторами эта относительная интенсивность приводилась к физической величине интенсивности рентгеновского излучения. По такой методике определялись характеристики излучения для катодов из различных материалов.
Средняя энергия и другие характеристики рентгеновского излучения 1,0 - 2,5 кэВ зависит от материала катодного образца (Таблица 5). Эти величины энергии хорошо согласуются с величиной энергии рентгеновского излучения определенной с использованием ТЛД детекторов.
Спектры рентгеновского излучения регистрировались с использованием рентгеновского спектрометра на основе изогнутого кристалла слюды с фиксацией на X-ray film. Длина волны рентгеновского иpлучения определялась по выражению
m×l = 2×d×sinq
где - длина волны излучения; d - расстояние между кристаллографическими плоскостями кристалла слюды, 2×d = 2nm; q - угол Брега; m - порядок дифракции.
Спектры содержат спектральные полосы, темные и светлые пятна состоящие из множества мелких пятен и отдельные темные и светлые маленькие пятна. Полосы и пятна располагаются в спектральных областях, характерных для используемого материала катода.
Спектральная полоса с энергией 1.2 - 1.3 keV наблюдается для Pd при горении разряда в D2 и Kr и также после выключения тока разряда (Fig.10). Этот результат хорошо согласуется с максимальной величиной производства избыточной тепловой мощности при напряжении горения разряда 1000 - 1300 V. Предположительно в твердом теле материала катода образуются долгоживущие возбужденные уровни с энергией до нескольких кэВ.
5. ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментальные результаты позволяют предположительно сформулировать основные процессы и условия протекания этих процессов в прикатодной области и в твердотельной среде материала катода (феноменологическую теорию явлений).
· - В прикатодной плазменной области существует слой плазмы преимущественно с ионной проводимостью. Более 90% напряжения разряда приходится на этот слой. При этом поток ионов плазмы бомбардирующий поверхность катода приобретает энергию 1 - 2 кэВ близкую к напряжению горения разряда.
· - При бомбардировке поверхности твердого тела потоком ионов плазмы значительную долю в энергетическом балансе занимают процессы неупругих соударений ионов плазмы с инами кристаллической решетки материала катода. Сечение этих процессов связанных с неадиабатическим переходом определяется критерием Месси x = D E × a × 2p / (h × v)
Здесь D E – изменение энергии налетающего иона плазмы (дейтона), a – размер области, где существенно меняется адиабатическая электронная волновая функция (размер атома), h - постоянная Планка, v – относительная скорость дейтона. Для D E = 0.1-1.5 кэВ (условия разряда) критерий Месси » 1 и сечение неупругих процессов становится близким к газокинетическому сечению. Экспериментальные результаты позволяют косвенно оценить долю неупругих процессов в 20 - 30 % от электрической мощности вкладываемой в разряд.
· - Результатом неупругих процессов является образование в твердотельной среде катода долгоживущих возбужденных энергетических уровней с энергией до нескольких кэВ. Релаксация этих уровней происходит путем эмиссии электронов и рентгеновского излучения. В спектрах рентгеновского излучения регистрируются полосы с энергиями значительно отличающимися от энергий L, M электронных уровней. Предположительно образование возбужденных уровней происходит при колебательной деформации электронно-ядерной системы ионов твердого тела. Остов электронных оболочек смещается относительно ядра с образованием диполя (оптический полярный фонон). При сближении иона плазмообразующего газа с ионом кристаллической решетки происходит смещение электронной оболочки относительно ядра с образованием пространственно разделенного заряда или оптического полярного фонона. Частота начальных оптических полярных фононов op = 2×. где = Wop /2×h. При энергии W =1 keV op =0.95×1019 сек-1 выше плазменной частоты металле p=(1.3 – 2.5) ×1016 сек-1, плазмоны не образуются, электроны проводимости не компенсируют возникшего пространственного разделения зарядов. В объеме твердого тела распространяется электромагнитная волна и происходит образование энергетических возбужденных уровней по всему объему твердотельной среды катодного образца. В объеме твердого тела создается инверсная заселенность с энергиями несколько кэВ.
· - В спектрах рентгеновского излучения регистрируются полосы с энергиями превышающими энергию ионов плазмы разряда в несколько раз. Предположительно это является экспериментальным подтверждением существования механизма "Фононного лазера Peter Hagelstein". В поверхностном слое материала катода генерируются оптические полярные фононы с начальной энергией Ei @ h×w1in.
Здесь Ei - энергия ионов плазмы. При большой интенсивности генерации начальных фононов (большой макроскопической напряженности электрического поля поляризации Ea) большую долю в энергетическом балансе составляют нелинейные (ангармонические) процессы. . Для оптических фононов нелинейные процессы третьего и четвертого порядка записываются в виде: hw1in + hw2 in® hw3 And w1 <w3 >w2
hw1in + hw2in+ hw3in® hw4 And w1 <w4 >w2 , w4 >w3
Эти выражение означают, что два первичных фонона hw1in, hw2in или три первичных сливаются вместе и образуют один фонон hw3 или hw4, частота и энергия образовавшихся фононов Wop = hwop /4p2 будет больше. Таким путем из большого числа первичных фононов с энергией 0.07 – 1.5 keV образуется меньшее количество фононов с высокой энергией до десятков и сотен keV. Энергетический спектр первичных фононов с энергией несколько сотен эВ смещается в сторону энергий десятков кэВ. При этом кристаллическая решетка Pd "холодная" (300-400) °K, ионы Pd расположены в узлах решетки и совершают тепловые колебания, соответствующие этой температуре. Ионы дейтерия тоже пространственно фиксированы между ионами Pd. Но ионы Pd находятся в состоянии оптического полярного колебательного возбуждения с энергией до десятков keV.
4- Ядерные реакции трансмутации. После каждого прохождения импульса тока тлеющего разряда в твердом теле образуются возбужденные энергетические состояния с плотностью заселенности n exit (cm-3) и характеристической температурой Texit » 1.5 – 1.8 keV и выше (до 20 000 000 °K и более ). Эти энергетические состояния существуют характерное время texit ( до 100 ms и более). Такую среду в которой температура кристаллической решетки не превышает несколько сотен °K будем называть неравновесной средой. В такой среде возможно осуществление неравновесных ядерных реакции трансмутации. Вероятность протекания этих реакций (и соответственно величина Excess Heat Power) определяется критерием n exit ´ t exit > (n exit ´ t exit)crit.
Этот критерий является видоизмененным критерием Лоусона, используемым для оценки положительного выхода тепла в инерциональном термоядерном синтезе. Плотностью заселенности определяется параметрами горения разряда и геометрией катодного образца. Характерное время существования возбужденных состояний определяется балансом между процессами возбуждения энергетических уровней во время прохождения импульса разрядного тока накачки и процессами релаксации этих уровней путем эмиссии рентгеновского излучения. Предположительно возможны реакции следующих типов.
Pd + 2D ® [AB]* ® C*+ F*® C + F + Heat
Pd + 22D ® [AB]* ® C*+ F*® C + F + Heat
Здесь [AB]* - промежуточное компаунд – ядро с малым временем жизни, C*,D* - ядерные изомеры нуклидов с массой меньше массы Pd, C, D - стабильные нуклиды. Конкретных физический механизм осуществления этих реакций требует дополнительных исследований. Одним из возможных типов этих реакций с образованием примесных нуклидов могут быть дальнодействующие (резонансные) ядерные реакции. Механизм дальнодействующих реакций можно рассмотреть на примере конкретной реакции трансмутации двух типов.
Возможная реакция может быть следующая.
104Pd + 2D ® 106[Pd;D]* ® 13C + 93Nb + 7.8198 МэВ;
Согласно законам сохранения импульса и энергии образовавшийся нуклид 13C должен получить энергию 6.8608 МэВ. Нуклид 93Nb должен получить энергию 0.959 МэВ. Для 13C существует ядерное возбужденное состояние (ядерный изомер) с энергией 6.864 МэВ и шириной возбужденного уровня 6 кэВ. Для 93Nb существует возбужденный уровень с энергией 0.9498 МэВ. Разность между энергии получаемой нуклидом13C и энергией одного из возбужденных состояний его ядра равна 3.2 кэВ. При энергии возбуждения кристаллической решетки 1.5 кэВ и ширине воэбужденного энергетического уровня 6.0 кэВ эти условия дают большую вероятность осуществления дальнодействующей (резонансной) ядерной реакции (Fig. 10).
Пример реакции второго типа.
The reaction 105Pd + 22D ® 109[Pd2D]* ® 93Rh + 6Li + 9.484 MeV
Согласно законам сохранения импульса и энергии образовавшийся нуклид 7Li должен получить энергию 8.880 МэВ. Нуклид 103Rh должен получить энергию 0.6492 МэВ. Для 7Li существует ядерное возбужденное состояние (ядерный изомер) с энергией 9.6704 МэВ и шириной возбужденного уровня 400 кэВ. Для 103Rh существует возбужденный уровень с энергией 0.650085 МэВ. Разность между энергии получаемой нуклидом 103Rh и энергией одного из возбужденных состояний его ядра равна 0.885 кэВ. При энергии возбуждения кристаллической решетки 1.8 кэВ эти условия дают большую вероятность осуществления дальнодействующей (резонансной) ядерной реакции (Fig. 10).
· - В эксперименте не регистрируется значительная эмиссия тяжелых заряженных частиц. Отсюда можно предположить, что энергия ядерных реакций выделяется не в виде кинетической энергии образовавшихся примесных нуклидов. Предположительно примесные нуклиды образуются в виде ядерных изомеров (ядер в возбужденном состоянии). Из результатов эксперимента следует, что релаксация этих возбужденных ядерных уровней через канал гамма излучения сильно подавлена. Совокупность экспериментальных результатов позволяет предположить, что энергия возбужденных ядерных уровней образовавшихся нуклидов переходит в тепло. Конкретных физический механизм такого перехода требует дополнительных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. A. B.Karabut, “Production of Excess Heat Power on the Basis of Low Energy Nuclear Reaction (LENR) in the Solid Medium”, Proceedings of 2004 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP '04), June 13-17, 2004 in Pittsburgh, PA - USA, Paper 4054.
2. Richard B. Firestone, Table of Isotopes, 8th Edition, Vol.1,2, Appendix G –1, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1996.
Рис.1. Зависимость избыточной тепловой мощности от электрической мощности, введенной в разряд. Предварительно дейтерированный Pd катодный образец. Разряд в D2, Xe, Kr. 1- не оптимальное напряжение горения разряда, 2 - оптимальное напряжение 1000 - 1300 В.
Рис.2. Зависимость теплового КПД (отношение выведенной тепловой мощности к введенной электрической мощности) от электрической мощности введенной в разряд. 1,2 -Предварительно дейтерированный Pd катодный образец. Разряд в D2, Xe, Kr. 1- не оптимальное напряжение горения разряда, 2 - оптимальное напряжение 1000 - 1300 В. 3 - недейтерированный Pd катодный образец, Разряд в Kr.
Рис.3. . Зависимость тепловой мощности снимаемой системой охлаждения катода от электрической мощности введенной в разряд. 1,2 - Предварительно дейтерированный Pd катодный образец. Разряд в D2, Xe, Kr. 1- не оптимальное напряжение горения разряда, 2 - оптимальное напряжение 1000 - 1300 В. 3 - не дейтерированный Pd катодный образец, Разряд в Kr.
Fig.4. Схема определения примесных нуклидов в объеме катодного образца методом масс спектрометрии (методы ВИМС и ВНМС). 1-загрязненный удаляемый слой, 2,3-анализируемые слои, 4-поверхность катода обращенная к плазме разряда, 5-слой катодного образца, удаляемый плазменным травлением, 7,6- анализируемые слои.
Рис.5. Изменение содержания примесных нуклидов наработанных в течении эксперимента в объеме приповерхностного слоя. Система Pd - D2, ток разряда 100 мА, время эксперимента 80000 с.
Рис.6. Схема регистрации гамма излучения. 1 – установка тлеющего разряда, 2 – свинцовый экран, 3 – катод, 4 – анод, 5 – ОЧГ гамма детектор, 6 – 15 мкм бериллиевое окно, 7 – X-ray детекторы (термолюминисцентные на основе Al2O3, сцинтиллятор-ФЭУ, X-ray пленка), 8 – спектрометрический усилитель, 9 – многоканальный компьютерный анализатор.
Fig.7. Спектр гамма излучения зарегистрированный Ge-Li детектором от прибора тлеющего разряда после выключения тока. Pd катод, разряд в D2. Время горения разряда 10000 сек, ток разряда 100 мА, напряжение 900 В. Гамма спектр регистрировался в течении 60000 сек после выключения тока. Фоновый спектр с длительностью регистрации 60000 сек. вычтен из рабочего спектра. Фрагмент спектра, выделенный синим контуром, представлен более подробно.
Fig. 8. Фрагмент спектра гамма излучения с указанием отождествленных гамма линий. Линии отнесены к дочерним возбужденным ядрам цепочек бета распада.
Рис.9. a - Схема регистрации рентгеновского излучения с использованием камеры обскуры, 1-катод, 2-анод, 3-15mm Be экран, 4-магнитная система, 5-корпус камеры, 6-объектив (диаметр 2 мм), 7- фланец, 8-рентгеновская пленка, 9-изображение. Разряд в D2, Pd катод, ток разряда 150 мА, напряжение 1850 В. b-рентгеновское изображение катода и анода без наложения магнитного поля. с - рентгеновское изображение катода и анода с наложения поперечного магнитного поля (индукция 0,3 Тл). Изображение позитивное, 1-изображение анода, 2-область плазмы разряда, 3-изображение катода.
Рис.10. Спектры рентгеновского излучения от Pd катодного образца, полученные с использованием спектрометра на основе изогнутого кристалла слюды. a - при горении разряда в D2; b, c, d, не дейтерированный Pd катодный образец; b - разряд в Ar, c - разряд в Kr, в - разряд в Xe, e - спектр зарегистрированный после выключения тока разряда D2.
