криогенный слой топлива, топливное ядро и способ его получения

Формула изобретения

1. Топливное ядро, представляющее собой микросферу, на внутренней поверхности которой расположен слой конденсированного топлива, содержащий также легирующие добавки, причем указанный слой является устойчиво прозрачным и гладким во всем диапазоне существования своей твердой фазы.

2. Топливное ядро по п. 1, в котором внешний слой (микросфера) выполнен из материала, обеспечивающего эффективное сжатие топлива, например такого, как полистирол, стекло, бериллий или дейтерид бериллия.

3. Топливное ядро по п. 1 с диаметром не менее 500 мкм.

4. Топливное ядро по п. 1, в котором криогенный слой термоядерного топлива выполнен из изотопов водорода, например таких, как D2 или DT.

5. Топливное ядро по п. 1, в котором криогенный слой термоядерного топлива имеет толщину не менее 10 мкм.

6. Топливное ядро по п. 1, в котором криогенный слой топлива содержит легирующие добавки, замедляющие рост кристаллических зерен, например такие, как НD, DT, СО, СО₂, NH₃, СН₄ и им подобные, составляющие не более 3% от общей массы криогенного слоя.

7. Топливное ядро по п. 1, в котором криогенный слой топлива сохраняет свою прозрачность и гладкость в течение 1 ч и более в интервале температур от 5К до температуры плавления.

8. Топливное ядро по п. 1, в котором размер шероховатости свободной поверхности криогенного слоя термоядерного топлива не более 0,5 мкм.

9. Способ получения топливного ядра по п. 1, включающий диспергирование жидкой фазы термоядерного топлива и закалку на охлажденной стенке микросферы в присутствии легирующих добавок.

10. Способ получения топливного ядра по п. 9, в котором диспергирование осуществляют путем капельной конденсации паров термоядерного топлива в объеме микросферы в присутствии легирующих добавок.

11. Способ получения топливного ядра по п. 9, в котором закалку осуществляют путем осаждения микрокапель жидкого топлива, содержащих легирующие добавки, на поверхность микросферы, охлажденной ниже температуры плавления топлива.

12. Способ по любому из пп. 9-11, в котором легирующими добавками являются НD, DT, СО, СО₂, NH₃, СН₄ и подобные, составляющие не более 3% от общей массы криогенного слоя.

13. Способ по любому из пп. 9-12, в котором топливное ядро содержит криогенный слой термоядерного топлива, включающий также легирующие добавки, характеризующийся тем, что он устойчиво прозрачный и гладкий во всем диапазоне существования своей твердой фазы.

14. Способ по любому из пп. 9-13, в котором внешний слой микросферы выполняют из материала, обеспечивающего эффективное сжатие топлива, например такого, как полистирол, стекло, бериллий или дейтерид бериллия.

15. Способ по любому из пп. 9-14, в котором топливное ядро имеет диаметр не менее 500 мкм.

16. Способ по любому из пп. 9-15, в котором криогенный слой топливного ядра выполняют из изотопов водорода, например таких, как D2 или DT.

17. Способ по любому из пп. 9-16, в котором криогенный слой топливного ядра имеет толщину не менее 10 мкм.

18. Способ по любому из пп. 9-17, в котором криогенный слой топливного ядра содержит легирующие добавки, замедляющие рост кристаллических зерен, например такие, как НD, DT, СО, СО₂, NH₃, СН₄ и им подобные, составляющие не более 3% от общей массы криогенного слоя.

19. Способ по любому из пп. 9-18, в котором криогенный слой топливного ядра сохраняет свою прозрачность и гладкость в течение 1 ч и более в интервале температур от 5К до температуры плавления.

20. Способ по любому из пп. 9-19, в котором размер шероховатости свободной поверхности криогенного слоя топливного ядра составляет не более 0,5 мкм.

21. Криогенный слой топливного ядра, который является устойчиво прозрачным и гладким во всем диапазоне существования своей твердой фазы.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза (УТС), более конкретно, касается мишени, в частности криогенной мишени с конденсированными слоями топлива, и способу ее получения.

Уровень техники

Проблема использования реакции термоядерного синтеза для практических целей уже длительное время находится в числе актуальных. Исследования по управляемому термоядерному синтезу интенсивно ведутся в ряде развитых стран.

Одним из наиболее перспективных направлений в проблеме УТС является термоядерный синтез в условиях микровзрыва или термоядерный синтез с инерциальным ограничением. В этом случае для поджига термоядерной реакции в качестве источников энергии (драйверов) используются лазеры, релятивистские электронные пучки легких и тяжелых ионов, а также рентгеновское излучение, индуцируемое теми же драйверами.

В инерциальном УТС время удержания горячей плазмы невелико. В этом случае для достижения условий термоядерного поджига необходимо достичь сжатия вещества до плотностей, приблизительно, 10²⁴-10²⁶ см^-3, что в 2-3 раза выше плотности твердого тела. Таким образом, главной задачей осуществления термоядерного синтеза с инерциальным ограничением является достижение сверхвысоких сжатий.

Развитие исследований по УТС в условиях микровзрыва началось в 1962 г. после сообщения Н.Г. Басова и О.Н. Крохина о возможности использования лазеров для нагрева вещества до термоядерных температур. В настоящее время доказано, что наибольшее сжатие и нагрев вещества достигается при симметричном лазерном облучении сферической мишени, содержащей дейтерий-тритиевую смесь (ДТ - горючее). Для оптимизации работы этой системы необходимо найти и реализовать такую конструкцию мишени, которая способна обеспечить высокий коэффициент усиления по энергии. Основной частью любой конструкции мишени должно быть сферически-симметричное ядро, представляющее собой оболочку (или несколько взаимоприлегающих оболочек), на внутренней поверхности стенки которой сконденсировано топливо равномерным жидким или твердым слоем. Мишень с таким криогенным ядром называется криогенной или криомишенью.

Применительно к данному изобретению рассматривают только внутреннюю оболочку, а все остальное относят к внешней части конструкции мишени.

Параметры мишени и, в частности топливного ядра, должны отвечать жестким требованиям, вытекающим из теоретических расчетов, к степени сферичности, однородности, равнотолщинности составляющих слоев, отсутствию локальных возмущений на поверхности конденсированного топлива. Одной из важных задач в проблеме производства и использования топливного ядра является создание криогенного слоя, отвечающего теоретическим требованиям, а также решение проблемы введения криогенной мишени в оптический фокус термоядерной камеры без существенного нарушения параметров слоя горючего, причем способ доставки мишени не должен влиять на процесс взаимодействия излучения с веществом.

В 1974-1977 годах в США (фирма KMS-Fusion) и в СССР (ФИАП) были проведены эксперименты по вымораживанию изотопов водорода на внутренней поверхности микросфер из стекла и полистирола. Эти эксперименты продемонстрировали всю сложность получения и длительного сохранения однородного твердого криослоя.

В 1978-1979 годах в Лос-Аламосской и Ливерморской лабораториях США был найден способ получения прозрачного слоя из нормального дейтерия при 5 К и 10 К.

В экспериментах по двухпучковому сжатию простых стеклянных криомишеней с жидким ДТ-слоем, выполненных в 1979-1981 годах на фирме KMS-Fusion, было показано, что уже при сравнительно малых энергиях лазера и высокой степени равнотолщинности ДТ-слоя, происходит увеличение степени сжатия и повышение выхода термоядерных нейронов по сравнению с вариантом газонаполненной мишени [1].

В связи с указанными разработками в 1981-1984 годах в США были выданы патенты 4154868, 4258075, 4292340 и 4464413, касающиеся способов и устройств для получения криогенных мишеней. На способ получения криогенной мишени для лазерного термоядерного синтеза выдано авторское свидетельство СССР 1017099 на имя В.М. Изгородина.

Однако в указанных источниках не приводится данных систематических исследований процессов, происходящих внутри криогенных мишеней и, в частности внутри криогенного топливного ядра, при различных внешних условиях. Временная и температурная зависимости изменения параметров гладкости криослоя были рассмотрены только качественно. Методы формирования криослоев не обеспечивали сохранения параметров криослоя топлива в процессе его хранения и доставки в фокус лазера.

Согласно [2] в момент облучения криогенной лазерной мишени топливный слой должен находиться при температурах, около 18,5 К (D2-топливо) или около 19,5 К (DT-топливо), то есть вблизи температуры плавления (Т_пл) этих веществ (Т_пл= 18,7 К для D2; Т_пл=19,7 К для DT-смеси). Важнейшим параметром качества мишени в этих условиях является гладкость топливного слоя: допустимые локальные неоднородности на свободной поверхности не должны превышать 0,5-1 мкм.

В равновесном твердом состоянии изотопы водорода представляют собой молекулярные кристаллы, причем образцы твердых водородов имеют характерную крупнокристаллическую или текстурированную структуру [3-5]. При скоростях охлаждения порядка 10 К/сек и ниже (эти режимы были реализованы в патентах, указанных выше), подобная структура наблюдается при вымораживании топлива внутри лазерных мишеней [6,7]. Возмущения свободной поверхности этих слоев значительно превышают допустимый критерий качества.

Одним из подходов к улучшению качества кристаллического слоя является сглаживание его свободной поверхности с помощью какого-либо источника тепла (IR-redistribution, Plasma-heating, beta-layering и др.) [8-10]. Снятие внешнего воздействия в этом случае приводит к возврату поверхности в первоначальное возмущенное состояние, причем возврат происходит тем быстрее, чем ближе температура мишени к температуре плавления слоя. Это свойство кристаллического слоя ставит под сомнение возможность доставки сформированной криогенной мишени в зону термоядерного горения без потери качества.

Другой подход к проблеме - формирование криослоя в виде метастабильной аморфной (квази-жидкой) пленки, в которой характерный размер неоднородности структуры составляет менее 30 А [11, 12]. Эта форма топливного слоя обладает достаточно гладкой поверхностью или, по крайне мере, может быть эффективно сглажена.

В работе [13] впервые были достигнуты условия формирования подобных метастабильных состояний криогенного слоя при скоростях охлаждения выше, чем 1000 К/сек. Однако эти и более поздние исследования [14-16] показали, что получаемый аморфный слой изотопа водорода устойчиво существует только в диапазоне температур, не превышающих некоторого порога Та, а именно (8-11,6) К для D2 и (5-7,7) К для Н2. При отогреве выше Та слой необратимо переходит в равновесную кристаллическую форму, обладающую высокой степенью негомогенности и шероховатой свободной поверхностью. Это означает, что к моменту облучения лазерной мишени, когда топливный слой находится вблизи температуры плавления, его структура, а следовательно, и поверхность будут необратимо "испорчены".

Таким образом, не смотря на существенный прогресс в области создания криогенных мишеней, до настоящего времени существует настоятельная потребность в разработке криогенной мишени, характеризующейся стабильным, прозрачным, гладким, твердым криогенным слоем водорода внутри микросферы.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема модуля формирования и цифрами обозначены: 1 - криостат; 2 - контейнер с газонаполненными микросферами; 3 - накопитель; 4 - дозатор; 5 - канал формирования; 6 - диагностическая камера; 7 - датчик температуры, укрепленный на стенке камеры; 8 - микросфера.

На фиг.2 приведен снимок плавления эквимолярной смеси H2/D2. Микросфера из полистирола диаметром 950 мкм, криослой толщиной, примерно 30 мкм, (а) Т= 16,3 К - начало плавления; (b) Т=16,6 К; (с) Т=16,8 К - конец плавления.

На фиг. 3 - фотография, где показан результат после 3-го отогрева, появление в прозрачном слое кристаллических форм и их плавление: а - прозрачный слой; b - образование смешанного состояния: прозрачное + кристаллит; c-d-e - процесс плавления кристаллита.

На фиг.4 - приведена диаграмма эволюции криогенного слоя при циклической термообработке:

- разрежение 3 мТор внутри диагностической камеры. 1-й цикл - микросфера была отогрета от 5 до 20 К и вновь охлаждена до 5 К; при этом слой оставался прозрачным. 2-5 циклы - образование смешанного состояния и эволюция температуры плавления кристаллитов;

- в камере газ (гелий) при 15 Top. 6-8 циклы - плавление кристаллического слоя при 14-14,1 К.

На фиг. 5 - иллюстрирует процесс капельной конденсации Н2 и образования слоя внутри стеклянной микросферы диаметра 500 мкм: начальная температура микросферы 40 К, температура стенки камеры 5 К, скорость охлаждения микросферы 250 К/сек, давление остаточного газа в камере 3 мТор, давление заполнения микросферы 220 атм (при 300 К).

Сущность изобретения

Данное изобретение во многом решает указанную выше проблему, то есть данное изобретение обеспечивает криогенную мишень для УТС, отличающуюся от известных в уровне техники своими качественными характеристиками, а именно, она обладает увеличенной, в сравнении с известными мишенями, стабильностью криогенного слоя, сохраняет прозрачность и гладкость криогенного слоя в течение более продолжительного времени и при более высоких температурах, чем известные аналоги.

Термины, используемые в описании изобретения означают опредения, как они раскрываются в данном разделе, если в конкретном случае не оговорено иначе.

Топливное ядро - полая сферическая оболочка диаметром не менее 500 мкм, выполненная из материала, обеспечивающего эффективное сжатие топлива, например, из такого, как полистирол, стекло, бериллий или дейтерид бериллия, причем на внутренней поверхности оболочки расположен криогенный слой из твердого топлива, в частности такого, как D2 или DT. Указанное топливное ядро само по себе является мишенью, либо частью конструкции мишени для инерциального термоядерного синтеза.

D2 - дейтерий, DT - дейтерий-тритиевая смесь.

Твердый криогенный слой (или криослой) - слой топлива, охлажденного ниже температуры плавления, который отличается равнотолщинностью и гладкой свободной поверхностью вблизи температуры плавления топлива.

Стабильная мишень - мишень с первоначально полученным криослоем, не кристаллизующимся в области исследуемых температур вплоть до температуры плавления в течение одного часа и более.

Прозрачная мишень - мишень с криослоем, в котором не различаются границы микрокристаллитов по причине их малости или отсутствия.

Микросфера - полая сферическая оболочка.

Легирующие добавки - добавки, замедляющие рост кристаллических зерен, в частности HD, DT, CO, CO₂, NH₃, CH₄ и им подобные.

Гладкий криогенный слой - слой, свободная поверхность которого не содержит локальных неоднородностей, превышающих 0,5 мкм.

Криогенный слой, устойчивый во всем диапазоне существования твердой фазы - первоначально полученный слой, не кристаллизующийся в области исследуемых температур вплоть до температуры плавления.

Закалка - здесь это реализация капельной конденсации путем быстрого охлаждения топлива вместе с легирующими добавками внутри оболочки и быстрого охлаждения капель топлива на неизотермической глубоко охлажденной поверхности оболочки для получения слоя с повышенной плотностью дефектов и снижения скорости роста зерен кристаллов. Более конкретно здесь - закалка - это вымораживание топлива на внутренней поверхности оболочки со скоростью более 350 К/сек. Закалка идет в существенно неравновесных условиях.

Одним из аспектов данного изобретения является обеспечение топливного ядра прозрачным криогенным слоем из изотопов водорода или их смеси, сохраняющим прозрачность при отогреве от 5 К до 16-20 К. Данный аспект основан на изготовлении криогенного слоя в присутствии малых легирующих добавок, замедляющих рост кристаллических зерен.

Другим аспектом изобретения является обеспечение топливного ядра с устойчивым к температурным колебаниям криогенным слоем во всем диапазоне существования твердой фазы данного топлива. Данный аспект также основан на изготовлении криогенного слоя с малыми легирующими добавками, замедляющими рост кристаллических зерен.

Дополнительным аспектом данного изобретения является криогенный слой топливного ядра, состоящий из изотопов водорода или их смеси и малых легирующих добавок, замедляющих рост кристаллических зерен.

Еще одним аспектом изобретения является разработка способа получения топливного ядра с прозрачным, гладким криогенным слоем, устойчивым к температурным колебаниям во всем диапазоне существования твердой фазы. Данный аспект также, в свою очередь, основан на принципах изготовления стеклообразных материалов и/или мелкодисперсных сплавов (твердых растворов) с малыми легирующими добавками, замедляющими рост кристаллических зерен [17].

Топливное ядро согласно изобретению представляет собой микросферу, на внутренней поверхности которой расположен криогенный слой термоядерного топлива, содержащий также легирующие добавки, причем указанный слой является устойчиво прозрачным и гладким во всем диапазоне существования своей твердой фазы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения внешний слой микросферы топливного ядра выполнен из материала, обеспечивающего эффективное сжатие топлива, например, такого как полистирол, стекло, бериллий или дейтерид бериллия.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения топливное ядро имеет диаметр не менее 500 мкм.

В еще одном предпочтительном варианте топливное ядро имеет криогенный слой топлива, выполненный из изотопов водорода, например, таких как D2 или DT.

В особо предпочтительном варианте выполнения изобретения топливное ядро имеет криогенный слой термоядерного топлива толщиной не менее 10 мкм.

В другом особо предпочтительном варианте выполнения изобретения топливное ядро имеет криогенный слой топлива, который содержит легирующие добавки, замедляющие рост кристаллических зерен, например, такие как HD, DT, CO, CO₂, NH₃, СН₄ и им подобные, составляющие не более 3% от общей массы криогенного слоя.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения топливное ядро имеет криогенный слой топлива, который сохраняет свою прозрачность и гладкость в течение 1-го часа и более в интервале температур от 5 К до температуры плавления данного топлива.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения топливное ядро имеет размер шероховатости свободной поверхности криогенного слоя топлива не более 0,5 мкм.

Способ получения топливного ядра является другим предметом изобретения и он включает стадии: а) диспергирования жидкой фазы термоядерного топлива, и б) закалки на охлажденной стенке микросферы в присутствии легирующих добавок.

В предпочтительном варианте осуществления этого аспекта изобретения диспергирование осуществляют путем капельной конденсации паров топлива в объеме микросферы в присутствии легирующих добавок.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения закалку осуществляют путем осаждения микрокапель жидкого топлива, содержащих легирующие добавки, на поверхность микросферы, охлажденную ниже температуры плавления топлива.

В следующем предпочтительном варианте выполнения способа в качестве легирующих добавок используют HD, DT, CO, CO₂, NH₃, СН₄ и им подобные, причем содержание указанных добавок составляет не более 3% от общей массы криогенного слоя.

В еще одном варианте осуществления изобретения способ обеспечивает получение топливного ядра, содержащего криогенный слой топлива, включающий также легирующие добавки, характеризующийся тем, что он устойчиво прозрачный и гладкий во всем диапазоне существования своей твердой фазы.

В следующем варианте осуществления способа внешний слой микросферы выполняют из материала, обеспечивающего эффективное сжатие топлива, например, такого как полистирол, стекло, бериллий или дейтерид бериллия.

В дополнительном варианте способ обеспечивает получение топливного ядра, который имеет диаметр не менее 500 мкм.

В другом варианте выполнения способа согласно изобретению криогенный слой топливного ядра выполняют из изотопов водорода, например, таких как D2 или DT.

Предпочтительно, чтобы криогенный слой топливного ядра, полученного согласно предлагаемому способу, имел толщину не менее 10 мкм.

Способ согласно изобретению обеспечивает криогенный слой топливного ядра, содержащий легирующие добавки, замедляющие рост кристаллических зерен, например, такие как HD, DT, CO, CO₂, NH₃, СН₄ и им подобные, составляющие не более 3% от общей массы криогенного слоя.

Указанный способ позволяет получить криогенный слой топливного ядра, который сохраняет свою прозрачность и гладкость в течение 1-го часа и более в интервале температур от 5 К до температуры плавления.

Особо предпочтительно, чтобы размер шероховатости свободной поверхности криогенного слоя топливного ядра, получаемого согласно способу, был не более 0,5 мкм.

Еще одним аспектом изобретения является криогенный слой топливного ядра, который является устойчиво прозрачным и гладким во всем диапазоне существования своей твердой фазы.

Подробное описание изобретения

Общий способ формирования твердого криогенного слоя внутри микросферы (Получение топливного ядра)

Топливное ядро представляет собой оболочку, на внутренней поверхности которой расположен слой конденсированного топлива. Подготовка топливного ядра включает в себя процедуру изготовления оболочки и ее заполнение газообразным топливом, как это описано в [18, 19].

Топливное ядро получали с использованием специального модуля формирования, схема которого показана на фиг.1. Принцип работы модуля и основные технические характеристики описаны ранее в работах [20, 21].

После окончания процедуры заполнения цилиндрический контейнер (2), внутри которого находились микросферы, заполненные газом, помещали в модуль формирования. Указанные операции проводились при температуре Т=300 К.

Модуль формирования представлял собой вставку в промышленный гелиевый криостат КГ-14 (1). После размещения модуля формирования в криостате, криостат охлаждался жидким гелием. При необходимости контейнер охлаждали до 40 К, после чего микросферы перемещали в накопитель (3). С помощью дозатора (4) одна микросфера из накопителя инжектировала внутрь канала формирования (5), представляющего собой медную трубку диаметром 3 мм и общей длиной 1,5 м, навитую на вертикальный металлический цилиндр, как это показано на фиг.2. Стенки канала охлаждали снаружи парами кипящего гелия. Микросферу охлаждали в результате контакта с холодными стенками канала формирования и газ вымораживали внутри нее. На выходе из канала микросферу инжектировали в диагностическую камеру (6) с температурой стенок 4,2-5 К. Время пребывания микросферы в канале формирования составляло от 4 до 12 сек.

Конструкция криостата позволяет изменять температуру стенок диагностической камеры в диапазоне 4,2-40 К. Измерения температуры проводили с помощью миниатюрного бескорпусного полупроводникового датчика сопротивления (7), вмонтированного в стенку камеры. Размер датчика был сравним с размером микросферы и составлял, приблизительно, 0,5 мм³. Точность измерения температуры стенки камеры составляла 0,05 К (в области 4,2-20 К) и 0,1 К (в области 20-40 К).

Конструкция модуля формирования обеспечивает возможность изменения абсолютного давления внутри канала формирования и диагностической камеры в диапазоне от 10^-6 Тор до 600 Top.

Оценку эволюции криогенного слоя при отогреве (охлаждении) проводили с помощью системы оптической диагностики, в состав которой входил длиннофокусный микроскоп, созданный на базе промышленного микроскопа ИМЦЛ 100х50, персональный компьютер Pentium-1000 с контроллером SCSI-11, а также телевизионная система "МАТРИЦА-430 к/12" (производство DeltaTekh). В процессе экспериментов проводили видеозапись эволюции слоя с временным разрешением 0,04 сек.

Системы МАТРИЦА включает ПЗС-камеру (размер ПЗС-матрицы 752х582 пикселей, размер пикселя 8,6х8,3 мкм) и процессор сигналов. Отличительной особенностью системы является сохранение и дальнейшая обработка изображения, полученного в результате разности фонового кадра и регистрируемого сигнала. Это позволяет исключить влияние систематических приборных погрешностей и проводить предварительную статистическую обработку сигнала. В результате достигается высокое пространственное разрешение при контроле качества слоя: 2,5 мкм для видимой области спектра.

Исследовано более 100 микросфер из стекла и полистирола (диаметр 0,4-1 мм), заполненных смесью изотопов водорода различного состава до давлений от 40 до 220 атм (при 300 К). Толщина криогенного слоя внутри микросфер составляла в среднем от 2 до 30 мкм при 5 К.

Определение систематической ошибки при измерении температуры криогенного слоя.

Была проведена серия экспериментов с целью выяснения соотношения между показаниями датчика температуры и реальной температурой криогенного слоя. Схема расположения датчика (7) относительно микросфер (8) показана на фиг.2.

Опыты проведены для твердых слоев из Н2, D2 и эквимолярной смеси H2/D2. Криогенный слой формировали внутри микросфер двух типов: из стекла и полистирола.

В экспериментах с эквимолярной H2/D2 смесью измерения температуры начала и конца плавления твердого раствора проводили известным методом термического анализа [22] : снимали зависимость температуры слоя от времени T(t) при отогреве микросферы. По характерным изломам зависимости T(t) определяли искомые температуры. Датчик температуры обеспечивал точность 0,05 К, время определяли с точностью 0,04 сек.

В условиях, когда давление остаточного газа в камере составляло менее 1 мТор, теплообмен определялся теплопроводностью через пятно контакта между стенкой микросферы и стенкой камеры. Отогрев микросферы проводился со скоростью 1 К/сек. Отставание температуры микросферы от температуры стенки камеры в области пятна контакта не превышало 0,2 сек (данные экспериментов).

По показаниям датчика температура начала плавления криогенного слоя внутри микросферы соответствовала (16,300,05) К. Процесс плавления заканчивался при температуре (16,800,05) К (фиг.3).

В соответствии с диаграммой состояния смеси H2/D2 [22-24], температура начала и конца процесса плавления для эквимолярной смеси равна 15,79 К и 16,37 К 0,05 К соответственно.

Таким образом, отклонения показаний датчика температуры от реальной температуры криогенного слоя в экспериментах составляло не более 0,6 К (микросфера со слоем находится в вакуумной камере при 1 мТор, теплоприток осуществляется только через пятно контакта).

Другая серия экспериментов проведена с криогенными слоями из 100% Н₂ и 100% D2. Эти эксперименты проводились при заполнении диагностической камеры темплообменным гелием до 15 Top (теплоприток по всей поверхности микросферы: через пятно контакта и через окружающий газ). Плавление слоя происходило при 13,90,1 К (Н2-слой) и 18,70,1 К (D2-слой), что соответствует табличным значениям тройной точки этих веществ [5].

Эксперименты показали, что показания датчика совпадают с реальной температурой криогенного слоя с точностью 0,6 К, при 1 мТор в диагностической камере, и с точностью 0,1 К, когда в диагностической камере присутствует теплообменный гелий при давлении, приблизительно 15 Top. Эксперименты, проведенные с микросферами из стекла и полистирола, дали аналогичные результаты.

Получение твердого прозрачного слоя из водорода с малыми добавками HD.

Ряд исследований был посвящен изучению свойств криослоя из смеси H2/HD, в которой количество HD составляло не более 1%. Изучали стеклянные микросферы, заполненные газообразной смесью до давлений 40-200 атм (300 К). Состав смеси контролировался на масс-спектрометре МИ3305 (порог чувствительности ~ 0,005%) [25]. Изучение проводили в два этапа:

1. Формирование первичного криогенного слоя внутри микросферы при ее скоростном охлаждении от 40 до 5 К.

2. Исследование устойчивости полученного слоя в условиях термической обработки.

На первом этапе образование слоя внутри микросферы происходило во время ее движения в канале формирования. По нашим оценкам скорость охлаждения микросферы в канале превышала 350 К/сек. В этом случае получался твердый прозрачный слой из H2/HD смеси, который устойчиво сохранял свою прозрачность при отогреве до 16-20 К. Результаты не зависели от первоначального орто-пара состава водорода, используемого в смеси.

Далее исследовали устойчивость полученного прозрачного слоя в условиях циклической термообработки. Каждый цикл включал отогрев до 16-20 К и последующее охлаждение до 5 К со скоростью 1 К/сек. В течение 1-2 циклов отогрева-охлаждения слой сохранял свою прозрачность. В следующих циклах образовывалось смешанное состояние: в прозрачном слое возникали локализованные кристаллические формы. В различных опытах эти кристаллические формы плавились в интервале 0,52 градуса, а их температура начала плавления, согласно показаниям датчика, принимала значения от 15,8 до 20,4 К. Результаты типичных экспериментов показаны на фиг.4, 5 и в табл.1.

Необходимым условием образования устойчивого прозрачного слоя смеси H2/HD внутри микросферы является достаточно высокий уровень разрежения внутри канала формирования и диагностической камеры. На пуск в камеру теплообменного гелия до давлений выше 10 мТор приводит к полной кристаллизации прозрачного слоя. Полученная кристаллическая форма плавится в узком диапазоне температур 14-14,1 К, то есть вблизи тройной точки чистого водорода (фиг. 4, табл.1).

Другое важное условие формирования прозрачного H2/HD слоя - удаление следов воды из внутреннего объема микросфер, для чего они подвергались специальной обработке. С помощью ИК-спектрометра СПЕКОРД-М-80 были исследованы спектры поглощения до и после высушивания микросфер. В первом случае наблюдается широкая полоса поглощения в области 3400 1/см, которая может быть отнесена к валентным ОН колебаниям прочно связанной воды.

Таким образом, данное изобретение обеспечивает возможность формирования твердого криогенного слоя из изотопов водорода, прозрачного во всем диапазоне состояния своей твердой фазы.

Далее приводится одно из возможных объяснений образования и эволюции слоя, которое не должно рассматриваться, как ограничивающее изобретение в любой его части, но способствующее лучшему пониманию процесса.

При скоростном режиме охлаждения наблюдается процесс капельной конденсации водорода с малыми добавками HD в объеме микросферы (фиг.5) с последующей закалкой образовавшегося мелкодисперсного состояния на глубоко охлажденной стенке. В результате формируется однородный метастабильный мелкодисперсный (или стеклообразный) твердый слой, который в эксперименте характеризуется качеством прозрачности. Присутствие малых добавок HD в Н2 тормозит рост кристаллитов внутри метастабильной фазы при отогреве слоя. Этот способ формирования слоя является некоторым аналогом получения сталей и сплавов (твердых растворов) с повышенной жаропрочностью: диспергирование жидкой фазы и закалка при добавлении легирующих примесей [11, 12, 17, 26]. Также как и перечисленные материалы, полученный прозрачный слой проявляет признаки старения при термической обработке. Процесс старения происходит с образованием стабильной кристаллической фазы из метастабильной (прозрачной).

Опыты в присутствии теплообменного гелия показали, что криогенный слой действительно состоит в основном из водорода, который плавится в области тройной точки. Эти эксперименты также доказывают, что режим скоростного охлаждения микросфер через пятно контакта является необходимым условием образования устойчивого прозрачного слоя.

В описанной выше системе (микросфера +H2/HD смесь) могут присутствовать другие факторы, являющиеся следствием технологии приготовления микросфер и условий их заполнения исследуемым газом. Одним из таких факторов могут быть малые примеси окиси углерода, азота и др. Эти факторы могут оказывать существенное влияние на свойства криослоя и схему его формирования.

Специалисты в данной области без труда могут понять, что изобретение может быть осуществлено не обязательно лишь согласно приведенным выше примерам, которые в этой связи не должны рассматриваться как ограничивающие область изобретения. Возможные модификации, в рамках раскрытой выше концепции также охватываются данным изобретением ниже охарактеризованным формулой изобретения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Корешева Е.Р. Исследование процессов переноса изотопов водорода внутри термоядерных мишеней. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 1984, с. 13.

2. Energy from Inertial Fusion. 1995 (IAEA, Vienna).

3. I.N. Krupskiy, Yu.E. Stetsenko, G.N. Chtcherbakov. Pis"ma v Zh. Exp. Teor. Fiz. vol. 23(8) p. 442, 1976.

4. V. S. Kogan, A.S. Bulatov, L.F. Yakimenko. Zh. Exp.Teor. Fiz. vol. 46(1) p. 148, 1964.

5. H. Roder, D. Childs, P.McKarthy. Sun"ey of the properties of the hydrogen isotopes below their critical temperatures. NBS Technical Note No. 641, 1973.

6. V. B. Ginodman. G.A. Zaisev. A.J. Isakov el al. Lebedev Phys. Inst. Repi. No. 8, p. 8, 1977.

7. R. Collins. Structure of vapor deposited solid hydrogen crystals. Presented at the 10th Target Fabrication Specialists" Mtg. (Feb. 6-10, 1995, Taos, New Mexico, USA).

8. J.K. Hoffer, L.R. Foreman. Phys. Rev. Lett vol. 60 p. 1310, 1988.

9. C. M. Chen. T. Norimatsu, Y. Tsuda, T. Yamanaka. S. Nakai. J. Vac. Sci. Technol. A vol. 11, p. 509, 1993.

10. G.W. Collins. D.N. Bittner, E. Monsler et al. J. Vac. Sci. Technol. A. vol. 14(5) p. 2897, 1996.

11. T. Ichikawa. Phys. Stat. Soi. (a)v GS.19 No. 2, p. 707, 1973.

12. S. Sachdev, D.R. Nelson. Phys. Rev. В vol. 32, No. 7, p. 4592, 1985.

13. E.R. Koresheva. P.N. Lebedev Inst. Rept. No. 12, p. 35, 1984.

14. E. R. Koresheva, Yu.A. Merkuliev, A.I. Nikitenko et al. Laser and Particle Beams vol. 6, pt. 2, p. 245, 1988.

15. E.R. Koresheva, A.I. Nikitenko, I.E. Osipov et al. The laser cryotarget formation and its delivery methods developed at Lebedev Institute. Proc. 21st European conference on Laser Interaction with Matter p. 227 (October 21-25, 1991, Warsaw, Poland).

16. I.V. Aleksandrova, E.R. Koresheva, I.E. Osipov. J. Moscow Phys. Soc. vol. 3, p. 85, 1993.

17. I. I. Novikov, M. V. Zacharov. Termicheskaya obrabotka metallov i splavov. Moskwa, 1962 (in Russian)

18. Труды Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, том 220, 1992.

19. I.E. Osipov, E.R. Koresheva, G.D. Baranov. J. Moscow Phys. Soc. vol. 9 p. 301, 1999.

20. E. R. Koresheva, I.V. Aleksandrova, G.D. Baranov et al. p. 897. In: Inertial Fusion Science and Application 99. (ELSEVIER, 1999).

21. I. V. Aleksandrova, E.R. Koresheva, I.E. Osipov et al. Fusion Technology, vol. 38, No. 1, p. l66, 2000.

22. N. G. Bereznyak, I.V. Bogoyavlenskii, L.V. Kamatsevich, A.A. Sheinina. Ukr. Fiz. Zh. vol. 19, No. 3, p. 472, 1974.

23. N. G. Bereznyak, I.V. Bogoyavlenskii, L.V. Kamatsevich, V.S. Kogan. Zh. Exp.Teor. Fiz. vol. 57, p. 1937, 1969.

24. P. C. Souers. Hydrogen properties for fusion energy. Lawrence Livermore National laboratory. University of California Press, 1986.

25. V. T. Nenarokomova, N. N. Riazantseva, Yu.A. Mileshkui. Atomnaya Energiya vol. 1, No. 2, p. 120, 1994 (in Russian).

26. Physical Metallurgy. Ed. R.W. Cahn. University of Sussex, England. 1965. Chapters VI-XII.