超低能(E<50keV)氘离子在凝聚态靶中诱发垒下融合反应中的屏蔽效应研究

固体中、特别是金属内存在大量的自由电荷，其可以显著降低轻核聚变反应的库伦位垒，进而增大反应截面。这一现象可导致对现有天体物理理论的再认识和对核聚变理论及核武器设计的必要修正，是国际热点研究课题之一。本工作旨在研究超低能(E<50keV)d-d，d-Li等核聚变反应截面受靶物质形态和载体材料影响的实验现象，进而认识天体物理中物质嬗变过程的复杂性和特殊性，并为核聚变、核武器研究提供超低能区的核数据。研究内容不仅涉及到载体材料相关性，还将探索同种材料中束流密度和靶温度对电荷屏蔽效应的影响，并研究靶核处在固和液两种状态的反应行为，后两项内容是原创性的物理思路。技术路线建立在已有的实验设备基础上，课题组已开展了长时间的相关研究，在上一个资助期内已经取得了一些很有价值的研究结果，并建立了稳定的国际合作关系。项目组成员年轻、精干，有多名研究生。在开展科学研究的同时还可培养锻炼青年科技人才。

本项目围绕“凝聚态环境中低能轻核聚变受反应环境（如束缚电子、传导电子、温度等）影响的现象和规律”这一研究目标，开展了一系列实验和理论研究工作。主要研究内容包括：氘离子诱发的低能d-D、d-Li 聚变反应截面受介质环境的影响，氘离子注入靶材料后的动态行为和静态分布等。主要成果如下：.1.实验测量了氘离子注入Be、Mo、Sm、Au、W固体靶和液态Li靶产生的d-D聚变反应的激发函数。通过对激发函数的分析发现：室温下Be、Mo、Sm靶中反应截面得到增强，Au和W无明显变化，同时得到了屏蔽势能的上限。并建立了液态靶中氘的扩散模型，模拟了600 K下液态Li靶中的氘分布，利用模拟结果修正液态Li靶中d-D聚变实验激发函数，得到了新的屏蔽势。.2.实验测量了不同温度、物相的Li靶中的d-6Li，p-7Li反应出射粒子产额，研究了反应率随温度、物相的变化规律。发现液态环境中的屏蔽势均大于相应的固态靶，两个反应屏蔽势差异分别为：74±68 eV和98±176 eV。液态Li靶中束缚电子、传导电子以及“自由”运动的Li离子对屏蔽势均有贡献。通过对6Li(d,a)4He核反应屏蔽效应的温度相关性研究，发现屏蔽势随温度的升高而降低。.3.建立基于d-D核反应实时监测研究固体靶内的氘分布的分析方法，利用低能强流束注入和高能弱束监测的办法研究了氘在金属Be、Mo和W中的动态浓度变化。发现动态氘分布存在明显的材料相关性。氘在Be靶的有效靶区内浓度分布均匀，屏蔽势计算结果可信。Mo靶和W靶表层(<70 nm)氘浓度高于深层(70-~200 nm)浓度。.4.开发了蒙特卡洛能谱模拟程序，分析了固体中低能d-D反应的出射质子能谱，研究发现重元素靶对入射离子的多次散射比较明显，对带电粒子能谱形状影响较大。. 总之，本课题研究了靶材料、环境温度、物相对低能聚变核反应的影响；初步探讨了动态氘沉积行为及其对屏蔽势计算结果的影响；为认识天体物理中物质嬗变规律、聚变等离子体物理研究及聚变核武器的设计提供了更精确的基础数据。实现了预期研究目标，圆满完成了原计划的研究内容，部分内容超出计划范围。受基金项目资助，共培养5名博士生、4名硕士生，发表各类学术论文、报告11篇，其中SCI刊物收录4篇，另有3篇待发表。参加国际会议五次，做大会报告和邀请报告各一次，分组会报告三次，全国会议报告三次。