304L 6.35*1mm Dobavljači namotanih cijevi od nehrđajućeg čelika, Demonstracija intenzivnog litijumskog snopa za generiranje impulsnih direktnih neutrona

Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Klizači koji prikazuju tri članka po slajdu.Koristite dugmad za nazad i sledeće da se krećete kroz slajdove ili dugmad kontrolora slajdova na kraju za kretanje kroz svaki slajd.

Kao alternativa proučavanju nuklearnih reaktora, kompaktni neutronski generator pokretan akceleratorom koji koristi litijum-jonski snop pokretača može biti obećavajući kandidat jer proizvodi malo neželjenog zračenja.Međutim, bilo je teško isporučiti intenzivan snop litijum jona, a praktična primena takvih uređaja smatrana je nemogućom.Najakutniji problem nedovoljnog protoka jona riješen je primjenom sheme direktne plazma implantacije.U ovoj shemi, pulsna plazma visoke gustine generirana laserskom ablacijom litijum metalne folije se efikasno ubrizgava i ubrzava visokofrekventnim kvadrupolnim akceleratorom (RFQ akcelerator).Postigli smo vršnu struju snopa od 35 mA ubrzanu na 1,43 MeV, što je dva reda veličine više nego što konvencionalni sistemi injektora i akceleratora mogu pružiti.
Za razliku od rendgenskih zraka ili nabijenih čestica, neutroni imaju veliku dubinu prodiranja i jedinstvenu interakciju sa kondenziranom materijom, što ih čini izuzetno raznovrsnim sondama za proučavanje svojstava materijala1,2,3,4,5,6,7.Konkretno, tehnike raspršivanja neutrona se obično koriste za proučavanje sastava, strukture i unutrašnjih napona u kondenziranoj materiji i mogu pružiti detaljne informacije o jedinjenjima u tragovima u metalnim legurama koje je teško otkriti pomoću rendgenske spektroskopije8.Ova metoda se smatra moćnim alatom u osnovnoj nauci i koriste je proizvođači metala i drugih materijala.U novije vrijeme, neutronska difrakcija je korištena za otkrivanje zaostalih naprezanja u mehaničkim komponentama kao što su dijelovi šina i aviona9,10,11,12.Neutroni se također koriste u naftnim i plinskim bušotinama jer ih lako hvataju materijali bogati protonima13.Slične metode se koriste i u građevinarstvu.Neutronsko ispitivanje bez razaranja je efikasan alat za otkrivanje skrivenih grešaka u zgradama, tunelima i mostovima.Upotreba neutronskih zraka aktivno se koristi u znanstvenim istraživanjima i industriji, od kojih su mnogi povijesno razvijeni pomoću nuklearnih reaktora.
Međutim, s globalnim konsenzusom o neširenju nuklearnog oružja, izgradnja malih reaktora u istraživačke svrhe postaje sve teža.Štaviše, nedavna nesreća u Fukušimi učinila je izgradnju nuklearnih reaktora gotovo društveno prihvatljivom.U vezi sa ovim trendom raste potražnja za izvorima neutrona na akceleratorima2.Kao alternativa nuklearnim reaktorima, već je u funkciji nekoliko velikih izvora neutrona koji dijele akceleratore14,15.Međutim, za efikasnije korišćenje svojstava neutronskih snopova potrebno je proširiti upotrebu kompaktnih izvora na akceleratorima 16 koji mogu pripadati industrijskim i univerzitetskim istraživačkim institucijama.Izvori akceleratorskih neutrona dodali su nove mogućnosti i funkcije osim što služe kao zamjena za nuklearne reaktore14.Na primjer, generator vođen linacom može lako stvoriti tok neutrona manipuliranjem pogonskim snopom.Jednom emitovani, neutrone je teško kontrolisati, a mjerenja zračenja je teško analizirati zbog buke koju stvaraju pozadinski neutroni.Impulsni neutroni kontrolirani akceleratorom izbjegavaju ovaj problem.Nekoliko projekata zasnovanih na tehnologiji protonskih akceleratora predloženo je širom svijeta17,18,19.Reakcije 7Li(p, n)7Be i 9Be(p, n)9B najčešće se koriste u kompaktnim neutronskim generatorima na protonski pogon jer su endotermne reakcije20.Višak radijacije i radioaktivnog otpada mogu se minimizirati ako je energija odabrana da pobuđuje protonski snop nešto iznad granične vrijednosti.Međutim, masa ciljnog jezgra je mnogo veća od mase protona, a rezultirajući neutroni se raspršuju u svim smjerovima.Tako blizu izotropne emisije neutronskog fluksa onemogućava efikasan transport neutrona do objekta proučavanja.Osim toga, da bi se dobila potrebna doza neutrona na lokaciji objekta, potrebno je značajno povećati i broj pokretnih protona i njihovu energiju.Kao rezultat toga, velike doze gama zraka i neutrona će se širiti kroz velike kutove, uništavajući prednost endotermnih reakcija.Tipičan kompaktni neutronski generator na bazi protona na akceleratorima ima jaku zaštitu od zračenja i najglomazniji je dio sistema.Potreba za povećanjem energije pokretanja protona obično zahtijeva dodatno povećanje veličine akceleratorskog objekta.
Kako bi se prevladali opći nedostaci konvencionalnih kompaktnih neutronskih izvora na akceleratorima, predložena je shema inverzijsko-kinematičke reakcije21.U ovoj shemi, teži litijum-jonski snop se koristi kao vodeći snop umjesto protonskog snopa, ciljajući materijale bogate vodonikom kao što su ugljovodonična plastika, hidridi, vodonik ili vodikova plazma.Razmatrane su i alternative, kao što su berilijumske ionske grede, međutim, berilijum je toksična supstanca koja zahteva posebnu pažnju pri rukovanju.Stoga je litijumski snop najprikladniji za inverzijsko-kinematičke reakcijske sheme.Budući da je impuls jezgri litijuma veći od momenta protona, centar mase nuklearnih sudara stalno se kreće naprijed, a neutroni se također emituju naprijed.Ova karakteristika uvelike eliminiše neželjene gama zrake i neutronske emisije pod velikim uglom22.Poređenje uobičajenog slučaja protonskog motora i scenarija inverzne kinematike prikazano je na slici 1.
Ilustracija uglova proizvodnje neutrona za protonske i litijumske zrake (nacrtano pomoću Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutroni mogu biti izbačeni u bilo kojem smjeru kao rezultat reakcije zbog činjenice da protoni u pokretu pogađaju mnogo teže atome litijumske mete.(b) Suprotno tome, ako litijum-jonski pokretač bombarduje metu bogatu vodonikom, neutroni se generišu u uskom konusu u pravcu napred zbog velike brzine centra mase sistema.
Međutim, postoji samo nekoliko inverznih kinematičkih neutronskih generatora zbog poteškoća u generiranju potrebnog fluksa teških jona s visokim nabojem u usporedbi s protonima.Sva ova postrojenja koriste negativne izvore iona raspršivanja u kombinaciji sa tandemskim elektrostatičkim akceleratorima.Predloženi su i drugi tipovi jonskih izvora za povećanje efikasnosti ubrzanja zraka26.U svakom slučaju, dostupna struja litijum-jonskog snopa je ograničena na 100 µA.Predloženo je da se koristi 1 mA Li3+27, ali ova struja jonskog snopa nije potvrđena ovom metodom.U smislu intenziteta, akceleratori litijumskog snopa ne mogu se takmičiti sa akceleratorima protonskog snopa čija vršna struja protona prelazi 10 mA28.
Za implementaciju praktičnog kompaktnog neutronskog generatora zasnovanog na litij-jonskom snopu, korisno je generirati visokointenzitet potpuno bez iona.Joni se ubrzavaju i vode elektromagnetnim silama, a viši nivo naboja rezultira efikasnijim ubrzanjem.Li-ion pokretači snopa zahtijevaju Li3+ vršne struje veće od 10 mA.
U ovom radu demonstriramo ubrzanje Li3+ snopova sa vršnim strujama do 35 mA, što je uporedivo sa naprednim protonskim akceleratorima.Originalni litijum jonski snop kreiran je korišćenjem laserske ablacije i šeme direktne plazma implantacije (DPIS) koja je prvobitno razvijena da ubrza C6+.Prilagođeno dizajniran radiofrekventni kvadrupolni linac (RFQ linac) je proizveden korištenjem rezonantne strukture sa četiri šipke.Provjerili smo da ubrzavajući snop ima izračunatu energiju zraka visoke čistoće.Jednom kada je Li3+ snop efektivno zahvaćen i ubrzan radiofrekvencijskim (RF) akceleratorom, naredna linac (akcelerator) sekcija se koristi da obezbijedi energiju potrebnu za stvaranje snažnog neutronskog fluksa iz mete.
Ubrzanje iona visokih performansi je dobro uspostavljena tehnologija.Preostali zadatak realizacije novog visokoefikasnog kompaktnog generatora neutrona je da generiše veliki broj potpuno lišenih litijum jona i formira klaster strukturu koja se sastoji od niza jonskih impulsa sinhronizovanih sa RF ciklusom u akceleratoru.Rezultati eksperimenata osmišljenih za postizanje ovog cilja opisani su u sljedeća tri pododjeljka: (1) generiranje snopa potpuno lišenog litijum-jonskog snopa, (2) ubrzanje snopa pomoću posebno dizajniranog RFQ linaca i (3) ubrzanje analize snopa da provjerite njegov sadržaj.U Brookhaven National Laboratory (BNL), izgradili smo eksperimentalnu postavku prikazanu na slici 2.
Pregled eksperimentalne postavke za ubrzanu analizu litijumskih snopa (ilustrovao Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).S desna na lijevo, laser-ablativna plazma se generiše u komori za interakciju laser-meta i isporučuje se u RFQ linac.Po ulasku u RFQ akcelerator, joni se odvajaju od plazme i ubrizgavaju u RFQ akcelerator kroz iznenadno električno polje stvoreno razlikom napona od 52 kV između elektrode za ekstrakciju i RFQ elektrode u području drifta.Ekstrahovani ioni se ubrzavaju sa 22 keV/n na 204 keV/n pomoću RFQ elektroda dužine 2 metra.Strujni transformator (CT) instaliran na izlazu RFQ linac omogućava nedestruktivno mjerenje struje jonskog snopa.Snop se fokusira pomoću tri kvadrupolna magneta i usmjerava na dipolni magnet, koji odvaja i usmjerava Li3+ snop u detektor.Iza proreza se koriste plastični scintilator koji se može uvući i Faradayeva čaša (FC) sa prednaponom do -400 V za detekciju ubrzavajućeg snopa.
Da bi se generisali potpuno jonizovani litijevi joni (Li3+), potrebno je stvoriti plazmu sa temperaturom iznad njene treće energije jonizacije (122,4 eV).Pokušali smo koristiti lasersku ablaciju za proizvodnju visokotemperaturne plazme.Ovaj tip laserskog izvora jona se obično ne koristi za generiranje snopova litijum jona jer je metalni litijum reaktivan i zahteva posebno rukovanje.Razvili smo sistem ciljanog punjenja kako bismo minimizirali kontaminaciju vlage i zraka prilikom ugradnje litijumske folije u vakuumsku lasersku interakcijsku komoru.Sve pripreme materijala vršene su u kontrolisanom okruženju suvog argona.Nakon ugradnje litijumske folije u lasersku ciljnu komoru, folija je ozračena impulsnim Nd:YAG laserskim zračenjem pri energiji od 800 mJ po impulsu.U fokusu na meti, gustina snage lasera se procjenjuje na oko 1012 W/cm2.Plazma nastaje kada impulsni laser uništi metu u vakuumu.Tokom čitavog laserskog impulsa od 6 ns, plazma nastavlja da se zagreva, uglavnom zbog procesa obrnutog kočnog zračenja.Pošto se tokom faze zagrevanja ne primenjuje spoljno polje koje ograničava, plazma počinje da se širi u tri dimenzije.Kada plazma počne da se širi preko površine mete, centar mase plazme dobija brzinu okomitu na površinu mete sa energijom od 600 eV/n.Nakon zagrijavanja, plazma se nastavlja kretati u aksijalnom smjeru od mete, šireći se izotropno.
Kao što je prikazano na slici 2, ablacijska plazma se širi u vakuumski volumen okružen metalnom posudom s istim potencijalom kao i meta.Dakle, plazma driftuje kroz područje bez polja prema RFQ akceleratoru.Aksijalno magnetno polje se primjenjuje između komore za lasersko zračenje i RFQ linaca pomoću solenoidne zavojnice namotane oko vakuumske komore.Magnetno polje solenoida potiskuje radijalno širenje lebdeće plazme kako bi se održala visoka gustina plazme tokom isporuke do RFQ otvora.S druge strane, plazma nastavlja da se širi u aksijalnom smjeru tokom drifta, formirajući izduženu plazmu.Visok napon se primjenjuje na metalnu posudu koja sadrži plazmu ispred izlaznog otvora na ulazu RFQ.Napon prednapona je odabran da obezbijedi potrebnu brzinu ubrizgavanja 7Li3+ za pravilno ubrzanje RFQ lincem.
Rezultirajuća ablacijska plazma sadrži ne samo 7Li3+, već i litijum u drugim stanjima naelektrisanja i zagađujuće elemente, koji se istovremeno transportuju do RFQ linearnog akceleratora.Prije ubrzanih eksperimenata korištenjem RFQ linac-a, izvršena je vanmrežna analiza vremena leta (TOF) radi proučavanja sastava i raspodjele energije jona u plazmi.Detaljna analitička postavka i posmatrane distribucije stanja napunjenosti objašnjeni su u odjeljku Metode.Analiza je pokazala da su joni 7Li3+ bili glavne čestice, koje čine oko 54% svih čestica, kao što je prikazano na slici 3. Prema analizi, struja jona 7Li3+ na izlaznoj tački snopa jona procijenjena je na 1,87 mA.Tokom ubrzanih testova, solenoidno polje od 79 mT primjenjuje se na plazmu koja se širi.Kao rezultat, struja 7Li3+ ekstrahirana iz plazme i promatrana na detektoru povećala se za faktor 30.
Frakcije jona u laserski generisanoj plazmi dobijene analizom vremena leta.Joni 7Li1+ i 7Li2+ čine 5% i 25% jonskog snopa, respektivno.Detektovana frakcija čestica 6Li slaže se sa prirodnim sadržajem 6Li (7,6%) u meti od litijumske folije u okviru eksperimentalne greške.Uočena je blaga kontaminacija kisikom (6,2%), uglavnom O1+ (2,1%) i O2+ (1,5%), što može biti posljedica oksidacije površine mete od litijumske folije.
Kao što je ranije pomenuto, litijumska plazma se pomera u oblasti bez polja pre nego što uđe u RFQ linac.Ulaz RFQ Linac ima rupu prečnika 6 mm u metalnoj posudi, a prednapon je 52 kV.Iako se napon RFQ elektrode brzo mijenja ±29 kV na 100 MHz, napon uzrokuje aksijalno ubrzanje jer RFQ akceleratorske elektrode imaju prosječan potencijal nula.Zbog jakog električnog polja generiranog u razmaku od 10 mm između otvora i ruba RFQ elektrode, samo pozitivni joni plazme se ekstrahiraju iz plazme na otvoru.U tradicionalnim sistemima za isporuku jona, joni su odvojeni od plazme električnim poljem na značajnoj udaljenosti ispred RFQ akceleratora, a zatim se fokusiraju u RFQ otvor pomoću elementa za fokusiranje snopa.Međutim, za intenzivne snopove teških jona potrebne za intenzivan izvor neutrona, nelinearne sile odbijanja zbog efekata prostornog naboja mogu dovesti do značajnih gubitaka struje snopa u sistemu za transport jona, ograničavajući vršnu struju koja se može ubrzati.U našem DPIS-u, joni visokog intenziteta se transportuju kao lebdeća plazma direktno do izlazne tačke RFQ otvora, tako da nema gubitka jonskog snopa zbog naboja prostora.Tokom ove demonstracije, DPIS je prvi put primijenjen na litijum-jonski snop.
Struktura RFQ je razvijena za fokusiranje i ubrzanje niskoenergetskih visokostrujnih jonskih zraka i postala je standard za ubrzanje prvog reda.Koristili smo RFQ da ubrzamo jone 7Li3+ sa energije implantata od 22 keV/n do 204 keV/n.Iako se litijum i druge čestice sa nižim nabojem u plazmi takođe izdvajaju iz plazme i ubrizgavaju u RFQ otvor, RFQ linac samo ubrzava jone sa odnosom naelektrisanja i mase (Q/A) blizu 7Li3+.
Na sl.Slika 4 prikazuje talasne oblike koje je detektovao strujni transformator (CT) na izlazu RFQ linac i Faraday cup (FC) nakon analize magneta, kao što je prikazano na sl.2. Vremenski pomak između signala može se tumačiti kao razlika u vremenu leta na lokaciji detektora.Maksimalna jonska struja izmjerena na CT bila je 43 mA.U RT poziciji, registrovani snop može sadržavati ne samo ione ubrzane do izračunate energije, već i jone osim 7Li3+, koji nisu dovoljno ubrzani.Međutim, sličnost oblika jonske struje pronađene pomoću QD i PC ukazuje da se jonska struja uglavnom sastoji od ubrzanog 7Li3+, a smanjenje vršne vrijednosti struje na PC uzrokovano je gubicima snopa tokom prijenosa jona između QD i PC. PC.Gubici Ovo je potvrđeno i simulacijom omotača.Za precizno mjerenje struje snopa 7Li3+, snop se analizira pomoću dipolnog magneta kao što je opisano u sljedećem odjeljku.
Oscilogrami ubrzanog snopa snimljeni u položajima detektora CT (crna kriva) i FC (crvena kriva).Ova mjerenja su pokrenuta detekcijom laserskog zračenja fotodetektorom tokom generisanja laserske plazme.Crna kriva prikazuje valni oblik izmjeren na CT spojenom na RFQ linac izlaz.Zbog svoje blizine RFQ linac-u, detektor hvata 100 MHz RF šum, tako da je 98 MHz niskopropusni FFT filter primijenjen da se ukloni rezonantni RF signal od 100 MHz superponiran na detekcijski signal.Crvena kriva prikazuje talasni oblik na FC nakon što analitički magnet usmjeri snop jona 7Li3+.U ovom magnetnom polju, osim 7Li3+, mogu se transportovati N6+ i O7+.
Jonski snop nakon RFQ linac fokusira se nizom od tri kvadrupolna fokusirajuća magneta, a zatim se analizira pomoću dipolnih magneta kako bi se izolirale nečistoće u snopu jona.Magnetno polje od 0,268 T usmjerava zrake 7Li3+ u FC.Talasni oblik detekcije ovog magnetnog polja prikazan je kao crvena kriva na slici 4. Maksimalna struja snopa dostiže 35 mA, što je više od 100 puta više od tipičnog Li3+ snopa proizvedenog u postojećim konvencionalnim elektrostatičkim akceleratorima.Širina impulsa snopa je 2,0 µs pri punoj širini na pola maksimuma.Detekcija 7Li3+ snopa sa dipolnim magnetnim poljem ukazuje na uspješno grupisanje i ubrzanje snopa.Struja jonskog snopa koju detektuje FC prilikom skeniranja magnetnog polja dipola prikazana je na slici 5. Uočen je čist pojedinačni pik, dobro odvojen od ostalih pikova.Budući da svi ioni ubrzani do projektirane energije pomoću RFQ linea imaju istu brzinu, snopove jona sa istim Q/A teško je razdvojiti dipolnim magnetnim poljima.Stoga ne možemo razlikovati 7Li3+ od N6+ ili O7+.Međutim, količina nečistoća može se procijeniti iz susjednih stanja naelektrisanja.Na primjer, N7+ i N5+ mogu se lako odvojiti, dok N6+ može biti dio nečistoće i očekuje se da će biti prisutan u približno istoj količini kao N7+ i N5+.Procijenjeni nivo zagađenja je oko 2%.
Spektri komponente snopa dobijeni skeniranjem dipolnog magnetnog polja.Vrh na 0,268 T odgovara 7Li3+ i N6+.Širina vrha ovisi o veličini grede na prorezu.Uprkos širokim pikovima, 7Li3+ se dobro odvaja od 6Li3+, O6+ i N5+, ali se slabo odvaja od O7+ i N6+.
Na lokaciji FC, profil snopa je potvrđen utičnim scintilatorom i snimljen brzom digitalnom kamerom kao što je prikazano na slici 6. Pokazano je da je 7Li3+ impulsni snop sa strujom od 35 mA ubrzan do izračunate RFQ energije od 204 keV/n, što odgovara 1,4 MeV, i prenosi se na FC detektor.
Profil snopa posmatran na pre-FC scintilatorskom ekranu (obojen po Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Magnetno polje analitičkog dipolnog magneta je podešeno da usmjeri ubrzanje snopa Li3+ jona na projektnu energiju RFQ.Plave tačke u zelenom području uzrokovane su neispravnim materijalom scintilatora.
Postigli smo generiranje 7Li3+ jona laserskom ablacijom površine čvrste litijumske folije, a snop jona velike struje je uhvaćen i ubrzan posebno dizajniranim RFQ linacom koristeći DPIS.Pri energiji snopa od 1,4 MeV, vršna struja 7Li3+ postignuta na FC nakon analize magneta bila je 35 mA.Ovo potvrđuje da je najvažniji dio implementacije neutronskog izvora s inverznom kinematikom eksperimentalno implementiran.U ovom dijelu rada će se raspravljati o cjelokupnom dizajnu kompaktnog neutronskog izvora, uključujući akceleratore visoke energije i neutronske ciljne stanice.Dizajn je zasnovan na rezultatima dobijenim sa postojećim sistemima u našoj laboratoriji.Treba napomenuti da se vršna struja jonskog snopa može dodatno povećati skraćivanjem udaljenosti između litijumske folije i RFQ linaca.Rice.7 ilustrira cjelokupni koncept predloženog kompaktnog izvora neutrona na akceleratoru.
Idejno rješenje predloženog kompaktnog izvora neutrona na akceleratoru (crtao Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).S desna na lijevo: laserski jonski izvor, solenoidni magnet, RFQ linac, prijenos snopa srednje energije (MEBT), IH linac i interakcijska komora za generiranje neutrona.Zaštita od zračenja pruža se prvenstveno u smjeru naprijed zbog usko usmjerene prirode proizvedenih neutronskih snopova.
Nakon RFQ linaca, planirano je dalje ubrzanje inter-digitalne H-strukture (IH linac)30 linaca.IH Linacs koriste strukturu drift cijevi π-moda kako bi osigurali visoke gradijente električnog polja u određenom rasponu brzina.Konceptualna studija je provedena na temelju simulacije 1D longitudinalne dinamike i 3D simulacije školjke.Proračuni pokazuju da IH linac od 100 MHz sa razumnim naponom drift cijevi (manjim od 450 kV) i jakim magnetom za fokusiranje može ubrzati snop od 40 mA od 1,4 do 14 MeV na udaljenosti od 1,8 m.Raspodjela energije na kraju lanca akceleratora procijenjena je na ± 0,4 MeV, što ne utiče značajno na energetski spektar neutrona koje proizvodi cilj neutronske konverzije.Osim toga, emisivnost snopa je dovoljno niska da fokusira snop u manju tačku snopa nego što bi inače bilo potrebno za kvadrupolni magnet srednje snage i veličine.U prijenosu snopa srednje energije (MEBT) između RFQ linaca i IH linaca, rezonator za formiranje snopa se koristi za održavanje strukture za formiranje snopa.Za kontrolu veličine bočnog snopa koriste se tri kvadrupolna magneta.Ova strategija dizajna je korištena u mnogim akceleratorima31,32,33.Ukupna dužina cijelog sistema od izvora jona do ciljne komore procjenjuje se na manju od 8 m, što može stati u standardni kamion poluprikolice.
Cilj neutronske konverzije će biti instaliran neposredno iza linearnog akceleratora.Razgovaramo o dizajnu ciljnih stanica na osnovu prethodnih studija koristeći inverzne kinematičke scenarije23.Prijavljeni ciljevi konverzije uključuju čvrste materijale (polipropilen (C3H6) i titanijum hidrid (TiH2)) i gasovite ciljne sisteme.Svaki cilj ima prednosti i nedostatke.Čvrste mete omogućavaju preciznu kontrolu debljine.Što je meta tanja, to je precizniji prostorni raspored proizvodnje neutrona.Međutim, takve mete i dalje mogu imati određeni stepen neželjenih nuklearnih reakcija i zračenja.S druge strane, vodikov cilj može osigurati čistiju okolinu eliminacijom proizvodnje 7Be, glavnog proizvoda nuklearne reakcije.Međutim, vodonik ima slabu sposobnost barijere i zahtijeva veliku fizičku udaljenost za dovoljno oslobađanje energije.Ovo je malo nepovoljno za TOF mjerenja.Osim toga, ako se tanki film koristi za zatvaranje vodikove mete, potrebno je uzeti u obzir gubitke energije gama zraka koje stvaraju tanki film i upadni litijumski snop.
LICORNE koristi polipropilenske mete i ciljni sistem je nadograđen na vodonične ćelije zapečaćene tantal folijom.Pod pretpostavkom da je struja snopa 100 nA za 7Li34, oba ciljna sistema mogu proizvesti do 107 n/s/sr.Ako primijenimo ovu pretpostavljenu konverziju neutronskog prinosa na naš predloženi izvor neutrona, tada se za svaki laserski impuls može dobiti litijumski pogonski snop od 7 × 10–8 C.To znači da ispaljivanje lasera samo dva puta u sekundi proizvodi 40% više neutrona nego što LICORNE može proizvesti u jednoj sekundi uz kontinuirani snop.Ukupni fluks se može lako povećati povećanjem frekvencije pobude lasera.Ako pretpostavimo da na tržištu postoji laserski sistem od 1 kHz, prosječni tok neutrona se lako može skalirati do oko 7 × 109 n/s/sr.
Kada koristimo sisteme visoke stope ponavljanja sa plastičnim metama, potrebno je kontrolisati stvaranje toplote na metama jer, na primer, polipropilen ima nisku tačku topljenja od 145–175 °C i nisku toplotnu provodljivost od 0,1–0,22 W/ m/K.Za litijum-jonski snop od 14 MeV, polipropilenska meta debljine 7 µm dovoljna je da smanji energiju snopa do praga reakcije (13,098 MeV).Uzimajući u obzir ukupni efekat jona generisanih jednim laserskim udarcem na metu, oslobađanje energije litijum jona kroz polipropilen se procenjuje na 64 mJ/puls.Uz pretpostavku da se sva energija prenosi u krug prečnika 10 mm, svaki impuls odgovara porastu temperature od približno 18 K/puls.Oslobađanje energije na polipropilenskim ciljevima zasniva se na jednostavnoj pretpostavci da se svi gubici energije pohranjuju kao toplina, bez zračenja ili drugih gubitaka topline.Budući da povećanje broja impulsa u sekundi zahtijeva eliminaciju nagomilavanja topline, možemo koristiti trakaste mete kako bismo izbjegli oslobađanje energije u istoj točki23.Pod pretpostavkom da je na meti snop od 10 mm sa stopom ponavljanja lasera od 100 Hz, brzina skeniranja polipropilenske trake bila bi 1 m/s.Veće stope ponavljanja su moguće ako je dozvoljeno preklapanje tačke snopa.
Istraživali smo i mete sa vodoničnim baterijama, jer su se jači pogonski snopovi mogli koristiti bez oštećenja mete.Neutronski snop može se lako podesiti promjenom dužine plinske komore i tlaka vodika u njoj.Tanke metalne folije se često koriste u akceleratorima za odvajanje plinovitog područja mete od vakuuma.Stoga je potrebno povećati energiju upadnog litijum-jonskog snopa kako bi se nadoknadili gubici energije na foliji.Ciljni sklop opisan u izvještaju 35 sastojao se od aluminijskog kontejnera dužine 3,5 cm s tlakom plina H2 od 1,5 atm.Snop litijum jona od 16,75 MeV ulazi u bateriju kroz vazdušno hlađenu Ta foliju od 2,7 µm, a energija litijum jonskog snopa na kraju baterije usporava se do praga reakcije.Da bi se energija snopa litijum-jonskih baterija povećala sa 14,0 MeV na 16,75 MeV, IH linac je morao biti produžen za oko 30 cm.
Proučavana je i emisija neutrona iz meta gasnih ćelija.Za gore pomenute LICORNE gasne mete, GEANT436 simulacije pokazuju da se visoko orijentisani neutroni generišu unutar konusa, kao što je prikazano na slici 1 u [37].Referenca 35 prikazuje energetski opseg od 0,7 do 3,0 MeV sa maksimalnim otvaranjem konusa od 19,5° u odnosu na pravac prostiranja glavnog snopa.Visoko orijentisani neutroni mogu značajno smanjiti količinu zaštitnog materijala u većini uglova, smanjujući težinu konstrukcije i obezbeđujući veću fleksibilnost u ugradnji merne opreme.Sa stanovišta zaštite od zračenja, pored neutrona, ova gasovita meta emituje 478 keV gama zrake izotropno u koordinatnom sistemu centra38.Ovi γ-zraci nastaju kao rezultat raspada 7Be i deekscitacije 7Li, što se događa kada primarni snop Li udari u ulazni prozor Ta.Međutim, dodavanjem debelog cilindričnog kolimatora od 35 Pb/Cu, pozadina se može značajno smanjiti.
Kao alternativna meta može se koristiti plazma prozor [39, 40], koji omogućava postizanje relativno visokog tlaka vodika i malog prostornog područja generiranja neutrona, iako je inferioran u odnosu na čvrste mete.
Istražujemo opcije ciljanja neutronske konverzije za očekivanu distribuciju energije i veličinu snopa litijum jonskog snopa koristeći GEANT4.Naše simulacije pokazuju konzistentnu raspodjelu energije neutrona i kutne raspodjele za vodikove mete u gornjoj literaturi.U bilo kom ciljnom sistemu, visoko orijentisani neutroni mogu se proizvesti inverznom kinematičkom reakcijom koju pokreće jak 7Li3+ snop na meti bogatoj vodonikom.Stoga se novi izvori neutrona mogu implementirati kombinovanjem već postojećih tehnologija.
Uslovi laserskog zračenja reproducirali su eksperimente generiranja jonskog snopa prije ubrzane demonstracije.Laser je desktop nanosekundni Nd:YAG sistem sa gustinom snage lasera od 1012 W/cm2, osnovnom talasnom dužinom od 1064 nm, energijom tačke od 800 mJ i trajanjem impulsa od 6 ns.Prečnik tačke na meti je procenjen na 100 µm.Pošto je litijum metal (Alfa Aesar, 99,9% čistoće) prilično mekan, precizno rezani materijal se utiskuje u kalup.Dimenzije folije 25 mm × 25 mm, debljina 0,6 mm.Oštećenja poput kratera nastaju na površini mete kada je laser pogodi, tako da se meta pomiče motoriziranom platformom kako bi se osigurao svježi dio površine mete sa svakim laserskim udarcem.Kako bi se izbjegla rekombinacija zbog ostatka plina, tlak u komori je držan ispod raspona od 10-4 Pa.
Početni volumen laserske plazme je mali, budući da je veličina laserske mrlje 100 μm i unutar 6 ns nakon njenog stvaranja.Volumen se može uzeti kao tačna tačka i proširiti.Ako je detektor postavljen na udaljenosti xm od površine mete, tada primljeni signal ispunjava odnos: jonska struja I, vrijeme dolaska jona t i širina impulsa τ.
Generirana plazma je proučavana TOF metodom sa FC i energetskim jonskim analizatorom (EIA) koji se nalazi na udaljenosti od 2,4 m i 3,85 m od laserske mete.FC ima supresorsku mrežu nagnutu za -5 kV da spriječi elektrone.EIA ima elektrostatički deflektor od 90 stupnjeva koji se sastoji od dvije koaksijalne metalne cilindrične elektrode istog napona, ali suprotnog polariteta, pozitivnih spolja i negativnih iznutra.Plazma koja se širi se usmjerava u deflektor iza proreza i odbija se električnim poljem koje prolazi kroz cilindar.Joni koji zadovoljavaju odnos E/z = eKU detektuju se pomoću sekundarnog množitelja elektrona (SEM) (Hamamatsu R2362), gdje su E, z, e, K i U energija jona, stanje naboja i naboj EIA geometrijski faktori .elektrona, odnosno razlike potencijala između elektroda.Promjenom napona na deflektoru može se dobiti raspodjela energije i naboja jona u plazmi.Napon sweep U/2 EIA je u rasponu od 0,2 V do 800 V, što odgovara energiji jona u rasponu od 4 eV do 16 keV po stanju naelektrisanja.
Distribucije stanja naelektrisanja jona analiziranih u uslovima laserskog zračenja opisanih u odeljku „Generacija potpuno očišćenih litijumskih snopova“ prikazane su na Sl.8.
Analiza distribucije stanja naelektrisanja jona.Ovdje je vremenski profil gustine jonske struje analiziran EIA i skaliran na 1 m od litijumske folije pomoću jednačine.(1) i (2).Koristite uslove laserskog zračenja opisane u odeljku “Generacija potpuno eksfoliranog litijumskog zraka”.Integracijom svake gustine struje izračunat je udio jona u plazmi, prikazan na slici 3.
Laserski jonski izvori mogu isporučiti intenzivan snop jona od više mA sa visokim nabojem.Međutim, isporuka snopa je vrlo otežana zbog odbijanja prostornog naboja, tako da nije bila široko korištena.U tradicionalnoj shemi, jonski snopovi se izdvajaju iz plazme i transportuju do primarnog akceleratora duž linije snopa s nekoliko magneta za fokusiranje kako bi se snop jona oblikoval u skladu sa sposobnošću akceleratora.U snopovima sile svemirskog naboja, snopovi se nelinearno divergiraju i uočavaju se ozbiljni gubici snopa, posebno u području malih brzina.Da bi se prevazišao ovaj problem u razvoju medicinskih ugljičnih akceleratora, predložena je nova shema isporuke snopa DPIS41.Primijenili smo ovu tehniku ​​da ubrzamo snažan litijum-jonski snop iz novog izvora neutrona.
Kao što je prikazano na sl.4, prostor u kojem se plazma stvara i širi je okružen metalnom posudom.Zatvoreni prostor se proteže do ulaza u RFQ rezonator, uključujući volumen unutar solenoidne zavojnice.Na kontejner je primijenjen napon od 52 kV.U RFQ rezonatoru, joni se povlače potencijalom kroz rupu prečnika 6 mm uzemljenjem RFQ.Nelinearne sile odbijanja na liniji snopa se eliminišu kako se joni transportuju u stanju plazme.Osim toga, kao što je već spomenuto, primijenili smo solenoidno polje u kombinaciji sa DPIS-om za kontrolu i povećanje gustine jona u otvoru za ekstrakciju.
RFQ akcelerator se sastoji od cilindrične vakuumske komore kao što je prikazano na sl.9a.Unutar njega su četiri šipke od bakra bez kiseonika postavljene kvadrupolno simetrično oko ose snopa (slika 9b).4 šipke i komore formiraju rezonantni RF krug.Indukovano RF polje stvara vremenski promenljiv napon na štapu.Ioni implantirani uzdužno oko ose drže se bočno pomoću kvadrupolnog polja.U isto vrijeme, vrh štapa se modulira kako bi se stvorilo aksijalno električno polje.Aksijalno polje dijeli ubrizgani kontinuirani snop u niz impulsa snopa koji se naziva snop.Svaki snop se nalazi unutar određenog vremena RF ciklusa (10 ns).Susedni snopovi su raspoređeni u skladu sa periodom radio frekvencije.U RFQ linac-u, snop od 2 µs iz laserskog izvora jona se pretvara u niz od 200 zraka.Snop se zatim ubrzava do izračunate energije.
Linearni akcelerator RFQ.(a) (lijevo) Vanjski pogled na RFQ linac komoru.(b) (desno) Elektroda sa četiri štapa u komori.
Glavni parametri dizajna RFQ linac-a su napon štapa, rezonantna frekvencija, radijus otvora snopa i modulacija elektrode.Odaberite napon na štapu ± 29 kV tako da njegovo električno polje bude ispod praga električnog kvara.Što je rezonantna frekvencija niža, to je veća sila bočnog fokusiranja i manje je prosječno polje ubrzanja.Veliki radijusi otvora omogućavaju povećanje veličine snopa i, posljedično, povećanje struje snopa zbog manjeg odbijanja prostornog naboja.S druge strane, veći radijusi blende zahtijevaju više RF snage za napajanje RFQ linaca.Osim toga, ograničeno je zahtjevima kvalitete stranice.Na osnovu ovih balansa odabrani su rezonantna frekvencija (100 MHz) i radijus otvora (4,5 mm) za ubrzanje snopa velike struje.Modulacija je odabrana tako da se minimizira gubitak zraka i maksimizira efikasnost ubrzanja.Dizajn je optimiziran mnogo puta za proizvodnju RFQ linac dizajna koji može ubrzati 7Li3+ ione na 40 mA od 22 keV/n do 204 keV/n unutar 2 m.Izmjerena RF snaga tokom eksperimenta iznosila je 77 kW.
RFQ linaci mogu ubrzati ione sa specifičnim Q/A opsegom.Stoga je pri analizi zraka dovedenog do kraja linearnog akceleratora potrebno uzeti u obzir izotope i druge tvari.Osim toga, željeni ioni, djelimično ubrzani, ali spušteni pod uslovima ubrzanja u sredini akceleratora, još uvijek mogu zadovoljiti bočno ograničenje i mogu se transportirati do kraja.Neželjene zrake osim konstruiranih 7Li3+ čestica nazivaju se nečistoćama.U našim eksperimentima najveću zabrinutost izazivale su nečistoće 14N6+ i 16O7+, jer litijum metalna folija reaguje sa kiseonikom i dušikom u vazduhu.Ovi joni imaju Q/A odnos koji se može ubrzati sa 7Li3+.Koristimo dipolne magnete za odvajanje snopa različitog kvaliteta i kvaliteta za analizu snopa nakon RFQ linac.
Linija snopa nakon RFQ Linac je dizajnirana da isporuči potpuno ubrzani 7Li3+ snop do FC nakon dipolnog magneta.-400 V bias elektrode se koriste za potiskivanje sekundarnih elektrona u čaši za precizno mjerenje struje jonskog snopa.Sa ovom optikom, putanje jona se razdvajaju u dipole i fokusiraju na različitim mestima u zavisnosti od Q/A.Zbog različitih faktora kao što su difuzija impulsa i odbijanje prostornog naboja, snop u fokusu ima određenu širinu.Vrste se mogu razdvojiti samo ako je udaljenost između fokusnih pozicija dvije vrste jona veća od širine snopa.Da bi se postigla najveća moguća rezolucija, horizontalni prorez se postavlja blizu struka snopa, gdje je snop praktično koncentriran.Između proreza i računara postavljeno je scintilaciono sito (CsI(Tl) iz Saint-Gobaina, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Scintilator je korišten za određivanje najmanjeg proreza kroz koji su dizajnirane čestice morale proći za optimalnu rezoluciju i za demonstriranje prihvatljivih veličina zraka za snopove teških jona velike struje.Slika zraka na scintilatoru snima se CCD kamerom kroz vakuumski prozor.Podesite vremenski okvir ekspozicije tako da pokrije cijelu širinu impulsa zraka.
Skupovi podataka korišteni ili analizirani u trenutnoj studiji dostupni su od odgovarajućih autora na razuman zahtjev.
Manke, I. et al.Trodimenzionalno snimanje magnetnih domena.Nacionalna komuna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Mogućnosti proučavanja kompaktnih izvora neutrona na akceleratorima.fizike.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Kompjuterska mikrotomografija zasnovana na neutronima: Pliobates cataloniae i Barberapithecus huerzeleri kao testni slučajevi.Da.J. Physics.antropologija.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).