304L 6,35*1 mm dobavitelji navitih cevi iz nerjavečega jekla, demonstracija intenzivnega litijevega žarka za ustvarjanje impulznih neposrednih nevtronov

Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Drsniki, ki prikazujejo tri članke na diapozitiv.Uporabite gumba za nazaj in naprej, da se premikate po diapozitivih, ali pa gumbe za krmiljenje diapozitivov na koncu, da se premikate po vsakem diapozitivu.

Kot alternativa preučevanju jedrskih reaktorjev je lahko obetaven kandidat kompakten nevtronski generator, ki ga poganja pospeševalnik in uporablja pogon litij-ionskega žarka, ker proizvaja malo neželenega sevanja.Vendar pa je bilo težko zagotoviti intenziven žarek litijevih ionov in praktična uporaba takšnih naprav se je zdela nemogoča.Najbolj akuten problem nezadostnega pretoka ionov je bil rešen z uporabo sheme neposredne plazemske implantacije.V tej shemi se pulzna plazma visoke gostote, ustvarjena z lasersko ablacijo litijeve kovinske folije, učinkovito vbrizga in pospeši z visokofrekvenčnim štiripolnim pospeševalnikom (RFQ pospeševalnik).Dosegli smo najvišji tok žarka 35 mA, pospešen na 1,43 MeV, kar je dva reda velikosti več, kot ga lahko zagotovijo običajni injektorski in pospeševalni sistemi.
Za razliko od rentgenskih žarkov ali nabitih delcev imajo nevtroni veliko globino prodiranja in edinstveno interakcijo s kondenzirano snovjo, zaradi česar so izjemno vsestranske sonde za proučevanje lastnosti materialov1,2,3,4,5,6,7.Zlasti tehnike sipanja nevtronov se običajno uporabljajo za preučevanje sestave, strukture in notranjih napetosti v kondenzirani snovi in ​​lahko zagotovijo podrobne informacije o spojinah v sledovih v kovinskih zlitinah, ki jih je težko zaznati z rentgensko spektroskopijo8.Ta metoda velja za močno orodje v osnovni znanosti in jo uporabljajo proizvajalci kovin in drugih materialov.V zadnjem času je bila nevtronska difrakcija uporabljena za odkrivanje preostalih napetosti v mehanskih komponentah, kot so deli železnic in letal9,10,11,12.Nevtroni se uporabljajo tudi v naftnih in plinskih vrtinah, ker jih zlahka ujamejo materiali, bogati s protoni13.Podobne metode se uporabljajo tudi v gradbeništvu.Nedestruktivno nevtronsko testiranje je učinkovito orodje za odkrivanje skritih napak v zgradbah, predorih in mostovih.Uporaba nevtronskih žarkov se aktivno uporablja v znanstvenih raziskavah in industriji, od katerih so bile mnoge v preteklosti razvite z jedrskimi reaktorji.
Vendar pa zaradi svetovnega soglasja o neširjenju jedrskega orožja postaja gradnja majhnih reaktorjev za raziskovalne namene vse težja.Poleg tega je nedavna nesreča v Fukušimi naredila gradnjo jedrskih reaktorjev skoraj družbeno sprejemljivo.V povezavi s tem trendom narašča povpraševanje po virih nevtronov v pospeševalnikih2.Kot alternativa jedrskim reaktorjem že deluje več velikih pospeševalnih nevtronskih virov14,15.Za učinkovitejšo uporabo lastnosti nevtronskih žarkov pa je treba razširiti uporabo kompaktnih virov na pospeševalnike, 16 ki lahko pripadajo industrijskim in univerzitetnim raziskovalnim ustanovam.Pospeševalni viri nevtronov so poleg tega, da služijo kot nadomestilo za jedrske reaktorje, dodali nove zmogljivosti in funkcije.Na primer, generator, ki ga poganja linac, zlahka ustvari tok nevtronov z manipulacijo pogonskega žarka.Ko so nevtroni enkrat oddani, jih je težko nadzorovati in meritve sevanja je težko analizirati zaradi hrupa, ki ga ustvarjajo nevtroni v ozadju.Tej težavi se izognejo impulzni nevtroni, ki jih krmili pospeševalnik.Po svetu je bilo predlaganih več projektov, ki temeljijo na tehnologiji protonskega pospeševalnika17,18,19.Reakciji 7Li(p, n)7Be in 9Be(p, n)9B se najpogosteje uporabljata v protonsko gnanih kompaktnih nevtronskih generatorjih, ker sta endotermni reakciji20.Odvečno sevanje in radioaktivne odpadke je mogoče zmanjšati, če je izbrana energija za vzbujanje protonskega žarka nekoliko nad mejno vrednostjo.Vendar pa je masa ciljnega jedra veliko večja od mase protonov in nastali nevtroni se razpršijo v vse smeri.Tako blizu izotropne emisije nevtronskega toka preprečuje učinkovit transport nevtronov do predmeta študije.Poleg tega je za pridobitev potrebnega odmerka nevtronov na lokaciji predmeta potrebno znatno povečati število gibajočih se protonov in njihovo energijo.Posledično se bodo veliki odmerki gama žarkov in nevtronov širili skozi velike kote in uničili prednost endotermnih reakcij.Tipičen kompaktni protonski generator nevtronov, ki ga poganja pospeševalnik, ima močno zaščito pred sevanjem in je najbolj zajeten del sistema.Potreba po povečanju energije pogonskih protonov običajno zahteva dodatno povečanje velikosti pospeševalnika.
Za premagovanje splošnih pomanjkljivosti običajnih kompaktnih nevtronskih virov v pospeševalnikih je bila predlagana inverzno-kinematična reakcijska shema21.V tej shemi se kot vodilni žarek namesto protonskega žarka uporablja težji litij-ionski žarek, ki cilja na materiale, bogate z vodikom, kot so ogljikovodikova plastika, hidridi, vodikov plin ali vodikova plazma.Razmišljali so o alternativah, kot so žarki, ki jih poganjajo berilijevi ioni, vendar je berilij strupena snov, ki zahteva posebno previdnost pri ravnanju.Zato je litijev žarek najprimernejši za inverzno-kinematične reakcijske sheme.Ker je gibalna količina litijevih jeder večja od gibalne količine protonov, se središče mase jedrskih trkov nenehno premika naprej, prav tako se naprej oddajajo nevtroni.Ta funkcija močno odpravi neželene žarke gama in visokokotne emisije nevtronov22.Primerjava običajnega primera protonskega motorja in scenarija inverzne kinematike je prikazana na sliki 1.
Ilustracija kotov proizvodnje nevtronov za protonske in litijeve žarke (narisano z Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Nevtroni se lahko zaradi reakcije izbijejo v katero koli smer zaradi dejstva, da premikajoči se protoni zadenejo veliko težje atome litijeve tarče.(b) Nasprotno, če litij-ionski gonilnik bombardira tarčo, bogato z vodikom, se nevtroni ustvarijo v ozkem stožcu v smeri naprej zaradi visoke hitrosti središča mase sistema.
Vendar obstaja le nekaj inverznih kinematičnih generatorjev nevtronov zaradi težav pri ustvarjanju zahtevanega toka težkih ionov z visokim nabojem v primerjavi s protoni.Vse te elektrarne uporabljajo izvore negativnih razpršenih ionov v kombinaciji s tandemskimi elektrostatičnimi pospeševalniki.Za povečanje učinkovitosti pospeševanja žarka so bile predlagane druge vrste ionskih virov26.V vsakem primeru je razpoložljivi tok litij-ionskega žarka omejen na 100 µA.Predlagana je bila uporaba 1 mA Li3+27, vendar ta tok ionskega žarka s to metodo ni bil potrjen.Litijevi žarkovni pospeševalci se po jakosti ne morejo kosati s protonskimi žarkovnimi pospeševalci, katerih maksimalni protonski tok presega 10 mA28.
Za izvedbo praktičnega kompaktnega nevtronskega generatorja, ki temelji na litij-ionskem žarku, je koristno ustvariti visoko intenzivnost, popolnoma brez ionov.Ione pospešujejo in vodijo elektromagnetne sile, višja raven napolnjenosti pa povzroči učinkovitejše pospeševanje.Li-ionski gonilniki žarka zahtevajo Li3+ konične tokove, ki presegajo 10 mA.
V tem delu prikazujemo pospeševanje Li3+ žarkov s vršnimi tokovi do 35 mA, kar je primerljivo z naprednimi protonskimi pospeševalci.Prvotni litij-ionski žarek je bil ustvarjen z lasersko ablacijo in shemo neposredne plazemske implantacije (DPIS), ki je bila prvotno razvita za pospešitev C6+.Radiofrekvenčni kvadrupolni linac (RFQ linac) je bil izdelan z uporabo resonančne strukture s štirimi palicami.Preverili smo, da ima pospeševalni žarek izračunano energijo žarka visoke čistosti.Ko žarek Li3+ učinkovito zajame in pospeši radiofrekvenčni (RF) pospeševalnik, se naslednji odsek linaka (pospeševalnika) uporabi za zagotovitev energije, potrebne za ustvarjanje močnega nevtronskega toka iz tarče.
Pospeševanje visokozmogljivih ionov je dobro uveljavljena tehnologija.Preostala naloga realizacije novega visoko učinkovitega kompaktnega generatorja nevtronov je ustvariti veliko število popolnoma odstranjenih litijevih ionov in oblikovati strukturo grozda, sestavljeno iz niza ionskih impulzov, sinhroniziranih z RF ciklom v pospeševalniku.Rezultati poskusov, namenjenih doseganju tega cilja, so opisani v naslednjih treh pododdelkih: (1) generiranje žarka popolnoma brez litij-ionskega žarka, (2) pospešek žarka s posebej zasnovanim RFQ linac in (3) pospešek analize žarka, da preverite njegovo vsebino.V Brookhaven National Laboratory (BNL) smo zgradili eksperimentalno postavitev, prikazano na sliki 2.
Pregled eksperimentalne postavitve za pospešeno analizo litijevih žarkov (ilustriral Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Od desne proti levi se lasersko ablativna plazma ustvari v komori za interakcijo laser-tarča in dostavi RFQ linac.Ob vstopu v pospeševalnik RFQ se ioni ločijo od plazme in vbrizgajo v pospeševalnik RFQ preko nenadnega električnega polja, ki ga ustvari napetostna razlika 52 kV med ekstrakcijsko elektrodo in elektrodo RFQ v območju odnašanja.Ekstrahirani ioni se pospešijo z 22 keV/n na 204 keV/n z uporabo 2 metrov dolgih elektrod RFQ.Tokovni transformator (CT), nameščen na izhodu RFQ linac, zagotavlja nedestruktivno merjenje toka ionskega žarka.Žarek fokusirajo trije kvadrupolni magneti in ga usmerijo na dipolni magnet, ki loči in usmeri žarek Li3+ v detektor.Za režo se za detekcijo pospeševalnega žarka uporablja izvlečni plastični scintilator in Faradayeva skodelica (FC) z odklonom do -400 V.
Za ustvarjanje popolnoma ioniziranih litijevih ionov (Li3+) je treba ustvariti plazmo s temperaturo nad njeno tretjo ionizacijsko energijo (122,4 eV).Poskušali smo uporabiti lasersko ablacijo za proizvodnjo visokotemperaturne plazme.Ta vrsta laserskega ionskega vira se običajno ne uporablja za ustvarjanje žarkov litij-ionov, ker je kovinski litij reaktiven in zahteva posebno rokovanje.Razvili smo sistem ciljne obremenitve za zmanjšanje vlage in onesnaženja zraka pri namestitvi litijeve folije v interakcijsko komoro vakuumskega laserja.Vse priprave materialov so potekale v kontroliranem okolju suhega argona.Ko je bila litijeva folija nameščena v lasersko tarčno komoro, je bila folija obsevana s pulznim Nd: YAG laserskim sevanjem pri energiji 800 mJ na impulz.Pri fokusu na tarči je gostota moči laserja ocenjena na približno 1012 W/cm2.Plazma nastane, ko impulzni laser uniči tarčo v vakuumu.Med celotnim laserskim impulzom 6 ns se plazma še naprej segreva, predvsem zaradi obratnega procesa zavornega sevanja.Ker se med fazo segrevanja ne uporablja omejevalno zunanje polje, se začne plazma širiti v treh dimenzijah.Ko se plazma začne širiti preko ciljne površine, dobi središče mase plazme pravokotno hitrost na ciljno površino z energijo 600 eV/n.Po segrevanju se plazma še naprej giblje v aksialni smeri od tarče in se širi izotropno.
Kot je prikazano na sliki 2, se ablacijska plazma razširi v vakuumski volumen, obdan s kovinsko posodo z enakim potencialom kot tarča.Tako se plazma premika skozi območje brez polja proti pospeševalniku RFQ.Aksialno magnetno polje se uporablja med komoro za lasersko obsevanje in RFQ linac s pomočjo elektromagnetne tuljave, navite okoli vakuumske komore.Magnetno polje solenoida zavira radialno širjenje lebdeče plazme, da ohrani visoko gostoto plazme med dostavo v odprtino RFQ.Po drugi strani pa se plazma med odnašanjem še naprej širi v aksialni smeri in tvori podolgovato plazmo.Visokonapetostna prednapetost se uporabi za kovinsko posodo, ki vsebuje plazmo, pred izhodno odprtino na vhodu RFQ.Prednapetost je bila izbrana tako, da zagotavlja zahtevano hitrost vbrizgavanja 7Li3+ za ustrezno pospeševanje RFQ linac.
Nastala ablacijska plazma ne vsebuje le 7Li3+, ampak tudi litij v drugih stanjih naboja in elemente onesnaževal, ki se istočasno prenašajo v linearni pospeševalnik RFQ.Pred pospešenimi poskusi z uporabo RFQ linac je bila izvedena analiza časa preleta (TOF) za preučevanje sestave in porazdelitve energije ionov v plazmi.Podrobne analitične nastavitve in opazovane porazdelitve stanja napolnjenosti so razložene v razdelku Metode.Analiza je pokazala, da so bili ioni 7Li3+ glavni delci, ki so predstavljali približno 54 % vseh delcev, kot je prikazano na sliki 3. Glede na analizo je ionski tok 7Li3+ na izhodni točki ionskega žarka ocenjen na 1,87 mA.Med pospešenimi preskusi se na razširjajočo se plazmo uporabi elektromagnetno polje 79 mT.Posledično se je tok 7Li3+, ekstrahiran iz plazme in opazovan na detektorju, povečal za faktor 30.
Frakcije ionov v lasersko ustvarjeni plazmi, pridobljene z analizo časa preleta.Ioni 7Li1+ in 7Li2+ predstavljajo 5 % oziroma 25 % ionskega žarka.Zaznana frakcija delcev 6Li se ujema z naravno vsebnostjo 6Li (7,6 %) v tarči iz litijeve folije znotraj eksperimentalne napake.Opazili so rahlo onesnaženje s kisikom (6,2 %), predvsem O1+ (2,1 %) in O2+ (1,5 %), kar je lahko posledica oksidacije površine tarče iz litijeve folije.
Kot je bilo že omenjeno, se litijeva plazma premika v območju brez polja, preden vstopi v RFQ linac.Vhod RFQ linac ima luknjo premera 6 mm v kovinskem vsebniku, prednapetost pa je 52 kV.Čeprav se napetost elektrode RFQ hitro spreminja ±29 kV pri 100 MHz, napetost povzroči aksialni pospešek, ker imajo elektrode pospeševalnika RFQ povprečni potencial nič.Zaradi močnega električnega polja, ki nastane v 10 mm reži med odprtino in robom elektrode RFQ, se iz plazme na odprtini ekstrahirajo samo pozitivni ioni plazme.V tradicionalnih sistemih za dostavo ionov so ioni ločeni od plazme z električnim poljem na precejšnji razdalji pred pospeševalnikom RFQ in nato fokusirani v odprtino RFQ z elementom za fokusiranje žarka.Vendar pa lahko za intenzivne žarke težkih ionov, potrebne za intenziven vir nevtronov, nelinearne odbojne sile zaradi učinkov prostorskega naboja povzročijo znatne izgube žarkovnega toka v transportnem sistemu ionov, kar omejuje najvišji tok, ki ga je mogoče pospešiti.V našem DPIS se visokointenzivni ioni prenašajo kot lebdeča plazma neposredno do izhodne točke odprtine RFQ, tako da ni izgube ionskega žarka zaradi prostorskega naboja.Med to predstavitvijo je bil DPIS prvič uporabljen na litij-ionskem žarku.
Struktura RFQ je bila razvita za fokusiranje in pospeševanje nizkoenergijskih visokotokovnih ionskih žarkov in je postala standard za pospeševanje prvega reda.Uporabili smo RFQ za pospeševanje ionov 7Li3+ z energije vsadka 22 keV/n na 204 keV/n.Čeprav se litij in drugi delci z nižjim nabojem v plazmi prav tako ekstrahirajo iz plazme in vbrizgajo v odprtino RFQ, RFQ linac pospešuje le ione z razmerjem naboja proti masi (Q/A) blizu 7Li3+.
Na sl.Slika 4 prikazuje valovne oblike, ki jih je zaznal tokovni transformator (CT) na izhodu RFQ linac in Faradayeve skodelice (FC) po analizi magneta, kot je prikazano na sl.2. Časovni zamik med signali je mogoče interpretirati kot razliko v času leta na lokaciji detektorja.Najvišji ionski tok, izmerjen pri CT, je bil 43 mA.V položaju RT lahko registrirani žarek vsebuje ne samo ione, pospešene na izračunano energijo, ampak tudi ione, ki niso 7Li3+, ki niso dovolj pospešeni.Vendar pa podobnost oblik ionskega toka, ugotovljena s pomočjo QD in PC, kaže, da je ionski tok v glavnem sestavljen iz pospešenega 7Li3+, zmanjšanje najvišje vrednosti toka na PC pa je posledica izgub žarka med prenosom ionov med QD in PC.Izgube To potrjuje tudi simulacija ovojnice.Za natančno merjenje toka žarka 7Li3+ se žarek analizira z dipolnim magnetom, kot je opisano v naslednjem razdelku.
Oscilogrami pospešenega žarka, posneti v položajih detektorja CT (črna krivulja) in FC (rdeča krivulja).Te meritve sproži zaznavanje laserskega sevanja s fotodetektorjem med ustvarjanjem laserske plazme.Črna krivulja prikazuje valovno obliko, izmerjeno na CT, priključenem na izhod RFQ linac.Zaradi svoje bližine linac RFQ detektor zajame 100 MHz RF šum, zato je bil uporabljen 98 MHz nizkopasovni FFT filter za odstranitev 100 MHz resonančnega RF signala, ki je prekrit z zaznavnim signalom.Rdeča krivulja prikazuje valovno obliko pri FC po tem, ko analitični magnet usmeri ionski žarek 7Li3+.V tem magnetnem polju se poleg 7Li3+ lahko prenašata še N6+ in O7+.
Ionski žarek po RFQ linac se fokusira s serijo treh kvadrupolnih magnetov za fokusiranje in nato analizira z dipolnimi magneti, da se izolirajo nečistoče v ionskem žarku.Magnetno polje 0,268 T usmerja žarke 7Li3+ v FC.Zaznavna valovna oblika tega magnetnega polja je prikazana kot rdeča krivulja na sliki 4. Najvišji tok žarka doseže 35 mA, kar je več kot 100-krat več od običajnega žarka Li3+, proizvedenega v obstoječih običajnih elektrostatičnih pospeševalnikih.Širina impulza žarka je 2,0 µs pri polni širini pri polovici maksimuma.Zaznavanje žarka 7Li3+ z dipolnim magnetnim poljem kaže na uspešno združevanje in pospeševanje žarka.Tok ionskega žarka, ki ga je zaznal FC pri skeniranju magnetnega polja dipola, je prikazan na sliki 5. Opažen je bil čist en vrh, dobro ločen od drugih vrhov.Ker imajo vsi ioni, pospešeni na načrtovano energijo z RFQ linac, enako hitrost, je ionske žarke z enakim Q/A težko ločiti z dipolnimi magnetnimi polji.Zato ne moremo razlikovati 7Li3+ od N6+ ali O7+.Vendar pa je mogoče količino nečistoč oceniti iz sosednjih stanj naboja.Na primer, N7+ in N5+ je mogoče enostavno ločiti, medtem ko je N6+ lahko del nečistoče in naj bi bil prisoten v približno enaki količini kot N7+ in N5+.Ocenjena stopnja onesnaženosti je približno 2 %.
Spektri komponent žarka, dobljeni s skeniranjem dipolnega magnetnega polja.Vrh pri 0,268 T ustreza 7Li3+ in N6+.Širina vrha je odvisna od velikosti žarka na reži.Kljub širokim vrhom se 7Li3+ dobro loči od 6Li3+, O6+ in N5+, vendar se slabo loči od O7+ in N6+.
Na lokaciji FC je bil profil žarka potrjen z vtičnim scintilatorjem in posnet s hitro digitalno kamero, kot je prikazano na sliki 6. Prikazano je, da je impulzni žarek 7Li3+ s tokom 35 mA pospešen do izračunanega RFQ energija 204 keV/n, kar ustreza 1,4 MeV, in prenesena na FC detektor.
Profil žarka, opažen na scintilatorskem zaslonu pred FC (obarvan s Fidžijem, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Magnetno polje analitičnega dipolnega magneta je bilo nastavljeno tako, da usmerja pospešek žarka ionov Li3+ na projektno energijo RFQ.Modre pike v zelenem območju so posledica okvarjenega materiala scintilatorja.
Generacijo ionov 7Li3+ smo dosegli z lasersko ablacijo površine trdne litijeve folije, visokotokovni ionski žarek pa smo zajeli in pospešili s posebej zasnovanim RFQ linac z uporabo DPIS.Pri energiji žarka 1,4 MeV je bil najvišji tok 7Li3+, dosežen na FC po analizi magneta, 35 mA.To potrjuje, da je najpomembnejši del izvedbe vira nevtronov z inverzno kinematiko izveden eksperimentalno.V tem delu prispevka bo obravnavana celotna zasnova kompaktnega izvora nevtronov, vključno z visokoenergijskimi pospeševalniki in ciljnimi postajami za nevtrone.Zasnova temelji na rezultatih, pridobljenih z obstoječimi sistemi v našem laboratoriju.Upoštevati je treba, da je mogoče vrhovni tok ionskega žarka dodatno povečati s skrajšanjem razdalje med litijevo folijo in RFQ linac.riž.7 prikazuje celoten koncept predlaganega kompaktnega izvora nevtronov v pospeševalniku.
Idejna zasnova predlaganega kompaktnega izvora nevtronov v pospeševalniku (narisal Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Od desne proti levi: laserski ionski vir, solenoidni magnet, RFQ linac, srednjeenergijski prenos žarka (MEBT), IH linac in interakcijska komora za generiranje nevtronov.Zaščita pred sevanjem je zagotovljena predvsem v smeri naprej zaradi ozko usmerjenosti proizvedenih nevtronskih žarkov.
Po linaku RFQ je načrtovano nadaljnje pospeševanje linaka Inter-digital H-structure (IH linac)30.IH linearni napajalniki uporabljajo strukturo odnašajoče cevi v načinu π za zagotavljanje visokih gradientov električnega polja v določenem razponu hitrosti.Konceptualna študija je bila izvedena na podlagi 1D simulacije vzdolžne dinamike in 3D simulacije lupine.Izračuni kažejo, da lahko 100 MHz IH linac s primerno napetostjo odnašajoče cevi (manj kot 450 kV) in močnim fokusirnim magnetom pospeši žarek 40 mA od 1,4 do 14 MeV na razdalji 1,8 m.Porazdelitev energije na koncu verige pospeševalnika je ocenjena na ± 0,4 MeV, kar bistveno ne vpliva na energijski spekter nevtronov, ki jih proizvede tarča za pretvorbo nevtronov.Poleg tega je emisivnost žarka dovolj nizka, da žarek usmeri v manjšo točko žarka, kot bi se običajno zahtevalo za kvadrupolni magnet srednje moči in velikosti.Pri prenosu snopa srednje energije (MEBT) med RFQ in IH linakom se resonator za oblikovanje snopa uporablja za vzdrževanje strukture za oblikovanje snopa.Za nadzor velikosti stranskega žarka se uporabljajo trije kvadrupolni magneti.Ta strategija načrtovanja je bila uporabljena v številnih pospeševalnikih31,32,33.Skupna dolžina celotnega sistema od izvora ionov do ciljne komore je ocenjena na manj kot 8 m, kar se lahko prilega standardnemu tovornjaku s polpriklopnikom.
Tarča za pretvorbo nevtronov bo nameščena neposredno za linearnim pospeševalnikom.Razpravljamo o zasnovah ciljnih postaj na podlagi prejšnjih študij z uporabo inverznih kinematičnih scenarijev23.Sporočeni cilji pretvorbe vključujejo trdne materiale (polipropilen (C3H6) in titanov hidrid (TiH2)) in plinaste ciljne sisteme.Vsak cilj ima prednosti in slabosti.Trdne tarče omogočajo natančno kontrolo debeline.Tanjša kot je tarča, natančnejša je prostorska razporeditev proizvodnje nevtronov.Vendar imajo lahko takšne tarče še vedno določeno stopnjo neželenih jedrskih reakcij in sevanja.Po drugi strani pa lahko vodikova tarča zagotovi čistejše okolje z odpravo proizvodnje 7Be, glavnega produkta jedrske reakcije.Vendar ima vodik šibko pregradno sposobnost in zahteva veliko fizično razdaljo za zadostno sprostitev energije.To je nekoliko neugodno za meritve TOF.Poleg tega, če se za tesnjenje vodikove tarče uporablja tanek film, je treba upoštevati energijske izgube žarkov gama, ki jih ustvarita tanek film in vpadni žarek litija.
LICORNE uporablja polipropilenske tarče, sistem tarč pa je bil nadgrajen v vodikove celice, zaprte s tantalovo folijo.Ob predpostavki, da je tok žarka 100 nA za 7Li34, lahko oba ciljna sistema proizvedeta do 107 n/s/sr.Če to zahtevano pretvorbo izkoristka nevtronov uporabimo za naš predlagani vir nevtronov, potem lahko za vsak laserski impulz dobimo žarek, ki ga poganja litij, 7 × 10–8 C.To pomeni, da sprožitev laserja samo dvakrat na sekundo proizvede 40 % več nevtronov, kot jih lahko LICORNE proizvede v eni sekundi z neprekinjenim žarkom.Skupni tok je mogoče enostavno povečati s povečanjem frekvence vzbujanja laserja.Če predpostavimo, da je na trgu laserski sistem 1 kHz, lahko povprečni nevtronski tok zlahka povečamo na približno 7 × 109 n/s/sr.
Kadar uporabljamo sisteme z visoko stopnjo ponavljanja s plastičnimi tarčami, je potrebno nadzorovati nastajanje toplote na tarčah, ker ima na primer polipropilen nizko tališče 145–175 °C in nizko toplotno prevodnost 0,1–0,22 W/ m/K.Za 14 MeV litij-ionski žarek zadostuje 7 µm debela polipropilenska tarča, da zmanjša energijo žarka na reakcijski prag (13,098 MeV).Ob upoštevanju celotnega učinka ionov, ki jih ustvari en laserski strel na tarčo, je energijsko sproščanje litijevih ionov skozi polipropilen ocenjeno na 64 mJ/pulz.Ob predpostavki, da se vsa energija prenaša v krogu s premerom 10 mm, vsak impulz ustreza dvigu temperature za približno 18 K/impulz.Sproščanje energije na polipropilenskih tarčah temelji na preprosti predpostavki, da se vse izgube energije shranijo kot toplota, brez sevanja ali drugih toplotnih izgub.Ker povečanje števila impulzov na sekundo zahteva odpravo kopičenja toplote, lahko uporabimo trakove, da preprečimo sproščanje energije na isti točki23.Ob predpostavki 10 mm žarka na tarči s hitrostjo ponavljanja laserja 100 Hz bi bila hitrost skeniranja polipropilenskega traku 1 m/s.Večje stopnje ponavljanja so možne, če je dovoljeno prekrivanje točk žarka.
Raziskali smo tudi tarče z vodikovimi baterijami, saj bi lahko uporabili močnejše pogonske žarke, ne da bi poškodovali tarčo.Nevtronski žarek je mogoče enostavno nastaviti s spreminjanjem dolžine plinske komore in tlaka vodika v njej.Tanke kovinske folije se pogosto uporabljajo v pospeševalnikih za ločevanje plinastega območja tarče od vakuuma.Zato je potrebno povečati energijo vpadnega litij-ionskega žarka, da bi nadomestili izgube energije na foliji.Tarčni sklop, opisan v poročilu 35, je bil sestavljen iz aluminijaste posode dolžine 3,5 cm s tlakom plina H2 1,5 atm.Litij-ionski žarek s 16,75 MeV vstopi v baterijo skozi zračno hlajeno 2,7 µm Ta folijo, energija litij-ionskega žarka na koncu baterije pa se upočasni do reakcijskega praga.Da bi povečali energijo žarka litij-ionskih baterij s 14,0 MeV na 16,75 MeV, je bilo treba IH linac podaljšati za približno 30 cm.
Proučevali so tudi emisijo nevtronov iz tarč plinskih celic.Za zgoraj omenjene plinske tarče LICORNE simulacije GEANT436 kažejo, da znotraj stožca nastajajo visoko usmerjeni nevtroni, kot je prikazano na sliki 1 v [37].Referenca 35 prikazuje energijsko območje od 0,7 do 3,0 MeV z največjo odprtino stožca 19,5° glede na smer širjenja glavnega žarka.Visoko usmerjeni nevtroni lahko znatno zmanjšajo količino zaščitnega materiala pri večini kotov, zmanjšajo težo strukture in zagotovijo večjo prilagodljivost pri namestitvi merilne opreme.Z vidika zaščite pred sevanjem ta plinasta tarča poleg nevtronov izotropno oddaja žarke gama 478 keV v centroidnem koordinatnem sistemu38.Ti γ-žarki nastanejo kot posledica razpada 7Be in deekscitacije 7Li, do katere pride, ko primarni žarek Li zadene vhodno okno Ta.Z dodajanjem debelega 35 Pb/Cu cilindričnega kolimatorja pa lahko ozadje bistveno zmanjšamo.
Kot alternativno tarčo lahko uporabimo plazemsko okno [39, 40], ki omogoča doseganje razmeroma visokega tlaka vodika in majhnega prostorskega območja generiranja nevtronov, čeprav je slabše od trdnih tarč.
Raziskujemo možnosti ciljanja pretvorbe nevtronov za pričakovano porazdelitev energije in velikost žarka žarka litij-ionov z uporabo GEANT4.Naše simulacije kažejo dosledno porazdelitev nevtronske energije in kotne porazdelitve za vodikove tarče v zgornji literaturi.V katerem koli tarčnem sistemu lahko visoko usmerjene nevtrone proizvede inverzna kinematična reakcija, ki jo poganja močan žarek 7Li3+ na z vodikom bogato tarčo.Zato je mogoče nove vire nevtronov uvesti s kombinacijo že obstoječih tehnologij.
Pogoji laserskega obsevanja so poustvarili poskuse generiranja ionskega žarka pred pospešeno demonstracijo.Laser je namizni nanosekundni Nd:YAG sistem z gostoto moči laserja 1012 W/cm2, osnovno valovno dolžino 1064 nm, točkovno energijo 800 mJ in trajanjem impulza 6 ns.Premer točke na tarči je ocenjen na 100 µm.Ker je kovina litij (Alfa Aesar, 99,9 % čista) precej mehka, se natančno izrezan material stisne v kalup.Dimenzija folije 25 mm × 25 mm, debelina 0,6 mm.Kraterju podobna poškodba se pojavi na površini tarče, ko jo zadene laser, zato tarčo premakne motorizirana platforma, da zagotovi svež del površine tarče z vsakim laserskim strelom.Da bi se izognili rekombinaciji zaradi preostalega plina, je bil tlak v komori pod območjem 10-4 Pa.
Začetni volumen laserske plazme je majhen, saj je velikost laserske točke 100 μm in v 6 ns po njeni generaciji.Volumen lahko vzamemo kot točno točko in ga razširimo.Če je detektor nameščen na razdalji xm od tarčne površine, je prejeti signal podrejen razmerju: ionski tok I, čas prihoda iona t in širina impulza τ.
Ustvarjeno plazmo smo proučevali z metodo TOF s FC in energetskim ionskim analizatorjem (EIA), ki se nahaja na razdalji 2,4 m in 3,85 m od laserske tarče.FC ima dušilno mrežo, ki je prednapeta za -5 kV, da prepreči elektrone.EIA ima 90-stopinjski elektrostatični deflektor, sestavljen iz dveh koaksialnih kovinskih cilindričnih elektrod z enako napetostjo, vendar nasprotno polariteto, pozitivno na zunanji strani in negativno na notranji strani.Plazma, ki se širi, je usmerjena v deflektor za režo in jo odkloni električno polje, ki poteka skozi valj.Ione, ki ustrezajo razmerju E/z = eKU, zaznamo s sekundarnim elektronskim množiteljem (SEM) (Hamamatsu R2362), kjer so E, z, e, K in U energija ionov, stanje naboja in naboj pa geometrijski faktorji EIA .elektronov in potencialne razlike med elektrodama.S spreminjanjem napetosti na deflektorju lahko dobimo porazdelitev energije in naboja ionov v plazmi.Napetost brisanja U/2 EIA je v območju od 0,2 V do 800 V, kar ustreza ionski energiji v območju od 4 eV do 16 keV na stanje polnjenja.
Na sl.8.
Analiza porazdelitve nabojnega stanja ionov.Tukaj je časovni profil gostote ionskega toka, analiziran z EIA in pomanjšan na 1 m od litijeve folije z uporabo enačbe.(1) in (2).Uporabite pogoje laserskega obsevanja, opisane v razdelku »Ustvarjanje popolnoma odluščenega litijevega žarka«.Z integracijo vsake gostote toka je bil izračunan delež ionov v plazmi, prikazan na sliki 3.
Laserski ionski viri lahko oddajajo intenziven ionski žarek več mA z visokim nabojem.Vendar pa je dostava žarka zelo težka zaradi odbijanja prostorskega naboja, zato ni bila široko uporabljena.V tradicionalni shemi se ionski žarki ekstrahirajo iz plazme in transportirajo do primarnega pospeševalnika vzdolž linije žarka z več magneti za ostrenje, da oblikujejo ionski žarek glede na sposobnost zajemanja pospeševalnika.Pri žarkih sile prostorskega naboja se žarki nelinearno razhajajo in opazimo resne izgube žarka, zlasti v območju nizkih hitrosti.Za premagovanje te težave pri razvoju medicinskih pospeševalnikov ogljika je predlagana nova shema dovajanja žarkov DPIS41.To tehniko smo uporabili za pospešitev močnega žarka litij-ionov iz novega vira nevtronov.
Kot je prikazano na sl.4 je prostor, v katerem se ustvarja in širi plazma, obdan s kovinsko posodo.Zaprti prostor sega do vhoda v resonator RFQ, vključno z volumnom znotraj elektromagnetne tuljave.Na posodo je bila priključena napetost 52 kV.V resonatorju RFQ ione vleče potencial skozi luknjo s premerom 6 mm z ozemljitvijo RFQ.Nelinearne odbojne sile na liniji žarka so odpravljene, ko se ioni prenašajo v stanju plazme.Poleg tega smo, kot je navedeno zgoraj, uporabili elektromagnetno polje v kombinaciji z DPIS za nadzor in povečanje gostote ionov v ekstrakcijski odprtini.
RFQ pospeševalnik je sestavljen iz cilindrične vakuumske komore, kot je prikazano na sl.9a.V njem so štiri palice iz brezkisikovega bakra nameščene kvadrupolno simetrično okoli osi žarka (slika 9b).4 palice in komore tvorijo resonančno RF vezje.Inducirano RF polje ustvari časovno spremenljivo napetost na palici.Ione, implantirane vzdolžno okoli osi, drži bočno polje kvadrupola.Istočasno se konica palice modulira, da ustvari aksialno električno polje.Aksialno polje razdeli vbrizgani neprekinjeni žarek v vrsto impulzov žarka, imenovanih žarek.Vsak žarek je vsebovan v določenem času cikla RF (10 ns).Sosednji žarki so razmaknjeni glede na periodo radijske frekvence.V RFQ linac se 2 µs žarek iz laserskega ionskega vira pretvori v zaporedje 200 žarkov.Nato se žarek pospeši do izračunane energije.
RFQ za linearni pospeševalnik.(a) (levo) Zunanji pogled na komoro za linac RFQ.(b) (desno) Štiripalična elektroda v komori.
Glavni konstrukcijski parametri linijskega napajalnika RFQ so napetost palice, resonančna frekvenca, polmer luknje žarka in modulacija elektrode.Izberite napetost na palici ± 29 kV, tako da je njeno električno polje pod pragom električnega preboja.Nižja kot je resonančna frekvenca, večja je bočna fokusna sila in manjše je povprečno polje pospeška.Veliki aperturni polmeri omogočajo povečanje velikosti žarka in posledično povečanje žarkovnega toka zaradi manjšega odboja prostorskega naboja.Po drugi strani pa večji radiji zaslonke zahtevajo več RF moči za napajanje RFQ linac.Poleg tega je omejen z zahtevami glede kakovosti spletnega mesta.Na podlagi teh ravnotežij sta bila izbrana resonančna frekvenca (100 MHz) in polmer odprtine (4,5 mm) za pospeševanje visokotokovnega žarka.Modulacija je izbrana tako, da zmanjša izgubo žarka in poveča učinkovitost pospeševanja.Zasnova je bila večkrat optimizirana za izdelavo RFQ linac zasnove, ki lahko pospeši ione 7Li3+ pri 40 mA od 22 keV/n do 204 keV/n v 2 m.RF moč, izmerjena med poskusom, je bila 77 kW.
Linac RFQ lahko pospeši ione z določenim obsegom Q/A.Zato je treba pri analizi žarka, ki se dovaja na konec linearnega pospeševalnika, upoštevati izotope in druge snovi.Poleg tega se lahko želeni ioni, delno pospešeni, vendar padejo pod pogoji pospeševanja na sredini pospeševalnika, še vedno srečajo s stransko omejitvijo in se lahko transportirajo do konca.Neželeni žarki, ki niso proizvedeni delci 7Li3+, se imenujejo nečistoče.V naših poskusih so največjo skrb povzročale nečistoče 14N6+ in 16O7+, saj kovinska litijeva folija reagira s kisikom in dušikom v zraku.Ti ioni imajo razmerje Q/A, ki ga je mogoče pospešiti s 7Li3+.Uporabljamo dipolne magnete za ločevanje žarkov različnih kakovosti in kakovosti za analizo žarkov po RFQ linac.
Linija žarka po RFQ linac je zasnovana za dostavo popolnoma pospešenega žarka 7Li3+ v FC po dipolnem magnetu.-400 V prednapetostne elektrode se uporabljajo za zatiranje sekundarnih elektronov v skodelici za natančno merjenje toka ionskega žarka.S to optiko so poti ionov ločene na dipole in fokusirane na različnih mestih, odvisno od Q/A.Zaradi različnih dejavnikov, kot sta difuzija gibalne količine in odboj prostorskega naboja, ima žarek v žarišču določeno širino.Vrste je mogoče ločiti le, če je razdalja med žariščnima položajema obeh ionskih vrst večja od širine žarka.Da bi dosegli najvišjo možno ločljivost, je blizu pasu žarka nameščena vodoravna reža, kjer je žarek praktično koncentriran.Med režo in osebnim računalnikom je bil nameščen scintilacijski zaslon (CsI(Tl) iz Saint-Gobaina, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Scintilator je bil uporabljen za določitev najmanjše reže, skozi katero so morali oblikovani delci iti za optimalno ločljivost, in za prikaz sprejemljivih velikosti žarka za visokotokovne žarke težkih ionov.Žarkovno sliko na scintilatorju snema CCD kamera skozi vakuumsko okno.Prilagodite časovno okno osvetlitve, da pokrije celotno širino impulza žarka.
Podatkovni nizi, uporabljeni ali analizirani v trenutni študiji, so na voljo pri zadevnih avtorjih na razumno zahtevo.
Manke, I. et al.Tridimenzionalno slikanje magnetnih domen.Narodna komuna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Možnosti študija kompaktnih nevtronskih virov na pospeševalnikih.fizika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Računalniška mikrotomografija na osnovi nevtronov: Pliobates cataloniae in Barberapithecus huerzeleri kot testna primera.jaJ. Fizika.antropologija.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).