304L 6,35*1 mm Dobavljači spiralnih cijevi od nehrđajućeg čelika, Demonstracija intenzivne litijeve zrake za generiranje impulsnih direktnih neutrona

Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Klizači koji prikazuju tri članka po slajdu.Za pomicanje kroz slajdove koristite gumbe Natrag i Sljedeće ili gumbe za upravljanje slajdovima na kraju za kretanje kroz svaki slajd.

Kao alternativa proučavanju nuklearnih reaktora, kompaktni neutronski generator pokretan akceleratorom koji koristi pokretač snopa litij-iona mogao bi biti obećavajući kandidat jer proizvodi malo neželjenog zračenja.Međutim, bilo je teško isporučiti intenzivan snop litijevih iona, a praktična primjena takvih uređaja smatrala se nemogućom.Najakutniji problem nedovoljnog protoka iona riješen je primjenom sheme izravne plazma implantacije.U ovoj shemi, pulsirajuća plazma visoke gustoće generirana laserskom ablacijom litijeve metalne folije učinkovito se 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 mogu pružiti konvencionalni sustavi injektora i akceleratora.
Za razliku od X-zraka ili nabijenih čestica, neutroni imaju veliku dubinu prodiranja i jedinstvenu interakciju s kondenziranom tvari, što ih čini iznimno svestranim sondama za proučavanje svojstava materijala1,2,3,4,5,6,7.Konkretno, tehnike raspršenja neutrona obično se koriste za proučavanje sastava, strukture i unutarnjih naprezanja u kondenziranoj tvari i mogu pružiti detaljne informacije o tragovima spojeva u metalnim legurama koje je teško detektirati rendgenskom spektroskopijom8.Ova se metoda smatra moćnim alatom u temeljnoj znanosti i koriste je proizvođači metala i drugih materijala.Nedavno se difrakcija neutrona koristila za otkrivanje zaostalih naprezanja u mehaničkim komponentama kao što su dijelovi tračnica i zrakoplova9,10,11,12.Neutroni se također koriste u naftnim i plinskim bušotinama jer ih lako hvataju materijali bogati protonima13.Slične metode se također koriste u građevinarstvu.Nerazorno neutronsko ispitivanje učinkovit je alat za otkrivanje skrivenih grešaka u zgradama, tunelima i mostovima.Korištenje neutronskih zraka aktivno se koristi u znanstvenim istraživanjima i industriji, od kojih su mnogi povijesno razvijani pomoću nuklearnih reaktora.
Međutim, s globalnim konsenzusom o nuklearnom neširenju, izgradnja malih reaktora u istraživačke svrhe postaje sve teža.Štoviše, nedavna nesreća u Fukushimi učinila je izgradnju nuklearnih reaktora gotovo društveno prihvatljivom.U vezi s tim trendom raste potražnja za izvorima neutrona na akceleratorima2.Kao alternativa nuklearnim reaktorima, nekoliko velikih akceleratorskih izvora neutrona već radi14,15.Međutim, za učinkovitije korištenje svojstava neutronskih snopova potrebno je proširiti primjenu kompaktnih izvora na akceleratorima, 16 koji mogu pripadati industrijskim i sveučilišnim istraživačkim ustanovama.Akceleratorski izvori neutrona dodali su nove mogućnosti i funkcije osim što služe kao zamjena za nuklearne reaktore14.Na primjer, generator koji pokreće linac lako može stvoriti struju neutrona manipuliranjem pogonske zrake.Jednom emitirane neutrone teško je kontrolirati, a mjerenja zračenja teško je analizirati zbog buke koju stvaraju pozadinski neutroni.Pulsirajući neutroni kontrolirani akceleratorom izbjegavaju ovaj problem.Diljem svijeta predloženo je nekoliko projekata temeljenih na tehnologiji protonskog akceleratora17,18,19.Reakcije 7Li(p, n)7Be i 9Be(p, n)9B najčešće se koriste u protonskim kompaktnim generatorima neutrona jer su to endotermne reakcije20.Višak zračenja i radioaktivni otpad mogu se svesti na najmanju moguću mjeru ako je energija odabrana za pobuđivanje snopa protona malo iznad vrijednosti praga.Međutim, masa ciljne jezgre puno je veća od mase protona, a nastali neutroni se raspršuju u svim smjerovima.Tako bliska izotropnoj emisiji neutronskog toka sprječava učinkovit transport neutrona do predmeta 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.Tipični kompaktni protonski neutronski generator koji pokreće akcelerator ima jaku zaštitu od zračenja i najglomazniji je dio sustava.Potreba za povećanjem energije pokretanja protona obično zahtijeva dodatno povećanje veličine akceleratora.
Kako bi se prevladali opći nedostaci konvencionalnih kompaktnih izvora neutrona na akceleratorima, predložena je shema inverzne kinematičke reakcije21.U ovoj shemi, teža litij-ionska zraka koristi se kao vodeća zraka umjesto protonske zrake, ciljajući materijale bogate vodikom kao što su plastika ugljikovodika, hidridi, vodikov plin ili vodikova plazma.Razmatrane su alternative, kao što su zrake koje pokreću ioni berilija, međutim, berilij je otrovna tvar s kojom treba posebno pažljivo rukovati.Stoga je litijeva zraka najprikladnija za inverzno-kinematičke reakcijske sheme.Budući da je impuls jezgre litija veći od impulsa protona, središte mase nuklearnih sudara stalno se pomiče prema naprijed, a neutroni se također emitiraju prema naprijed.Ova značajka uvelike eliminira neželjene gama zrake i emisije neutrona pod visokim kutom22.Usporedba uobičajenog slučaja protonskog motora i scenarija inverzne kinematike prikazana je na slici 1.
Ilustracija kutova proizvodnje neutrona za protonske i litijeve zrake (nacrtano s 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 kretanju pogađaju puno teže atome litijeve mete.(b) Suprotno tome, ako litij-ionski pokretač bombardira metu bogatu vodikom, neutroni se generiraju u uskom konusu u smjeru prema naprijed zbog velike brzine središta mase sustava.
Međutim, postoji samo nekoliko inverznih kinematičkih generatora neutrona zbog poteškoća u stvaranju potrebnog toka teških iona s visokim nabojem u usporedbi s protonima.Sva ova postrojenja koriste izvore negativnih raspršenih iona u kombinaciji s tandemskim elektrostatskim akceleratorima.Predložene su druge vrste ionskih izvora za povećanje učinkovitosti ubrzanja snopa26.U svakom slučaju, dostupna struja litij-ionskog snopa ograničena je na 100 µA.Predloženo je korištenje 1 mA Li3+27, ali ta struja ionske zrake nije potvrđena ovom metodom.U pogledu intenziteta, akceleratori snopa litija ne mogu se natjecati s akceleratorima snopa protona čija vršna protonska struja prelazi 10 mA28.
Za implementaciju praktičnog kompaktnog generatora neutrona temeljenog na litij-ionskom snopu, korisno je generirati visoki intenzitet potpuno bez iona.Ioni se ubrzavaju i vode elektromagnetskim silama, a viša razina napunjenosti rezultira učinkovitijim ubrzanjem.Li-ion pokretači snopa zahtijevaju Li3+ vršne struje veće od 10 mA.
U ovom radu demonstriramo ubrzanje Li3+ zraka s vršnim strujama do 35 mA, što je usporedivo s naprednim protonskim akceleratorima.Izvorna zraka litij-iona stvorena je korištenjem laserske ablacije i sheme izravne plazma implantacije (DPIS) koja je izvorno razvijena za ubrzavanje C6+.Radiofrekventni kvadrupolni linac (RFQ linac) proizveden je pomoću rezonantne strukture s četiri šipke.Provjerili smo da ubrzavajući snop ima izračunatu energiju snopa visoke čistoće.Nakon što je Li3+ zraka učinkovito uhvaćena i ubrzana radiofrekvencijskim (RF) akceleratorom, kasnija sekcija linac (akceleratora) koristi se za osiguranje energije potrebne za generiranje snažnog toka neutrona iz mete.
Ubrzanje visokoučinkovitih iona dobro je uspostavljena tehnologija.Preostali zadatak realizacije novog visokoučinkovitog kompaktnog generatora neutrona je generiranje velikog broja potpuno ogoljenih litijevih iona i formiranje strukture klastera koja se sastoji od niza ionskih impulsa sinkroniziranih s RF ciklusom u akceleratoru.Rezultati eksperimenata osmišljenih za postizanje ovog cilja opisani su u sljedeća tri pododjeljka: (1) generiranje snopa potpuno lišenog litij-iona, (2) ubrzanje snopa pomoću posebno dizajniranog RFQ linac-a i (3) ubrzanje analize snopa da provjerite njegov sadržaj.U Brookhaven National Laboratory (BNL) napravili smo eksperimentalni postav prikazan na slici 2.
Pregled eksperimentalne postavke za ubrzanu analizu litijevih zraka (ilustrirano Inkscapeom, 1.0.2, https://inkscape.org/).S desna na lijevo, laserski ablativna plazma generira se u komori za interakciju lasera i cilja i isporučuje se u RFQ linac.Nakon ulaska u RFQ akcelerator, ioni se odvajaju od plazme i ubrizgavaju u RFQ akcelerator kroz iznenadno električno polje koje stvara razlika napona od 52 kV između ekstrakcijske elektrode i RFQ elektrode u području drifta.Ekstrahirani ioni se ubrzavaju od 22 keV/n do 204 keV/n pomoću RFQ elektroda dugih 2 metra.Strujni transformator (CT) instaliran na izlazu RFQ linac osigurava nedestruktivno mjerenje struje ionskog snopa.Snop se fokusira pomoću tri kvadrupolna magneta i usmjerava na dipolni magnet, koji odvaja i usmjerava Li3+ snop u detektor.Iza proreza, plastični scintilator koji se može uvući i Faradayeva šalica (FC) s prednaprezanjem do -400 V koriste se za detekciju ubrzajuće zrake.
Za generiranje potpuno ioniziranih litijevih iona (Li3+) potrebno je stvoriti plazmu s temperaturom iznad njezine treće energije ionizacije (122,4 eV).Pokušali smo koristiti lasersku ablaciju za proizvodnju visokotemperaturne plazme.Ova vrsta laserskog izvora iona ne koristi se obično za generiranje zraka litij-iona jer je metalni litij reaktivan i zahtijeva posebno rukovanje.Razvili smo sustav ciljanog punjenja kako bismo smanjili vlagu i kontaminaciju zraka prilikom postavljanja litijeve folije u interakcijsku komoru vakuumskog lasera.Sve pripreme materijala provedene su u kontroliranom okruženju suhog argona.Nakon što je litijeva folija postavljena u komoru laserske mete, folija je ozračena pulsirajućim Nd:YAG laserskim zračenjem pri energiji od 800 mJ po impulsu.U fokusu na meti, gustoća snage lasera procijenjena je na oko 1012 W/cm2.Plazma se stvara kada pulsirajući laser uništi metu u vakuumu.Tijekom cijelog laserskog pulsa od 6 ns, plazma se nastavlja zagrijavati, uglavnom zbog obrnutog procesa kočnog zračenja.Budući da se tijekom faze zagrijavanja ne primjenjuje ograničavajuće vanjsko polje, plazma se počinje širiti u tri dimenzije.Kada se plazma počne širiti preko ciljane površine, središte mase plazme poprima brzinu okomito na ciljnu površinu s energijom od 600 eV/n.Nakon zagrijavanja, plazma se nastavlja kretati u aksijalnom smjeru od cilja, šireći se izotropno.
Kao što je prikazano na slici 2, ablacijska plazma širi se u vakuumski volumen okružen metalnim spremnikom s istim potencijalom kao cilj.Dakle, plazma se kreće kroz područje bez polja prema RFQ akceleratoru.Aksijalno magnetsko polje primjenjuje se između komore za lasersko zračenje i RFQ linac pomoću solenoida namotanog oko vakuumske komore.Magnetsko polje solenoida potiskuje radijalno širenje lebdeće plazme kako bi se održala visoka gustoća plazme tijekom isporuke do RFQ otvora.S druge strane, plazma se tijekom drifta nastavlja širiti u aksijalnom smjeru, tvoreći izduženu plazmu.Visokonaponski prednapon primjenjuje se na metalnu posudu koja sadrži plazmu ispred izlaznog otvora na ulazu RFQ.Prednapon je odabran kako bi osigurao potrebnu brzinu ubrizgavanja 7Li3+ za odgovarajuće ubrzanje pomoću RFQ linac.
Rezultirajuća ablacijska plazma ne sadrži samo 7Li3+, već i litij u drugim stanjima naboja i zagađujuće elemente, koji se istovremeno transportiraju do RFQ linearnog akceleratora.Prije ubrzanih eksperimenata koji koriste RFQ linac, provedena je izvanmrežna analiza vremena leta (TOF) kako bi se proučio sastav i distribucija energije iona u plazmi.Detaljna analitička postavka i promatrane distribucije stanja napunjenosti objašnjeni su u odjeljku Metode.Analiza je pokazala da su ioni 7Li3+ bili glavne čestice, čineći oko 54% svih čestica, kao što je prikazano na slici 3. Prema analizi, struja iona 7Li3+ na izlaznoj točki snopa iona procijenjena je na 1,87 mA.Tijekom ubrzanih testova, polje solenoida od 79 mT primjenjuje se na plazmu koja se širi.Kao rezultat toga, struja 7Li3+ ekstrahirana iz plazme i promatrana na detektoru povećala se za faktor 30.
Frakcije iona u laserski generiranoj plazmi dobivene analizom vremena leta.Ioni 7Li1+ i 7Li2+ čine 5% odnosno 25% ionskog snopa.Detektirana frakcija čestica 6Li slaže se s prirodnim sadržajem 6Li (7,6%) u meti od litijeve folije unutar eksperimentalne pogreške.Uočena je blaga kontaminacija kisikom (6,2%), uglavnom O1+ (2,1%) i O2+ (1,5%), što može biti posljedica oksidacije površine mete od litijeve folije.
Kao što je prethodno spomenuto, litijeva plazma luta u području bez polja prije ulaska u RFQ linac.Ulaz RFQ linac ima rupu promjera 6 mm u metalnom spremniku, a prednapon je 52 kV.Iako se napon RFQ elektrode brzo mijenja ±29 kV na 100 MHz, napon uzrokuje aksijalno ubrzanje jer elektrode RFQ akceleratora imaju prosječni potencijal nula.Zbog jakog električnog polja koje se stvara u razmaku od 10 mm između otvora i ruba RFQ elektrode, samo pozitivni ioni plazme ekstrahiraju se iz plazme na otvoru.U tradicionalnim sustavima za isporuku iona, ioni se odvajaju od plazme električnim poljem na znatnoj udaljenosti ispred RFQ akceleratora i zatim se fokusiraju u RFQ otvor elementom za fokusiranje snopa.Međutim, za intenzivne zrake teških iona potrebne za intenzivan izvor neutrona, nelinearne odbojne sile zbog učinaka prostornog naboja mogu dovesti do značajnih gubitaka struje snopa u sustavu prijenosa iona, ograničavajući vršnu struju koja se može ubrzati.U našem DPIS-u, ioni visokog intenziteta prenose se kao lebdeća plazma izravno do izlazne točke RFQ otvora, tako da nema gubitka ionske zrake zbog prostornog naboja.Tijekom ove demonstracije, DPIS je prvi put primijenjen na litij-ionsku zraku.
RFQ struktura razvijena je za fokusiranje i ubrzavanje niskoenergetskih visokostrujnih ionskih zraka i postala je standard za akceleraciju prvog reda.Koristili smo RFQ za ubrzavanje iona 7Li3+ s energije implantata od 22 keV/n na 204 keV/n.Iako se litij i druge čestice s nižim nabojem u plazmi također izdvajaju iz plazme i ubrizgavaju u RFQ otvor, RFQ linac samo ubrzava ione s omjerom naboja i mase (Q/A) blizu 7Li3+.
Na sl.Slika 4 prikazuje valne oblike koje je detektirao strujni transformator (CT) na izlazu RFQ linac i Faradayeve čaše (FC) nakon analize magneta, kao što je prikazano na sl.2. Vremenski pomak između signala može se protumačiti kao razlika u vremenu leta na mjestu detektora.Vršna ionska struja izmjerena na CT bila je 43 mA.U RT položaju registrirani snop može sadržavati ne samo ione ubrzane do izračunate energije, već i ione osim 7Li3+, koji nisu dovoljno ubrzani.Međutim, sličnost oblika ionske struje pronađena pomoću QD i PC ukazuje na to da se ionska struja uglavnom sastoji od ubrzanog 7Li3+, a smanjenje vršne vrijednosti struje na PC uzrokovano je gubicima snopa tijekom prijenosa iona između QD i PC.Gubici Ovo također potvrđuje simulacija ovojnice.Kako bi se točno izmjerila struja snopa 7Li3+, snop se analizira dipolnim magnetom kao što je opisano u sljedećem odjeljku.
Oscilogrami ubrzanog snopa snimljeni u položajima detektora CT (crna krivulja) i FC (crvena krivulja).Ta se mjerenja pokreću detekcijom laserskog zračenja pomoću fotodetektora tijekom stvaranja laserske plazme.Crna krivulja prikazuje valni oblik izmjeren na CT-u spojenom na RFQ linac izlaz.Zbog blizine RFQ linac detektor hvata RF šum od 100 MHz, pa je primijenjen niskopropusni FFT filtar od 98 MHz za uklanjanje rezonantnog RF signala od 100 MHz superponiranog na signal detekcije.Crvena krivulja prikazuje valni oblik na FC nakon što analitički magnet usmjeri snop iona 7Li3+.U ovom magnetskom polju, osim 7Li3+, mogu se prenositi N6+ i O7+.
Ionski snop nakon RFQ linac fokusira se nizom od tri kvadrupolna fokusirajuća magneta, a zatim se analizira dipolnim magnetima kako bi se izolirale nečistoće u ionskom snopu.Magnetsko polje od 0,268 T usmjerava zrake 7Li3+ u FC.Valni oblik detekcije ovog magnetskog polja prikazan je crvenom krivuljom na slici 4. Vršna struja snopa doseže 35 mA, što je više od 100 puta više od tipičnog Li3+ snopa proizvedenog u postojećim konvencionalnim elektrostatskim akceleratorima.Širina impulsa snopa je 2,0 µs u punoj širini na pola maksimuma.Detekcija snopa 7Li3+ s dipolnim magnetskim poljem ukazuje na uspješno grupiranje i ubrzanje snopa.Struja ionske zrake detektirana pomoću FC-a pri skeniranju magnetskog polja dipola prikazana je na slici 5. Uočen je čisti pojedinačni vrh, dobro odvojen od ostalih vrhova.Budući da svi ioni ubrzani do projektirane energije pomoću RFQ linac imaju istu brzinu, ionske zrake s istim Q/A teško je razdvojiti dipolnim magnetskim poljima.Stoga ne možemo razlikovati 7Li3+ od N6+ ili O7+.Međutim, količina nečistoća može se procijeniti iz susjednih stanja naboja.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+.Procijenjena razina onečišćenja je oko 2%.
Spektri komponenti snopa dobiveni skeniranjem dipolnog magnetskog polja.Vrh na 0,268 T odgovara 7Li3+ i N6+.Širina vrha ovisi o veličini grede na prorezu.Unatoč širokim vrhovima, 7Li3+ se dobro odvaja od 6Li3+, O6+ i N5+, ali se slabo odvaja od O7+ i N6+.
Na lokaciji FC, profil snopa je potvrđen s plug-in scintilatorom i snimljen brzom digitalnom kamerom kao što je prikazano na slici 6. Pokazano je da je pulsirajući snop 7Li3+ sa strujom od 35 mA ubrzan do izračunatog RFQ energije od 204 keV/n, što odgovara 1,4 MeV, i prenosi se na FC detektor.
Profil snopa opažen na scintilatorskom ekranu prije FC-a (u boji Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Magnetsko polje analitičkog dipolnog magneta podešeno je da usmjeri ubrzanje snopa iona Li3+ na projektiranu energiju RFQ.Plave točke u zelenom području uzrokovane su neispravnim materijalom scintilatora.
Postigli smo generiranje iona 7Li3+ laserskom ablacijom površine čvrste litijeve folije, a ionski snop velike struje uhvaćen je i ubrzan posebno dizajniranim RFQ linac-om pomoću DPIS-a.Pri energiji snopa od 1,4 MeV, vršna struja 7Li3+ postignuta na FC nakon analize magneta bila je 35 mA.Time se potvrđuje da je najvažniji dio implementacije izvora neutrona s inverznom kinematikom eksperimentalno implementiran.U ovom dijelu rada raspravljat će se o cjelokupnom dizajnu kompaktnog izvora neutrona, uključujući visokoenergetske akceleratore i ciljane neutronske stanice.Dizajn se temelji na rezultatima dobivenim s postojećim sustavima u našem laboratoriju.Treba napomenuti da se vršna struja ionske zrake može dodatno povećati skraćivanjem udaljenosti između litijeve folije i RFQ linac.Riža.Slika 7 ilustrira cijeli koncept predloženog kompaktnog izvora neutrona u akceleratoru.
Konceptualni dizajn predloženog kompaktnog izvora neutrona na akceleratoru (nacrtao Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).S desna na lijevo: laserski ionski izvor, solenoidni magnet, RFQ linac, prijenos snopa srednje energije (MEBT), IH linac i interakcijska komora za generiranje neutrona.Zaštita od zračenja prvenstveno je osigurana u smjeru prema naprijed zbog usko usmjerene prirode proizvedenih snopova neutrona.
Nakon RFQ linac-a planira se daljnje ubrzanje inter-digitalne H-strukture (IH linac)30 linac-a.IH linijski uređaji koriste strukturu driftne cijevi π-moda za pružanje visokih gradijenata električnog polja u određenom rasponu brzina.Konceptualna studija je izrađena na temelju 1D simulacije uzdužne dinamike i 3D simulacije ljuske.Izračuni pokazuju da 100 MHz IH linac s razumnim naponom drift cijevi (manjim od 450 kV) i jakim fokusirajućim magnetom može ubrzati snop od 40 mA od 1,4 do 14 MeV na udaljenosti od 1,8 m.Distribucija energije na kraju lanca akceleratora procijenjena je na ± 0,4 MeV, što ne utječe značajno na energetski spektar neutrona koje proizvodi cilj za konverziju neutrona.Osim toga, emisivnost snopa je dovoljno niska da fokusira snop u manju točku snopa nego što bi to bilo normalno potrebno za kvadrupolni magnet srednje snage i veličine.U prijenosu snopa srednje energije (MEBT) između RFQ linaca i IH linaca, rezonator za formiranje snopa koristi se za održavanje strukture za formiranje snopa.Za kontrolu veličine bočne zrake koriste se tri kvadrupolna magneta.Ova strategija dizajna korištena je u mnogim akceleratorima31,32,33.Ukupna duljina cijelog sustava od izvora iona do ciljne komore procjenjuje se na manje od 8 m, što može stati u standardni kamion s poluprikolicom.
Cilj za konverziju neutrona bit će instaliran neposredno nakon linearnog akceleratora.Raspravljamo o dizajnu ciljnih stanica na temelju prethodnih studija koristeći inverzne kinematičke scenarije23.Prijavljeni ciljevi konverzije uključuju čvrste materijale (polipropilen (C3H6) i titanijev hidrid (TiH2)) i plinovite ciljne sustave.Svaki cilj ima prednosti i nedostatke.Čvrste mete omogućuju preciznu kontrolu debljine.Što je tanja meta, točniji je prostorni raspored proizvodnje neutrona.Međutim, takve mete još uvijek mogu imati određeni stupanj neželjenih nuklearnih reakcija i zračenja.S druge strane, vodikova meta može osigurati čišći okoliš eliminirajući proizvodnju 7Be, glavnog produkta nuklearne reakcije.Međutim, vodik 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 brtvljenje vodikove mete, potrebno je uzeti u obzir gubitke energije gama zraka koje stvaraju tanki film i upadna zraka litija.
LICORNE koristi polipropilenske mete, a ciljni sustav je nadograđen na vodikove ćelije zapečaćene tantalskom folijom.Uz pretpostavku struje snopa od 100 nA za 7Li34, oba ciljna sustava mogu proizvesti do 107 n/s/sr.Ako primijenimo ovu navedenu pretvorbu prinosa neutrona na naš predloženi izvor neutrona, tada se za svaki laserski impuls može dobiti snop pokretan litijem 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 kontinuiranim snopom.Ukupni tok može se lako povećati povećanjem frekvencije pobude lasera.Ako pretpostavimo da na tržištu postoji laserski sustav od 1 kHz, prosječni tok neutrona može se lako skalirati do oko 7 × 109 n/s/sr.
Kada koristimo sustave visoke stope ponavljanja s plastičnim metama, potrebno je kontrolirati stvaranje topline na metama jer, primjerice, polipropilen ima nisko talište od 145–175 °C i nisku toplinsku vodljivost od 0,1–0,22 W/ m/K.Za litij-ionski snop od 14 MeV, polipropilenska meta debljine 7 µm dovoljna je da smanji energiju snopa na reakcijski prag (13,098 MeV).Uzimajući u obzir ukupni učinak iona generiranih jednim laserskim hicem na metu, oslobađanje energije litijevih iona kroz polipropilen procijenjeno je na 64 mJ/pulsu.Uz pretpostavku da se sva energija prenosi u krugu promjera 10 mm, svaki impuls odgovara porastu temperature od približno 18 K/impulsu.Oslobađanje energije na polipropilenskim metama temelji 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 nakupljanja topline, možemo upotrijebiti trakaste mete kako bismo izbjegli oslobađanje energije na istoj točki23.Uz pretpostavku točke snopa od 10 mm na meti s brzinom ponavljanja lasera od 100 Hz, brzina skeniranja polipropilenske trake bila bi 1 m/s.Moguće su veće stope ponavljanja ako je dopušteno preklapanje točke snopa.
Također smo istraživali mete s vodikovim baterijama, jer su se mogle koristiti jače pogonske zrake bez oštećenja mete.Snop neutrona može se lako ugoditi promjenom duljine plinske komore i tlaka vodika u njoj.Tanke metalne folije često se koriste u akceleratorima za odvajanje plinovitog područja mete od vakuuma.Stoga je potrebno povećati energiju upadne litij-ionske zrake kako bi se nadoknadili gubici energije na foliji.Sklop mete opisan u izvješću 35 sastojao se od aluminijskog spremnika duljine 3,5 cm s tlakom H2 plina od 1,5 atm.Snop litij-iona od 16,75 MeV ulazi u bateriju kroz zrakom hlađenu Ta foliju od 2,7 µm, a energija snopa litij-iona na kraju baterije usporava se do praga reakcije.Kako bi se povećala energija snopa litij-ionskih baterija s 14,0 MeV na 16,75 MeV, IH linac je morao biti produljen za oko 30 cm.
Također je proučavana emisija neutrona iz meta plinskih ćelija.Za gore spomenute plinske mete LICORNE, GEANT436 simulacije pokazuju da se visoko orijentirani neutroni generiraju unutar stošca, kao što je prikazano na slici 1 u [37].Referenca 35 pokazuje raspon energije od 0,7 do 3,0 MeV s maksimalnim otvorom stošca od 19,5° u odnosu na smjer širenja glavnog snopa.Visoko orijentirani neutroni mogu značajno smanjiti količinu zaštitnog materijala pod većinom kutova, smanjujući težinu strukture i pružajući veću fleksibilnost u instalaciji mjerne opreme.Sa stajališta zaštite od zračenja, osim neutrona, ova plinovita meta emitira gama zrake od 478 keV izotropno u centroidnom koordinatnom sustavu38.Ove γ-zrake nastaju kao rezultat raspada 7Be i deekscitacije 7Li, koja se događa kada primarna Li zraka pogodi ulazni prozor Ta.Međutim, dodavanjem debelog 35 Pb/Cu cilindričnog kolimatora, pozadina se može značajno smanjiti.
Kao alternativna meta može se koristiti plazma prozor [39, 40], koji omogućuje postizanje relativno visokog tlaka vodika i malog prostornog područja generiranja neutrona, iako je inferioran čvrstim metama.
Istražujemo mogućnosti ciljanja pretvorbe neutrona za očekivanu distribuciju energije i veličinu snopa snopa litij-iona pomoću GEANT4.Naše simulacije pokazuju dosljednu distribuciju energije neutrona i kutne distribucije za vodikove mete u gornjoj literaturi.U bilo kojem ciljnom sustavu, visoko orijentirani neutroni mogu se proizvesti inverznom kinematičkom reakcijom koju pokreće jaka zraka 7Li3+ na metu bogatu vodikom.Stoga se novi izvori neutrona mogu implementirati kombiniranjem već postojećih tehnologija.
Uvjeti laserskog zračenja reproducirali su eksperimente generiranja ionske zrake prije ubrzane demonstracije.Laser je stolni nanosekundni Nd:YAG sustav s gustoćom snage lasera od 1012 W/cm2, osnovnom valnom duljinom od 1064 nm, energijom točke od 800 mJ i trajanjem impulsa od 6 ns.Promjer točke na meti procijenjen je na 100 µm.Budući da je metalni litij (Alfa Aesar, 99,9% čistoće) prilično mekan, precizno izrezani materijal se utiskuje u kalup.Dimenzija folije 25 mm × 25 mm, debljina 0,6 mm.Oštećenje nalik krateru nastaje na površini mete kada je pogodi laser, tako da metu pomiče motorizirana platforma kako bi osigurala svježi dio površine mete sa svakim laserskim hicem.Kako bi se izbjegla rekombinacija zbog zaostalog plina, tlak u komori je održavan ispod raspona od 10-4 Pa.
Početni volumen laserske plazme je malen, budući da je veličina laserske mrlje 100 μm i unutar 6 ns nakon njenog stvaranja.Volumen se može uzeti kao točna točka i proširiti.Ako je detektor postavljen na udaljenosti xm od ciljne površine, tada primljeni signal slijedi odnos: ionske struje I, vremena dolaska iona t i širine impulsa τ.
Generirana plazma proučavana je TOF metodom s FC i energetskim ionskim analizatorom (EIA) smještenim na udaljenosti od 2,4 m i 3,85 m od laserske mete.FC ima supresorsku rešetku prednaprednu za -5 kV kako bi spriječio elektrone.EIA ima elektrostatički deflektor od 90 stupnjeva koji se sastoji od dvije koaksijalne metalne cilindrične elektrode s istim naponom, ali suprotnog polariteta, pozitivne izvana i negativne iznutra.Plazma koja se širi usmjerava se u deflektor iza utora i skreće električno polje koje prolazi kroz cilindar.Ioni koji zadovoljavaju odnos E/z = eKU otkrivaju se pomoću sekundarnog elektronskog množitelja (SEM) (Hamamatsu R2362), gdje su E, z, e, K i U energija iona, stanje naboja, a naboj su EIA geometrijski faktori .elektrona, odnosno razlika potencijala između elektroda.Promjenom napona na deflektoru može se dobiti energija i raspodjela naboja iona u plazmi.Sweep napon U/2 EIA je u rasponu od 0,2 V do 800 V, što odgovara energiji iona u rasponu od 4 eV do 16 keV po stanju naboja.
Distribucije stanja naboja iona analiziranih u uvjetima laserskog zračenja opisanim u odjeljku "Generacija potpuno ogoljenih litijevih zraka" prikazane su na sl.8.
Analiza raspodjele stanja naboja iona.Ovdje je vremenski profil gustoće ionske struje analiziran pomoću EIA i skaliran na 1 m od litijeve folije pomoću jednadžbe.(1) i (2).Koristite uvjete laserskog zračenja opisane u odjeljku "Generacija potpuno oljuštene litijeve zrake".Integriranjem svake gustoće struje izračunat je udio iona u plazmi, prikazan na slici 3.
Laserski ionski izvori mogu isporučiti intenzivnu multi-mA ionsku zraku s visokim nabojem.Međutim, isporuka snopa je vrlo teška zbog odbijanja svemirskog naboja, tako da nije bila široko korištena.U tradicionalnoj shemi, ionske zrake se izvlače iz plazme i transportiraju do primarnog akceleratora duž linije snopa s nekoliko magneta za fokusiranje kako bi se ionski snop oblikovao u skladu s sposobnošću preuzimanja akceleratora.U snopovima sile prostornog naboja, snopovi divergiraju nelinearno, te se opažaju ozbiljni gubici snopa, posebno u području malih brzina.Kako bi se prevladao ovaj problem u razvoju medicinskih ugljičnih akceleratora, predložena je nova shema isporuke snopa DPIS41.Primijenili smo ovu tehniku ​​da ubrzamo snažnu litij-ionsku zraku iz novog izvora neutrona.
Kao što je prikazano na sl.4, prostor u kojem se stvara i širi plazma okružen je metalnim spremnikom.Zatvoreni prostor proteže se do ulaza u RFQ rezonator, uključujući volumen unutar solenoida.Na spremnik je doveden napon od 52 kV.U RFQ rezonatoru ione povlači potencijal kroz rupu promjera 6 mm uzemljenjem RFQ.Nelinearne odbojne sile na liniji snopa eliminiraju se jer se ioni transportiraju u stanju plazme.Osim toga, kao što je gore spomenuto, primijenili smo solenoidno polje u kombinaciji s DPIS za kontrolu i povećanje gustoće iona u otvoru za ekstrakciju.
RFQ akcelerator sastoji se od cilindrične vakuumske komore kao što je prikazano na sl.9a.Unutar njega su četiri šipke od bakra bez kisika smještene kvadrupolno simetrično oko osi snopa (sl. 9b).4 šipke i komore tvore rezonantni RF krug.Inducirano RF polje stvara vremenski promjenjiv napon na šipki.Ione implantirane uzdužno oko osi drži bočno kvadrupolno polje.Istodobno, vrh šipke se modulira kako bi stvorio aksijalno električno polje.Aksijalno polje dijeli ubrizgani kontinuirani snop u niz impulsa snopa koji se naziva snop.Svaka zraka je sadržana unutar određenog vremena RF ciklusa (10 ns).Susjedni snopovi razmaknuti su prema razdoblju radiofrekvencije.U RFQ linac-u, zraka od 2 µs iz laserskog izvora iona pretvara se u niz od 200 zraka.Zraka se tada ubrzava do izračunate energije.
Linearni akcelerator RFQ.(a) (lijevo) Vanjski pogled na RFQ linijsku komoru.(b) (desno) Elektroda s četiri šipke u komori.
Glavni parametri dizajna RFQ linac-a su napon šipke, rezonantna frekvencija, radijus otvora snopa i modulacija elektrode.Odaberite napon na šipki ± 29 kV tako da njeno električno polje bude ispod praga električnog proboja.Što je niža rezonantna frekvencija, to je veća bočna sila fokusiranja i manje prosječno polje ubrzanja.Veliki radijusi otvora omogućuju povećanje veličine snopa i, posljedično, povećanje struje snopa zbog manjeg odbijanja prostornog naboja.S druge strane, veći radijusi otvora zahtijevaju više RF snage za napajanje RFQ linac.Osim toga, ograničen je zahtjevima kvalitete stranice.Na temelju ovih balansa odabrani su rezonantna frekvencija (100 MHz) i radijus otvora (4,5 mm) za ubrzanje snopa velike struje.Modulacija je odabrana da minimizira gubitak snopa i maksimizira učinkovitost ubrzanja.Dizajn je mnogo puta optimiziran kako bi se proizveo RFQ linearni dizajn koji može ubrzati 7Li3+ ione na 40 mA od 22 keV/n do 204 keV/n unutar 2 m.RF snaga izmjerena tijekom eksperimenta bila je 77 kW.
RFQ linacs može ubrzati ione s određenim Q/A rasponom.Stoga je pri analizi snopa dovedenog do kraja linearnog akceleratora potrebno uzeti u obzir izotope i druge tvari.Osim toga, željeni ioni, djelomično ubrzani, ali spušteni pod uvjetima ubrzanja u sredini akceleratora, još uvijek mogu naići na bočno ograničenje i mogu se transportirati do kraja.Neželjene zrake osim proizvedenih čestica 7Li3+ nazivaju se nečistoće.U našim eksperimentima nečistoće 14N6+ i 16O7+ bile su od najvećeg značaja, budući da metalna litijeva folija reagira s kisikom i dušikom u zraku.Ovi ioni imaju omjer Q/A koji se može ubrzati s 7Li3+.Koristimo dipolne magnete za odvajanje snopova različite kvalitete i kvalitete za analizu snopa nakon RFQ linac.
Linija snopa nakon RFQ linac dizajnirana je za isporuku potpuno ubrzanog snopa 7Li3+ u FC nakon dipolnog magneta.Prednaponske elektrode od -400 V koriste se za potiskivanje sekundarnih elektrona u posudi za precizno mjerenje struje ionske zrake.S ovom optikom, putanje iona su odvojene u dipole i fokusirane na različitim mjestima ovisno o Q/A.Zbog raznih čimbenika kao što su difuzija momenta i odbijanje prostornog naboja, zraka u žarištu ima određenu širinu.Vrste se mogu razdvojiti samo ako je udaljenost između žarišnih položaja dviju vrsta iona veća od širine snopa.Kako bi se postigla najveća moguća razlučivost, horizontalni prorez postavljen je blizu struka snopa, gdje je snop praktički koncentriran.Scintilacijski zaslon (CsI(Tl) iz Saint-Gobaina, 40 mm × 40 mm × 3 mm) postavljen je između proreza i računala.Scintilator je korišten za određivanje najmanjeg proreza kroz koji su dizajnirane čestice morale proći za optimalnu rezoluciju i za demonstraciju prihvatljivih veličina snopa za snopove teških iona velike struje.Slika snopa na scintilatoru snima se CCD kamerom kroz vakuumski prozor.Podesite prozor vremena ekspozicije da pokrije cijelu širinu impulsa zrake.
Skupovi podataka korišteni ili analizirani u ovoj studiji dostupni su od odgovarajućih autora na razuman zahtjev.
Manke, I. i sur.Trodimenzionalni prikaz magnetskih domena.Narodna komuna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS i sur.Mogućnosti proučavanja kompaktnih izvora neutrona na akceleratorima.fizika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. i sur.Računalna mikrotomografija temeljena na neutronima: Pliobates cataloniae i Barberapithecus huerzeleri kao testni slučajevi.Da.J. Fizika.antropologija.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).