Dodávatelia špirálových rúrok z nehrdzavejúcej ocele 304L 6,35 * 1 mm, Ukážka intenzívneho lítiového lúča na generovanie pulzných priamych neutrónov

Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Posúvače zobrazujúce tri články na snímke.Na posúvanie medzi snímkami použite tlačidlá späť a ďalej, na posúvanie sa po jednotlivých snímkach použite tlačidlá ovládača posúvania na konci.

Ako alternatíva k štúdiu jadrových reaktorov môže byť sľubným kandidátom kompaktný generátor neutrónov poháňaný urýchľovačom využívajúci budič lítium-iónových lúčov, pretože produkuje málo nežiaduceho žiarenia.Bolo však ťažké dodať intenzívny lúč lítiových iónov a praktické použitie takýchto zariadení sa považovalo za nemožné.Najakútnejší problém nedostatočného toku iónov bol vyriešený aplikáciou schémy priamej plazmovej implantácie.V tejto schéme je pulzná plazma s vysokou hustotou generovaná laserovou abláciou lítiovej kovovej fólie účinne vstrekovaná a urýchľovaná vysokofrekvenčným kvadrupólovým urýchľovačom (RFQ urýchľovač).Dosiahli sme špičkový prúd lúča 35 mA zrýchlený na 1,43 MeV, čo je o dva rády viac, ako môžu poskytnúť konvenčné vstrekovacie a urýchľovacie systémy.
Na rozdiel od röntgenových lúčov alebo nabitých častíc majú neutróny veľkú hĺbku prieniku a jedinečnú interakciu s kondenzovanou hmotou, čo z nich robí mimoriadne všestranné sondy na štúdium vlastností materiálov1,2,3,4,5,6,7.Najmä techniky rozptylu neutrónov sa bežne používajú na štúdium zloženia, štruktúry a vnútorných napätí v kondenzovanej hmote a môžu poskytnúť podrobné informácie o stopových zlúčeninách v kovových zliatinách, ktoré sa ťažko detegujú pomocou röntgenovej spektroskopie8.Táto metóda sa považuje za silný nástroj v základnej vede a používajú ju výrobcovia kovov a iných materiálov.Nedávno sa na detekciu zvyškových napätí v mechanických komponentoch, ako sú časti koľajníc a lietadiel, použila neutrónová difrakcia9,10,11,12.Neutróny sa používajú aj v ropných a plynových vrtoch, pretože ich ľahko zachytávajú materiály bohaté na protóny13.Podobné metódy sa používajú aj v stavebníctve.Nedeštruktívne neutrónové testovanie je efektívnym nástrojom na odhaľovanie skrytých porúch v budovách, tuneloch a mostoch.Použitie neutrónových lúčov sa aktívne používa vo vedeckom výskume a priemysle, z ktorých mnohé boli historicky vyvinuté pomocou jadrových reaktorov.
S celosvetovým konsenzom o nešírení jadrových zbraní je však výstavba malých reaktorov na výskumné účely čoraz náročnejšia.Navyše, nedávna havária vo Fukušime spôsobila, že výstavba jadrových reaktorov je takmer spoločensky prijateľná.V súvislosti s týmto trendom rastie dopyt po neutrónových zdrojoch na urýchľovačoch2.Ako alternatíva k jadrovým reaktorom je už v prevádzke niekoľko veľkých zdrojov neutrónových štiepiacich urýchľovačov14,15.Pre efektívnejšie využitie vlastností neutrónových lúčov je však potrebné rozšíriť využitie kompaktných zdrojov na urýchľovačoch, 16 ktoré môžu patriť priemyselným a univerzitným výskumným inštitúciám.Urýchľovacie neutrónové zdroje okrem toho, že slúžia ako náhrada za jadrové reaktory14, pridali nové schopnosti a funkcie.Napríklad generátor poháňaný linacom môže manipuláciou s hnacím lúčom ľahko vytvoriť prúd neutrónov.Akonáhle sú neutróny vyžarované, je ťažké ich kontrolovať a merania radiácie je ťažké analyzovať kvôli hluku, ktorý vytvárajú neutróny na pozadí.Týmto problémom sa vyhýbajú pulzné neutróny riadené urýchľovačom.Vo svete bolo navrhnutých niekoľko projektov založených na technológii protónového urýchľovača17,18,19.Reakcie 7Li(p, n)7Be a 9Be(p, n)9B sa najčastejšie používajú v generátoroch kompaktných neutrónov poháňaných protónmi, pretože ide o endotermické reakcie20.Nadmerné žiarenie a rádioaktívny odpad možno minimalizovať, ak je energia zvolená na excitáciu protónového lúča mierne nad prahovou hodnotou.Hmotnosť cieľového jadra je však oveľa väčšia ako hmotnosť protónov a výsledné neutróny sa rozptyľujú všetkými smermi.Takáto takmer izotropná emisia toku neutrónov bráni efektívnemu transportu neutrónov k predmetu štúdia.Navyše na získanie potrebnej dávky neutrónov v mieste objektu je potrebné výrazne zvýšiť ako počet pohybujúcich sa protónov, tak aj ich energiu.Výsledkom je, že veľké dávky gama žiarenia a neutrónov sa budú šíriť cez veľké uhly, čím sa zničí výhoda endotermických reakcií.Typický urýchľovačom poháňaný kompaktný generátor neutrónov na báze protónov má silné radiačné tienenie a je najobjemnejšou časťou systému.Potreba zvýšiť energiu pohonu protónov zvyčajne vyžaduje dodatočné zvýšenie veľkosti urýchľovacieho zariadenia.
Na prekonanie všeobecných nedostatkov konvenčných kompaktných neutrónových zdrojov na urýchľovačoch bola navrhnutá schéma inverznej kinematickej reakcie21.V tejto schéme sa ako vodiaci lúč namiesto protónového lúča používa ťažší lítium-iónový lúč, ktorý sa zameriava na materiály bohaté na vodík, ako sú uhľovodíkové plasty, hydridy, plynný vodík alebo vodíková plazma.Zvažovali sa alternatívy, ako sú lúče poháňané iónmi berýlia, avšak berýlium je toxická látka, ktorá si vyžaduje osobitnú starostlivosť pri manipulácii.Preto je pre schémy inverznej kinematickej reakcie najvhodnejší lítiový lúč.Keďže hybnosť jadier lítia je väčšia ako hybnosť protónov, ťažisko jadrových zrážok sa neustále pohybuje dopredu a neutróny sú tiež emitované dopredu.Táto funkcia výrazne eliminuje nežiaduce gama žiarenie a emisie neutrónov pod vysokým uhlom22.Porovnanie obvyklého prípadu protónového motora a scenára inverznej kinematiky je znázornené na obrázku 1.
Ilustrácia uhlov produkcie neutrónov pre protónové a lítiové lúče (nakreslené pomocou Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutróny môžu byť v dôsledku reakcie vyvrhnuté v akomkoľvek smere v dôsledku skutočnosti, že pohybujúce sa protóny zasiahli oveľa ťažšie atómy lítiového cieľa.(b) Naopak, ak lítium-iónový ovládač bombarduje cieľ bohatý na vodík, neutróny sa generujú v úzkom kuželi v smere dopredu v dôsledku vysokej rýchlosti ťažiska systému.
Existuje však len niekoľko inverzných kinematických neutrónových generátorov kvôli ťažkostiam pri vytváraní požadovaného toku ťažkých iónov s vysokým nábojom v porovnaní s protónmi.Všetky tieto zariadenia využívajú negatívne zdroje iónov rozprašovania v kombinácii s tandemovými elektrostatickými urýchľovačmi.Na zvýšenie účinnosti zrýchlenia lúča boli navrhnuté iné typy iónových zdrojov26.V každom prípade je dostupný prúd lítium-iónového lúča obmedzený na 100 µA.Bolo navrhnuté použiť 1 mA Li3+27, ale tento prúd iónového lúča nebol touto metódou potvrdený.Pokiaľ ide o intenzitu, urýchľovače lítiového lúča nemôžu konkurovať urýchľovačom protónového lúča, ktorých špičkový protónový prúd presahuje 10 mA28.
Na implementáciu praktického kompaktného neutrónového generátora na báze lítium-iónového lúča je výhodné generovať vysokú intenzitu úplne bez iónov.Ióny sú urýchľované a vedené elektromagnetickými silami a vyššia úroveň nabitia vedie k efektívnejšiemu zrýchleniu.Budiče Li-ion lúčov vyžadujú špičkové prúdy Li3+ vyššie ako 10 mA.
V tejto práci demonštrujeme zrýchlenie Li3+ lúčov so špičkovými prúdmi až do 35 mA, čo je porovnateľné s pokročilými protónovými urýchľovačmi.Pôvodný lítium-iónový lúč bol vytvorený pomocou laserovej ablácie a schémy priamej plazmovej implantácie (DPIS) pôvodne vyvinutej na urýchlenie C6+.Na mieru navrhnutý rádiofrekvenčný štvorpólový linac (RFQ linac) bol vyrobený pomocou štvortyčovej rezonančnej štruktúry.Overili sme, že urýchľovací lúč má vypočítanú energiu lúča vysokej čistoty.Akonáhle je lúč Li3+ účinne zachytený a zrýchlený vysokofrekvenčným (RF) urýchľovačom, použije sa následná linac (urýchľovač) sekcia na poskytnutie energie potrebnej na vytvorenie silného toku neutrónov z cieľa.
Zrýchlenie vysokovýkonných iónov je dobre zavedená technológia.Zostávajúcou úlohou realizácie nového vysoko účinného kompaktného neutrónového generátora je generovať veľké množstvo úplne stripovaných lítiových iónov a vytvoriť zhlukovú štruktúru pozostávajúcu zo série iónových impulzov synchronizovaných s RF cyklom v urýchľovači.Výsledky experimentov navrhnutých na dosiahnutie tohto cieľa sú opísané v nasledujúcich troch podkapitolách: (1) generovanie lúča úplne bez lítium-iónového lúča, (2) zrýchlenie lúča pomocou špeciálne navrhnutého RFQ linac a (3) zrýchlenie analýzy lúča, aby ste skontrolovali jeho obsah.V Národnom laboratóriu Brookhaven (BNL) sme vytvorili experimentálne nastavenie znázornené na obrázku 2.
Prehľad experimentálneho nastavenia pre zrýchlenú analýzu lítiových lúčov (ilustrované Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Sprava doľava sa v interakčnej komore laser-cieľ generuje laserovo ablatívna plazma a dodáva sa do RFQ linac.Po vstupe do urýchľovača RFQ sa ióny oddelia od plazmy a vstreknú sa do urýchľovača RFQ prostredníctvom náhleho elektrického poľa vytvoreného rozdielom napätia 52 kV medzi extrakčnou elektródou a elektródou RFQ v oblasti driftu.Extrahované ióny sa urýchľujú z 22 keV/n na 204 keV/n pomocou 2 metre dlhých RFQ elektród.Prúdový transformátor (CT) inštalovaný na výstupe RFQ linac poskytuje nedeštruktívne meranie prúdu iónového lúča.Lúč je zaostrený tromi kvadrupólovými magnetmi a nasmerovaný na dipólový magnet, ktorý oddeľuje a smeruje lúč Li3+ do detektora.Za štrbinou sa na detekciu zrýchľujúceho lúča používa výsuvný plastový scintilátor a Faradayov pohár (FC) s predpätím až -400 V.
Na vytvorenie plne ionizovaných lítiových iónov (Li3+) je potrebné vytvoriť plazmu s teplotou nad jej treťou ionizačnou energiou (122,4 eV).Snažili sme sa použiť laserovú abláciu na výrobu vysokoteplotnej plazmy.Tento typ zdroja laserových iónov sa bežne nepoužíva na generovanie lítium-iónových lúčov, pretože kov lítia je reaktívny a vyžaduje špeciálne zaobchádzanie.Vyvinuli sme systém cieľového zaťaženia, aby sme minimalizovali vlhkosť a kontamináciu vzduchu pri inštalácii lítiovej fólie do vákuovej laserovej interakčnej komory.Všetky prípravy materiálov sa uskutočňovali v kontrolovanom prostredí suchého argónu.Po nainštalovaní lítiovej fólie do laserovej cieľovej komory bola fólia ožiarená pulzným Nd:YAG laserovým žiarením s energiou 800 mJ na pulz.Pri zameraní na cieľ sa hustota výkonu lasera odhaduje na približne 1012 W/cm2.Plazma vzniká, keď pulzný laser zničí cieľ vo vákuu.Počas celého laserového pulzu 6 ns sa plazma naďalej zahrieva, najmä v dôsledku procesu spätného brzdného žiarenia.Pretože počas fázy zahrievania nie je aplikované žiadne obmedzujúce vonkajšie pole, plazma sa začína rozpínať v troch rozmeroch.Keď plazma začne expandovať cez cieľový povrch, ťažisko plazmy nadobudne rýchlosť kolmú na cieľový povrch s energiou 600 eV/n.Po zahriatí sa plazma ďalej pohybuje v axiálnom smere od cieľa, pričom sa izotropne rozpína.
Ako je znázornené na obrázku 2, ablačná plazma expanduje do vákuového objemu obklopeného kovovou nádobou s rovnakým potenciálom ako cieľ.Plazma sa teda unáša cez oblasť bez poľa smerom k urýchľovaču RFQ.Axiálne magnetické pole je aplikované medzi laserovou ožarovacou komorou a RFQ linac pomocou solenoidovej cievky navinutej okolo vákuovej komory.Magnetické pole solenoidu potláča radiálnu expanziu unášanej plazmy, aby sa udržala vysoká hustota plazmy počas dodávania do otvoru RFQ.Na druhej strane plazma pokračuje v expanzii v axiálnom smere počas driftu a vytvára predĺženú plazmu.Na kovovú nádobu obsahujúcu plazmu pred výstupným portom na vstupe RFQ sa aplikuje predpätie vysokého napätia.Predpätie bolo zvolené tak, aby poskytovalo požadovanú rýchlosť vstrekovania 7Li3+ pre správne zrýchlenie RFQ linac.
Výsledná ablačná plazma obsahuje nielen 7Li3+, ale aj lítium v ​​iných stavoch náboja a znečisťujúce prvky, ktoré sú súčasne transportované do lineárneho urýchľovača RFQ.Pred zrýchlenými experimentmi s použitím RFQ linac sa uskutočnila offline analýza času letu (TOF) na štúdium zloženia a distribúcie energie iónov v plazme.Podrobné analytické nastavenie a pozorované rozloženie stavu náboja sú vysvetlené v časti Metódy.Analýza ukázala, že hlavnými časticami boli ióny 7Li3+, ktoré tvoria asi 54 % všetkých častíc, ako je znázornené na obr. 3. Podľa analýzy sa prúd iónov 7Li3+ vo výstupnom bode iónového lúča odhaduje na 1,87 mA.Počas zrýchlených testov sa na expandujúcu plazmu aplikuje pole elektromagnetu 79 mT.V dôsledku toho sa prúd 7Li3+ extrahovaný z plazmy a pozorovaný na detektore zvýšil o faktor 30.
Frakcie iónov v laserom generovanej plazme získané analýzou doby letu.Ióny 7Li1+ a 7Li2+ tvoria 5 % a 25 % iónového lúča.Detegovaná frakcia častíc 6Li súhlasí s prirodzeným obsahom 6Li (7,6 %) v terči z lítiovej fólie v rámci experimentálnej chyby.Pozorovala sa mierna kontaminácia kyslíkom (6,2 %), hlavne O1+ (2,1 %) a O2+ (1,5 %), čo môže byť spôsobené oxidáciou povrchu terča z lítiovej fólie.
Ako už bolo spomenuté, lítiová plazma sa unáša v oblasti bez poľa pred vstupom do RFQ linac.Vstup RFQ linac má otvor s priemerom 6 mm v kovovej nádobe a predpätie je 52 kV.Hoci sa napätie elektródy RFQ rýchlo mení o ±29 kV pri 100 MHz, napätie spôsobuje axiálne zrýchlenie, pretože elektródy urýchľovača RFQ majú priemerný potenciál nula.V dôsledku silného elektrického poľa generovaného v 10 mm medzere medzi apertúrou a okrajom RFQ elektródy sa z plazmy v apertúre extrahujú iba kladné plazmové ióny.V tradičných systémoch dodávania iónov sú ióny oddelené od plazmy elektrickým poľom v značnej vzdialenosti pred urýchľovačom RFQ a potom zaostrené do otvoru RFQ pomocou prvku na zaostrenie lúča.Avšak pre intenzívne lúče ťažkých iónov, ktoré sú potrebné pre intenzívny zdroj neutrónov, môžu nelineárne odpudivé sily v dôsledku účinkov priestorového náboja viesť k významným stratám prúdu lúča v systéme transportu iónov, čo obmedzuje špičkový prúd, ktorý možno urýchliť.V našom DPIS sú ióny s vysokou intenzitou transportované ako unášaná plazma priamo do výstupného bodu RFQ apertúry, takže nedochádza k strate iónového lúča v dôsledku vesmírneho náboja.Počas tejto demonštrácie bol DPIS prvýkrát aplikovaný na lítium-iónový lúč.
Štruktúra RFQ bola vyvinutá na zaostrovanie a urýchľovanie nízkoenergetických vysokoprúdových iónových lúčov a stala sa štandardom pre zrýchlenie prvého rádu.Použili sme RFQ na urýchlenie 7Li3+ iónov z energie implantátu 22 keV/n na 204 keV/n.Hoci lítium a iné častice s nižším nábojom v plazme sú tiež extrahované z plazmy a vstrekované do otvoru RFQ, RFQ linac urýchľuje iba ióny s pomerom náboja k hmotnosti (Q/A) blízkym 7Li3+.
Na obr.Obrázok 4 zobrazuje priebehy detegované prúdovým transformátorom (CT) na výstupe RFQ linac a Faradayovej misky (FC) po analýze magnetu, ako je znázornené na obr.2. Časový posun medzi signálmi možno interpretovať ako rozdiel v čase letu v mieste detektora.Špičkový iónový prúd nameraný pri CT bol 43 mA.V polohe RT môže registrovaný lúč obsahovať nielen ióny zrýchlené na vypočítanú energiu, ale aj iné ióny ako 7Li3+, ktoré nie sú dostatočne zrýchlené.Avšak podobnosť foriem iónového prúdu zistená pomocou QD a PC naznačuje, že iónový prúd pozostáva hlavne zo zrýchleného 7Li3+ a zníženie maximálnej hodnoty prúdu na PC je spôsobené stratami lúča počas prenosu iónov medzi QD a PC.Straty Potvrdzuje to aj obálková simulácia.Na presné meranie prúdu lúča 7Li3+ sa lúč analyzuje pomocou dipólového magnetu, ako je opísané v ďalšej časti.
Oscilogramy zrýchleného lúča zaznamenané v polohách detektora CT (čierna krivka) a FC (červená krivka).Tieto merania sú spúšťané detekciou laserového žiarenia fotodetektorom počas generovania laserovej plazmy.Čierna krivka zobrazuje priebeh nameraný na CT pripojenom k ​​výstupu RFQ linac.Vďaka svojej blízkosti k RFQ linac detektor zachytáva 100 MHz RF šum, takže 98 MHz dolnopriepustný FFT filter bol aplikovaný na odstránenie 100 MHz rezonančného RF signálu superponovaného na detekčný signál.Červená krivka ukazuje tvar vlny pri FC potom, čo analytický magnet nasmeruje iónový lúč 7Li3+.V tomto magnetickom poli sa okrem 7Li3+ môžu transportovať aj N6+ a O7+.
Iónový lúč po RFQ linac je zaostrený sériou troch kvadrupólových zaostrovacích magnetov a potom analyzovaný dipólovými magnetmi, aby sa izolovali nečistoty v iónovom lúči.Magnetické pole 0,268 T smeruje lúče 7Li3+ do FC.Detekčný tvar vlny tohto magnetického poľa je znázornený ako červená krivka na obrázku 4. Špičkový prúd lúča dosahuje 35 mA, čo je viac ako 100-krát viac ako typický lúč Li3+ produkovaný v existujúcich konvenčných elektrostatických urýchľovačoch.Šírka impulzu lúča je 2,0 µs pri plnej šírke v polovici maxima.Detekcia lúča 7Li3+ s dipólovým magnetickým poľom indikuje úspešné zhlukovanie a zrýchlenie lúča.Prúd iónového lúča detekovaný FC pri skenovaní magnetického poľa dipólu je znázornený na obr. 5. Pozoroval sa čistý jeden pík, dobre oddelený od ostatných píkov.Pretože všetky ióny urýchlené na návrhovú energiu RFQ linac majú rovnakú rýchlosť, iónové lúče s rovnakým Q/A je ťažké oddeliť dipólovými magnetickými poľami.Preto nedokážeme rozlíšiť 7Li3+ od N6+ alebo O7+.Množstvo nečistôt však možno odhadnúť zo susedných stavov náboja.Napríklad N7+ a N5+ možno ľahko oddeliť, zatiaľ čo N6+ môže byť súčasťou nečistoty a očakáva sa, že bude prítomný v približne rovnakom množstve ako N7+ a N5+.Odhadovaná úroveň znečistenia je asi 2 %.
Spektrá zložiek lúča získané skenovaním dipólového magnetického poľa.Pík pri 0,268 T zodpovedá 7Li3+ a N6+.Šírka píku závisí od veľkosti lúča na štrbine.Napriek širokým vrcholom sa 7Li3+ dobre oddeľuje od 6Li3+, O6+ a N5+, ale slabo sa oddeľuje od O7+ a N6+.
V mieste FC bol profil lúča potvrdený pomocou zásuvného scintilátora a zaznamenaný rýchlou digitálnou kamerou, ako je znázornené na obrázku 6. Ukazuje sa, že pulzný lúč 7Li3+ s prúdom 35 mA je zrýchlený na vypočítanú RFQ energie 204 keV/n, čo zodpovedá 1,4 MeV, a prenesená do FC detektora.
Profil lúča pozorovaný na obrazovke scintilátora pred FC (zafarbené Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Magnetické pole analytického dipólového magnetu bolo vyladené tak, aby nasmerovalo zrýchlenie iónového lúča Li3+ na konštrukčnú energiu RFQ.Modré bodky v zelenej oblasti sú spôsobené chybným materiálom scintilátora.
Dosiahli sme generovanie 7Li3+ iónov laserovou abláciou povrchu pevnej lítiovej fólie a vysokoprúdový iónový lúč bol zachytený a urýchlený pomocou špeciálne navrhnutého RFQ linac pomocou DPIS.Pri energii lúča 1,4 MeV bol maximálny prúd 7Li3+ dosiahnutý na FC po analýze magnetu 35 mA.To potvrdzuje, že najdôležitejšia časť implementácie neutrónového zdroja s inverznou kinematikou bola realizovaná experimentálne.V tejto časti príspevku bude rozobratý celý návrh kompaktného neutrónového zdroja, vrátane vysokoenergetických urýchľovačov a neutrónových cieľových staníc.Návrh je založený na výsledkoch získaných s existujúcimi systémami v našom laboratóriu.Je potrebné poznamenať, že špičkový prúd iónového lúča možno ďalej zvýšiť skrátením vzdialenosti medzi lítiovou fóliou a RFQ linac.Ryža.7 znázorňuje celý koncept navrhovaného kompaktného zdroja neutrónov v urýchľovači.
Koncepčný návrh navrhovaného kompaktného zdroja neutrónov na urýchľovači (nakreslil Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Sprava doľava: zdroj laserových iónov, solenoidový magnet, RFQ linac, prenos lúča strednej energie (MEBT), IH linac a interakčná komora na generovanie neutrónov.Radiačná ochrana je zabezpečená predovšetkým v smere dopredu v dôsledku úzko nasmerovaného charakteru produkovaných neutrónových lúčov.
Po RFQ linac sa plánuje ďalšie zrýchlenie interdigitálnej H-štruktúry (IH linac)30 linac.IH linacs používajú štruktúru driftovej trubice v režime π na zabezpečenie vysokých gradientov elektrického poľa v určitom rozsahu rýchlostí.Koncepčná štúdia bola vykonaná na základe 1D simulácie pozdĺžnej dynamiky a 3D simulácie plášťa.Výpočty ukazujú, že 100 MHz IH linac s primeraným napätím driftovej trubice (menej ako 450 kV) a silným zaostrovacím magnetom môže urýchliť lúč 40 mA z 1,4 na 14 MeV na vzdialenosť 1,8 m.Distribúcia energie na konci reťazca urýchľovača sa odhaduje na ± 0,4 MeV, čo významne neovplyvňuje energetické spektrum neutrónov produkovaných cieľom konverzie neutrónov.Okrem toho je emisivita lúča dostatočne nízka na to, aby zaostrila lúč do menšieho bodu lúča, než by sa normálne vyžadovalo pre štvorpólový magnet strednej sily a veľkosti.Pri prenose lúča so strednou energiou (MEBT) medzi RFQ linac a IH linac sa na udržanie štruktúry vytvárajúcej lúč používa rezonátor vytvárajúci lúč.Na ovládanie veľkosti bočného lúča sa používajú tri štvorpólové magnety.Táto dizajnová stratégia bola použitá v mnohých urýchľovačoch31,32,33.Celková dĺžka celého systému od iónového zdroja po cieľovú komoru sa odhaduje na menej ako 8 m, čo sa zmestí do bežného návesu.
Neutrónový konverzný terč bude inštalovaný priamo za lineárnym urýchľovačom.Diskutujeme o návrhoch cieľových staníc na základe predchádzajúcich štúdií s použitím inverzných kinematických scenárov23.Hlásené ciele konverzie zahŕňajú pevné materiály (polypropylén (C3H6) a hydrid titánu (TiH2)) a plynné cieľové systémy.Každý cieľ má výhody a nevýhody.Pevné terče umožňujú presné ovládanie hrúbky.Čím tenší je cieľ, tým presnejšie je priestorové usporiadanie produkcie neutrónov.Takéto ciele však môžu mať stále určitý stupeň nežiaducich jadrových reakcií a radiácie.Na druhej strane vodíkový terč môže poskytnúť čistejšie životné prostredie elimináciou produkcie 7Be, hlavného produktu jadrovej reakcie.Vodík má však slabú bariérovú schopnosť a na dostatočné uvoľnenie energie si vyžaduje veľkú fyzickú vzdialenosť.To je mierne nevýhodné pre merania TOF.Okrem toho, ak sa na utesnenie vodíkového terča použije tenký film, je potrebné vziať do úvahy energetické straty gama lúčov generovaných tenkým filmom a dopadajúcim lítiovým lúčom.
LICORNE používa polypropylénové terče a terčový systém bol vylepšený na vodíkové články utesnené tantalovou fóliou.Za predpokladu prúdu lúča 100 nA pre 7Li34 môžu oba cieľové systémy produkovať až 107 n/s/sr.Ak použijeme túto nárokovanú konverziu výťažku neutrónov na náš navrhovaný zdroj neutrónov, potom možno pre každý laserový impulz získať lítiom poháňaný lúč 7 × 10–8 C.To znamená, že spustenie lasera iba dvakrát za sekundu produkuje o 40 % viac neutrónov, ako dokáže LICORNE vyprodukovať za jednu sekundu súvislým lúčom.Celkový tok možno ľahko zvýšiť zvýšením budiacej frekvencie lasera.Ak predpokladáme, že na trhu je 1 kHz laserový systém, priemerný tok neutrónov sa dá ľahko zvýšiť na približne 7 × 109 n/s/sr.
Keď používame systémy s vysokou opakovacou frekvenciou s plastovými terčíkmi, je potrebné kontrolovať tvorbu tepla na terčoch, pretože napríklad polypropylén má nízku teplotu topenia 145–175 °C a nízku tepelnú vodivosť 0,1–0,22 W/ m/K.Pre 14 MeV lítium-iónový lúč postačuje polypropylénový terč s hrúbkou 7 µm na zníženie energie lúča na prah reakcie (13,098 MeV).Ak vezmeme do úvahy celkový účinok iónov generovaných jedným laserovým výstrelom na cieľ, uvoľnenie energie lítiových iónov cez polypropylén sa odhaduje na 64 mJ/pulz.Za predpokladu, že sa všetka energia prenáša v kruhu s priemerom 10 mm, každý impulz zodpovedá zvýšeniu teploty približne o 18 K/impulz.Uvoľňovanie energie na polypropylénových terčoch je založené na jednoduchom predpoklade, že všetky straty energie sú akumulované ako teplo, bez sálania alebo iných tepelných strát.Pretože zvýšenie počtu impulzov za sekundu vyžaduje elimináciu nahromadenia tepla, môžeme použiť pásové terče, aby sme zabránili uvoľneniu energie v rovnakom bode23.Za predpokladu 10 mm bodu lúča na terči s opakovacou frekvenciou lasera 100 Hz by rýchlosť skenovania polypropylénovej pásky bola 1 m/s.Vyššie frekvencie opakovania sú možné, ak je povolené prekrývanie bodov lúča.
Skúmali sme aj ciele s vodíkovými batériami, pretože mohli byť použité silnejšie lúče pohonu bez poškodenia cieľa.Neutrónový lúč sa dá ľahko vyladiť zmenou dĺžky plynovej komory a tlaku vodíka vo vnútri.Tenké kovové fólie sa často používajú v urýchľovačoch na oddelenie plynnej oblasti terča od vákua.Preto je potrebné zvýšiť energiu dopadajúceho lítium-iónového lúča, aby sa kompenzovali energetické straty na fólii.Zostava terča opísaná v správe 35 pozostávala z hliníkovej nádoby s dĺžkou 3,5 cm s tlakom plynu H2 1,5 atm.Lítium-iónový lúč 16,75 MeV vstupuje do batérie cez vzduchom chladenú 2,7 µm Ta fóliu a energia lítium-iónového lúča na konci batérie sa spomalí na prah reakcie.Na zvýšenie energie lúča lítium-iónových batérií zo 14,0 MeV na 16,75 MeV sa musel IH linac predĺžiť asi o 30 cm.
Študovala sa aj emisia neutrónov z cieľov plynových buniek.Pre vyššie uvedené plynové ciele LICORNE simulácie GEANT436 ukazujú, že vo vnútri kužeľa sa generujú vysoko orientované neutróny, ako je znázornené na obrázku 1 v [37].Odkaz 35 ukazuje energetický rozsah od 0,7 do 3,0 MeV s maximálnym otvorením kužeľa 19,5° vzhľadom na smer šírenia hlavného lúča.Vysoko orientované neutróny môžu výrazne znížiť množstvo tieniaceho materiálu vo väčšine uhlov, čím sa zníži hmotnosť konštrukcie a poskytne sa väčšia flexibilita pri inštalácii meracích zariadení.Z hľadiska radiačnej ochrany tento plynný terč okrem neutrónov vyžaruje 478 keV gama lúčov izotropne v centroidnom súradnicovom systéme38.Tieto γ-lúče sú produkované ako výsledok rozpadu 7Be a deexcitácie 7Li, ku ktorej dochádza, keď primárny lúč Li zasiahne vstupné okno Ta.Pridaním hrubého 35 Pb/Cu cylindrického kolimátora sa však dá pozadie výrazne znížiť.
Ako alternatívny cieľ možno použiť plazmové okno [39, 40], ktoré umožňuje dosiahnuť relatívne vysoký tlak vodíka a malú priestorovú oblasť generovania neutrónov, hoci je horšia ako pevné terče.
Skúmame možnosti zacielenia konverzie neutrónov pre očakávanú distribúciu energie a veľkosť lúča lítium-iónového lúča pomocou GEANT4.Naše simulácie ukazujú konzistentnú distribúciu energie neutrónov a uhlovú distribúciu pre vodíkové ciele vo vyššie uvedenej literatúre.V akomkoľvek cieľovom systéme môžu byť vysoko orientované neutróny produkované inverznou kinematickou reakciou poháňanou silným lúčom 7Li3+ na cieli bohatom na vodík.Nové neutrónové zdroje je preto možné implementovať kombináciou už existujúcich technológií.
Podmienky laserového ožarovania reprodukovali experimenty generovania iónového lúča pred zrýchlenou demonštráciou.Laser je stolný nanosekundový Nd:YAG systém s hustotou výkonu lasera 1012 W/cm2, základnou vlnovou dĺžkou 1064 nm, bodovou energiou 800 mJ a trvaním impulzu 6 ns.Priemer škvrny na cieli sa odhaduje na 100 µm.Pretože kov lítia (Alfa Aesar, 99,9% čistota) je dosť mäkký, presne narezaný materiál sa lisuje do formy.Rozmery fólie 25 mm × 25 mm, hrúbka 0,6 mm.Poškodenie podobné kráteru sa vyskytuje na povrchu cieľa, keď ho zasiahne laser, takže cieľ sa pohybuje pomocou motorizovanej plošiny, aby sa pri každom laserovom výstrele vytvorila nová časť povrchu cieľa.Aby sa zabránilo rekombinácii v dôsledku zvyškového plynu, tlak v komore bol udržiavaný pod rozsahom 10-4 Pa.
Počiatočný objem laserovej plazmy je malý, pretože veľkosť laserového bodu je 100 μm a do 6 ns po jeho vytvorení.Objem možno brať ako presný bod a rozšíriť.Ak je detektor umiestnený vo vzdialenosti xm od cieľového povrchu, potom sa prijímaný signál riadi vzťahom: prúd iónov I, čas príchodu iónov t a šírka impulzu τ.
Vytvorená plazma bola študovaná metódou TOF s FC a analyzátorom energetických iónov (EIA) umiestneným vo vzdialenosti 2,4 m a 3,85 m od laserového cieľa.FC má supresorovú mriežku predpätú -5 kV, aby sa zabránilo elektrónom.EIA má 90-stupňový elektrostatický deflektor pozostávajúci z dvoch koaxiálnych kovových valcových elektród s rovnakým napätím, ale opačnou polaritou, kladné na vonkajšej strane a záporné na vnútornej strane.Expandujúca plazma je smerovaná do deflektora za štrbinou a vychyľovaná elektrickým poľom prechádzajúcim cez valec.Ióny spĺňajúce vzťah E/z = eKU sa detegujú pomocou sekundárneho elektrónového multiplikátora (SEM) (Hamamatsu R2362), kde E, z, e, K a U sú iónová energia, stav nabitia a náboj sú geometrické faktory EIA. .elektróny a potenciálny rozdiel medzi elektródami.Zmenou napätia na deflektore je možné získať distribúciu energie a náboja iónov v plazme.Rozmietacie napätie U/2 EIA je v rozsahu od 0,2 V do 800 V, čo zodpovedá energii iónu v rozsahu od 4 eV do 16 keV na jeden stav nabitia.
Distribúcie stavu nabitia iónov analyzovaných v podmienkach laserového ožarovania opísaných v časti „Generovanie úplne stripovaných lítiových lúčov“ sú znázornené na obr.8.
Analýza rozloženia stavu nabitia iónov.Tu je časový profil hustoty iónového prúdu analyzovaný pomocou EIA a meraný vo vzdialenosti 1 m od lítiovej fólie pomocou rovnice.(1) a (2).Použite podmienky laserového ožarovania opísané v časti „Vytvorenie úplne exfoliovaného lítiového lúča“.Integráciou každej prúdovej hustoty sa vypočítal podiel iónov v plazme, ako je znázornené na obrázku 3.
Laserové iónové zdroje môžu dodávať intenzívny multi-mA iónový lúč s vysokým nábojom.Doručenie lúča je však veľmi náročné kvôli odpudzovaniu vesmírneho náboja, takže nebolo široko používané.V tradičnej schéme sú iónové lúče extrahované z plazmy a transportované do primárneho urýchľovača pozdĺž lúčovej línie s niekoľkými fokusačnými magnetmi na tvarovanie iónového lúča podľa snímacej schopnosti urýchľovača.V silových lúčoch priestorového náboja sa lúče rozchádzajú nelineárne a pozorujú sa vážne straty lúčov, najmä v oblasti nízkych rýchlostí.Na prekonanie tohto problému pri vývoji medicínskych uhlíkových urýchľovačov sa navrhuje nová schéma dodávania lúča DPIS41.Túto techniku ​​sme použili na urýchlenie silného lítium-iónového lúča z nového neutrónového zdroja.
Ako je znázornené na obr.4 je priestor, v ktorom sa plazma vytvára a expanduje, obklopený kovovou nádobou.Uzavretý priestor siaha až po vstup do RFQ rezonátora vrátane objemu vo vnútri cievky elektromagnetu.Na nádobu bolo privedené napätie 52 kV.V rezonátore RFQ sú ióny ťahané potenciálom cez otvor s priemerom 6 mm uzemnením RFQ.Nelineárne odpudivé sily na čiare lúča sú eliminované, pretože ióny sú transportované v plazmovom stave.Okrem toho, ako je uvedené vyššie, sme aplikovali pole solenoidov v kombinácii s DPIS na kontrolu a zvýšenie hustoty iónov v extrakčnom otvore.
Urýchľovač RFQ pozostáva z valcovej vákuovej komory, ako je znázornené na obr.9a.V jeho vnútri sú štyri prúty z bezkyslíkatej medi umiestnené štvorpólovo symetricky okolo osi lúča (obr. 9b).4 tyče a komory tvoria rezonančný RF obvod.Indukované RF pole vytvára na tyči časovo premenlivé napätie.Ióny implantované pozdĺžne okolo osi sú držané laterálne kvadrupólovým poľom.Zároveň je špička tyče modulovaná, aby sa vytvorilo axiálne elektrické pole.Axiálne pole rozdeľuje vstrekovaný súvislý lúč na sériu lúčových impulzov nazývaných lúč.Každý lúč je obsiahnutý v určitom čase RF cyklu (10 ns).Susedné lúče sú rozmiestnené podľa periódy rádiovej frekvencie.V RFQ linac sa 2 µs lúč zo zdroja laserových iónov premení na sekvenciu 200 lúčov.Lúč sa potom urýchli na vypočítanú energiu.
Lineárny urýchľovač RFQ.(a) (vľavo) Vonkajší pohľad na komoru RFQ linac.(b) (vpravo) Štvortyčová elektróda v komore.
Hlavnými konštrukčnými parametrami RFQ linac sú napätie tyče, rezonančná frekvencia, polomer otvoru lúča a modulácia elektródy.Zvoľte napätie na tyči ± 29 kV tak, aby jej elektrické pole bolo pod prahom elektrického prierazu.Čím nižšia je rezonančná frekvencia, tým väčšia je bočná zaostrovacia sila a tým menšie je priemerné pole zrýchlenia.Veľké polomery apertúry umožňujú zväčšiť veľkosť lúča a následne zvýšiť prúd lúča v dôsledku menšieho odpudzovania priestorového náboja.Na druhej strane, väčšie polomery apertúry vyžadujú viac RF energie na napájanie RFQ linac.Navyše je limitovaný kvalitatívnymi požiadavkami lokality.Na základe týchto vyvážení bola zvolená rezonančná frekvencia (100 MHz) a polomer clony (4,5 mm) pre zrýchlenie vysokoprúdového lúča.Modulácia je zvolená tak, aby sa minimalizovala strata lúča a maximalizovala sa účinnosť zrýchlenia.Dizajn bol mnohokrát optimalizovaný, aby vytvoril RFQ linac dizajn, ktorý dokáže urýchliť ióny 7Li3+ pri 40 mA z 22 keV/n na 204 keV/n do 2 m.RF výkon nameraný počas experimentu bol 77 kW.
RFQ linacs môže urýchliť ióny so špecifickým rozsahom Q/A.Preto pri analýze lúča privádzaného na koniec lineárneho urýchľovača je potrebné vziať do úvahy izotopy a iné látky.Okrem toho, požadované ióny, čiastočne zrýchlené, ale zostupujúce za podmienok zrýchlenia v strede urýchľovača, môžu stále spĺňať bočné obmedzenie a môžu byť transportované na koniec.Nežiaduce lúče iné ako upravené častice 7Li3+ sa nazývajú nečistoty.V našich experimentoch boli nečistoty 14N6+ a 16O7+ najväčšie obavy, pretože lítiová kovová fólia reaguje s kyslíkom a dusíkom vo vzduchu.Tieto ióny majú pomer Q/A, ktorý je možné urýchliť pomocou 7Li3+.Dipólové magnety používame na oddelenie lúčov rôznej kvality a kvality na analýzu lúčov po RFQ linac.
Línia lúča po RFQ linac je navrhnutá tak, aby doručila plne zrýchlený lúč 7Li3+ do FC za dipólovým magnetom.-400 V predpätie elektródy sa používajú na potlačenie sekundárnych elektrónov v pohári na presné meranie prúdu iónového lúča.Pomocou tejto optiky sú trajektórie iónov rozdelené do dipólov a zaostrené na rôzne miesta v závislosti od Q/A.V dôsledku rôznych faktorov, ako je difúzia hybnosti a odpudzovanie priestorového náboja, má lúč v ohnisku určitú šírku.Druhy môžu byť oddelené iba vtedy, ak je vzdialenosť medzi ohniskovými polohami dvoch druhov iónov väčšia ako šírka lúča.Na získanie najvyššieho možného rozlíšenia je v blízkosti pásu lúča inštalovaná horizontálna štrbina, kde je lúč prakticky sústredený.Medzi štrbinou a PC bola nainštalovaná scintilačná clona (CsI(Tl) od Saint-Gobain, 40 mm x 40 mm x 3 mm).Scintilátor sa použil na určenie najmenšej štrbiny, cez ktorú museli navrhnuté častice prejsť pre optimálne rozlíšenie a na preukázanie prijateľných veľkostí lúčov pre vysokoprúdové lúče ťažkých iónov.Obraz lúča na scintilátore je zaznamenávaný CCD kamerou cez vákuové okienko.Upravte okno času expozície tak, aby pokrylo celú šírku impulzu lúča.
Súbory údajov použité alebo analyzované v súčasnej štúdii sú dostupné od príslušných autorov na základe primeranej žiadosti.
Manke, I. a kol.Trojrozmerné zobrazovanie magnetických domén.Národná komúna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS a kol.Možnosti štúdia kompaktných neutrónových zdrojov na urýchľovačoch.fyzika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. a kol.Počítačová mikrotomografia založená na neutrónoch: Pliobates cataloniae a Barberapithecus huerzeleri ako testovacie prípady.Áno.J. Physics.antropológie.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).