304L 6,35 * 1mm roostevabast terasest spiraaltorude tarnijad, intensiivse liitiumkiire demonstreerimine impulsside otseneutronite genereerimiseks

Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Liugurid, mis näitavad kolme artiklit slaidi kohta.Kasutage slaidide vahel liikumiseks nuppu Tagasi ja Järgmine või igal slaidil liikumiseks lõpus olevaid slaidijuhtnuppe.

Alternatiivina tuumareaktorite uurimisele võib liitiumioonkiire draiverit kasutav kompaktne kiirendiga töötav neutrongeneraator olla paljulubav kandidaat, kuna see tekitab vähe soovimatut kiirgust.Siiski oli raske liitiumioonide intensiivset kiirt edastada ja selliste seadmete praktilist rakendamist peeti võimatuks.Kõige teravam ebapiisava ioonivoolu probleem lahendati otsese plasmaimplantatsiooni skeemi rakendamisega.Selles skeemis süstitakse ja kiirendatakse tõhusalt liitiummetallfooliumi laserablatsiooniga genereeritud suure tihedusega impulssplasma kõrgsagedusliku kvadrupoolkiirendiga (RFQ kiirendi).Oleme saavutanud tippkiire voolu 35 mA, mis on kiirendatud 1,43 MeV-ni, mis on kaks suurusjärku suurem, kui tavalised pihusti- ja kiirendisüsteemid suudavad pakkuda.
Erinevalt röntgenikiirgusest või laetud osakestest on neutronitel suur läbitungimissügavus ja ainulaadne interaktsioon kondenseerunud ainega, mistõttu on need äärmiselt mitmekülgsed sondid materjalide omaduste uurimiseks1,2,3,4,5,6,7.Eelkõige kasutatakse neutronite hajumise tehnikaid tavaliselt kondenseerunud aine koostise, struktuuri ja sisepingete uurimiseks ning need võivad anda üksikasjalikku teavet metallisulamite jälgede kohta, mida on röntgenspektroskoopia abil raske tuvastada8.Seda meetodit peetakse baasteaduses võimsaks vahendiks ning seda kasutavad metallide ja muude materjalide tootjad.Viimasel ajal on neutronite difraktsiooni kasutatud jääkpingete tuvastamiseks mehaanilistes komponentides, nagu rööbastee ja lennukiosad9, 10, 11, 12.Neutroneid kasutatakse ka nafta- ja gaasipuuraukudes, kuna prootonirikkad materjalid võtavad need kergesti kinni13.Sarnaseid meetodeid kasutatakse ka tsiviilehituses.Mittepurustav neutronite testimine on tõhus vahend varjatud rikete tuvastamiseks hoonetes, tunnelites ja sildades.Neutronkiirte kasutamist kasutatakse aktiivselt teadusuuringutes ja tööstuses, millest paljud on ajalooliselt välja töötatud tuumareaktorite abil.
Kuid ülemaailmse konsensuse tõttu tuumarelva leviku tõkestamise küsimuses muutub väikeste reaktorite ehitamine teadusuuringute eesmärgil üha keerulisemaks.Veelgi enam, hiljutine Fukushima õnnetus on muutnud tuumareaktorite ehitamise peaaegu sotsiaalselt vastuvõetavaks.Selle trendiga seoses kasvab nõudlus kiirendite neutronallikate järele2.Alternatiivina tuumareaktoritele töötavad juba mitmed suured kiirendit lõhestavad neutroniallikad14,15.Neutronkiirte omaduste tõhusamaks kasutamiseks on aga vaja laiendada kompaktsete allikate kasutamist kiirenditel, 16 mis võivad kuuluda tööstus- ja ülikoolide teadusasutustele.Kiirendi neutroniallikad on lisaks tuumareaktorite asendamisele lisanud uusi võimalusi ja funktsioone14.Näiteks võib linac-ajamiga generaator ajamikiirt manipuleerides hõlpsasti luua neutronite voo.Pärast kiirgamist on neutroneid raske kontrollida ja kiirgusmõõtmisi on raske taustaneutronite tekitatava müra tõttu analüüsida.Kiirendiga juhitavad impulssneutronid väldivad seda probleemi.Maailmas on välja pakutud mitmeid prootonikiirendi tehnoloogial põhinevaid projekte17,18,19.Reaktsioone 7Li(p, n)7Be ja 9Be(p,n)9B kasutatakse kõige sagedamini prootoni juhitavates kompaktsetes neutronite generaatorites, kuna need on endotermilised reaktsioonid20.Liigset kiirgust ja radioaktiivseid jäätmeid saab minimeerida, kui prootonkiire ergastamiseks valitud energia on veidi suurem kui läviväärtus.Sihttuuma mass on aga palju suurem kui prootonitel ja tekkivad neutronid hajuvad igas suunas.Selline isotroopsele lähedane neutronvoo emissioon takistab neutronite tõhusat transporti uurimisobjekti.Lisaks on objekti asukohas vajaliku neutronite doosi saamiseks vaja oluliselt suurendada nii liikuvate prootonite arvu kui ka nende energiat.Selle tulemusena levivad suured annused gammakiirgust ja neutroneid läbi suurte nurkade, hävitades endotermiliste reaktsioonide eelised.Tüüpilisel kiirendiga töötaval kompaktsel prootonipõhisel neutrongeneraatoril on tugev kiirguskaitse ja see on süsteemi kõige mahukam osa.Vajadus suurendada prootonite juhtimise energiat nõuab tavaliselt kiirendi suuruse täiendavat suurendamist.
Kiirendite tavapäraste kompaktsete neutroniallikate üldiste puuduste ületamiseks pakuti välja inversioon-kinemaatiline reaktsiooniskeem21.Selles skeemis kasutatakse prootonkiire asemel juhtkiirena raskemat liitiumioonkiirt, mis on suunatud vesinikurikastele materjalidele, nagu süsivesinikplastid, hüdriidid, vesinikgaas või vesinikplasma.Kaalutud on alternatiive, nagu berülliumioonidega juhitavad talad, kuid berüllium on mürgine aine, mille käsitsemisel tuleb olla eriti ettevaatlik.Seetõttu on inversioon-kinemaatiliste reaktsiooniskeemide jaoks sobivaim liitiumkiir.Kuna liitiumi tuumade impulss on suurem kui prootonitel, siis tuumakokkupõrgete massikese liigub pidevalt edasi ning neutronid kiirguvad ka edasi.See funktsioon kõrvaldab oluliselt soovimatud gammakiired ja suure nurga all tekkivad neutronite emissioonid22.Prootonmootori tavapärase juhtumi ja pöördkinemaatilise stsenaariumi võrdlus on näidatud joonisel 1.
Prootoni- ja liitiumkiirte neutronite tootmisnurkade illustratsioon (joonistatud programmiga Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutronid võivad reaktsiooni tulemusena väljuda mis tahes suunas, kuna liikuvad prootonid tabavad liitiumi sihtmärgi palju raskemaid aatomeid.(b) Ja vastupidi, kui liitiumioonjuht pommitab vesinikurikast sihtmärki, tekivad neutronid kitsas koonuses edasisuunas süsteemi massikeskme suure kiiruse tõttu.
Siiski on ainult mõned pöördkinemaatilised neutronite generaatorid, kuna prootonitega võrreldes on raske tekitada vajalikku kõrge laenguga ioonide voogu.Kõik need taimed kasutavad negatiivseid pihustusioonide allikaid koos tandem-elektrostaatiliste kiirenditega.Kiirkiirenduse tõhususe suurendamiseks on pakutud välja muud tüüpi iooniallikad26.Igal juhul on saadaolev liitiumioonkiire vool piiratud 100 µA-ga.On tehtud ettepanek kasutada 1 mA Li3+27, kuid seda ioonkiire voolu pole antud meetodiga kinnitatud.Intensiivsuse poolest ei suuda liitiumkiirte kiirendid konkureerida prootonkiirenditega, mille prootonivoolu tippvool ületab 10 mA28.
Liitiumioonkiirel põhineva praktilise kompaktse neutrongeneraatori rakendamiseks on kasulik luua kõrge intensiivsusega ioonideta generaator.Ioone kiirendavad ja juhivad elektromagnetilised jõud ning kõrgem laengutase toob kaasa tõhusama kiirenduse.Liitiumioonkiire draiverid nõuavad Li3+ tippvoolusid üle 10 mA.
Selles töös demonstreerime kuni 35 mA tippvooludega Li3+ kiirte kiirendust, mis on võrreldav arenenud prootonkiirenditega.Algne liitiumioonkiir loodi laserablatsiooni ja C6+ kiirendamiseks algselt välja töötatud Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) abil.Eritellimusel disainitud raadiosageduslik kvadrupoollinac (RFQ linac) valmistati nelja varda resonantsstruktuuri abil.Oleme kontrollinud, et kiirenduskiirel on arvutatud kõrge puhtusastmega kiire energia.Kui Li3+ kiir on raadiosagedusliku (RF) kiirendiga tõhusalt kinni haaratud ja kiirendatud, kasutatakse järgnevat linac (kiirendi) sektsiooni, et tagada sihtmärgist tugeva neutronvoo tekitamiseks vajalik energia.
Suure jõudlusega ioonide kiirendamine on hästi välja kujunenud tehnoloogia.Ülejäänud ülesanne uue ülitõhusa kompaktse neutrongeneraatori realiseerimiseks on genereerida suur hulk täielikult eemaldatud liitiumioone ja moodustada klastri struktuur, mis koosneb iooniimpulsside seeriast, mis on sünkroonitud kiirendi RF-tsükliga.Selle eesmärgi saavutamiseks kavandatud katsete tulemusi kirjeldatakse järgmises kolmes alajaotises: (1) liitiumioonkiire täieliku ilma tekitamine, (2) kiire kiirendus spetsiaalselt loodud RFQ linaki abil ja (3) analüüsi kiirendamine. tala sisu kontrollimiseks.Brookhaveni riiklikus laboris (BNL) koostasime joonisel 2 näidatud eksperimentaalse seadistuse.
Liitiumkiirte kiirendatud analüüsi eksperimentaalse seadistuse ülevaade (illustreerinud Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Paremalt vasakule genereeritakse laser-sihtmärgi interaktsioonikambris laser-ablatiivne plasma ja see toimetatakse RFQ linacisse.RFQ kiirendisse sisenemisel eraldatakse ioonid plasmast ja süstitakse RFQ kiirendisse läbi äkilise elektrivälja, mille tekitab ekstraheerimiselektroodi ja RFQ elektroodi vaheline 52 kV pingeerinevus triivipiirkonnas.Ekstraheeritud ioone kiirendatakse 2 meetri pikkuste RFQ elektroodide abil 22 keV/n väärtuselt 204 keV/n.RFQ linaci väljundisse paigaldatud voolutrafo (CT) tagab ioonkiire voolu mittepurustava mõõtmise.Kiir teravustab kolme kvadrupoolmagnetiga ja suunatakse dipoolmagnetile, mis eraldab ja suunab Li3+ kiire detektorisse.Pilu taga kasutatakse kiirenduskiire tuvastamiseks ülestõstetavat plastikust stsintillaatorit ja Faraday tassi (FC), mille eelpinge on kuni -400 V.
Täielikult ioniseeritud liitiumioonide (Li3+) genereerimiseks on vaja luua plasma, mille temperatuur on kõrgem kui tema kolmas ionisatsioonienergia (122,4 eV).Püüdsime kasutada laserablatsiooni kõrgtemperatuurse plasma tootmiseks.Seda tüüpi laseriooniallikaid ei kasutata tavaliselt liitiumioonkiirte genereerimiseks, kuna liitiummetall on reaktiivne ja nõuab erilist käsitsemist.Oleme välja töötanud sihtlaadimissüsteemi, et minimeerida niiskuse ja õhu saastumist liitiumfooliumi paigaldamisel vaakumlaserinteraktsioonikambrisse.Kõik materjalide ettevalmistused viidi läbi kontrollitud kuiva argooni keskkonnas.Pärast liitiumfooliumi paigaldamist laseri sihtkambrisse kiiritati fooliumi impulss-Nd: YAG laserkiirgusega energiaga 800 mJ impulsi kohta.Sihtmärgi fookuses on laseri võimsustihedus hinnanguliselt umbes 1012 W/cm2.Plasma tekib siis, kui impulsslaser hävitab sihtmärgi vaakumis.Kogu 6 ns laserimpulsi jooksul jätkab plasma soojenemist, peamiselt pöördtõmbeprotsessi tõttu.Kuna kuumutamise ajal ei rakendata piiravat välisvälja, hakkab plasma kolmemõõtmeliselt paisuma.Kui plasma hakkab üle sihtpinna paisuma, omandab plasma massikese sihtpinnaga risti oleva kiiruse energiaga 600 eV/n.Pärast kuumutamist jätkab plasma liikumist sihtmärgist aksiaalsuunas, paisudes isotroopselt.
Nagu on näidatud joonisel 2, paisub ablatsiooniplasma vaakummahuks, mida ümbritseb sihtmärgiga sama potentsiaaliga metallmahuti.Seega triivib plasma läbi väljavaba piirkonna RFQ kiirendi suunas.Laseri kiirituskambri ja RFQ linaci vahele rakendatakse aksiaalne magnetväli vaakumkambri ümber keritud solenoidmähise abil.Solenoidi magnetväli pärsib triiviva plasma radiaalset paisumist, et säilitada kõrge plasma tihedus RFQ avasse tarnimisel.Teisest küljest jätkab plasma laienemist triivi ajal aksiaalsuunas, moodustades pikliku plasma.Plasmat sisaldavale metallanumale rakendatakse kõrgepinge eelpinge RFQ sisselaskeava väljalaskeava ees.Eelpinge valiti nii, et see tagaks vajaliku 7Li3+ süstimiskiiruse RFQ linaci õigeks kiirendamiseks.
Saadud ablatsiooniplasma ei sisalda mitte ainult 7Li3+, vaid ka teistes laenguseisundites liitiumit ja saasteelemente, mis transporditakse samaaegselt RFQ lineaarkiirendisse.Enne kiirendatud katseid RFQ linaci abil viidi läbi lennuaja (TOF) analüüs, et uurida ioonide koostist ja energiajaotust plasmas.Üksikasjalikku analüütilist seadistust ja vaadeldud laetuse jaotusi selgitatakse jaotises Meetodid.Analüüs näitas, et põhiosakesed olid 7Li3+ ioonid, mis moodustavad ligikaudu 54% kõigist osakestest, nagu on näidatud joonisel 3. Analüüsi kohaselt on 7Li3+ iooni vool ioonkiire väljundpunktis hinnanguliselt 1,87 mA.Kiirendatud testide ajal rakendatakse paisuvale plasmale 79 mT solenoidvälja.Selle tulemusena suurenes plasmast eraldatud ja detektoril vaadeldav 7Li3+ vool 30 korda.
Lennuaja analüüsi abil saadud ioonide fraktsioonid laseriga genereeritud plasmas.7Li1+ ja 7Li2+ ioonid moodustavad vastavalt 5% ja 25% ioonikiirest.6Li osakeste tuvastatud fraktsioon ühtib katsevea piires liitiumfooliumi sihtmärgis sisalduva 6Li loodusliku sisaldusega (7,6%).Täheldati kerget hapnikusisaldust (6,2%), peamiselt O1+ (2,1%) ja O2+ (1,5%), mis võib olla tingitud liitiumfooliumi sihtmärgi pinna oksüdeerumisest.
Nagu eelnevalt mainitud, triivib liitiumplasma enne RFQ linaci sisenemist väljadeta piirkonnas.RFQ linaci sisendis on metallmahutis 6 mm läbimõõduga auk ja eelpinge on 52 kV.Kuigi RFQ elektroodi pinge muutub 100 MHz juures kiiresti ±29 kV, põhjustab pinge aksiaalset kiirendust, kuna RFQ kiirendi elektroodide keskmine potentsiaal on null.Ava ja RFQ-elektroodi serva vahelises 10 mm vahes tekkiva tugeva elektrivälja tõttu eraldatakse apertuuris olevast plasmast ainult positiivsed plasmaioonid.Traditsioonilistes ioonide kohaletoimetamise süsteemides eraldatakse ioonid plasmast elektriväljaga märkimisväärsel kaugusel RFQ kiirendi ees ja seejärel fokusseeritakse kiire teravustamise elemendiga RFQ avasse.Intensiivse neutronallika jaoks vajalike intensiivsete raskete ioonikiirte puhul võivad ruumilaengu mõjudest tingitud mittelineaarsed tõukejõud aga põhjustada ioonide transpordisüsteemis olulisi kiire voolukadusid, piirates kiirendatavat tippvoolu.Meie DPIS-is transporditakse suure intensiivsusega ioone triiviva plasmana otse RFQ-ava väljumispunkti, nii et ruumilaengu tõttu ei kao ioonikiir.Selle demonstratsiooni ajal rakendati DPIS-i esimest korda liitiumioonkiirele.
RFQ-struktuur töötati välja madala energiatarbega suure vooluga ioonkiirte fokuseerimiseks ja kiirendamiseks ning sellest on saanud esmajärgu kiirenduse standard.Kasutasime RFQ-d 7Li3+ ioonide kiirendamiseks implantaadi energiast 22 keV/n kuni 204 keV/n.Kuigi plasmast ekstraheeritakse ka liitium ja muud väiksema laenguga osakesed plasmas ja süstitakse RFQ avasse, kiirendab RFQ linac ainult ioone, mille laengu ja massi suhe (Q/A) on lähedane 7Li3+.
Joonisel fig.Joonisel 4 on näidatud voolutrafo (CT) tuvastatud lainekujud RFQ linaci ja Faraday tassi (FC) väljundis pärast magneti analüüsimist, nagu on näidatud joonisel fig.2. Signaalide vahelist ajanihet võib tõlgendada kui lennuaja erinevust detektori asukohas.CT juures mõõdetud ioonivoolu tipp oli 43 mA.RT-asendis võib registreeritud kiir sisaldada mitte ainult arvutusliku energiani kiirendatud ioone, vaid ka muid ioone peale 7Li3+, mis ei ole piisavalt kiirendatud.QD ja PC abil leitud ioonvooluvormide sarnasus viitab aga sellele, et ioonvool koosneb peamiselt kiirendatud 7Li3+-st ning voolu tippväärtuse vähenemine PC-s on tingitud kiirete kadudest ioonide ülekandel QD ja PC vahel. PC.Kaod Seda kinnitab ka ümbriku simulatsioon.7Li3+ kiire voolu täpseks mõõtmiseks analüüsitakse kiirt dipoolmagnetiga, nagu on kirjeldatud järgmises jaotises.
Kiirendatud kiire ostsillogrammid, mis on salvestatud detektori positsioonides CT (must kõver) ja FC (punane kõver).Need mõõtmised käivitatakse laserkiirguse tuvastamisel fotodetektori abil laserplasma genereerimise ajal.Must kõver näitab RFQ linaci väljundiga ühendatud CT-l mõõdetud lainekuju.Kuna detektor asub RFQ linac'i läheduses, kogub detektor 100 MHz RF-müra, mistõttu rakendati 98 MHz madalpääs FFT-filtrit, et eemaldada tuvastussignaalile kattuv 100 MHz resonants-RF-signaal.Punane kõver näitab lainekuju FC juures pärast seda, kui analüütiline magnet suunab 7Li3+ ioonkiire.Selles magnetväljas saab peale 7Li3+ transportida N6+ ja O7+.
RFQ linaci järgne ioonkiir fokusseeritakse kolme kvadrupoolse fokuseeriva magneti seeriaga ja seejärel analüüsitakse dipoolmagnetitega, et eraldada ioonkiire lisandid.Magnetväli 0,268 T suunab 7Li3+ kiired FC-sse.Selle magnetvälja tuvastamise lainekuju on kujutatud punase kõverana joonisel 4. Kiire tippvool ulatub 35 mA-ni, mis on enam kui 100 korda suurem kui tüüpiline Li3+ kiir, mis on toodetud olemasolevates tavapärastes elektrostaatilistes kiirendites.Kiirimpulsi laius on 2,0 µs täislaiuse juures maksimaalselt poole võrra.Dipoolmagnetväljaga 7Li3+ kiire tuvastamine näitab edukat kimbutamist ja kiirendust.FC poolt dipooli magnetvälja skaneerimisel tuvastatud ioonkiire vool on näidatud joonisel 5. Täheldati puhast üksikut piiki, mis oli teistest tippudest hästi eraldatud.Kuna kõik RFQ linaci poolt kavandatud energiani kiirendatud ioonid on sama kiirusega, on sama Q/A-ga ioonikiire dipoolmagnetväljade abil raske eraldada.Seetõttu ei saa me eristada 7Li3+ ja N6+ või O7+.Lisandite kogust saab aga hinnata naaberlaengu olekute järgi.Näiteks N7+ ja N5+ saab kergesti eraldada, samas kui N6+ võib olla osa lisandist ja eeldatavasti esineb ligikaudu samas koguses kui N7+ ja N5+.Hinnanguline saastetase on umbes 2%.
Dipoolmagnetvälja skaneerimisel saadud kiirkomponentide spektrid.Piik 0,268 T juures vastab 7Li3+ ja N6+.Piigi laius sõltub tala suurusest pilus.Vaatamata laiadele tippudele eraldub 7Li3+ hästi 6Li3+, O6+ ja N5+, kuid eraldub halvasti O7+ ja N6+.
FC asukohas kinnitati kiire profiil pistikstsintillaatoriga ja salvestati kiire digikaameraga, nagu on näidatud joonisel 6. Näidatakse, et 7Li3+ impulsskiir vooluga 35 mA on kiirendatud arvutatud RFQ-ni. energia 204 keV/n, mis vastab 1,4 MeV , ja edastatakse FC detektorile.
Kiirprofiil, mida vaadeldi FC-eelse stsintillaatori ekraanil (värvitud Fidži, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Analüütilise dipoolmagneti magnetväli häälestati nii, et see suunaks Li3+ ioonkiire kiirenduse projekteeritud energia RFQ-le.Sinised täpid rohelisel alal on põhjustatud defektsest stsintillaatori materjalist.
Saavutasime 7Li3+ ioonide genereerimise tahke liitiumfooliumi pinna laserablatsiooniga ning suure vooluga ioonikiir püüti kinni ja kiirendati spetsiaalselt disainitud RFQ linaciga, kasutades DPIS-i.Kiire energial 1,4 MeV oli FC-l pärast magneti analüüsi saavutatud 7Li3+ tippvool 35 mA.See kinnitab, et kõige olulisem osa pöördkinemaatikaga neutronallika rakendamisest on teostatud eksperimentaalselt.Artikli selles osas käsitletakse kogu kompaktse neutronallika konstruktsiooni, sealhulgas suure energiaga kiirendeid ja neutronite sihtjaamu.Disain põhineb meie laboris olemasolevate süsteemidega saadud tulemustel.Tuleb märkida, et ioonkiire tippvoolu saab veelgi suurendada, lühendades liitiumfooliumi ja RFQ linaki vahelist vahemaad.Riis.7 illustreerib kogu kiirendi kavandatava kompaktse neutroniallika kontseptsiooni.
Kavandatava kompaktse neutroniallika kontseptuaalne disain kiirendis (joonistanud Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Paremalt vasakule: laseriooniallikas, solenoidmagnet, RFQ linac, keskmise energiaga kiire ülekanne (MEBT), IH linac ja interaktsioonikamber neutronite genereerimiseks.Kiirguskaitse tagatakse eelkõige ettepoole suunatud neutronkiirte kitsalt suunatud olemuse tõttu.
Pärast RFQ linaci on plaanis Inter-digital H-struktuuri (IH linac)30 linaci edasine kiirendamine.IH-linacid kasutavad π-režiimi triivtoru struktuuri, et tagada teatud kiiruste vahemikus kõrge elektrivälja gradient.Kontseptuaalne uuring viidi läbi 1D pikisuunalise dünaamika simulatsiooni ja 3D kesta simulatsiooni põhjal.Arvutused näitavad, et mõistliku triivtoru pingega (alla 450 kV) ja tugeva teravustamismagnetiga 100 MHz IH linac suudab 1,8 m kaugusel kiirendada 40 mA kiirt 1,4-lt 14 MeV-le.Energiajaotus kiirendi ahela lõpus on hinnanguliselt ± 0,4 MeV, mis ei mõjuta oluliselt neutronite muundamise sihtmärgi tekitatud neutronite energiaspektrit.Lisaks on kiire kiirgusvõime piisavalt madal, et fokusseerida kiir väiksemasse kohta, kui see oleks tavaliselt vajalik keskmise tugevusega ja suurusega kvadrupoolmagneti jaoks.Keskmise energiakiire (MEBT) ülekandes RFQ linaci ja IH linaki vahel kasutatakse kiirt moodustavat resonaatorit, et säilitada kiirt moodustav struktuur.Külgtala suuruse reguleerimiseks kasutatakse kolme kvadrupoolmagnetit.Seda disainistrateegiat on kasutatud paljudes kiirendites31,32,33.Kogu süsteemi kogupikkus iooniallikast sihtkambrini jääb hinnanguliselt alla 8 m, mis mahub tavalisse sadulveokisse.
Neutronite muundamise sihtmärk paigaldatakse vahetult pärast lineaarset kiirendit.Arutame sihtjaamade kujundusi, mis põhinevad varasematel uuringutel, kasutades pöördkinemaatilisi stsenaariume .Teatatud muundamise sihtmärkide hulka kuuluvad tahked materjalid (polüpropüleen (C3H6) ja titaanhüdriid (TiH2)) ja gaasilised sihtmärgid.Igal eesmärgil on eelised ja puudused.Tahked sihtmärgid võimaldavad täpset paksuse reguleerimist.Mida õhem on sihtmärk, seda täpsem on neutronite tootmise ruumiline paigutus.Sellistel sihtmärkidel võib siiski esineda teatud määral soovimatuid tuumareaktsioone ja kiirgust.Teisest küljest võib vesiniku sihtmärk pakkuda puhtamat keskkonda, kõrvaldades tuumareaktsiooni peamise produkti 7Be tootmise.Vesinikul on aga nõrk tõkkevõime ja see nõuab piisava energia vabanemiseks suurt füüsilist vahemaad.See on TOF-i mõõtmise jaoks veidi ebasoodne.Lisaks, kui vesiniku sihtmärgi tihendamiseks kasutatakse õhukest kilet, on vaja arvesse võtta õhukese kile ja langeva liitiumkiire tekitatud gammakiirguse energiakadusid.
LICORNE kasutab polüpropüleenist sihtmärke ja sihtmärksüsteemi on täiustatud tantaalfooliumiga suletud vesinikuelementidele.Eeldades, et 7Li34 puhul on kiire vool 100 nA, võivad mõlemad sihtsüsteemid toota kuni 107 n/s/sr.Kui rakendame seda väidetavat neutronite saagise teisendamist meie pakutud neutronite allikale, saab iga laserimpulsi jaoks saada liitiumiga juhitava kiire 7 × 10–8 C.See tähendab, et laseri tulistamine vaid kaks korda sekundis toodab 40% rohkem neutroneid, kui LICORNE suudab pideva kiirega ühe sekundi jooksul toota.Kogu voogu saab hõlpsasti suurendada laseri ergastussageduse suurendamisega.Kui eeldame, et turul on 1 kHz lasersüsteem, saab keskmist neutronvoogu kergesti skaleerida kuni umbes 7 × 109 n/s/sr.
Kui kasutame suure kordussagedusega süsteeme plastist sihtmärkidega, on vaja kontrollida sihtmärkide soojuse teket, sest näiteks polüpropüleenil on madal sulamistemperatuur 145–175 °C ja madal soojusjuhtivus 0,1–0,22 W/ m/K.14 MeV liitiumioonkiire jaoks piisab 7 µm paksusest polüpropüleenist sihtmärgist, et vähendada kiire energia reaktsiooniläveni (13,098 MeV).Võttes arvesse ühe laserlasuga tekitatud ioonide kogumõju sihtmärgile, on liitiumioonide energia vabanemine läbi polüpropüleeni hinnanguliselt 64 mJ/impulss.Kui eeldada, et kogu energia kandub üle 10 mm läbimõõduga ringis, vastab iga impulss temperatuuri tõusule ligikaudu 18 K impulsi kohta.Energia vabanemine polüpropüleenist sihtmärkidel põhineb lihtsal eeldusel, et kõik energiakaod salvestatakse soojusena, ilma kiirguse või muude soojuskadudeta.Kuna impulsside arvu suurendamine sekundis nõuab soojuse kogunemise kõrvaldamist, saame kasutada ribamärke, et vältida energia vabanemist samas punktis23.Eeldades, et sihtmärgil on 10 mm kiire täpp laseri kordussagedusega 100 Hz, oleks polüpropüleenlindi skaneerimiskiirus 1 m/s.Kui kiirte punktide kattumine on lubatud, on võimalik suurem kordussagedus.
Uurisime sihtmärke ka vesinikuakudega, sest sihtmärki kahjustamata sai kasutada tugevamaid ajamitalasid.Neutronikiirt saab hõlpsasti häälestada, muutes gaasikambri pikkust ja vesiniku rõhku sees.Tihti kasutatakse õhukesi metallkilesid kiirendites, et eraldada sihtmärgi gaasiline piirkond vaakumist.Seetõttu on vaja langeva liitiumioonkiire energiat suurendada, et kompenseerida fooliumile tekkivaid energiakadusid.Aruandes 35 kirjeldatud sihtmärk koosnes 3,5 cm pikkusest alumiiniummahutist, mille H2 gaasirõhk oli 1,5 atm.16,75 MeV liitiumioonkiir siseneb akusse läbi õhkjahutusega 2,7 µm Ta-fooliumi ja aku otsas oleva liitiumioonkiire energia aeglustub reaktsiooniläveni.Liitiumioonakude kiire energia suurendamiseks 14,0 MeV-lt 16,75 MeV-le tuli IH linakit pikendada umbes 30 cm võrra.
Samuti uuriti neutronite emissiooni gaasielemendi sihtmärkidest.Eespool nimetatud LICORNE gaasisihtmärkide puhul näitavad GEANT436 simulatsioonid, et koonuse sees genereeritakse kõrgelt orienteeritud neutroneid, nagu on näidatud joonisel 1 [37].Viide 35 näitab energiavahemikku 0,7 kuni 3,0 MeV maksimaalse koonuse avaga 19,5° kaugvihu levimissuuna suhtes.Kõrgelt orienteeritud neutronid võivad enamiku nurkade juures oluliselt vähendada varjestusmaterjali hulka, vähendades konstruktsiooni kaalu ja pakkudes suuremat paindlikkust mõõteseadmete paigaldamisel.Kiirguskaitse seisukohalt kiirgab see gaasiline sihtmärk lisaks neutronitele tsentroidi koordinaatsüsteemis isotroopselt 478 keV võimsusega gammakiirgust38.Need γ-kiired tekivad 7Be lagunemise ja 7Li deergastuse tulemusena, mis tekib siis, kui esmane Li kiir tabab sisendakna Ta.Lisades aga paksu 35 Pb/Cu silindrilise kollimaatori, saab tausta oluliselt vähendada.
Alternatiivse sihtmärgina võib kasutada plasmaakent [39, 40], mis võimaldab saavutada suhteliselt kõrge vesiniku rõhu ja väikese neutronite tekke ruumilise piirkonna, kuigi see on madalam kui tahked sihtmärgid.
Uurime GEANT4 abil liitiumioonkiire eeldatava energiajaotuse ja kiire suuruse neutronite muundamise sihtimisvõimalusi.Meie simulatsioonid näitavad ülaltoodud kirjanduses vesiniku sihtmärkide neutronite energia ja nurkade ühtlast jaotust.Igas sihtmärgisüsteemis saab kõrgelt orienteeritud neutroneid toota pöördkinemaatilise reaktsiooniga, mida juhib tugev 7Li3+ kiir vesinikurikkal sihtmärgil.Seetõttu saab juba olemasolevaid tehnoloogiaid kombineerides rakendada uusi neutroniallikaid.
Laserkiirguse tingimused kordasid ioonkiire genereerimise katseid enne kiirendatud demonstratsiooni.Laser on lauaarvuti nanosekundiline Nd:YAG süsteem, mille laseri võimsustihedus on 1012 W/cm2, põhilainepikkus 1064 nm, punktenergia 800 mJ ja impulsi kestus 6 ns.Täpi läbimõõt sihtmärgil on hinnanguliselt 100 µm.Kuna liitiummetall (Alfa Aesar, puhtus 99,9%) on üsna pehme, pressitakse täpselt lõigatud materjal vormi.Fooliumi mõõdud 25 mm × 25 mm, paksus 0,6 mm.Kraatritaoline kahjustus tekib sihtmärgi pinnal, kui laser tabab seda, nii et sihtmärki liigutatakse mootoriga platvormi abil, et anda iga laserlasuga värske osa sihtmärgi pinnast.Jääkgaasist tingitud rekombinatsiooni vältimiseks hoiti rõhk kambris alla 10-4 Pa.
Laserplasma esialgne maht on väike, kuna laserpunkti suurus on 100 μm ja 6 ns jooksul pärast selle tekkimist.Helitugevust võib võtta täpse punktina ja laiendada.Kui detektor on paigutatud sihtpinnast kaugusele xm, siis vastuvõetud signaal järgib seost: ioonivool I, iooni saabumise aeg t ja impulsi laius τ.
Tekkinud plasmat uuriti TOF-meetodil FC ja energiaioonianalüsaatoriga (EIA), mis asus lasersihtmärgist 2,4 m ja 3,85 m kaugusel.FC-l on elektronide vältimiseks -5 kV nihkega supressorivõrk.EIA-l on 90-kraadine elektrostaatiline deflektor, mis koosneb kahest koaksiaalsest metallist silindrilisest elektroodist, millel on sama pinge, kuid vastupidine polaarsus, positiivne väljast ja negatiivne seest.Paisuv plasma suunatakse pilu taga olevasse deflektorisse ja silindrit läbiva elektrivälja toimel suunatakse see kõrvale.Ioonid, mis vastavad seosele E/z = eKU, tuvastatakse sekundaarse elektronkordisti (SEM) (Hamamatsu R2362) abil, kus E, z, e, K ja U on iooni energia, laengu olek ja laeng on EIA geomeetrilised tegurid. .vastavalt elektronid ja elektroodide potentsiaalide erinevus.Muutes pinget deflektoril, on võimalik saada ioonide energia ja laengu jaotus plasmas.Pühkimispinge U/2 EIA on vahemikus 0,2 V kuni 800 V, mis vastab ioonide energiale vahemikus 4 eV kuni 16 keV laadimisoleku kohta.
Laserkiirguse tingimustes analüüsitud ioonide laengu jaotused, mida on kirjeldatud jaotises “Täielikult eemaldatud liitiumkiirte tekitamine”, on näidatud joonistel fig.8.
Ioonide laenguseisundi jaotuse analüüs.Siin on ioonide voolutiheduse ajaprofiil, mida analüüsiti EIA abil ja mis on võrrandi abil skaleeritud liitiumfooliumist 1 m kaugusel.(1) ja (2).Kasutage laserkiirguse tingimusi, mida on kirjeldatud jaotises "Täielikult kooritud liitiumkiire loomine".Iga voolutiheduse integreerimisega arvutati ioonide osakaal plasmas, nagu on näidatud joonisel 3.
Laseri iooniallikad suudavad edastada intensiivset mitme mA suure laenguga ioonikiirt.Kuid kiire kohaletoimetamine on ruumilaengu tõrjumise tõttu väga raske, mistõttu seda laialdaselt ei kasutatud.Traditsioonilises skeemis ekstraheeritakse ioonkiired plasmast ja transporditakse primaarsesse kiirendisse piki mitme fokuseeriva magnetiga kiirjoont, et kujundada ioonkiir vastavalt kiirendi vastuvõtuvõimele.Ruumilaengu jõu kiirtes lahknevad talad mittelineaarselt ja täheldatakse tõsiseid kiire kadusid, eriti väikeste kiiruste piirkonnas.Selle probleemi lahendamiseks meditsiiniliste süsinikkiirendite väljatöötamisel pakutakse välja uus DPIS41 kiirte edastamise skeem.Oleme seda tehnikat rakendanud võimsa liitiumioonkiire kiirendamiseks uuest neutroniallikast.
Nagu on näidatud joonisel fig.4 on ruum, milles plasma genereeritakse ja paisub, ümbritsetud metallmahutiga.Suletud ruum ulatub RFQ-resonaatori sissepääsuni, sealhulgas solenoidmähise sees oleva mahuni.Mahutile pandi 52 kV pinge.RFQ-resonaatoris tõmmatakse ioonid potentsiaali abil läbi 6 mm läbimõõduga ava, maandades RFQ-d.Kiirjoone mittelineaarsed tõukejõud elimineeritakse, kuna ioonid transporditakse plasma olekus.Lisaks, nagu eespool mainitud, rakendasime ekstraheerimisava ioonide tiheduse kontrollimiseks ja suurendamiseks koos DPIS-iga solenoidvälja.
RFQ kiirendi koosneb silindrilisest vaakumkambrist, nagu on näidatud joonisel fig.9a.Selle sees on neli hapnikuvaba vasest varda paigutatud kvadrupoolsümmeetriliselt ümber tala telje (joonis 9b).4 varda ja kambrit moodustavad resonantse RF-ahela.Indutseeritud RF-väli tekitab vardale ajas muutuva pinge.Pikisuunas ümber telje implanteeritud ioone hoiab kvadrupoolväli külgsuunas.Samal ajal moduleeritakse varda ots aksiaalse elektrivälja tekitamiseks.Aksiaalne väli jagab süstitud pideva kiire kiirimpulsside seeriaks, mida nimetatakse kiireks.Iga kiir on teatud raadiosagedusliku tsükli aja (10 ns) sees.Kõrvuti asetsevad kiired on paigutatud vastavalt raadiosageduslikule perioodile.RFQ linacis muundatakse laseriooniallika 2 µs kiir 200 kiireks.Seejärel kiirendatakse kiirt arvutatud energiani.
Lineaarne kiirendi RFQ.(a) (vasakul) RFQ linac-kambri välisvaade.(b) (paremal) Nelja vardaga elektrood kambris.
RFQ linaci peamised konstruktsiooniparameetrid on varda pinge, resonantssagedus, kiire augu raadius ja elektroodi modulatsioon.Valige varda pinge ± 29 kV nii, et selle elektriväli jääks alla elektrilise läbilöögiläve.Mida madalam on resonantssagedus, seda suurem on külgsuunas teravustamisjõud ja väiksem keskmine kiirendusväli.Suured avaraadiused võimaldavad tänu väiksemale ruumilaengu tõrjumisele suurendada kiire suurust ja sellest tulenevalt ka kiiret voolu.Teisest küljest nõuavad suuremad ava raadiused RFQ linaci toiteks rohkem raadiosageduslikku võimsust.Lisaks piiravad seda objekti kvaliteedinõuded.Nende tasakaalude põhjal valiti suure voolu kiire kiirenduse jaoks resonantssagedus (100 MHz) ja ava raadius (4,5 mm).Modulatsioon on valitud nii, et minimeerida kiire kadu ja maksimeerida kiirenduse efektiivsust.Disaini on mitu korda optimeeritud, et saada RFQ linac disain, mis suudab kiirendada 7Li3+ ioonide 40 mA juures 22 keV/n kuni 204 keV/n 2 m jooksul.Katse ajal mõõdetud raadiosageduslik võimsus oli 77 kW.
RFQ linacid võivad ioone kiirendada kindla Q/A vahemikuga.Seetõttu tuleb lineaarkiirendi otsa etteantud tala analüüsimisel arvestada isotoopide ja muude ainetega.Lisaks suudavad soovitud ioonid, osaliselt kiirendatud, kuid kiirendustingimustes gaasipedaali keskel alla lasta, siiski külgsuunas kinni hoida ja neid saab lõpuni transportida.Soovimatuid kiiri peale konstrueeritud 7Li3+ osakeste nimetatakse lisanditeks.Meie katsetes valmistasid suurimat muret 14N6+ ja 16O7+ lisandid, kuna liitiummetallfoolium reageerib õhus oleva hapniku ja lämmastikuga.Nendel ioonidel on Q/A suhe, mida saab kiirendada 7Li3+ abil.Me kasutame dipoolmagneteid, et eraldada erineva kvaliteediga ja kvaliteediga talad kiire analüüsi jaoks pärast RFQ linaci.
Kiirjoon pärast RFQ linaci on loodud nii, et see edastaks täielikult kiirendatud 7Li3+ kiire FC-le pärast dipoolmagnetit.-400 V eelpingestusega elektroode kasutatakse topsi sekundaarsete elektronide mahasurumiseks, et mõõta täpselt ioonkiire voolu.Selle optikaga eraldatakse ioonide trajektoorid dipoolideks ja fokusseeritakse erinevatesse kohtadesse sõltuvalt Q/A-st.Tänu erinevatele teguritele, nagu impulsi difusioon ja ruumilaengu tõrjumine, on fookuses oleval kiirel teatud laius.Liike saab eraldada ainult siis, kui kahe iooniliigi fookusasendi vaheline kaugus on suurem kui kiire laius.Suurima võimaliku eraldusvõime saamiseks paigaldatakse tala vöökoha lähedale horisontaalne pilu, kuhu kiir on praktiliselt kontsentreeritud.Pilu ja arvuti vahele paigaldati stsintillatsiooniekraan (CsI (Tl) Saint-Gobainilt, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Stsintillaatorit kasutati väikseima pilu määramiseks, mida kavandatud osakesed pidid optimaalse eraldusvõime saavutamiseks läbima, ja suure voolutugevusega raskete ioonkiirte jaoks vastuvõetavate kiirete suuruste demonstreerimiseks.Stsintillaatoril olev kiirkujutis salvestatakse CCD-kaameraga läbi vaakumakna.Reguleerige säritusaja akent nii, et see kataks kogu kiire impulsi laiuse.
Käesolevas uuringus kasutatud või analüüsitud andmekogumid on mõistliku taotluse korral kättesaadavad vastavatelt autoritelt.
Manke, I. et al.Magnetdomeenide kolmemõõtmeline pildistamine.Rahvuslik kommuun.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Kompaktsete neutroniallikate uurimise võimalused kiirenditel.Füüsika.Vabariik 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neutronil põhinev kompuutermikrotomograafia: katsejuhtumitena Pliobates cataloniae ja Barberapithecus huerzeleri.Jah.J. Füüsika.antropoloogia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).