304L 6,35 * 1mm Rozsdamentes acél tekercscsövek beszállítói, Intenzív lítiumsugár bemutatása impulzusos közvetlen neutronok előállításához

Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Diánként három cikket mutató csúszkák.Használja a vissza és a következő gombokat a diák közötti mozgáshoz, vagy a végén lévő diavezérlő gombokat az egyes diák közötti mozgáshoz.

Az atomreaktorok tanulmányozásának alternatívájaként egy lítium-ion sugárhajtóművet használó kompakt gyorsítóval hajtott neutrongenerátor ígéretes lehet, mivel kevés nem kívánt sugárzást termel.Azonban nehéz volt intenzív lítiumionsugarat leadni, és az ilyen eszközök gyakorlati alkalmazását lehetetlennek tartották.Az elégtelen ionáramlás legégetőbb problémáját direkt plazmabeültetési séma alkalmazásával oldottuk meg.Ebben a sémában egy lítium-fémfólia lézeres ablációjával létrehozott nagy sűrűségű impulzusplazmát hatékonyan fecskendezik be és gyorsítják fel egy nagyfrekvenciás kvadrupól gyorsítóval (RFQ-gyorsító).Elértük a 35 mA-es csúcssugáráramot 1,43 MeV-ra felgyorsítva, ami két nagyságrenddel magasabb, mint amit a hagyományos injektoros és gyorsítós rendszerek képesek biztosítani.
Ellentétben a röntgensugárzással vagy a töltött részecskékkel, a neutronoknak nagy a behatolási mélysége és egyedülálló kölcsönhatása van a kondenzált anyaggal, így rendkívül sokoldalú szondák az anyagok tulajdonságainak tanulmányozására1,2,3,4,5,6,7.A neutronszórási technikákat általában a kondenzált anyag összetételének, szerkezetének és belső feszültségeinek tanulmányozására használják, és részletes információkat szolgáltathatnak a fémötvözetek nyomelemeiről, amelyeket röntgenspektroszkópiával nehéz kimutatni8.Ezt a módszert az alaptudomány hatékony eszközének tekintik, és a fémek és más anyagok gyártói használják.A közelmúltban a neutrondiffrakciót a mechanikai alkatrészek, például a vasúti és repülőgépalkatrészek maradékfeszültségeinek kimutatására használták9, 10, 11, 12.A neutronokat olaj- és gázkutakban is használják, mivel protonban gazdag anyagok könnyen befogják őket13.Hasonló módszereket alkalmaznak a mélyépítésben is.A roncsolásmentes neutronteszt hatékony eszköz az épületek, alagutak és hidak rejtett hibáinak kimutatására.A neutronsugarak használatát aktívan használják a tudományos kutatásban és az iparban, amelyek közül sokat a történelem során nukleáris reaktorok segítségével fejlesztettek ki.
A nukleáris fegyverek elterjedésének megakadályozásával kapcsolatos globális konszenzus miatt azonban egyre nehezebb kutatási célú kis reaktorokat építeni.Ráadásul a közelmúltbeli fukusimai baleset társadalmilag szinte elfogadhatóvá tette az atomreaktorok építését.Ezzel a tendenciával összefüggésben növekszik a gyorsítóknál a neutronforrások iránti kereslet2.Az atomreaktorok alternatívájaként már több nagy gyorsítóhasító neutronforrás működik14,15.A neutronnyaláb tulajdonságainak hatékonyabb kihasználása érdekében azonban szükséges a kompakt források alkalmazásának kiterjesztése a gyorsítóknál, 16 amelyek ipari és egyetemi kutatóintézetekhez tartozhatnak.A gyorsító neutronforrások új képességekkel és funkciókkal bővültek amellett, hogy helyettesítik az atomreaktorokat14.Például egy linac-vezérelt generátor könnyen létrehozhat neutronfolyamot a meghajtónyaláb manipulálásával.A kibocsátás után a neutronokat nehéz ellenőrizni, a sugárzásméréseket pedig nehéz elemezni a háttérneutronok által keltett zaj miatt.A gyorsítóval vezérelt pulzáló neutronok elkerülik ezt a problémát.Számos protongyorsító technológián alapuló projektet javasoltak szerte a világon17,18,19.A 7Li(p, n)7Be és 9Be(p, n)9B reakciókat leggyakrabban protonhajtású kompakt neutrongenerátorokban használják, mivel endoterm reakciók20.A többletsugárzás és a radioaktív hulladék minimálisra csökkenthető, ha a protonnyaláb gerjesztésére választott energia valamivel meghaladja a küszöbértéket.A célmag tömege azonban jóval nagyobb, mint a protonéké, és a keletkező neutronok minden irányba szétszóródnak.A neutronfluxus ilyen közel izotróp emissziója megakadályozza a neutronok hatékony szállítását a vizsgált tárgyhoz.Ezenkívül a szükséges neutrondózis eléréséhez az objektum helyén jelentősen növelni kell mind a mozgó protonok számát, mind az energiájukat.Ennek eredményeként a gamma-sugarak és neutronok nagy dózisai nagy szögekben terjednek, tönkretéve az endoterm reakciók előnyeit.Egy tipikus gyorsítóval hajtott kompakt proton alapú neutrongenerátor erős sugárzásárnyékoló képességgel rendelkezik, és a rendszer legmasszívabb része.A hajtó protonok energiájának növelése általában a gyorsítóberendezés méretének további növelését igényli.
A gyorsítóknál a hagyományos kompakt neutronforrások általános hiányosságainak kiküszöbölésére egy inverziós-kinematikus reakciósémát javasoltak21.Ebben a sémában egy nehezebb lítium-ion sugarat használnak vezetőnyalábként a protonsugár helyett, amely hidrogénben gazdag anyagokat céloz meg, például szénhidrogén műanyagokat, hidrideket, hidrogéngázt vagy hidrogénplazmát.Alternatívákat is fontolgattak, mint például a berillium-ion-vezérelt nyalábokat, azonban a berillium mérgező anyag, amelynek kezelése különös gondosságot igényel.Ezért az inverziós-kinematikus reakciósémákhoz a lítiumsugár a legalkalmasabb.Mivel a lítium atommagok impulzusa nagyobb, mint a protonoké, a nukleáris ütközések tömegközéppontja folyamatosan halad előre, és a neutronok is kibocsátódnak előre.Ez a funkció nagymértékben kiküszöböli a nem kívánt gamma-sugárzást és a nagy szögű neutronkibocsátást22.A protonmotor szokásos esetének és az inverz kinematikai forgatókönyv összehasonlítása az 1. ábrán látható.
A proton- és lítiumnyalábok neutrontermelési szögeinek illusztrációja (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html programmal rajzolva).(a) A reakció eredményeként a neutronok bármilyen irányba kilökhetnek, mivel a mozgó protonok eltalálják a lítium céltárgy sokkal nehezebb atomjait.(b) Ezzel szemben, ha egy lítium-ion meghajtó bombáz egy hidrogénben gazdag célpontot, a rendszer tömegközéppontjának nagy sebessége miatt előrefelé keskeny kúpban neutronok keletkeznek.
Mindazonáltal csak néhány inverz kinematikus neutrongenerátor létezik, mivel a nehézionok szükséges fluxusát nehéz előállítani a protonokhoz képest nagy töltéssel.Mindezek az üzemek negatív porlasztó ionforrásokat használnak tandem elektrosztatikus gyorsítókkal kombinálva.Más típusú ionforrásokat javasoltak a nyalábgyorsítás hatékonyságának növelésére26.Mindenesetre a rendelkezésre álló lítium-ion sugáráram 100 µA-ra korlátozódik.Javasolták 1 mA Li3+27 használatát, de ezt az ionsugár áramot ezzel a módszerrel nem erősítették meg.Az intenzitás tekintetében a lítiumnyalábgyorsítók nem vehetik fel a versenyt azokkal a protonnyaláb-gyorsítókkal, amelyek csúcsáramú protonáram meghaladja a 10 mA28-at.
Egy praktikus, lítium-ion sugáron alapuló kompakt neutrongenerátor megvalósításához előnyös, ha nagy intenzitású, teljesen ionmentes generátort állítunk elő.Az ionokat elektromágneses erők gyorsítják és irányítják, a magasabb töltési szint pedig hatékonyabb gyorsulást eredményez.A Li-ion sugárhajtóműveknek 10 mA-t meghaladó Li3+ csúcsáramra van szükségük.
Ebben a munkában a Li3+ nyalábok gyorsulását mutatjuk be maximum 35 mA csúcsáramokkal, ami összehasonlítható a fejlett protongyorsítókkal.Az eredeti lítium-ion sugarat lézeres abláció és egy eredetileg a C6+ gyorsítására kifejlesztett Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) segítségével hozták létre.Egyedi tervezésű rádiófrekvenciás kvadrupol linac (RFQ linac) készült négyrudas rezonáns szerkezet felhasználásával.Ellenőriztük, hogy a gyorsuló sugár rendelkezik-e a számított nagy tisztaságú sugárenergiával.Miután a Li3+ sugarat a rádiófrekvenciás (RF) gyorsító hatékonyan felfogja és felgyorsítja, az ezt követő linac (gyorsító) szakaszt arra használják, hogy biztosítsák azt az energiát, amely egy erős neutronfluxus létrehozásához szükséges a célpontból.
A nagy teljesítményű ionok gyorsítása jól bevált technológia.Az új, rendkívül hatékony kompakt neutrongenerátor megvalósításának hátralévő feladata nagyszámú, teljesen lecsupaszított lítium-ion előállítása, és a gyorsítóban lévő RF ciklussal szinkronizált ionimpulzusok sorozatából álló klaszterstruktúra kialakítása.Az e cél elérése érdekében kidolgozott kísérletek eredményeit a következő három alfejezetben ismertetjük: (1) lítium-ion sugárnyaláb előállítása, (2) nyalábgyorsítás speciálisan tervezett RFQ linac segítségével, és (3) analízis gyorsítása. a gerenda tartalmának ellenőrzéséhez.A Brookhaven National Laboratory-ban (BNL) elkészítettük a 2. ábrán látható kísérleti elrendezést.
A lítiumnyalábok gyorsított elemzésének kísérleti összeállításának áttekintése (illusztrálja: Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Jobbról balra a lézer-ablatív plazma jön létre a lézer-cél kölcsönhatási kamrában, és az RFQ linacba kerül.Az RFQ-gyorsítóba való belépéskor az ionokat elválasztják a plazmától és az RFQ-gyorsítóba injektálják egy hirtelen elektromos téren keresztül, amelyet az extrakciós elektróda és az RFQ-elektróda közötti 52 kV-os feszültségkülönbség hoz létre a sodródási tartományban.Az extrahált ionokat 22 keV/n-ről 204 keV/n-re gyorsítják 2 méter hosszú RFQ elektródák segítségével.Az RFQ linac kimenetére telepített áramváltó (CT) biztosítja az ionsugár áramának roncsolásmentes mérését.A sugarat három kvadrupólus mágnes fókuszálja és egy dipólus mágnesre irányítja, amely elválasztja és a Li3+ sugarat a detektorba irányítja.A rés mögött egy visszahúzható műanyag szcintillátor és egy Faraday csésze (FC) használható akár -400 V előfeszítéssel a gyorsuló nyaláb érzékelésére.
Teljesen ionizált lítium-ionok (Li3+) előállításához olyan plazmát kell létrehozni, amelynek hőmérséklete meghaladja a harmadik ionizációs energiáját (122,4 eV).Lézeres ablációt próbáltunk alkalmazni magas hőmérsékletű plazma előállítására.Ezt a típusú lézerionforrást általában nem használják lítiumionsugarak előállítására, mivel a lítium fém reaktív és különleges kezelést igényel.Kifejlesztettünk egy célbetöltő rendszert, amely minimalizálja a nedvesség és a levegő szennyeződését, amikor lítiumfóliát helyezünk a vákuumlézeres interakciós kamrába.Minden anyag-előkészítést ellenőrzött száraz argon környezetben végeztünk.Miután a lítiumfóliát behelyeztük a lézer célkamrájába, a fóliát impulzusos Nd:YAG lézersugárzással sugároztuk be impulzusonként 800 mJ energiával.A célpont fókuszában a lézer teljesítménysűrűsége körülbelül 1012 W/cm2.Plazma akkor jön létre, amikor egy impulzuslézer vákuumban elpusztítja a célpontot.A teljes 6 ns-os lézerimpulzus alatt a plazma tovább melegszik, főként a fordított bremsstrahlung folyamat miatt.Mivel a melegítési fázisban nem alkalmaznak korlátozó külső mezőt, a plazma három dimenzióban kezd tágulni.Amikor a plazma tágulni kezd a célfelület felett, a plazma tömegközéppontja a célfelületre merőleges sebességet vesz fel 600 eV/n energiával.Melegítés után a plazma axiális irányban tovább mozog a célponttól, izotróp módon tágul.
A 2. ábrán látható módon az ablációs plazma vákuumtérfogattá tágul, amelyet egy fémtartály vesz körül, amelynek potenciálja megegyezik a célponttal.Így a plazma a mezőmentes tartományon keresztül az RFQ-gyorsító felé sodródik.A lézerbesugárzó kamra és az RFQ linac között axiális mágneses mezőt alkalmaznak a vákuumkamra köré tekercselt mágnestekercs segítségével.A szolenoid mágneses tere elnyomja a sodródó plazma sugárirányú tágulását, hogy fenntartsa a magas plazmasűrűséget az RFQ nyílásba való eljuttatás során.Másrészt a plazma az elsodródás során axiális irányban tovább tágul, megnyúlt plazmát képezve.Nagyfeszültségű előfeszítést alkalmaznak a plazmát tartalmazó fémedényre az RFQ bemenetnél lévő kimeneti port előtt.Az előfeszítési feszültséget úgy választottuk meg, hogy biztosítsa a szükséges 7Li3+ befecskendezési sebességet az RFQ linac megfelelő gyorsításához.
Az így létrejövő ablációs plazma nem csak 7Li3+-ot, hanem egyéb töltési állapotú lítiumot és szennyező elemeket is tartalmaz, amelyek egyidejűleg az RFQ lineáris gyorsítóba kerülnek.Az RFQ linac segítségével végzett gyorsított kísérletek előtt egy offline repülési idő (TOF) elemzést végeztek a plazmában lévő ionok összetételének és energiaeloszlásának tanulmányozására.A részletes elemzési beállításokat és a megfigyelt töltöttségi állapot-eloszlásokat a Módszerek részben ismertetjük.Az elemzés kimutatta, hogy a 7Li3+ ionok a fő részecskék, amelyek az összes részecske körülbelül 54%-át teszik ki, amint az a 3. ábrán látható. Az elemzés szerint a 7Li3+ ionáramot az ionnyaláb kimeneti pontján 1,87 mA-re becsülik.A gyorsított tesztek során 79 mT mágneses mezőt alkalmaznak a táguló plazmára.Ennek eredményeként a plazmából kivont és a detektoron megfigyelt 7Li3+ áram 30-szorosára nőtt.
A repülési idő elemzésével kapott ionok frakciói a lézerrel előállított plazmában.A 7Li1+ és 7Li2+ ionok az ionsugár 5%-át, illetve 25%-át teszik ki.A 6Li részecskék kimutatott frakciója a kísérleti hibán belül megegyezik a lítiumfólia céltárgy természetes 6Li-tartalmával (7,6%).Enyhe oxigénszennyeződést (6,2%) figyeltek meg, főként O1+ (2,1%) és O2+ (1,5%), ami a lítiumfólia céltárgy felületének oxidációjából adódhat.
Mint korábban említettük, a lítiumplazma egy mező nélküli régióban sodródik, mielőtt belépne az RFQ linacba.Az RFQ linac bemenetén egy 6 mm átmérőjű furat található egy fém tartályban, az előfeszítési feszültség 52 kV.Bár az RFQ elektróda feszültsége gyorsan változik ±29 kV-tal 100 MHz-en, a feszültség axiális gyorsulást okoz, mivel az RFQ gyorsítóelektródák átlagos potenciálja nulla.Az apertúra és az RFQ elektróda széle közötti 10 mm-es résben keletkező erős elektromos tér miatt a nyíláson csak pozitív plazmaionok vonhatók ki a plazmából.A hagyományos ionleadó rendszerekben az ionokat az RFQ-gyorsító előtt jelentős távolságra elektromos tér választja el a plazmától, majd egy sugárfókuszáló elem az RFQ apertúrába fókuszálja.Az intenzív neutronforráshoz szükséges intenzív nehézion-nyalábok esetében azonban a tértöltési hatások miatti nemlineáris taszító erők jelentős nyalábáram-veszteségekhez vezethetnek az iontranszport rendszerben, korlátozva a gyorsítható áramcsúcsot.A DPIS-ünkben a nagy intenzitású ionok sodródó plazmaként közvetlenül az RFQ apertúra kilépési pontjához kerülnek, így az ionsugár tértöltés miatt nem veszít el.A bemutató során először alkalmazták a DPIS-t lítium-ion nyalábra.
Az RFQ szerkezetet alacsony energiájú nagyáramú ionsugarak fókuszálására és gyorsítására fejlesztették ki, és az elsőrendű gyorsítások szabványává vált.RFQ-t használtunk a 7Li3+ ionok gyorsítására 22 keV/n implantátum energiáról 204 keV/n-re.Bár a lítiumot és más, a plazmában alacsonyabb töltésű részecskéket is kivonják a plazmából, és befecskendezik az RFQ nyílásba, az RFQ linac csak a 7Li3+-hoz közeli töltés-tömeg arányú (Q/A) ionokat gyorsítja.
ábrán.A 4. ábra az áramváltó (CT) által az RFQ linac és a Faraday csésze (FC) kimenetén észlelt hullámformákat mutatja a mágnes elemzése után, amint az az 1. ábrán látható.2. A jelek közötti időeltolódás a detektor helyén a repülési idő különbségeként értelmezhető.A CT-n mért csúcsionáram 43 mA volt.RT helyzetben a regisztrált nyaláb nemcsak a számított energiára gyorsított ionokat tartalmazhat, hanem a 7Li3+-on kívüli, nem kellően gyorsított ionokat is.A QD és a PC segítségével talált ionáram-formák hasonlósága azonban azt jelzi, hogy az ionáram főként felgyorsított 7Li3+-ból áll, és a PC-n folyó áram csúcsértékének csökkenését a QD és a QD közötti ionátvitel során fellépő nyalábveszteségek okozzák. PC.Veszteségek Ezt a burkológörbe szimuláció is megerősíti.A 7Li3+ sugáráram pontos mérése érdekében a sugarat dipólus mágnessel elemzik a következő részben leírtak szerint.
A felgyorsított sugár oszcillogramja a CT (fekete görbe) és FC (piros görbe) detektorhelyzetekben.Ezeket a méréseket a lézersugárzás fotodetektorral történő detektálása váltja ki a lézerplazma előállítása során.A fekete görbe az RFQ linac kimenethez csatlakoztatott CT-n mért hullámformát mutatja.Az RFQ linachoz való közelsége miatt a detektor 100 MHz-es rádiófrekvenciás zajt vesz fel, ezért egy 98 MHz-es aluláteresztő FFT szűrőt alkalmaztak a detektáló jelre szuperponált 100 MHz-es rezonáns RF jel eltávolítására.A piros görbe az FC hullámformáját mutatja, miután az analitikai mágnes irányította a 7Li3+ ionnyalábot.Ebben a mágneses térben a 7Li3+-on kívül N6+ és O7+ is szállítható.
Az RFQ linac utáni ionnyalábot három kvadrupólus fókuszmágnesből álló sorozattal fókuszálják, majd dipólus mágnesekkel elemzik, hogy elkülönítsék az ionnyalábban lévő szennyeződéseket.A 0,268 T mágneses tér a 7Li3+ sugarakat az FC-be irányítja.Ennek a mágneses mezőnek a detektálási hullámalakja a 4. ábrán piros görbeként látható. A sugárcsúcsáram eléri a 35 mA-t, ami több mint 100-szor nagyobb, mint a meglévő hagyományos elektrosztatikus gyorsítókban előállított tipikus Li3+ sugár.A nyaláb impulzusszélessége 2,0 µs teljes szélességnél, maximum felénél.A dipólus mágneses térrel rendelkező 7Li3+ nyaláb észlelése sikeres csomózást és sugárgyorsítást jelez.Az FC által a dipólus mágneses terének pásztázásakor észlelt ionsugár-áram az 5. ábrán látható. Egy tiszta csúcsot figyeltünk meg, jól elkülönülve a többi csúcstól.Mivel az RFQ linac által a tervezési energiára felgyorsított összes ion sebessége azonos, az azonos Q/A-val rendelkező ionsugarak nehezen választhatók szét dipólus mágneses mezőkkel.Ezért nem tudjuk megkülönböztetni a 7Li3+-t az N6+-tól vagy az O7+-tól.A szennyeződések mennyisége azonban megbecsülhető a szomszédos töltésállapotokból.Például az N7+ és az N5+ könnyen szétválasztható, míg az N6+ a szennyeződés része lehet, és várhatóan körülbelül ugyanannyi mennyiségben van jelen, mint az N7+ és az N5+.A becsült szennyezettségi szint körülbelül 2%.
Dipólus mágneses tér pásztázásával kapott nyalábkomponens spektrumok.A 0,268 T csúcs 7Li3+-nak és N6+-nak felel meg.A csúcs szélessége a résen lévő gerenda méretétől függ.A széles csúcsok ellenére a 7Li3+ jól elválik a 6Li3+-tól, az O6+-tól és az N5+-tól, de rosszul válik el az O7+-tól és az N6+-tól.
Az FC helyén a sugárprofilt egy plug-in szcintillátorral ellenőriztük, és egy gyors digitális kamerával rögzítettük a 6. ábrán látható módon. A 35 mA áramú 7Li3+ impulzusnyaláb számított RFQ-ra gyorsul. 204 keV/n energiát, ami 1,4 MeV-nak felel meg, és továbbítják az FC detektorhoz.
Az FC előtti szcintillátor képernyőjén megfigyelt nyalábprofil (Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/ színe)Az analitikai dipólus mágnes mágneses tere úgy lett beállítva, hogy a Li3+ ionnyaláb gyorsulását a tervezési energia RFQ irányába irányítsa.A zöld területen lévő kék pontokat a hibás szcintillátor anyag okozza.
Szilárd lítiumfólia felületének lézeres ablációjával értük el a 7Li3+ ionok előállítását, és egy speciálisan kialakított RFQ linac segítségével nagy áramerősségű ionnyalábot fogtunk fel és gyorsítottunk fel DPIS segítségével.1,4 MeV sugárenergiánál a mágnes elemzése után az FC-n elért 7Li3+ csúcsáram 35 mA volt.Ez megerősíti, hogy az inverz kinematikával rendelkező neutronforrás megvalósításának legfontosabb részét kísérletileg valósították meg.A cikknek ebben a részében egy kompakt neutronforrás teljes tervezését tárgyaljuk, beleértve a nagy energiájú gyorsítókat és a neutron célállomásokat.A tervezés a laboratóriumunkban meglévő rendszerekkel kapott eredményeken alapul.Megjegyzendő, hogy az ionsugár csúcsárama tovább növelhető a lítiumfólia és az RFQ linac közötti távolság lerövidítésével.Rizs.A 7. ábra szemlélteti a javasolt kompakt neutronforrás teljes koncepcióját a gyorsítónál.
A javasolt kompakt neutronforrás elvi terve a gyorsítónál (Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/ rajza).Jobbról balra: lézer ionforrás, mágneses mágnes, RFQ linac, közepes energiájú nyalábátvitel (MEBT), IH linac és interakciós kamra a neutrongeneráláshoz.A sugárvédelmet a keletkező neutronnyalábok szűk irányú jellege miatt elsősorban előrefelé biztosítják.
Az RFQ linac után az Inter-digitális H-struktúra (IH linac)30 linac további gyorsítását tervezik.Az IH linacok π-módú drift csőszerkezetet használnak, hogy nagy elektromos tér gradienst biztosítsanak bizonyos sebességtartományban.A koncepcionális vizsgálat 1D longitudinális dinamikai szimuláció és 3D héjszimuláció alapján készült.A számítások azt mutatják, hogy egy 100 MHz-es IH linac ésszerű drift csőfeszültséggel (kevesebb, mint 450 kV) és erős fókuszmágnessel egy 40 mA-es sugarat 1,4-ről 14 MeV-ra képes felgyorsítani 1,8 m távolságból.Az energiaeloszlást a gyorsítólánc végén ± 0,4 MeV-ra becsülik, ami nem befolyásolja jelentősen a neutronkonverziós cél által termelt neutronok energiaspektrumát.Ezenkívül a nyaláb emissziós tényezője elég alacsony ahhoz, hogy a sugarat egy kisebb sugárpontra fókuszálja, mint ami normál erősségű és méretű négypólusú mágnes esetén lenne szükséges.Az RFQ linac és az IH linac közötti közepes energiájú nyaláb (MEBT) átvitelben a sugárformáló rezonátort használják a nyalábformáló szerkezet fenntartására.Három négypólusú mágnest használnak az oldalsugár méretének szabályozására.Ezt a tervezési stratégiát számos gyorsítóban alkalmazták31,32,33.A teljes rendszer teljes hossza az ionforrástól a célkamráig a becslések szerint kevesebb, mint 8 m, ami elfér egy szabványos nyerges teherautóban.
A neutronkonverziós célpont közvetlenül a lineáris gyorsító után kerül telepítésre.Megbeszéljük a célállomás-terveket korábbi tanulmányok alapján inverz kinematikai forgatókönyvek alkalmazásával23.A bejelentett konverziós célok között szerepelnek szilárd anyagok (polipropilén (C3H6) és titán-hidrid (TiH2)) és gáznemű célrendszerek.Minden célnak vannak előnyei és hátrányai.A szilárd célpontok pontos vastagságszabályozást tesznek lehetővé.Minél vékonyabb a célpont, annál pontosabb a neutrontermelés térbeli elrendezése.Az ilyen célpontok azonban bizonyos fokú nem kívánt nukleáris reakciókat és sugárzást okozhatnak.Másrészt a hidrogén célpont tisztább környezetet biztosíthat azáltal, hogy megszünteti a 7Be, a magreakció fő terméke képződését.A hidrogén azonban gyenge záróképességgel rendelkezik, és nagy fizikai távolságra van szükség az elegendő energiafelszabadításhoz.Ez kissé hátrányos a TOF méréseknél.Ezen túlmenően, ha vékony filmet használnak egy hidrogén céltárgy lezárására, figyelembe kell venni a vékony film és a beeső lítiumsugár által keltett gamma-sugárzás energiaveszteségét.
A LICORNE polipropilén céltárgyakat használ, és a célrendszert tantálfóliával lezárt hidrogéncellákra fejlesztették.Feltételezve, hogy a 7Li34 esetében 100 nA sugáráram van, mindkét célrendszer akár 107 n/s/sr-t is képes előállítani.Ha ezt az állítólagos neutronhozam-konverziót alkalmazzuk a javasolt neutronforrásunkra, akkor minden lézerimpulzusra 7 × 10–8 C-os lítium-vezérelt nyaláb érhető el.Ez azt jelenti, hogy a lézer másodpercenkénti kétszeri kilövése 40%-kal több neutront termel, mint amennyit a LICORNE egy másodperc alatt képes folyamatos sugárral előállítani.A teljes fluxus könnyen növelhető a lézer gerjesztési frekvenciájának növelésével.Ha feltételezzük, hogy van egy 1 kHz-es lézerrendszer a piacon, az átlagos neutronfluxus könnyen felskálázható körülbelül 7 × 109 n/s/sr-re.
Ha nagy ismétlési sebességű rendszereket használunk műanyag céltáblákkal, akkor ellenőrizni kell a hőtermelést a céltárgyakon, mert például a polipropilén alacsony olvadáspontja 145-175 °C, hővezető képessége pedig 0,1-0,22 W/ m/K.Egy 14 MeV-os lítium-ion nyalábnál egy 7 µm vastag polipropilén célpont elegendő ahhoz, hogy a nyaláb energiáját a reakcióküszöbre (13,098 MeV) csökkentse.Figyelembe véve az egy lézerlövés által generált ionok célpontra gyakorolt ​​összhatását, a lítium-ionok polipropilénen keresztüli energiafelszabadulása 64 mJ/impulzusra becsülhető.Feltételezve, hogy az összes energia egy 10 mm átmérőjű körben kerül átvitelre, minden impulzus körülbelül 18 K/impulzus hőmérséklet-emelkedésnek felel meg.A polipropilén céltárgyak energiafelszabadulása azon az egyszerű feltételezésen alapul, hogy minden energiaveszteség hőként tárolódik, sugárzás vagy egyéb hőveszteség nélkül.Mivel a másodpercenkénti impulzusok számának növelése megköveteli a hőfelhalmozódás megszüntetését, használhatunk csíkos célpontokat, hogy elkerüljük az energia felszabadulását ugyanabban a pontban23.Feltételezve egy 10 mm-es sugárfoltot egy 100 Hz-es lézerismétlési frekvenciájú célponton, a polipropilén szalag pásztázási sebessége 1 m/s lenne.Nagyobb ismétlési gyakoriság lehetséges, ha a sugárpont átfedés megengedett.
Vizsgáltuk a célpontokat hidrogén akkumulátorokkal is, mert erősebb hajtónyalábokat lehetett használni anélkül, hogy károsítaná a célpontot.A neutronnyaláb könnyen hangolható a gázkamra hosszának és a benne lévő hidrogénnyomás változtatásával.Vékony fémfóliákat gyakran használnak gyorsítókban, hogy a céltárgy gáznemű tartományát leválasztják a vákuumról.Ezért szükséges a beeső lítium-ion sugár energiájának növelése a fólia energiaveszteségének kompenzálása érdekében.A 35. jelentésben leírt célszerelvény egy 3,5 cm hosszú, 1,5 atm H2 gáznyomású alumíniumtartályból állt.A 16,75 MeV-os lítium-ion sugár a léghűtéses 2,7 µm-es Ta fólián keresztül jut be az akkumulátorba, és az akkumulátor végén lévő lítium-ion sugár energiája a reakcióküszöbig lelassul.Ahhoz, hogy a lítium-ion akkumulátorok sugárenergiáját 14,0 MeV-ról 16,75 MeV-ra növeljék, az IH linac-ot körülbelül 30 cm-rel meg kellett hosszabbítani.
Vizsgálták a gázcella-célpontok neutronkibocsátását is.A fent említett LICORNE gázcélpontok esetében a GEANT436 szimulációk azt mutatják, hogy a kúp belsejében erősen orientált neutronok keletkeznek, amint az a [37] 1. ábráján látható.A 35. hivatkozás a 0,7 és 3,0 MeV közötti energiatartományt mutatja a fősugár terjedési irányához képest 19,5°-os maximális kúpnyílással.Az erősen orientált neutronok a legtöbb szögben jelentősen csökkenthetik az árnyékolóanyag mennyiségét, csökkentve a szerkezet súlyát, és nagyobb rugalmasságot biztosítanak a mérőberendezések telepítésében.Sugárvédelmi szempontból ez a gáznemű célpont a neutronokon kívül izotróp módon 478 keV-os gamma sugarakat bocsát ki a centroid koordinátarendszerben38.Ezek a γ-sugarak a 7Be bomlás és a 7Li degerjesztés eredményeként keletkeznek, ami akkor következik be, amikor az elsődleges Li nyaláb eléri a Ta bemeneti ablakot.Egy vastag, 35 Pb/Cu hengeres kollimátor hozzáadásával azonban a háttér jelentősen csökkenthető.
Alternatív célpontként használható a plazmaablak [39, 40], amely lehetővé teszi viszonylag magas hidrogénnyomás elérését és a neutronképződéshez kis térbeli régiót, bár ez alacsonyabb, mint a szilárd célpontok.
Neutronkonverziós célzási lehetőségeket vizsgálunk a lítium-ion nyaláb várható energiaeloszlására és nyalábméretére vonatkozóan a GEANT4 segítségével.Szimulációink konzisztens neutronenergia- és szögeloszlást mutatnak a hidrogéncélpontok esetében a fenti irodalomban.Bármely célrendszerben erősen orientált neutronok előállíthatók inverz kinematikai reakcióval, amelyet erős 7Li3+ nyaláb hajt meg egy hidrogénben gazdag célponton.Ezért a már meglévő technológiák kombinálásával új neutronforrások valósíthatók meg.
A lézeres besugárzási körülmények a gyorsított demonstráció előtti ionsugár-generációs kísérleteket reprodukálták.A lézer egy asztali nanoszekundumos Nd:YAG rendszer 1012 W/cm2 lézerteljesítménysűrűséggel, 1064 nm alaphullámhosszal, 800 mJ spot energiával és 6 ns impulzus időtartammal.A célponton a folt átmérőjét 100 µm-re becsülik.Mivel a lítium fém (Alfa Aesar, 99,9%-os tisztaság) meglehetősen puha, a precízen vágott anyagot belepréselik a formába.A fólia méretei 25 mm × 25 mm, vastagsága 0,6 mm.Kráterszerű sérülés keletkezik a céltárgy felületén, amikor egy lézer eltalálja, ezért a célpontot egy motoros platform mozgatja, hogy minden lézerlövésnél friss részletet biztosítson a célpont felületéből.A maradék gáz miatti rekombináció elkerülése érdekében a kamrában a nyomást 10-4 Pa tartomány alatt tartottuk.
A lézerplazma kezdeti térfogata kicsi, mivel a lézerfolt mérete 100 μm, és a keletkezésétől számított 6 ns-en belül.A kötet pontos pontnak vehető és bővíthető.Ha a detektort a célfelülettől xm távolságra helyezzük el, akkor a vett jel a következő összefüggésnek engedelmeskedik: I ionáram, t ion érkezési idő és τ impulzusszélesség.
A keletkezett plazmát TOF módszerrel, FC-vel és a lézeres célponttól 2,4 m és 3,85 m távolságra elhelyezett energiaion-analizátorral (EIA) vizsgáltuk.Az FC-nek van egy -5 kV-tal előfeszített szupresszorrácsa, hogy megakadályozza az elektronokat.Az EIA 90 fokos elektrosztatikus terelővel rendelkezik, amely két, azonos feszültségű, de ellentétes polaritású, kívül pozitív, belül negatív koaxiális fém hengeres elektródából áll.A táguló plazmát a rés mögötti terelőbe irányítják, és a hengeren áthaladó elektromos tér eltéríti.Az E/z = eKU összefüggést kielégítő ionokat másodlagos elektronszorzóval (SEM) (Hamamatsu R2362) detektáljuk, ahol E, z, e, K és U az ion energiája, töltési állapota és töltése EIA geometriai tényezők. .elektronok, illetve az elektródák közötti potenciálkülönbség.A deflektoron lévő feszültség változtatásával megkaphatjuk az ionok energia- és töltéseloszlását a plazmában.Az U/2 EIA sweep feszültség 0,2 V és 800 V között van, ami töltési állapotonként 4 eV és 16 keV közötti ionenergiának felel meg.
A „Teljesen lecsupaszított lítiumnyalábok generálása” részben leírt lézeres besugárzás körülményei között elemzett ionok töltési állapotának eloszlását a 1-1.8.
Az ionok töltési állapotának eloszlásának elemzése.Itt látható az EIA-val elemzett ionáram-sűrűség időprofil, amelyet a lítiumfóliától 1 m-re skáláztunk az egyenlet segítségével.(1) és (2).Használja a „Teljesen hámlott lítiumsugár létrehozása” részben leírt lézeres besugárzási feltételeket.Az egyes áramsűrűségek integrálásával kiszámítottuk az ionok arányát a plazmában, a 3. ábrán látható módon.
A lézer ionforrások intenzív, több mA-es ionsugarat képesek leadni nagy töltéssel.A sugártovábbítás azonban nagyon nehézkes a tértöltés taszítása miatt, ezért nem terjedt el széles körben.A hagyományos sémában az ionnyalábokat a plazmából vonják ki, és egy sugárvonal mentén, több fókuszáló mágnessel továbbítják az elsődleges gyorsítóhoz, hogy az ionsugarat a gyorsító felvevő képességének megfelelően alakítsák.A tértöltési erőnyalábokban a nyalábok nem lineárisan térnek szét, és komoly nyalábveszteség figyelhető meg, különösen az alacsony sebességek tartományában.Ennek a problémának az orvosi széngyorsítók fejlesztése során történő leküzdésére egy új DPIS41 sugártovábbítási sémát javasoltak.Ezt a technikát alkalmaztuk egy új neutronforrásból származó erős lítium-ion nyaláb felgyorsítására.
ábrán látható módon.A 4. ábrán látható, hogy a teret, amelyben a plazmát előállítják és kiterjesztik, egy fémtartály veszi körül.A zárt tér az RFQ rezonátor bejáratáig terjed, beleértve a mágnestekercs belsejében lévő térfogatot is.A tartályra 52 kV feszültséget kapcsoltunk.Az RFQ rezonátorban az ionokat potenciál húzza át egy 6 mm átmérőjű lyukon az RFQ földelésével.A nyalábvonalon fellépő nemlineáris taszító erők megszűnnek, mivel az ionok plazmaállapotban szállítódnak.Ezen túlmenően, amint fentebb említettük, mágneses mezőt alkalmaztunk a DPIS-sel kombinálva, hogy szabályozzuk és növeljük az ionok sűrűségét az extrakciós nyílásban.
Az RFQ-gyorsító egy hengeres vákuumkamrából áll, amint az az ábrán látható.9a.Benne négy oxigénmentes réz rúd van elhelyezve kvadrupólusszimmetrikusan a nyaláb tengelye körül (9b. ábra).4 rúd és kamra rezonáns RF áramkört alkot.Az indukált RF mező időben változó feszültséget hoz létre a rúdon.A tengely körül hosszirányban beültetett ionokat oldalirányban a kvadrupól mező tartja.Ugyanakkor a rúd hegye modulálva van, hogy axiális elektromos mezőt hozzon létre.Az axiális mező a beinjektált folytonos sugarat nyalábimpulzusok sorozatára osztja, amelyeket nyalábnak neveznek.Minden egyes nyaláb egy bizonyos RF ciklusidőn (10 ns) belül van.A szomszédos nyalábok a rádiófrekvenciás periódusnak megfelelően vannak elosztva.Az RFQ linacban egy lézerionforrásból származó 2 µs-os nyaláb 200 nyalábból álló sorozattá alakul.Ezután a sugár a számított energiára gyorsul.
Lineáris gyorsító RFQ.(a) (balra) Az RFQ linac kamra külső képe.(b) (jobbra) Négyrúd elektróda a kamrában.
Az RFQ linac fő tervezési paraméterei a rúdfeszültség, a rezonancia frekvencia, a nyaláb furat sugara és az elektróda modulációja.Válassza ki a rúd feszültségét ± 29 kV-ra úgy, hogy az elektromos tere az elektromos áttörési küszöb alatt legyen.Minél alacsonyabb a rezonancia frekvencia, annál nagyobb az oldalirányú fókuszáló erő és annál kisebb az átlagos gyorsulási mező.A nagy apertúra sugarak lehetővé teszik a nyalábméret növelését, és ennek következtében a nyalábáram növelését a kisebb tértöltés taszítás miatt.Másrészt a nagyobb apertúra sugarak nagyobb RF teljesítményt igényelnek az RFQ linac táplálásához.Ráadásul a telephely minőségi követelményei is korlátozzák.Ezen egyensúlyok alapján a rezonanciafrekvenciát (100 MHz) és az apertúra sugarát (4,5 mm) választottuk az erősáramú nyalábgyorsításhoz.A modulációt úgy választják meg, hogy minimalizálja a sugárveszteséget és maximalizálja a gyorsítási hatékonyságot.A tervezést sokszor optimalizálták, hogy olyan RFQ linac kialakítást hozzanak létre, amely 40 mA-en képes felgyorsítani a 7Li3+ ionokat 22 keV/n-ről 204 keV/n-re 2 m-en belül.A kísérlet során mért RF teljesítmény 77 kW volt.
Az RFQ linacok egy adott Q/A tartományban képesek gyorsítani az ionokat.Ezért a lineáris gyorsító végére táplált nyaláb elemzésekor figyelembe kell venni az izotópokat és más anyagokat.Ráadásul a kívánt ionok részben felgyorsítva, de gyorsítási körülmények között a gázpedál közepén leereszkednek, oldalirányú elzáródásnak még megfelelhetnek, és a végére szállíthatók.A mesterséges 7Li3+ részecskéken kívüli nem kívánt sugarakat szennyeződéseknek nevezzük.Kísérleteink során a 14N6+ és 16O7+ szennyeződések okoztak a legnagyobb gondot, mivel a lítium fémfólia reakcióba lép a levegő oxigénjével és nitrogénjével.Ezeknek az ionoknak Q/A arányuk van, ami 7Li3+-mal gyorsítható.Dipólus mágneseket használunk a különböző minőségű és minőségű nyalábok szétválasztására a sugárelemzéshez az RFQ linac után.
Az RFQ linac utáni sugárvonalat úgy tervezték, hogy a teljesen felgyorsított 7Li3+ sugarat a dipólus mágnes után továbbítsa az FC-hez.-400 V-os előfeszítő elektródákat használnak a csészében lévő szekunder elektronok elnyomására az ionsugár áramának pontos mérése érdekében.Ezzel az optikával az ionpályák dipólusokká válnak szét, és a Q/A függvényében különböző helyekre fókuszálnak.Különböző tényezők miatt, mint például a lendület diffúziója és a tértöltés taszítása, a fókuszban lévő nyaláb bizonyos szélességgel rendelkezik.A fajok csak akkor választhatók el, ha a két ionfaj fókuszpontja közötti távolság nagyobb, mint a nyalábszélesség.A lehető legnagyobb felbontás érdekében egy vízszintes rés van beépítve a sugár derékrészéhez, ahol a sugár gyakorlatilag koncentrálódik.A rés és a PC közé szcintillációs képernyőt (CsI(Tl) a Saint-Gobain cégtől, 40 mm × 40 mm × 3 mm) helyeztek el.A szcintillátort arra használták, hogy meghatározzák azt a legkisebb rést, amelyen a tervezett részecskéknek át kellett haladniuk az optimális felbontás érdekében, és bemutatták a nagy áramerősségű nehézion-nyalábok elfogadható nyalábméreteit.A szcintillátoron lévő nyalábképet CCD kamera rögzíti egy vákuumablakon keresztül.Állítsa be az expozíciós idő ablakát úgy, hogy az lefedje a teljes sugárimpulzusszélességet.
A jelen tanulmányban felhasznált vagy elemzett adatkészletek ésszerű kérésre rendelkezésre állnak a megfelelő szerzőktől.
Manke, I. et al.Mágneses domének háromdimenziós képalkotása.Nemzeti kommuna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Kompakt neutronforrások vizsgálatának lehetőségei gyorsítóknál.fizika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neutron alapú számítógépes mikrotomográfia: Pliobates cataloniae és Barberapithecus huerzeleri tesztesetként.Igen.J. Fizika.antropológia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).