Furnizori de tuburi spiralate din oțel inoxidabil 304L 6,35 * 1 mm, Demonstrarea unui fascicul intens de litiu pentru generarea de neutroni direcți pulsați

Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Glisoare care arată trei articole pe diapozitiv.Utilizați butoanele înapoi și următorul pentru a vă deplasa prin diapozitive sau butoanele controlerului de diapozitive de la sfârșit pentru a vă deplasa prin fiecare diapozitiv.

Ca o alternativă la studiul reactoarelor nucleare, un generator compact de neutroni condus de un accelerator care utilizează un driver de fascicul de litiu-ion poate fi un candidat promițător, deoarece produce puține radiații nedorite.Cu toate acestea, a fost dificil să se livreze un fascicul intens de ioni de litiu, iar aplicarea practică a unor astfel de dispozitive a fost considerată imposibilă.Cea mai acută problemă a fluxului ionic insuficient a fost rezolvată prin aplicarea unei scheme de implantare directă cu plasmă.În această schemă, o plasmă pulsată de înaltă densitate generată prin ablația laser a unei folii de litiu metalic este injectată și accelerată eficient de un accelerator cu patru poli de înaltă frecvență (accelerator RFQ).Am atins un curent de fascicul de vârf de 35 mA accelerat la 1,43 MeV, ceea ce este cu două ordine de mărime mai mare decât poate furniza sistemele convenționale de injector și accelerator.
Spre deosebire de razele X sau particulele încărcate, neutronii au o adâncime mare de penetrare și o interacțiune unică cu materia condensată, făcându-le sonde extrem de versatile pentru studiul proprietăților materialelor1,2,3,4,5,6,7.În special, tehnicile de împrăștiere a neutronilor sunt utilizate în mod obișnuit pentru a studia compoziția, structura și tensiunile interne în materia condensată și pot oferi informații detaliate despre urme de compuși din aliajele metalice care sunt dificil de detectat folosind spectroscopie cu raze X8.Această metodă este considerată un instrument puternic în știința de bază și este folosită de producătorii de metale și alte materiale.Mai recent, difracția cu neutroni a fost utilizată pentru a detecta tensiunile reziduale în componente mecanice, cum ar fi părțile feroviare și aeronavei9,10,11,12.Neutronii sunt folosiți și în puțurile de petrol și gaze, deoarece sunt ușor de captat de materiale bogate în protoni13.Metode similare sunt folosite și în inginerie civilă.Testarea nedistructivă cu neutroni este un instrument eficient pentru detectarea defecțiunilor ascunse în clădiri, tuneluri și poduri.Utilizarea fasciculelor de neutroni este utilizată în mod activ în cercetarea științifică și în industrie, multe dintre acestea fiind dezvoltate istoric folosind reactoare nucleare.
Cu toate acestea, odată cu consensul global privind neproliferarea nucleară, construirea de reactoare mici în scopuri de cercetare devine din ce în ce mai dificilă.Mai mult, recentul accident de la Fukushima a făcut construirea de reactoare nucleare aproape acceptabilă din punct de vedere social.În legătură cu această tendință, cererea de surse de neutroni la acceleratoare este în creștere2.Ca o alternativă la reactoarele nucleare, sunt deja în funcțiune câteva surse mari de neutroni cu divizare a acceleratorului14,15.Totuși, pentru o utilizare mai eficientă a proprietăților fasciculelor de neutroni, este necesară extinderea utilizării surselor compacte la acceleratoare 16, care pot aparține instituțiilor de cercetare industriale și universitare.Sursele de neutroni acceleratoare au adăugat noi capabilități și funcții, pe lângă faptul că servesc ca înlocuitori pentru reactoarele nucleare14.De exemplu, un generator condus de linac poate crea cu ușurință un flux de neutroni prin manipularea fasciculului de antrenare.Odată emiși, neutronii sunt greu de controlat, iar măsurătorile radiațiilor sunt dificil de analizat din cauza zgomotului creat de neutronii de fond.Neutronii pulsați controlați de un accelerator evită această problemă.În întreaga lume au fost propuse mai multe proiecte bazate pe tehnologia acceleratorului de protoni17,18,19.Reacțiile 7Li(p, n)7Be și 9Be(p, n)9B sunt cel mai frecvent utilizate în generatoarele de neutroni compacte conduse de protoni deoarece sunt reacții endoterme20.Radiația în exces și deșeurile radioactive pot fi minimizate dacă energia aleasă pentru a excita fasciculul de protoni este puțin peste valoarea pragului.Cu toate acestea, masa nucleului țintă este mult mai mare decât cea a protonilor, iar neutronii rezultați se împrăștie în toate direcțiile.O emisie atât de aproape de izotropă a unui flux de neutroni împiedică transportul eficient al neutronilor la obiectul de studiu.În plus, pentru a obține doza necesară de neutroni la locul obiectului, este necesară creșterea semnificativă atât a numărului de protoni în mișcare, cât și a energiei acestora.Ca urmare, doze mari de raze gamma și neutroni se vor propaga prin unghiuri mari, distrugând avantajul reacțiilor endoterme.Un generator de neutroni compact pe bază de protoni, condus de accelerator, are o protecție puternică împotriva radiațiilor și este cea mai voluminoasă parte a sistemului.Necesitatea de a crește energia de antrenare a protonilor necesită de obicei o creștere suplimentară a dimensiunii instalației de accelerație.
Pentru a depăși deficiențele generale ale surselor convenționale de neutroni compacti la acceleratoare, a fost propusă o schemă de reacție cinematică inversă21.În această schemă, un fascicul de ioni de litiu mai greu este utilizat ca fascicul de ghidare în locul unui fascicul de protoni, țintând materiale bogate în hidrogen, cum ar fi materiale plastice hidrocarburi, hidruri, hidrogen gazos sau plasmă de hidrogen.Au fost luate în considerare alternative, cum ar fi fasciculele conduse de ioni de beriliu, cu toate acestea, beriliul este o substanță toxică care necesită o atenție specială în manipulare.Prin urmare, un fascicul de litiu este cel mai potrivit pentru schemele de reacție cinematică inversă.Deoarece impulsul nucleelor ​​de litiu este mai mare decât cel al protonilor, centrul de masă al coliziunilor nucleare se mișcă constant înainte, iar neutronii sunt, de asemenea, emiși înainte.Această caracteristică elimină foarte mult razele gamma nedorite și emisiile de neutroni cu unghi înalt22.O comparație a cazului obișnuit al unui motor cu protoni și scenariul cinematicii inverse este prezentată în Figura 1.
Ilustrație a unghiurilor de producție de neutroni pentru fasciculele de protoni și litiu (desenată cu Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutronii pot fi ejectați în orice direcție ca rezultat al reacției datorită faptului că protonii în mișcare lovesc atomii mult mai grei ai țintei de litiu.(b) În schimb, dacă un driver de ioni de litiu bombardează o țintă bogată în hidrogen, neutronii sunt generați într-un con îngust în direcția înainte, datorită vitezei mari a centrului de masă al sistemului.
Cu toate acestea, există doar câțiva generatori de neutroni cinematici inversi din cauza dificultății de a genera fluxul necesar de ioni grei cu o sarcină mare în comparație cu protonii.Toate aceste instalații folosesc surse de ioni negativi de pulverizare în combinație cu acceleratoare electrostatice în tandem.Au fost propuse și alte tipuri de surse de ioni pentru a crește eficiența accelerării fasciculului26.În orice caz, curentul fasciculului de ioni de litiu disponibil este limitat la 100 µA.S-a propus să se utilizeze 1 mA de Li3+27, dar acest curent al fasciculului ionic nu a fost confirmat prin această metodă.În ceea ce privește intensitatea, acceleratoarele de fascicul de litiu nu pot concura cu acceleratoarele de fascicul de protoni al căror curent maxim de protoni depășește 10 mA28.
Pentru a implementa un generator de neutroni compact, practic, bazat pe un fascicul de ioni de litiu, este avantajos să se genereze intensitate ridicată complet lipsită de ioni.Ionii sunt accelerați și ghidați de forțele electromagnetice, iar un nivel de încărcare mai ridicat are ca rezultat o accelerare mai eficientă.Driverele de fascicul Li-ion necesită curenți de vârf Li3+ care depășesc 10 mA.
În această lucrare, demonstrăm accelerația fasciculelor Li3+ cu curenți de vârf de până la 35 mA, care este comparabilă cu acceleratoarele de protoni avansate.Fasciculul original de ioni de litiu a fost creat folosind ablația cu laser și o schemă de implantare directă cu plasmă (DPIS) dezvoltată inițial pentru a accelera C6+.Un linac cu patru poli frecvență radio (RFQ linac) proiectat la comandă a fost fabricat folosind o structură rezonantă cu patru tije.Am verificat că fasciculul de accelerare are energia calculată a fasciculului de înaltă puritate.Odată ce fasciculul Li3+ este capturat și accelerat eficient de acceleratorul de radiofrecvență (RF), secțiunea ulterioară de linac (accelerator) este utilizată pentru a furniza energia necesară pentru a genera un flux puternic de neutroni de la țintă.
Accelerarea ionilor de înaltă performanță este o tehnologie bine consacrată.Sarcina rămasă de realizare a unui nou generator compact de neutroni extrem de eficient este de a genera un număr mare de ioni de litiu complet stripați și de a forma o structură de cluster constând dintr-o serie de impulsuri ionice sincronizate cu ciclul RF în accelerator.Rezultatele experimentelor concepute pentru a atinge acest obiectiv sunt descrise în următoarele trei subsecțiuni: (1) generarea unui fascicul complet lipsit de litiu-ion, (2) accelerarea fasciculului folosind un linac RFQ special conceput și (3) accelerarea analizei. a fasciculului pentru a-i verifica continutul.La Brookhaven National Laboratory (BNL), am construit configurația experimentală prezentată în Figura 2.
Prezentare generală a configurației experimentale pentru analiza accelerată a fasciculelor de litiu (ilustrat de Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).De la dreapta la stânga, plasma ablativă laser este generată în camera de interacțiune laser-țintă și livrată linacului RFQ.La intrarea în acceleratorul RFQ, ionii sunt separați de plasmă și injectați în acceleratorul RFQ printr-un câmp electric brusc creat de o diferență de tensiune de 52 kV între electrodul de extracție și electrodul RFQ din regiunea de deriva.Ionii extrași sunt accelerați de la 22 keV/n la 204 keV/n folosind electrozi RFQ de 2 metri lungime.Un transformator de curent (CT) instalat la ieșirea linac-ului RFQ asigură măsurarea nedistructivă a curentului fasciculului ionic.Fasciculul este focalizat de trei magneți cvadrupoli și direcționat către un magnet dipol, care separă și direcționează fasciculul Li3+ în detector.În spatele fantei, un scintilator retractabil din plastic și o cupă Faraday (FC) cu o polarizare de până la -400 V sunt folosite pentru a detecta fasciculul de accelerare.
Pentru a genera ioni de litiu complet ionizați (Li3+), este necesar să se creeze o plasmă cu o temperatură peste a treia energie de ionizare (122,4 eV).Am încercat să folosim ablația cu laser pentru a produce plasmă la temperatură înaltă.Acest tip de sursă de ioni laser nu este folosit în mod obișnuit pentru a genera fascicule de ioni de litiu, deoarece metalul de litiu este reactiv și necesită o manipulare specială.Am dezvoltat un sistem de încărcare țintă pentru a minimiza umiditatea și contaminarea aerului atunci când instalăm folie de litiu în camera de interacțiune a laserului cu vid.Toate pregătirile materialelor au fost efectuate într-un mediu controlat de argon uscat.După ce folia de litiu a fost instalată în camera țintă a laserului, folia a fost iradiată cu radiație laser Nd:YAG pulsată la o energie de 800 mJ pe impuls.La focalizarea pe țintă, densitatea de putere a laserului este estimată la aproximativ 1012 W/cm2.Plasma este creată atunci când un laser pulsat distruge o țintă în vid.În timpul întregului impuls laser de 6 ns, plasma continuă să se încălzească, în principal datorită procesului de bremsstrahlung invers.Deoarece în timpul fazei de încălzire nu se aplică niciun câmp extern de limitare, plasma începe să se extindă în trei dimensiuni.Când plasma începe să se extindă peste suprafața țintă, centrul de masă al plasmei capătă o viteză perpendiculară pe suprafața țintă cu o energie de 600 eV/n.După încălzire, plasma continuă să se miște în direcția axială față de țintă, extinzându-se izotrop.
După cum se arată în Figura 2, plasma de ablație se extinde într-un volum de vid înconjurat de un recipient metalic cu același potențial ca și ținta.Astfel, plasma se deplasează prin regiunea liberă de câmp către acceleratorul RFQ.Un câmp magnetic axial este aplicat între camera de iradiere laser și linac RFQ prin intermediul unei bobine de solenoid înfășurate în jurul camerei de vid.Câmpul magnetic al solenoidului suprimă expansiunea radială a plasmei în derivă pentru a menține o densitate mare a plasmei în timpul livrării către deschiderea RFQ.Pe de altă parte, plasma continuă să se extindă în direcția axială în timpul derivării, formând o plasmă alungită.O polarizare de înaltă tensiune este aplicată vasului metalic care conține plasma în fața portului de ieșire la intrarea RFQ.Tensiunea de polarizare a fost aleasă pentru a furniza rata de injecție de 7Li3+ necesară pentru accelerarea corespunzătoare de către linac RFQ.
Plasma de ablație rezultată conține nu numai 7Li3+, ci și litiu în alte stări de încărcare și elemente poluante, care sunt transportate simultan către acceleratorul liniar RFQ.Înainte de experimentele accelerate folosind linac RFQ, a fost efectuată o analiză offline a timpului de zbor (TOF) pentru a studia compoziția și distribuția energiei ionilor din plasmă.Configurația analitică detaliată și distribuțiile observate ale stării de încărcare sunt explicate în secțiunea Metode.Analiza a arătat că ionii 7Li3+ au fost particulele principale, reprezentând aproximativ 54% din toate particulele, așa cum se arată în Fig. 3. Conform analizei, curentul ionic 7Li3+ la punctul de ieșire al fasciculului ionic este estimat la 1,87 mA.În timpul testelor accelerate, un câmp de solenoid de 79 mT este aplicat plasmei în expansiune.Ca urmare, curentul 7Li3+ extras din plasmă și observat pe detector a crescut cu un factor de 30.
Fracțiuni de ioni din plasmă generată cu laser obținute prin analiza timpului de zbor.Ionii 7Li1+ și 7Li2+ reprezintă 5% și, respectiv, 25% din fasciculul de ioni.Fracția detectată de particule de 6Li este în acord cu conținutul natural de 6Li (7,6%) din ținta foliei de litiu în cadrul erorii experimentale.S-a observat o ușoară contaminare cu oxigen (6,2%), în principal cu O1+ (2,1%) și O2+ (1,5%), care se poate datora oxidării suprafeței țintei foliei de litiu.
După cum sa menționat anterior, plasma de litiu plutește într-o regiune fără câmp înainte de a intra în linac RFQ.Intrarea linacului RFQ are o gaură cu diametrul de 6 mm într-un recipient metalic, iar tensiunea de polarizare este de 52 kV.Deși tensiunea electrodului RFQ se modifică rapid ±29 kV la 100 MHz, tensiunea provoacă accelerație axială deoarece electrozii de accelerație RFQ au un potențial mediu de zero.Datorită câmpului electric puternic generat în spațiul de 10 mm dintre deschidere și marginea electrodului RFQ, numai ionii de plasmă pozitivi sunt extrași din plasmă la deschidere.În sistemele tradiționale de livrare a ionilor, ionii sunt separați de plasmă printr-un câmp electric la o distanță considerabilă în fața acceleratorului RFQ și apoi focalizați în deschiderea RFQ printr-un element de focalizare a fasciculului.Cu toate acestea, pentru fasciculele de ioni grele intense necesare pentru o sursă intensă de neutroni, forțele de respingere neliniare datorate efectelor încărcăturii spațiale pot duce la pierderi semnificative de curent al fasciculului în sistemul de transport ionic, limitând curentul de vârf care poate fi accelerat.În DPIS-ul nostru, ionii de mare intensitate sunt transportați ca o plasmă în derivă direct în punctul de ieșire al deschiderii RFQ, astfel încât nu există nicio pierdere a fasciculului ionic din cauza încărcării spațiale.În timpul acestei demonstrații, DPIS a fost aplicat pentru prima dată pe un fascicul de ioni de litiu.
Structura RFQ a fost dezvoltată pentru focalizarea și accelerarea fasciculelor de ioni de curent înalt de energie joasă și a devenit standardul pentru accelerarea de prim ordin.Am folosit RFQ pentru a accelera ionii 7Li3+ de la o energie a implantului de 22 keV/n la 204 keV/n.Deși litiul și alte particule cu o sarcină mai mică în plasmă sunt, de asemenea, extrase din plasmă și injectate în deschiderea RFQ, linac RFQ accelerează doar ionii cu un raport încărcare-masă (Q/A) apropiat de 7Li3+.
Pe fig.Figura 4 prezintă formele de undă detectate de transformatorul de curent (CT) la ieșirea linac-ului RFQ și a cupei Faraday (FC) după analizarea magnetului, așa cum se arată în fig.2. Decalajul de timp dintre semnale poate fi interpretat ca diferența de timp de zbor la locația detectorului.Curentul ionic de vârf măsurat la CT a fost de 43 mA.În poziția RT, fasciculul înregistrat poate conține nu numai ioni accelerați la energia calculată, ci și alți ioni decât 7Li3+, care nu sunt suficient de accelerați.Cu toate acestea, asemănarea formelor de curent ionic găsite prin intermediul QD și PC indică faptul că curentul ionic constă în principal din 7Li3+ accelerat, iar scăderea valorii de vârf a curentului pe PC este cauzată de pierderile fasciculului în timpul transferului ionic între QD și PC.Pierderi Acest lucru este confirmat și de simularea anvelopei.Pentru a măsura cu precizie curentul fasciculului 7Li3+, fasciculul este analizat cu un magnet dipol așa cum este descris în secțiunea următoare.
Oscilograme ale fasciculului accelerat înregistrate în pozițiile detectorului CT (curba neagră) și FC (curba roșie).Aceste măsurători sunt declanșate de detectarea radiației laser de către un fotodetector în timpul generării plasmei laser.Curba neagră arată forma de undă măsurată pe un CT conectat la ieșirea linac RFQ.Datorită apropierii sale de linac RFQ, detectorul preia zgomot RF de 100 MHz, așa că a fost aplicat un filtru FFT trece jos de 98 MHz pentru a elimina semnalul RF rezonant de 100 MHz suprapus semnalului de detectare.Curba roșie arată forma de undă la FC după ce magnetul analitic direcționează fasciculul de ioni 7Li3+.În acest câmp magnetic, în afară de 7Li3+, se pot transporta N6+ și O7+.
Fasciculul de ioni după Linac RFQ este focalizat de o serie de trei magneți de focalizare cu patru poli și apoi analizat de magneți dipol pentru a izola impuritățile din fasciculul de ioni.Un câmp magnetic de 0,268 T direcționează fasciculele 7Li3+ în FC.Forma de undă de detecție a acestui câmp magnetic este prezentată ca curba roșie în Figura 4. Curentul maxim al fasciculului atinge 35 mA, care este de peste 100 de ori mai mare decât un fascicul tipic Li3+ produs în acceleratoarele electrostatice convenționale existente.Lățimea impulsului fasciculului este de 2,0 µs la lățimea completă la jumătate de maxim.Detectarea unui fascicul 7Li3+ cu un câmp magnetic dipol indică o accelerare reușită a fasciculului.Curentul fasciculului ionic detectat de FC la scanarea câmpului magnetic al dipolului este prezentat în Fig. 5. A fost observat un singur vârf curat, bine separat de alte vârfuri.Deoarece toți ionii accelerați la energia de proiectare de către linac RFQ au aceeași viteză, fasciculele de ioni cu același Q/A sunt greu de separat prin câmpuri magnetice dipol.Prin urmare, nu putem distinge 7Li3+ de N6+ sau O7+.Cu toate acestea, cantitatea de impurități poate fi estimată din stările de încărcare învecinate.De exemplu, N7+ și N5+ pot fi separate cu ușurință, în timp ce N6+ poate face parte din impuritate și este de așteptat să fie prezent în aproximativ aceeași cantitate ca N7+ și N5+.Nivelul de poluare estimat este de aproximativ 2%.
Spectrele componente ale fasciculului obținute prin scanarea unui câmp magnetic dipol.Vârful la 0,268 T corespunde 7Li3+ și N6+.Lățimea vârfului depinde de dimensiunea fasciculului de pe fantă.În ciuda vârfurilor largi, 7Li3+ se separă bine de 6Li3+, O6+ și N5+, dar se separă slab de O7+ și N6+.
La locația FC, profilul fasciculului a fost confirmat cu un scintilator plug-in și înregistrat cu o cameră digitală rapidă, așa cum se arată în Figura 6. Fasciculul pulsat 7Li3+ cu un curent de 35 mA se arată a fi accelerat la un RFQ calculat. energie de 204 keV/n, care corespunde la 1,4 MeV, și transmisă detectorului FC.
Profilul fasciculului observat pe un ecran de scintilator pre-FC (colorat de Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Câmpul magnetic al magnetului dipol analitic a fost reglat pentru a direcționa accelerația fasciculului de ioni Li3+ către energia de proiectare RFQ.Punctele albastre din zona verde sunt cauzate de materialul scintilator defect.
Am obținut generarea de ioni 7Li3+ prin ablația cu laser a suprafeței unei folii solide de litiu, iar un fascicul de ioni de curent ridicat a fost capturat și accelerat cu un linac RFQ special conceput folosind DPIS.La o energie a fasciculului de 1,4 MeV, curentul de vârf de 7Li3+ atins pe FC după analiza magnetului a fost de 35 mA.Acest lucru confirmă faptul că cea mai importantă parte a implementării unei surse de neutroni cu cinematică inversă a fost implementată experimental.În această parte a lucrării, va fi discutat întregul design al unei surse compacte de neutroni, inclusiv acceleratoare de mare energie și stații țintă de neutroni.Proiectarea se bazează pe rezultatele obținute cu sistemele existente în laboratorul nostru.Trebuie remarcat faptul că curentul de vârf al fasciculului de ioni poate fi crescut în continuare prin scurtarea distanței dintre folia de litiu și linac RFQ.Orez.7 ilustrează întregul concept al sursei de neutroni compacte propuse la accelerator.
Design conceptual al sursei de neutroni compacte propuse la accelerator (desenat de Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).De la dreapta la stânga: sursă de ioni laser, magnet solenoid, linac RFQ, transfer de fascicul de energie medie (MEBT), linac IH și cameră de interacțiune pentru generarea de neutroni.Protecția împotriva radiațiilor este asigurată în primul rând în direcția înainte, datorită naturii îngust direcționate a fasciculelor de neutroni produse.
După linac RFQ, este planificată o accelerare suplimentară a structurii H interdigitale (IH linac)30 linac.Linacurile IH folosesc o structură a tubului de deriva în modul π pentru a oferi gradienți mari de câmp electric pe o anumită gamă de viteze.Studiul conceptual a fost realizat pe baza simulării dinamicii longitudinale 1D și a simularii shell 3D.Calculele arată că un linac IH de 100 MHz cu o tensiune rezonabilă a tubului de deriva (mai puțin de 450 kV) și un magnet puternic de focalizare poate accelera un fascicul de 40 mA de la 1,4 la 14 MeV la o distanță de 1,8 m.Distribuția energiei la sfârșitul lanțului acceleratorului este estimată la ± 0,4 MeV, ceea ce nu afectează semnificativ spectrul de energie al neutronilor produși de ținta de conversie a neutronilor.În plus, emisivitatea fasciculului este suficient de scăzută pentru a focaliza fasciculul într-un punct al fasciculului mai mic decât ar fi necesar în mod normal pentru un magnet cu patru poli cu putere și dimensiune medie.În transmisia cu fascicul de energie medie (MEBT) între linac RFQ și linac IH, rezonatorul de formare a fasciculului este utilizat pentru a menține structura de formare a fasciculului.Trei magneți cvadrupoli sunt utilizați pentru a controla dimensiunea fasciculului lateral.Această strategie de proiectare a fost folosită în multe acceleratoare31,32,33.Lungimea totală a întregului sistem de la sursa de ioni până la camera țintă este estimată a fi mai mică de 8 m, care poate fi încadrată într-un semiremorcă standard.
Ținta de conversie a neutronilor va fi instalată direct după acceleratorul liniar.Discutăm despre proiectele stațiilor țintă bazate pe studii anterioare folosind scenarii cinematice inverse23.Țintele de conversie raportate includ materiale solide (polipropilenă (C3H6) și hidrură de titan (TiH2)) și sisteme țintă gazoase.Fiecare obiectiv are avantaje și dezavantaje.Țintele solide permit un control precis al grosimii.Cu cât ținta este mai subțire, cu atât aranjarea spațială a producției de neutroni este mai precisă.Cu toate acestea, astfel de ținte pot avea încă un anumit grad de reacții nucleare și radiații nedorite.Pe de altă parte, o țintă de hidrogen poate oferi un mediu mai curat prin eliminarea producției de 7Be, principalul produs al reacției nucleare.Cu toate acestea, hidrogenul are o capacitate de barieră slabă și necesită o distanță fizică mare pentru o eliberare suficientă de energie.Acest lucru este ușor dezavantajos pentru măsurătorile TOF.În plus, dacă se folosește o peliculă subțire pentru a sigila o țintă de hidrogen, este necesar să se țină cont de pierderile de energie ale razelor gamma generate de filmul subțire și de fasciculul de litiu incident.
LICORNE folosește ținte din polipropilenă, iar sistemul țintă a fost modernizat la celule de hidrogen sigilate cu folie de tantal.Presupunând un curent al fasciculului de 100 nA pentru 7Li34, ambele sisteme țintă pot produce până la 107 n/s/sr.Dacă aplicăm această conversie revendicată a randamentului de neutroni la sursa noastră de neutroni propusă, atunci se poate obține un fascicul condus de litiu de 7 × 10–8 C pentru fiecare impuls laser.Aceasta înseamnă că tragerea laserului de doar două ori pe secundă produce cu 40% mai mulți neutroni decât poate produce LICORNE într-o secundă cu un fascicul continuu.Fluxul total poate fi crescut cu ușurință prin creșterea frecvenței de excitare a laserului.Dacă presupunem că pe piață există un sistem laser de 1 kHz, fluxul mediu de neutroni poate fi ușor scalat până la aproximativ 7 × 109 n/s/sr.
Când folosim sisteme cu viteză mare de repetiție cu ținte din plastic, este necesar să controlăm generarea de căldură pe ținte deoarece, de exemplu, polipropilena are un punct de topire scăzut de 145–175 °C și o conductivitate termică scăzută de 0,1–0,22 W/ m/K.Pentru un fascicul de litiu-ion de 14 MeV, o țintă de polipropilenă cu grosimea de 7 µm este suficientă pentru a reduce energia fasciculului până la pragul de reacție (13,098 MeV).Luând în considerare efectul total al ionilor generați de o împușcare laser asupra țintei, eliberarea de energie a ionilor de litiu prin polipropilenă este estimată la 64 mJ/impuls.Presupunând că toată energia este transferată într-un cerc cu diametrul de 10 mm, fiecărui impuls îi corespunde o creștere a temperaturii de aproximativ 18 K/impuls.Eliberarea de energie pe țintele din polipropilenă se bazează pe simpla presupunere că toate pierderile de energie sunt stocate sub formă de căldură, fără radiații sau alte pierderi de căldură.Deoarece creșterea numărului de impulsuri pe secundă necesită eliminarea acumulării de căldură, putem folosi ținte de bandă pentru a evita eliberarea de energie în același punct23.Presupunând un punct al fasciculului de 10 mm pe o țintă cu o rată de repetiție a laserului de 100 Hz, viteza de scanare a benzii de polipropilenă ar fi de 1 m/s.Rate mai mari de repetiție sunt posibile dacă este permisă suprapunerea spotului fasciculului.
De asemenea, am investigat ținte cu baterii cu hidrogen, deoarece ar putea fi folosite fascicule de transmisie mai puternice fără a deteriora ținta.Fasciculul de neutroni poate fi reglat cu ușurință prin modificarea lungimii camerei de gaz și a presiunii hidrogenului din interior.Foliile metalice subțiri sunt adesea folosite în acceleratoare pentru a separa regiunea gazoasă a țintei de vid.Prin urmare, este necesară creșterea energiei fasciculului incident de litiu-ion pentru a compensa pierderile de energie de pe folie.Ansamblul țintă descris în raportul 35 a constat dintr-un recipient de aluminiu lung de 3,5 cm cu o presiune a gazului H2 de 1,5 atm.Fascicul de ioni de litiu de 16,75 MeV intră în baterie prin folia de 2,7 µm Ta răcită cu aer, iar energia fasciculului de ioni de litiu de la capătul bateriei este decelerata până la pragul de reacție.Pentru a crește energia fasciculului bateriilor litiu-ion de la 14,0 MeV la 16,75 MeV, linac-ul IH a trebuit să fie prelungit cu aproximativ 30 cm.
De asemenea, a fost studiată emisia de neutroni din țintele celulelor de gaz.Pentru țintele de gaz LICORNE menționate mai sus, simulările GEANT436 arată că în interiorul conului sunt generați neutroni foarte orientați, așa cum se arată în Figura 1 din [37].Referința 35 arată domeniul de energie de la 0,7 la 3,0 MeV cu o deschidere maximă a conului de 19,5° față de direcția de propagare a fasciculului principal.Neutronii foarte orientați pot reduce semnificativ cantitatea de material de ecranare la majoritatea unghiurilor, reducând greutatea structurii și oferind o mai mare flexibilitate în instalarea echipamentelor de măsurare.Din punct de vedere al protecției împotriva radiațiilor, pe lângă neutroni, această țintă gazoasă emite raze gamma de 478 keV izotrop în sistemul de coordonate centroid38.Aceste raze γ sunt produse ca rezultat al dezactivării 7Be și al dezexcitarii 7Li, care apare atunci când fasciculul de Li primar lovește fereastra de intrare Ta.Cu toate acestea, prin adăugarea unui colimator cilindric gros de 35 Pb/Cu, fundalul poate fi redus semnificativ.
Ca țintă alternativă, se poate folosi o fereastră de plasmă [39, 40], care face posibilă atingerea unei presiuni relativ ridicate a hidrogenului și a unei regiuni spațiale mici de generare de neutroni, deși este inferioară țintelor solide.
Investigăm opțiunile de direcționare a conversiei neutronilor pentru distribuția de energie așteptată și dimensiunea fasciculului unui fascicul de ioni de litiu folosind GEANT4.Simulările noastre arată o distribuție consistentă a energiei neutronilor și a distribuțiilor unghiulare pentru țintele de hidrogen în literatura de mai sus.În orice sistem țintă, neutronii înalt orientați pot fi produși printr-o reacție cinematică inversă condusă de un fascicul puternic de 7Li3+ pe o țintă bogată în hidrogen.Prin urmare, noi surse de neutroni pot fi implementate prin combinarea tehnologiilor deja existente.
Condițiile de iradiere cu laser au reprodus experimentele de generare a fasciculului de ioni înainte de demonstrația accelerată.Laserul este un sistem Nd:YAG de nanosecundă cu o densitate de putere a laserului de 1012 W/cm2, o lungime de undă fundamentală de 1064 nm, o energie spot de 800 mJ și o durată a impulsului de 6 ns.Diametrul punctului de pe țintă este estimat la 100 µm.Deoarece metalul litiu (Alfa Aesar, 99,9% pur) este destul de moale, materialul tăiat cu precizie este presat în matriță.Dimensiuni folie 25 mm × 25 mm, grosime 0,6 mm.Daune asemănătoare craterului au loc pe suprafața țintei atunci când un laser o lovește, astfel încât ținta este mișcată de o platformă motorizată pentru a oferi o porțiune nouă a suprafeței țintei cu fiecare împușcătură cu laser.Pentru a evita recombinarea din cauza gazului rezidual, presiunea din cameră a fost menținută sub intervalul de 10-4 Pa.
Volumul inițial al plasmei laser este mic, deoarece dimensiunea spotului laser este de 100 μm și în termen de 6 ns după generarea acestuia.Volumul poate fi luat ca punct exact și extins.Dacă detectorul este plasat la o distanță xm de suprafața țintă, atunci semnalul recepționat respectă relația: curentul ionic I, timpul de sosire a ionilor t și lățimea impulsului τ.
Plasma generată a fost studiată prin metoda TOF cu FC și un analizor de ioni de energie (EIA) situat la o distanță de 2,4 m și 3,85 m de ținta laser.FC are o grilă de supresor polarizat cu -5 kV pentru a preveni electronii.EIA are un deflector electrostatic de 90 de grade alcătuit din doi electrozi metalici coaxiali cu aceeași tensiune, dar cu polaritate opusă, pozitiv la exterior și negativ la interior.Plasma în expansiune este direcționată în deflectorul din spatele fantei și deviată de câmpul electric care trece prin cilindru.Ionii care satisfac relația E/z = eKU sunt detectați folosind un multiplicator de electroni secundar (SEM) (Hamamatsu R2362), unde E, z, e, K și U sunt energia ionică, starea de încărcare și sarcina sunt factori geometrici EIA. .electroni, respectiv, și diferența de potențial dintre electrozi.Schimbând tensiunea pe deflector, se poate obține energia și distribuția de sarcină a ionilor din plasmă.Tensiunea de baleiaj U/2 EIA este în intervalul de la 0,2 V la 800 V, ceea ce corespunde unei energii ionice în intervalul de la 4 eV la 16 keV per stare de încărcare.
Distribuțiile stării de încărcare a ionilor analizați în condițiile iradierii laser descrise în secțiunea „Generarea fasciculelor de litiu complet stripate” sunt prezentate în Fig.8.
Analiza distribuției stării de încărcare a ionilor.Iată profilul de timp al densității curentului ionic analizat cu EIA și scalat la 1 m de folia de litiu folosind ecuația.(1) și (2).Utilizați condițiile de iradiere cu laser descrise în secțiunea „Generarea unui fascicul de litiu complet exfoliat”.Prin integrarea fiecărei densități de curent, a fost calculată proporția de ioni din plasmă, prezentată în Figura 3.
Sursele de ioni laser pot furniza un fascicul de ioni intens multi-mA cu o încărcare mare.Cu toate acestea, livrarea fasciculului este foarte dificilă din cauza respingerii încărcăturii spațiale, așa că nu a fost utilizat pe scară largă.În schema tradițională, fasciculele de ioni sunt extrase din plasmă și transportate la acceleratorul primar de-a lungul unei linii de fascicul cu mai mulți magneți de focalizare pentru a modela fasciculul de ioni în funcție de capacitatea de captare a acceleratorului.În fasciculele de forță de încărcare spațială, fasciculele diverg neliniar și se observă pierderi serioase ale fasciculului, în special în regiunea cu viteze mici.Pentru a depăși această problemă în dezvoltarea acceleratoarelor medicale de carbon, este propusă o nouă schemă de livrare a fasciculului DPIS41.Am aplicat această tehnică pentru a accelera un fascicul puternic de ioni de litiu dintr-o nouă sursă de neutroni.
După cum se arată în fig.4, spațiul în care este generată și extinsă plasma este înconjurat de un recipient metalic.Spațiul închis se extinde până la intrarea în rezonatorul RFQ, inclusiv volumul din interiorul bobinei solenoidului.Containerului a fost aplicată o tensiune de 52 kV.În rezonatorul RFQ, ionii sunt atrași de potențial printr-o gaură cu diametrul de 6 mm prin împământarea RFQ.Forțele de respingere neliniare de pe linia fasciculului sunt eliminate pe măsură ce ionii sunt transportați în starea de plasmă.În plus, așa cum sa menționat mai sus, am aplicat un câmp de solenoid în combinație cu DPIS pentru a controla și a crește densitatea ionilor în deschiderea de extracție.
Acceleratorul RFQ constă dintr-o cameră cilindrică cu vid, așa cum se arată în fig.9a.În interiorul acestuia, patru tije de cupru fără oxigen sunt plasate simetric cu patrupol în jurul axei fasciculului (Fig. 9b).4 tije și camere formează un circuit RF rezonant.Câmpul RF indus creează o tensiune variabilă în timp pe tijă.Ionii implantați longitudinal în jurul axei sunt ținuți lateral de câmpul cvadrupol.În același timp, vârful tijei este modulat pentru a crea un câmp electric axial.Câmpul axial împarte fasciculul continuu injectat într-o serie de impulsuri de fascicul numit fascicul.Fiecare fascicul este conținut într-un anumit timp de ciclu RF (10 ns).Fasciculele adiacente sunt distanțate în funcție de perioada de frecvență radio.În Linac RFQ, un fascicul de 2 µs de la o sursă de ioni laser este convertit într-o secvență de 200 de fascicule.Fasciculul este apoi accelerat la energia calculată.
RFQ accelerator liniar.(a) (stânga) Vedere externă a camerei linac RFQ.(b) (dreapta) Electrod cu patru tije în cameră.
Principalii parametri de proiectare ai linacului RFQ sunt tensiunea tijei, frecvența de rezonanță, raza găurii fasciculului și modulația electrodului.Selectați tensiunea pe tijă ± 29 kV, astfel încât câmpul său electric să fie sub pragul de defecțiune electrică.Cu cât frecvența de rezonanță este mai mică, cu atât este mai mare forța de focalizare laterală și cu atât câmpul mediu de accelerație este mai mic.Razele de deschidere mari fac posibilă creșterea dimensiunii fasciculului și, în consecință, creșterea curentului fasciculului datorită respingerii mai mici a sarcinii spațiale.Pe de altă parte, razele de deschidere mai mari necesită mai multă putere RF pentru a alimenta linac-ul RFQ.În plus, este limitat de cerințele de calitate ale site-ului.Pe baza acestor echilibre, frecvența de rezonanță (100 MHz) și raza deschiderii (4,5 mm) au fost alese pentru accelerarea fasciculului cu curent mare.Modulația este aleasă pentru a minimiza pierderea fasciculului și pentru a maximiza eficiența accelerației.Designul a fost optimizat de multe ori pentru a produce un design RFQ linac care poate accelera ionii 7Li3+ la 40 mA de la 22 keV/n la 204 keV/n în 2 m.Puterea RF măsurată în timpul experimentului a fost de 77 kW.
Linacurile RFQ pot accelera ionii cu un interval specific Q/A.Prin urmare, atunci când se analizează un fascicul alimentat la capătul unui accelerator liniar, este necesar să se țină cont de izotopi și alte substanțe.În plus, ionii doriti, parțial accelerați, dar coborâți în condiții de accelerație în mijlocul acceleratorului, mai pot îndeplini confinarea laterală și pot fi transportați până la capăt.Razele nedorite, altele decât particulele de 7Li3+ proiectate, sunt numite impurități.În experimentele noastre, impuritățile 14N6+ și 16O7+ au fost cea mai mare îngrijorare, deoarece folia de litiu metalic reacţionează cu oxigenul și azotul din aer.Acești ioni au un raport Q/A care poate fi accelerat cu 7Li3+.Folosim magneți dipol pentru a separa fascicule de diferite calități și calitate pentru analiza fasciculului după Linac RFQ.
Linia fasciculului după Linac RFQ este proiectată să livreze fasciculul 7Li3+ complet accelerat către FC după magnetul dipol.Electrozii de polarizare de -400 V sunt utilizați pentru a suprima electronii secundari din cupă pentru a măsura cu precizie curentul fasciculului de ioni.Cu această optică, traiectoriile ionilor sunt separate în dipoli și focalizate în locuri diferite în funcție de Q/A.Datorită diferiților factori, cum ar fi difuzia impulsului și repulsia încărcăturii spațiale, fasciculul de la focalizare are o anumită lățime.Speciile pot fi separate numai dacă distanța dintre pozițiile focale ale celor două specii de ioni este mai mare decât lățimea fasciculului.Pentru a obține cea mai mare rezoluție posibilă, lângă talia fasciculului este instalată o fantă orizontală, unde fasciculul este practic concentrat.Un ecran de scintilație (CsI(Tl) de la Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) a fost instalat între fantă și PC.Scintilatorul a fost folosit pentru a determina cea mai mică fantă prin care au trebuit să treacă particulele proiectate pentru o rezoluție optimă și pentru a demonstra dimensiunile acceptabile ale fasciculului pentru fasciculele de ioni grei cu curent ridicat.Imaginea fasciculului de pe scintilator este înregistrată de o cameră CCD printr-o fereastră de vid.Reglați fereastra de timp de expunere pentru a acoperi întreaga lățime a impulsului fasciculului.
Seturile de date utilizate sau analizate în studiul curent sunt disponibile de la autorii respectivi la cerere rezonabilă.
Manke, I. şi colab.Imagistica tridimensională a domeniilor magnetice.Comuna nationala.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS și colab.Posibilități de studiere a surselor compacte de neutroni la acceleratoare.fizică.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. şi colab.Microtomografie computerizată pe bază de neutroni: Pliobates cataloniae și Barberapithecus huerzeleri ca cazuri de testare.Da.J. Fizica.antropologie.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).