304L 6,35 * 1mm nerūsējošā tērauda tinumu cauruļu piegādātāji, intensīva litija staru kūļa demonstrēšana impulsu tiešo neitronu ģenerēšanai

Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Slīdņi, kas parāda trīs rakstus katrā slaidā.Izmantojiet pogas Atpakaļ un Nākamais, lai pārvietotos pa slaidiem, vai slaidu kontrollera pogas beigās, lai pārvietotos pa katru slaidu.

Kā alternatīva kodolreaktoru izpētei kompakts ar paātrinātāju darbināms neitronu ģenerators, kas izmanto litija jonu staru vadītāju, var būt daudzsološs kandidāts, jo tas rada maz nevēlama starojuma.Tomēr bija grūti nogādāt intensīvu litija jonu staru, un šādu ierīču praktiska pielietošana tika uzskatīta par neiespējamu.Akūtākā nepietiekamas jonu plūsmas problēma tika atrisināta, pielietojot tiešās plazmas implantācijas shēmu.Šajā shēmā augsta blīvuma impulsa plazma, kas iegūta ar litija metāla folijas lāzera ablāciju, tiek efektīvi injicēta un paātrināta ar augstfrekvences kvadrupola paātrinātāju (RFQ paātrinātājs).Mēs esam sasnieguši maksimālo staru strāvu 35 mA, kas ir paātrināta līdz 1,43 MeV, kas ir par divām kārtām augstāka, nekā spēj nodrošināt parastās inžektoru un akseleratoru sistēmas.
Atšķirībā no rentgena stariem vai lādētām daļiņām, neitroniem ir liels iespiešanās dziļums un unikāla mijiedarbība ar kondensētu vielu, padarot tos par ārkārtīgi daudzpusīgām zondēm materiālu īpašību izpētei1,2,3,4,5,6,7.Jo īpaši neitronu izkliedes metodes parasti izmanto, lai pētītu kondensētās vielas sastāvu, struktūru un iekšējos spriegumus, un tie var sniegt detalizētu informāciju par metālu sakausējumu savienojumiem, kurus ir grūti noteikt, izmantojot rentgenstaru spektroskopiju8.Šī metode tiek uzskatīta par spēcīgu pamata zinātnes instrumentu, un to izmanto metālu un citu materiālu ražotāji.Pavisam nesen neitronu difrakcija tika izmantota, lai noteiktu atlikušos spriegumus mehāniskos komponentos, piemēram, sliežu un gaisa kuģu daļās9, 10, 11, 12.Neitronus izmanto arī naftas un gāzes urbumos, jo tos viegli uztver ar protoniem bagāti materiāli13.Līdzīgas metodes tiek izmantotas arī civilajā inženierijā.Nesagraujošā neitronu pārbaude ir efektīvs līdzeklis slēptu defektu noteikšanai ēkās, tuneļos un tiltos.Neitronu staru izmantošana tiek aktīvi izmantota zinātniskajā izpētē un rūpniecībā, no kurām daudzas vēsturiski ir izstrādātas, izmantojot kodolreaktorus.
Tomēr, ņemot vērā globālo vienprātību par kodolieroču neizplatīšanu, mazu reaktoru būvniecība pētniecības nolūkos kļūst arvien grūtāka.Turklāt nesenā Fukušimas avārija ir padarījusi kodolreaktoru būvniecību gandrīz sociāli pieņemamu.Saistībā ar šo tendenci pieaug pieprasījums pēc neitronu avotiem akseleratoros2.Kā alternatīva kodolreaktoriem jau darbojas vairāki lieli paātrinātāju sadalīšanas neitronu avoti14,15.Taču neitronu staru īpašību efektīvākai izmantošanai nepieciešams paplašināt kompakto avotu izmantošanu paātrinātājos16, kas var piederēt industriālajām un universitāšu pētniecības iestādēm.Paātrinātāja neitronu avoti ir pievienojuši jaunas iespējas un funkcijas papildus tiem, kas aizstāj kodolreaktorus14.Piemēram, ar linac darbināms ģenerators var viegli izveidot neitronu plūsmu, manipulējot ar piedziņas staru.Kad neitroni ir emitēti, tos ir grūti kontrolēt, un radiācijas mērījumus ir grūti analizēt fona neitronu radītā trokšņa dēļ.Impulsu neitroni, ko kontrolē paātrinātājs, novērš šo problēmu.Visā pasaulē ir ierosināti vairāki projekti, kuru pamatā ir protonu paātrinātāja tehnoloģija17, 18, 19.Reakcijas 7Li(p, n)7Be un 9Be(p, n)9B visbiežāk izmanto protonu vadītos kompaktajos neitronu ģeneratoros, jo tās ir endotermiskas reakcijas20.Radiācijas pārpalikumu un radioaktīvos atkritumus var samazināt līdz minimumam, ja enerģija, kas izvēlēta protonu staru kūļa ierosināšanai, ir nedaudz virs sliekšņa vērtības.Tomēr mērķa kodola masa ir daudz lielāka nekā protonu masa, un rezultātā iegūtie neitroni izkliedējas visos virzienos.Tik tuvu izotropai neitronu plūsmas emisija novērš efektīvu neitronu transportēšanu uz pētījuma objektu.Turklāt, lai objekta atrašanās vietā iegūtu nepieciešamo neitronu devu, ir būtiski jāpalielina gan kustīgo protonu skaits, gan to enerģija.Tā rezultātā lielas gamma staru un neitronu devas izplatīsies lielos leņķos, iznīcinot endotermisko reakciju priekšrocības.Tipiskam akseleratora darbināmam kompaktam protonu neitronu ģeneratoram ir spēcīga starojuma aizsardzība, un tas ir sistēmas lielākā daļa.Nepieciešamība palielināt virzošo protonu enerģiju parasti prasa papildu palielināt akseleratora iekārtas izmēru.
Lai pārvarētu parasto kompakto neitronu avotu vispārējos trūkumus paātrinātājos, tika ierosināta inversijas-kinemātiskās reakcijas shēma21.Šajā shēmā smagāks litija jonu stars tiek izmantots kā virzošais stars, nevis protonu stars, mērķējot uz materiāliem, kas bagāti ar ūdeņradi, piemēram, ogļūdeņražu plastmasām, hidrīdiem, ūdeņraža gāzi vai ūdeņraža plazmu.Ir apsvērtas alternatīvas, piemēram, ar berilija jonu vadīti stari, tomēr berilijs ir toksiska viela, ar kuru apieties ir nepieciešama īpaša piesardzība.Tāpēc litija stars ir vispiemērotākais inversijas-kinemātiskās reakcijas shēmām.Tā kā litija kodolu impulss ir lielāks nekā protoniem, kodolieroču sadursmju masas centrs nepārtraukti virzās uz priekšu, un arī neitroni tiek emitēti uz priekšu.Šī funkcija ievērojami novērš nevēlamus gamma starus un augsta leņķa neitronu emisijas22.Parastā protonu dzinēja gadījuma un apgrieztās kinemātikas scenārija salīdzinājums parādīts 1. attēlā.
Neitronu ražošanas leņķu ilustrācija protonu un litija stariem (zīmēta ar Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Reakcijas rezultātā neitroni var tikt izmesti jebkurā virzienā, jo kustīgie protoni skar daudz smagākos litija mērķa atomus.(b) Un otrādi, ja litija jonu vadītājs bombardē ar ūdeņradi bagātu mērķi, neitroni tiek ģenerēti šaurā konusā virzienā uz priekšu, jo sistēmas masas centram ir liels ātrums.
Tomēr pastāv tikai daži apgriezti kinemātiski neitronu ģeneratori, jo ir grūti radīt nepieciešamo smago jonu plūsmu ar augstu lādiņu salīdzinājumā ar protoniem.Visas šīs iekārtas izmanto negatīvus izsmidzināšanas jonu avotus kombinācijā ar tandēma elektrostatiskajiem paātrinātājiem.Ir ierosināti cita veida jonu avoti, lai palielinātu staru kūļa paātrinājuma efektivitāti26.Jebkurā gadījumā pieejamā litija jonu staru strāva ir ierobežota līdz 100 µA.Ir ierosināts izmantot 1 mA Li3+27, taču šī jonu stara strāva ar šo metodi nav apstiprināta.Intensitātes ziņā litija staru paātrinātāji nevar konkurēt ar protonu staru paātrinātājiem, kuru maksimālā protonu strāva pārsniedz 10 mA28.
Lai ieviestu praktisku kompaktu neitronu ģeneratoru, kura pamatā ir litija jonu starojums, ir izdevīgi ģenerēt augstas intensitātes ģeneratoru, kurā nav jonu.Jonus paātrina un vada elektromagnētiskie spēki, un augstāks lādiņa līmenis nodrošina efektīvāku paātrinājumu.Litija jonu staru vadītājiem nepieciešama Li3+ maksimālā strāva, kas pārsniedz 10 mA.
Šajā darbā mēs demonstrējam Li3+ staru paātrinājumu ar maksimālo strāvu līdz 35 mA, kas ir salīdzināms ar progresīviem protonu paātrinātājiem.Sākotnējais litija jonu stars tika izveidots, izmantojot lāzera ablāciju un tiešās plazmas implantācijas shēmu (DPIS), kas sākotnēji tika izstrādāta, lai paātrinātu C6+.Pēc pasūtījuma izstrādāts radiofrekvences kvadrupola linaks (RFQ linac) tika izgatavots, izmantojot četru stieņu rezonanses struktūru.Mēs esam pārliecinājušies, ka paātrinājuma staram ir aprēķinātā augstas tīrības pakāpes staru kūļa enerģija.Kad Li3+ stars ir efektīvi uztverts un paātrināts ar radiofrekvences (RF) paātrinātāju, nākamā linac (paātrinātāja) sadaļa tiek izmantota, lai nodrošinātu enerģiju, kas nepieciešama spēcīgas neitronu plūsmas ģenerēšanai no mērķa.
Augstas veiktspējas jonu paātrināšana ir labi izveidota tehnoloģija.Atlikušais jauna, ļoti efektīva kompakta neitronu ģeneratora realizācijas uzdevums ir ģenerēt lielu skaitu pilnībā atdalītu litija jonu un izveidot klasteru struktūru, kas sastāv no virknes jonu impulsu, kas sinhronizēti ar RF ciklu paātrinātājā.Eksperimentu rezultāti, kas izstrādāti, lai sasniegtu šo mērķi, ir aprakstīti šādās trīs apakšsadaļās: (1) pilnīga litija jonu staru kūļa ģenerēšana, (2) staru kūļa paātrināšana, izmantojot īpaši izstrādātu RFQ linac, un (3) analīzes paātrināšana. no stara, lai pārbaudītu tā saturu.Brookhaven National Laboratory (BNL) mēs izveidojām eksperimentālo iestatījumu, kas parādīts 2. attēlā.
Pārskats par eksperimentālo iestatījumu litija staru paātrinātai analīzei (ilustrēts ar Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).No labās uz kreiso pusi lāzera ablācijas plazma tiek ģenerēta lāzera mērķa mijiedarbības kamerā un tiek piegādāta RFQ linac.Ieejot RFQ paātrinātājā, joni tiek atdalīti no plazmas un ievadīti RFQ paātrinātājā caur pēkšņu elektrisko lauku, ko rada 52 kV sprieguma starpība starp ekstrakcijas elektrodu un RFQ elektrodu dreifēšanas reģionā.Ekstrahētos jonus paātrina no 22 keV/n līdz 204 keV/n, izmantojot 2 metrus garus RFQ elektrodus.Strāvas transformators (CT), kas uzstādīts pie RFQ linac izejas, nodrošina nesagraujošu jonu staru strāvas mērīšanu.Staru fokusē trīs kvadrupola magnēti un virza uz dipola magnētu, kas atdala un virza Li3+ staru detektorā.Aiz spraugas tiek izmantots ievelkams plastmasas scintilators un Faraday kauss (FC) ar nobīdi līdz -400 V, lai noteiktu paātrinājuma staru.
Lai radītu pilnībā jonizētus litija jonus (Li3+), nepieciešams izveidot plazmu ar temperatūru virs tās trešās jonizācijas enerģijas (122,4 eV).Mēs mēģinājām izmantot lāzera ablāciju, lai ražotu augstas temperatūras plazmu.Šāda veida lāzera jonu avotus parasti neizmanto litija jonu staru ģenerēšanai, jo litija metāls ir reaktīvs un prasa īpašu apstrādi.Mēs esam izstrādājuši mērķa iekraušanas sistēmu, lai samazinātu mitruma un gaisa piesārņojumu, uzstādot litija foliju vakuuma lāzera mijiedarbības kamerā.Visi materiālu sagatavošanas darbi tika veikti kontrolētā sausā argona vidē.Pēc litija folijas uzstādīšanas lāzera mērķa kamerā folija tika apstarota ar impulsa Nd: YAG lāzera starojumu ar enerģiju 800 mJ uz impulsu.Tiek lēsts, ka, fokusējoties uz mērķi, lāzera jaudas blīvums ir aptuveni 1012 W/cm2.Plazma rodas, kad impulsa lāzers iznīcina mērķi vakuumā.Visa 6 ns lāzera impulsa laikā plazma turpina uzkarst, galvenokārt apgrieztā bremsstrahlung procesa dēļ.Tā kā sildīšanas fāzē netiek pielietots ierobežojošs ārējais lauks, plazma sāk paplašināties trīs dimensijās.Kad plazma sāk izplesties virs mērķa virsmas, plazmas masas centrs iegūst ātrumu, kas ir perpendikulārs mērķa virsmai ar enerģiju 600 eV/n.Pēc karsēšanas plazma turpina kustēties aksiālā virzienā no mērķa, izotropiski izplešoties.
Kā parādīts 2. attēlā, ablācijas plazma izplešas vakuuma tilpumā, ko ieskauj metāla trauks ar tādu pašu potenciālu kā mērķim.Tādējādi plazma virzās caur laukumu brīvo reģionu virzienā uz RFQ paātrinātāju.Aksiālais magnētiskais lauks tiek pielietots starp lāzera apstarošanas kameru un RFQ linac, izmantojot solenoīda spoli, kas aptīta ap vakuuma kameru.Solenoīda magnētiskais lauks nomāc dreifējošās plazmas radiālo izplešanos, lai saglabātu augstu plazmas blīvumu piegādes laikā uz RFQ apertūru.No otras puses, plazma dreifa laikā turpina paplašināties aksiālā virzienā, veidojot iegarenu plazmu.Augstsprieguma nobīde tiek pielietota metāla traukam, kurā ir plazma pirms izejas porta pie RFQ ieejas.Nobīdes spriegums tika izvēlēts, lai nodrošinātu nepieciešamo 7Li3+ injekcijas ātrumu pareizai RFQ linac paātrināšanai.
Iegūtā ablācijas plazma satur ne tikai 7Li3+, bet arī litiju citos lādiņu stāvokļos un piesārņojošos elementus, kas vienlaikus tiek transportēti uz RFQ lineāro paātrinātāju.Pirms paātrinātiem eksperimentiem, izmantojot RFQ linac, tika veikta bezsaistes lidojuma laika (TOF) analīze, lai izpētītu jonu sastāvu un enerģijas sadalījumu plazmā.Detalizēta analītiskā iestatīšana un novērotie uzlādes stāvokļa sadalījumi ir izskaidroti sadaļā Metodes.Analīze parādīja, ka galvenās daļiņas bija 7Li3+ joni, kas veido aptuveni 54% no visām daļiņām, kā parādīts 3. attēlā. Saskaņā ar analīzi 7Li3+ jonu strāva jonu stara izvades punktā tiek lēsta 1,87 mA.Paātrināto testu laikā izplešanās plazmai tiek piemērots 79 mT solenoīda lauks.Rezultātā 7Li3+ strāva, kas iegūta no plazmas un novērota uz detektora, palielinājās par 30 reizēm.
Jonu frakcijas lāzera ģenerētajā plazmā, kas iegūtas ar lidojuma laika analīzi.7Li1+ un 7Li2+ joni veido attiecīgi 5% un 25% no jonu stara.Atklātā 6Li daļiņu frakcija atbilst dabiskajam 6Li saturam (7,6%) litija folijas mērķī eksperimentālās kļūdas ietvaros.Tika novērots neliels skābekļa piesārņojums (6,2%), galvenokārt O1+ (2,1%) un O2+ (1,5%), kas varētu būt saistīts ar litija folijas mērķa virsmas oksidāciju.
Kā minēts iepriekš, litija plazma pirms ievadīšanas RFQ linac dreifē bezlauka reģionā.RFQ linac ieejai ir 6 mm diametra caurums metāla traukā, un nobīdes spriegums ir 52 kV.Lai gan RFQ elektroda spriegums strauji mainās ± 29 kV pie 100 MHz, spriegums izraisa aksiālo paātrinājumu, jo RFQ paātrinātāja elektrodu vidējais potenciāls ir nulle.Sakarā ar spēcīgu elektrisko lauku, kas rodas 10 mm spraugā starp apertūru un RFQ elektroda malu, no plazmas atverē tiek ekstrahēti tikai pozitīvi plazmas joni.Tradicionālajās jonu piegādes sistēmās jonus no plazmas atdala ar elektrisko lauku ievērojamā attālumā RFQ paātrinātāja priekšā un pēc tam fokusē RFQ apertūrā ar staru fokusēšanas elementu.Tomēr intensīviem smago jonu stariem, kas nepieciešami intensīvam neitronu avotam, nelineāri atgrūšanas spēki, kas rodas kosmosa lādiņa efektu dēļ, var izraisīt ievērojamus staru kūļa strāvas zudumus jonu transporta sistēmā, ierobežojot maksimālo strāvu, ko var paātrināt.Mūsu DPIS augstas intensitātes joni tiek transportēti kā dreifējoša plazma tieši uz RFQ apertūras izejas punktu, tāpēc kosmosa lādiņa dēļ jonu stars nezaudē.Šīs demonstrācijas laikā DPIS pirmo reizi tika pielietots litija jonu staram.
RFQ struktūra tika izstrādāta zemas enerģijas lielas strāvas jonu staru fokusēšanai un paātrināšanai, un tā ir kļuvusi par pirmās kārtas paātrinājuma standartu.Mēs izmantojām RFQ, lai paātrinātu 7Li3+ jonus no implanta enerģijas 22 keV/n līdz 204 keV/n.Lai gan litijs un citas daļiņas ar mazāku lādiņu plazmā arī tiek ekstrahētas no plazmas un ievadītas RFQ atverē, RFQ linac tikai paātrina jonus ar lādiņa un masas attiecību (Q/A) tuvu 7Li3+.
Uz att.attēlā parādītas viļņu formas, ko pēc magnēta analīzes atklāj strāvas transformators (CT) pie RFQ linac un Faraday kausa (FC) izejas, kā parādīts attēlā.2. Laika nobīdi starp signāliem var interpretēt kā lidojuma laika atšķirību detektora atrašanās vietā.Maksimālā jonu strāva, kas izmērīta pie CT, bija 43 mA.RT pozīcijā reģistrētais stars var saturēt ne tikai līdz aprēķinātajai enerģijai paātrinātus jonus, bet arī citus jonus, izņemot 7Li3+, kas nav pietiekami paātrināti.Tomēr ar QD un PC palīdzību konstatēto jonu strāvas formu līdzība liecina, ka jonu strāva galvenokārt sastāv no paātrināta 7Li3+, un strāvas maksimālās vērtības samazināšanos uz PC izraisa staru kūļa zudumi jonu pārvades laikā starp QD un PC. PC.Zaudējumi To apstiprina arī aploksnes simulācija.Lai precīzi izmērītu 7Li3+ staru kūļa strāvu, staru kūli analizē ar dipola magnētu, kā aprakstīts nākamajā sadaļā.
Paātrinātā stara oscilogrammas, kas reģistrētas detektora pozīcijās CT (melnā līkne) un FC (sarkanā līkne).Šos mērījumus izraisa lāzera starojuma noteikšana ar fotodetektoru lāzera plazmas ģenerēšanas laikā.Melnā līkne parāda viļņu formu, kas izmērīta CT, kas savienots ar RFQ linac izvadi.Tā kā detektors atrodas tuvu RFQ linac, tas uztver 100 MHz RF troksni, tāpēc tika izmantots 98 MHz zemfrekvences FFT filtrs, lai noņemtu 100 MHz rezonanses RF signālu, kas uzlikts noteikšanas signālam.Sarkanā līkne parāda viļņu formu pie FC pēc tam, kad analītiskais magnēts virza 7Li3+ jonu staru.Šajā magnētiskajā laukā, izņemot 7Li3+, var transportēt N6+ un O7+.
Jonu stars pēc RFQ linac tiek fokusēts ar trīs kvadrupolu fokusēšanas magnētu sēriju un pēc tam analizēts ar dipola magnētiem, lai izolētu piemaisījumus jonu starā.Magnētiskais lauks 0,268 T novirza 7Li3+ starus uz FC.Šī magnētiskā lauka noteikšanas viļņa forma ir parādīta kā sarkanā līkne 4. attēlā. Maksimālā staru kūļa strāva sasniedz 35 mA, kas ir vairāk nekā 100 reižu lielāka nekā tipisks Li3+ stars, kas tiek ražots esošajos parastajos elektrostatiskajos paātrinātājos.Stara impulsa platums ir 2,0 µs pilnā platumā un puse no maksimālā.7Li3+ staru kūļa noteikšana ar dipola magnētisko lauku norāda uz veiksmīgu kūļa savienošanu un staru paātrinājumu.Jonu stara strāva, ko nosaka FC, skenējot dipola magnētisko lauku, ir parādīta 5. attēlā. Tika novērota tīra viena virsotne, kas ir labi atdalīta no citām virsotnēm.Tā kā visiem joniem, ko RFQ linac paātrina līdz projektētajai enerģijai, ir vienāds ātrums, jonu starus ar vienādu Q/A ir grūti atdalīt ar dipola magnētiskajiem laukiem.Tāpēc mēs nevaram atšķirt 7Li3+ no N6+ vai O7+.Tomēr piemaisījumu daudzumu var aprēķināt no blakus esošajiem uzlādes stāvokļiem.Piemēram, N7+ un N5+ var viegli atdalīt, savukārt N6+ var būt daļa no piemaisījuma, un ir sagaidāms, ka tas būs aptuveni tādā pašā daudzumā kā N7+ un N5+.Paredzamais piesārņojuma līmenis ir aptuveni 2%.
Staru komponentu spektri, kas iegūti, skenējot dipola magnētisko lauku.Maksimums pie 0,268 T atbilst 7Li3+ un N6+.Pīķa platums ir atkarīgs no sijas lieluma uz spraugas.Neskatoties uz plašajiem maksimumiem, 7Li3+ labi atdalās no 6Li3+, O6+ un N5+, bet slikti atdalās no O7+ un N6+.
FC atrašanās vietā staru kūļa profils tika apstiprināts ar spraudņa scintilatoru un ierakstīts ar ātru digitālo kameru, kā parādīts 6. attēlā. Parādīts, ka 7Li3+ impulsa stars ar strāvu 35 mA ir paātrināts līdz aprēķinātajam RFQ. enerģija 204 keV/n, kas atbilst 1,4 MeV, un tiek pārraidīta uz FC detektoru.
Stara profils, kas novērots pirmsFC scintilatora ekrānā (krāsots ar Fidži, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Analītiskā dipola magnēta magnētiskais lauks tika noregulēts, lai novirzītu Li3+ jonu staru kūļa paātrinājumu uz projektētās enerģijas RFQ.Zilos punktus zaļajā zonā izraisa bojāts scintilatora materiāls.
Mēs panācām 7Li3+ jonu ģenerēšanu, lāzera ablāciju no cietas litija folijas virsmas, un lielas strāvas jonu stars tika uztverts un paātrināts ar īpaši izstrādātu RFQ linac, izmantojot DPIS.Pie staru kūļa enerģijas 1,4 MeV 7Li3+ maksimālā strāva, kas tika sasniegta uz FC pēc magnēta analīzes, bija 35 mA.Tas apstiprina, ka svarīgākā neitronu avota īstenošanas daļa ar apgriezto kinemātiku ir īstenota eksperimentāli.Šajā darba daļā tiks apspriests viss kompaktā neitronu avota dizains, ieskaitot augstas enerģijas paātrinātājus un neitronu mērķa stacijas.Dizains ir balstīts uz rezultātiem, kas iegūti ar mūsu laboratorijā esošajām sistēmām.Jāņem vērā, ka jonu stara maksimālo strāvu var vēl vairāk palielināt, saīsinot attālumu starp litija foliju un RFQ linac.Rīsi.7 ilustrē visu ierosinātā kompaktā neitronu avota koncepciju akseleratorā.
Ierosinātā kompaktā neitronu avota konceptuālais dizains akseleratorā (zīmējis Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).No labās uz kreiso: lāzera jonu avots, solenoīda magnēts, RFQ linac, vidējas enerģijas staru pārnešana (MEBT), IH linac un mijiedarbības kamera neitronu ģenerēšanai.Radiācijas aizsardzība galvenokārt tiek nodrošināta virzienā uz priekšu, pateicoties radīto neitronu staru šauri virzienam.
Pēc RFQ linac ir plānota turpmāka Inter-digital H-struktūras (IH linac)30 linac paātrināšana.IH linacs izmanto π režīma dreifējošās caurules struktūru, lai nodrošinātu augstu elektriskā lauka gradientu noteiktā ātruma diapazonā.Konceptuālais pētījums tika veikts, pamatojoties uz 1D gareniskās dinamikas simulāciju un 3D apvalka simulāciju.Aprēķini liecina, ka 100 MHz IH linaks ar saprātīgu dreifējošās caurules spriegumu (mazāk par 450 kV) un spēcīgu fokusēšanas magnētu var paātrināt 40 mA staru kūli no 1,4 līdz 14 MeV 1,8 m attālumā.Enerģijas sadalījums paātrinātāja ķēdes galā tiek lēsts ± 0,4 MeV, kas būtiski neietekmē neitronu enerģijas spektru, ko rada neitronu konversijas mērķis.Turklāt staru izstarojuma koeficients ir pietiekami zems, lai fokusētu staru kūli mazākā staru kūļa vietā, nekā tas parasti būtu nepieciešams vidēja stipruma un izmēra četrpola magnētam.Vidēja enerģijas stara (MEBT) pārraidē starp RFQ linac un IH linac staru kūļa veidošanas struktūras uzturēšanai tiek izmantots staru kūļa formēšanas rezonators.Lai kontrolētu sānu stara izmēru, tiek izmantoti trīs četrpolu magnēti.Šī dizaina stratēģija ir izmantota daudzos paātrinātājos31,32,33.Tiek lēsts, ka visas sistēmas kopējais garums no jonu avota līdz mērķa kamerai ir mazāks par 8 m, ko var ievietot standarta kravas automašīnā ar puspiekabi.
Neitronu konversijas mērķis tiks uzstādīts tieši aiz lineārā paātrinātāja.Mēs apspriežam mērķa staciju dizainus, pamatojoties uz iepriekšējiem pētījumiem, izmantojot apgrieztus kinemātiskos scenārijus23.Ziņotie konversijas mērķi ietver cietos materiālus (polipropilēnu (C3H6) un titāna hidrīdu (TiH2)) un gāzveida mērķa sistēmas.Katram mērķim ir priekšrocības un trūkumi.Cietie mērķi nodrošina precīzu biezuma kontroli.Jo plānāks ir mērķis, jo precīzāks ir neitronu ražošanas telpiskais izvietojums.Tomēr šādos mērķos joprojām var būt zināma nevēlama kodolreakcija un starojums.No otras puses, ūdeņraža mērķis var nodrošināt tīrāku vidi, novēršot 7Be, kodolreakcijas galvenā produkta, ražošanu.Tomēr ūdeņradim ir vāja barjeras spēja, un, lai nodrošinātu pietiekamu enerģijas izdalīšanos, ir nepieciešams liels fiziskais attālums.Tas ir nedaudz neizdevīgi TOF mērījumiem.Turklāt, ja ūdeņraža mērķa noblīvēšanai izmanto plānu plēvi, ir jāņem vērā plānās kārtiņas un krītošā litija stara radītie gamma staru enerģijas zudumi.
LICORNE izmanto polipropilēna mērķus, un mērķa sistēma ir modernizēta līdz ūdeņraža šūnām, kas noslēgtas ar tantala foliju.Pieņemot, ka 7Li34 staru kūļa strāva ir 100 nA, abas mērķa sistēmas var radīt līdz 107 n/s/sr.Ja mēs izmantojam šo apgalvoto neitronu iznākuma konversiju mūsu ierosinātajam neitronu avotam, tad katram lāzera impulsam var iegūt litija vadītu staru kūli 7 × 10–8 C.Tas nozīmē, ka lāzera izšaušana tikai divas reizes sekundē rada par 40% vairāk neitronu nekā LICORNE spēj radīt vienā sekundē ar nepārtrauktu staru.Kopējo plūsmu var viegli palielināt, palielinot lāzera ierosmes frekvenci.Ja pieņemam, ka tirgū ir 1 kHz lāzera sistēma, vidējo neitronu plūsmu var viegli palielināt līdz aptuveni 7 × 109 n/s/sr.
Ja mēs izmantojam sistēmas ar augstu atkārtošanās ātrumu ar plastmasas mērķiem, ir nepieciešams kontrolēt siltuma veidošanos uz mērķiem, jo, piemēram, polipropilēnam ir zema kušanas temperatūra 145–175 °C un zema siltumvadītspēja 0,1–0,22 W/ m/K.14 MeV litija jonu staram pietiek ar 7 µm biezu polipropilēna mērķi, lai samazinātu staru kūļa enerģiju līdz reakcijas slieksnim (13,098 MeV).Ņemot vērā viena lāzera šāviena radīto jonu kopējo ietekmi uz mērķi, litija jonu enerģijas izdalīšanās caur polipropilēnu tiek lēsta 64 mJ/impulsā.Pieņemot, ka visa enerģija tiek pārnesta pa apli ar diametru 10 mm, katrs impulss atbilst temperatūras paaugstinājumam aptuveni 18 K/impulsā.Enerģijas izdalīšanās uz polipropilēna mērķiem ir balstīta uz vienkāršu pieņēmumu, ka visi enerģijas zudumi tiek uzkrāti kā siltums, bez starojuma vai citiem siltuma zudumiem.Tā kā, palielinot impulsu skaitu sekundē, ir jānovērš siltuma uzkrāšanās, mēs varam izmantot sloksnes mērķus, lai izvairītos no enerģijas izdalīšanās tajā pašā punktā23.Pieņemot 10 mm stara punktu uz mērķa ar lāzera atkārtošanās frekvenci 100 Hz, polipropilēna lentes skenēšanas ātrums būtu 1 m/s.Ja ir atļauta staru kūļa punktu pārklāšanās, ir iespējams lielāks atkārtošanās biežums.
Mēs arī pētījām mērķus ar ūdeņraža akumulatoriem, jo ​​​​varēja izmantot spēcīgākas piedziņas sijas, nesabojājot mērķi.Neitronu staru var viegli noregulēt, mainot gāzes kameras garumu un ūdeņraža spiedienu iekšpusē.Plānas metāla folijas bieži izmanto paātrinātājos, lai atdalītu mērķa gāzveida apgabalu no vakuuma.Tāpēc ir nepieciešams palielināt krītošā litija jonu staru kūļa enerģiju, lai kompensētu folijas enerģijas zudumus.35. ziņojumā aprakstītais mērķa mezgls sastāvēja no 3,5 cm gara alumīnija tvertnes ar 1,5 atm H2 gāzes spiedienu.16,75 MeV litija jonu stars nonāk akumulatorā caur gaisa dzesēšanas 2,7 µm Ta foliju, un litija jonu stara enerģija akumulatora galā tiek palēnināta līdz reakcijas slieksnim.Lai palielinātu litija jonu akumulatoru staru kūļa enerģiju no 14,0 MeV līdz 16,75 MeV, IH linac bija jāpagarina par aptuveni 30 cm.
Tika pētīta arī neitronu emisija no gāzes šūnu mērķiem.Iepriekšminētajiem LICORNE gāzes mērķiem GEANT436 simulācijas parāda, ka konusa iekšpusē tiek ģenerēti augsti orientēti neitroni, kā parādīts [37] 1. attēlā.35. atsauce parāda enerģijas diapazonu no 0,7 līdz 3,0 MeV ar maksimālo konusa atvērumu 19,5° attiecībā pret galvenā stara izplatīšanās virzienu.Augsti orientēti neitroni var ievērojami samazināt ekranēšanas materiāla daudzumu lielākajā daļā leņķu, samazinot konstrukcijas svaru un nodrošinot lielāku elastību mērīšanas iekārtu uzstādīšanā.No radiācijas aizsardzības viedokļa šis gāzveida mērķis papildus neitroniem izotropiski izstaro 478 keV gamma starus centra koordinātu sistēmā38.Šie γ stari rodas 7Be sabrukšanas un 7Li deaktivizēšanas rezultātā, kas rodas, kad primārais Li stars nonāk ievades logā Ta.Tomēr, pievienojot biezu 35 Pb/Cu cilindrisku kolimatoru, fonu var ievērojami samazināt.
Kā alternatīvu mērķi var izmantot plazmas logu [39, 40], kas ļauj sasniegt salīdzinoši augstu ūdeņraža spiedienu un nelielu neitronu ģenerācijas telpisko reģionu, lai gan tas ir zemāks par cietajiem mērķiem.
Mēs pētām neitronu konversijas mērķauditorijas atlases iespējas litija jonu stara paredzamajam enerģijas sadalījumam un staru kūļa lielumam, izmantojot GEANT4.Mūsu simulācijas parāda konsekventu neitronu enerģijas sadalījumu un leņķisko sadalījumu ūdeņraža mērķiem iepriekš minētajā literatūrā.Jebkurā mērķa sistēmā augsti orientētus neitronus var iegūt ar apgrieztu kinemātisku reakciju, ko virza spēcīgs 7Li3+ stars uz ar ūdeņradi bagātu mērķi.Tāpēc jaunus neitronu avotus var ieviest, apvienojot jau esošās tehnoloģijas.
Lāzera apstarošanas apstākļi atkārtoja jonu staru ģenerēšanas eksperimentus pirms paātrinātās demonstrācijas.Lāzers ir darbvirsmas nanosekundes Nd:YAG sistēma ar lāzera jaudas blīvumu 1012 W/cm2, pamata viļņa garumu 1064 nm, punkta enerģiju 800 mJ un impulsa ilgumu 6 ns.Plankuma diametrs uz mērķa tiek lēsts 100 µm.Tā kā litija metāls (Alfa Aesar, 99,9% tīrs) ir diezgan mīksts, precīzi sagrieztais materiāls tiek iespiests veidnē.Folijas izmēri 25 mm × 25 mm, biezums 0,6 mm.Krāterim līdzīgi bojājumi rodas mērķa virsmā, kad tam trāpa lāzers, tāpēc mērķis tiek pārvietots ar motorizētu platformu, lai ar katru lāzera šāvienu nodrošinātu svaigu mērķa virsmas daļu.Lai izvairītos no rekombinācijas atlikušās gāzes dēļ, spiediens kamerā tika turēts zem 10-4 Pa diapazona.
Sākotnējais lāzera plazmas tilpums ir mazs, jo lāzera plankuma izmērs ir 100 μm un 6 ns laikā pēc tā ģenerēšanas.Apjomu var uzskatīt par precīzu punktu un paplašināt.Ja detektors ir novietots attālumā xm no mērķa virsmas, tad saņemtais signāls pakļaujas sakarībai: jonu strāva I, jonu ierašanās laiks t un impulsa platums τ.
Radītā plazma tika pētīta ar TOF metodi ar FC un enerģijas jonu analizatoru (EIA), kas atrodas 2,4 m un 3,85 m attālumā no lāzera mērķa.FC ir slāpētāja režģis, kas nobīdīts par -5 kV, lai novērstu elektronus.EIA ir 90 grādu elektrostatiskais deflektors, kas sastāv no diviem koaksiāliem metāla cilindriskiem elektrodiem ar vienādu spriegumu, bet pretēju polaritāti, pozitīvu no ārpuses un negatīvu no iekšpuses.Izplešanās plazma tiek novirzīta deflektorā aiz spraugas un novirzīta ar elektrisko lauku, kas iet caur cilindru.Jonus, kas atbilst attiecībai E/z = eKU, nosaka, izmantojot sekundāro elektronu reizinātāju (SEM) (Hamamatsu R2362), kur E, z, e, K un U ir jonu enerģija, lādiņa stāvoklis un lādiņš ir IVN ģeometriskie faktori. .attiecīgi elektroni un potenciālu starpība starp elektrodiem.Mainot spriegumu pāri deflektoram, var iegūt jonu enerģijas un lādiņa sadalījumu plazmā.Slaucīšanas spriegums U/2 EIA ir diapazonā no 0,2 V līdz 800 V, kas atbilst jonu enerģijai diapazonā no 4 eV līdz 16 keV vienā uzlādes stāvoklī.
Lāzera apstarošanas apstākļos analizēto jonu lādiņa stāvokļa sadalījumi, kas aprakstīti sadaļā “Pilnībā atdalītu litija staru ģenerēšana” ir parādīti 3.8.
Jonu lādiņa stāvokļa sadalījuma analīze.Šeit ir jonu strāvas blīvuma laika profils, kas analizēts ar EIA un mērogots 1 m attālumā no litija folijas, izmantojot vienādojumu.(1) un (2).Izmantojiet lāzera apstarošanas apstākļus, kas aprakstīti sadaļā “Pilnīgi nolobīta litija stara ģenerēšana”.Integrējot katru strāvas blīvumu, tika aprēķināts jonu īpatsvars plazmā, kā parādīts 3. attēlā.
Lāzera jonu avoti var nodrošināt intensīvu vairāku mA jonu staru ar augstu lādiņu.Tomēr staru piegāde ir ļoti sarežģīta kosmosa lādiņa atgrūšanas dēļ, tāpēc tā netika plaši izmantota.Tradicionālajā shēmā jonu starus iegūst no plazmas un transportē uz primāro paātrinātāju pa staru kūļa līniju ar vairākiem fokusējošiem magnētiem, lai veidotu jonu staru atbilstoši paātrinātāja uztveršanas spējai.Kosmosa lādiņa spēka staros stari atšķiras nelineāri, un tiek novēroti nopietni staru kūļa zudumi, īpaši zema ātruma apgabalā.Lai pārvarētu šo problēmu medicīnisko oglekļa paātrinātāju izstrādē, tiek piedāvāta jauna DPIS41 staru piegādes shēma.Mēs esam izmantojuši šo metodi, lai paātrinātu jaudīgu litija jonu staru kūli no jauna neitronu avota.
Kā parādīts attēlā.4, telpu, kurā tiek ģenerēta un paplašināta plazma, ieskauj metāla konteiners.Slēgtā telpa sniedzas līdz ieejai RFQ rezonatorā, ieskaitot tilpumu solenoīda spoles iekšpusē.Tvertnei tika pievienots 52 kV spriegums.RFQ rezonatorā jonus ar potenciālu velk caur 6 mm diametra caurumu, iezemējot RFQ.Nelineārie atgrūšanas spēki uz stara līnijas tiek novērsti, joni tiek transportēti plazmas stāvoklī.Turklāt, kā minēts iepriekš, mēs izmantojām solenoīda lauku kombinācijā ar DPIS, lai kontrolētu un palielinātu jonu blīvumu ekstrakcijas atverē.
RFQ paātrinātājs sastāv no cilindriskas vakuuma kameras, kā parādīts attēlā.9a.Tā iekšpusē četri bezskābekļa vara stieņi ir novietoti kvadrupolu simetriski ap stara asi (9.b att.).4 stieņi un kameras veido rezonanses RF ķēdi.Inducētais RF lauks rada laikā mainīgu spriegumu uz stieņa.Jonus, kas implantēti gareniski ap asi, sāniski notur kvadrupola lauks.Tajā pašā laikā stieņa gals tiek modulēts, lai izveidotu aksiālu elektrisko lauku.Aksiālais lauks sadala ievadīto nepārtraukto staru kūļa impulsu sērijā, ko sauc par staru.Katrs stars atrodas noteiktā RF cikla laikā (10 ns).Blakus esošie stari ir izvietoti atbilstoši radiofrekvences periodam.RFQ linac 2 µs stars no lāzera jonu avota tiek pārveidots 200 staru secībā.Pēc tam stars tiek paātrināts līdz aprēķinātajai enerģijai.
Lineārais paātrinātājs RFQ.(a) (pa kreisi) RFQ linac kameras ārējais skats.(b) (pa labi) Četru stieņu elektrods kamerā.
Galvenie RFQ linac konstrukcijas parametri ir stieņa spriegums, rezonanses frekvence, staru kūļa cauruma rādiuss un elektrodu modulācija.Izvēlieties spriegumu uz stieņa ± 29 kV tā, lai tā elektriskais lauks būtu zem elektriskā pārrāvuma sliekšņa.Jo zemāka ir rezonanses frekvence, jo lielāks ir sānu fokusēšanas spēks un mazāks vidējais paātrinājuma lauks.Lieli apertūras rādiusi ļauj palielināt staru kūļa izmēru un līdz ar to palielināt staru strāvu mazākas telpas lādiņa atgrūšanas dēļ.No otras puses, lielākiem apertūras rādiusiem ir nepieciešama lielāka RF jauda, ​​lai darbinātu RFQ linac.Turklāt to ierobežo vietnes kvalitātes prasības.Pamatojoties uz šiem līdzsvariem, lielas strāvas staru kūļa paātrinājumam tika izvēlēta rezonanses frekvence (100 MHz) un apertūras rādiuss (4,5 mm).Modulācija ir izvēlēta, lai samazinātu staru kūļa zudumu un palielinātu paātrinājuma efektivitāti.Dizains ir daudzkārt optimizēts, lai izveidotu RFQ linac dizainu, kas var paātrināt 7Li3+ jonus pie 40 mA no 22 keV/n līdz 204 keV/n 2 m robežās.Eksperimenta laikā izmērītā RF jauda bija 77 kW.
RFQ linacs var paātrināt jonus ar noteiktu Q/A diapazonu.Tāpēc, analizējot staru, kas tiek padots uz lineārā paātrinātāja galu, jāņem vērā izotopi un citas vielas.Turklāt vēlamie joni, daļēji paātrināti, bet paātrinājuma apstākļos nolaisti akseleratora vidū, joprojām var saskarties ar sānu ierobežošanu un tos var transportēt līdz galam.Nevēlamos starus, izņemot konstruētās 7Li3+ daļiņas, sauc par piemaisījumiem.Mūsu eksperimentos vislielākās bažas radīja 14N6+ un 16O7+ piemaisījumi, jo litija metāla folija reaģē ar skābekli un slāpekli gaisā.Šiem joniem ir Q/A attiecība, ko var paātrināt ar 7Li3+.Mēs izmantojam dipola magnētus, lai atdalītu dažādas kvalitātes un kvalitātes starus staru analīzei pēc RFQ linac.
Staru līnija pēc RFQ linac ir paredzēta, lai pēc dipola magnēta piegādātu pilnībā paātrinātu 7Li3+ staru kūli uz FC.-400 V nobīdes elektrodi tiek izmantoti, lai nomāktu sekundāros elektronus kausā, lai precīzi izmērītu jonu staru strāvu.Izmantojot šo optiku, jonu trajektorijas tiek sadalītas dipolos un fokusētas dažādās vietās atkarībā no Q/A.Pateicoties dažādiem faktoriem, piemēram, impulsa difūzijai un telpas lādiņa atgrūšanai, staram fokusā ir noteikts platums.Sugas var atdalīt tikai tad, ja attālums starp abu jonu sugu fokusa pozīcijām ir lielāks par staru kūļa platumu.Lai iegūtu pēc iespējas augstāku izšķirtspēju, pie stara vidukļa ir uzstādīta horizontāla sprauga, kur praktiski koncentrējas stars.Starp spraugu un datoru tika uzstādīts scintilācijas ekrāns (CsI (Tl) no Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Scintilators tika izmantots, lai noteiktu mazāko spraugu, caur kuru projektētajām daļiņām bija jāiziet optimālai izšķirtspējai, un demonstrētu pieņemamus staru kūļa izmērus lielas strāvas smago jonu stariem.Scintilatora staru kūļa attēlu ieraksta CCD kamera caur vakuuma logu.Pielāgojiet ekspozīcijas laika logu, lai aptvertu visu staru kūļa impulsa platumu.
Šajā pētījumā izmantotās vai analizētās datu kopas ir pieejamas no attiecīgajiem autoriem pēc pamatota pieprasījuma.
Manke, I. et al.Magnētisko domēnu trīsdimensiju attēlveidošana.Nacionālā komūna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Andersons, IS et al.Kompakto neitronu avotu izpētes iespējas pie akseleratoriem.fizika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Uz neitroniem balstīta datorizēta mikrotomogrāfija: Pliobates cataloniae un Barberapithecus huerzeleri kā testa gadījumi.Jā.J. Fizika.antropoloģija.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).