304L 6,35 * 1mm nerūdijančio plieno ritinių vamzdžių tiekėjai, intensyvaus ličio pluošto, skirto impulsiniams tiesioginiams neutronams generuoti, demonstravimas

Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Be to, norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir JavaScript.
Slankikliai, rodantys tris straipsnius vienoje skaidrėje.Norėdami pereiti per skaidres, naudokite mygtukus „Atgal“ ir „Kitas“ arba, norėdami pereiti per kiekvieną skaidrę, naudokite skaidrių valdiklio mygtukus pabaigoje.

Kaip alternatyva branduolinių reaktorių tyrimams, kompaktiškas greitintuvu varomas neutronų generatorius, kuriame naudojamas ličio jonų pluošto valdiklis, gali būti perspektyvus kandidatas, nes jis sukuria mažai nepageidaujamos spinduliuotės.Tačiau buvo sunku perduoti intensyvų ličio jonų spindulį, o praktinis tokių prietaisų pritaikymas buvo laikomas neįmanomu.Opiausia nepakankamo jonų srauto problema buvo išspręsta taikant tiesioginės plazmos implantacijos schemą.Pagal šią schemą didelio tankio impulsinė plazma, sukurta lazeriu abliuojant ličio metalo foliją, efektyviai įpurškiama ir pagreitinama aukšto dažnio kvadrupolio greitintuvu (RFQ greitintuvu).Pasiekėme didžiausią 35 mA spindulio srovę, pagreitintą iki 1,43 MeV, o tai yra dviem eilėmis didesnė, nei gali suteikti įprastinės purkštukų ir greitintuvų sistemos.
Skirtingai nuo rentgeno spindulių ar įkrautų dalelių, neutronai turi didelį įsiskverbimo gylį ir unikalią sąveiką su kondensuota medžiaga, todėl jie yra itin universalūs zondai medžiagų savybėms tirti1,2,3,4,5,6,7.Visų pirma, neutronų sklaidos metodai dažniausiai naudojami tiriant kondensuotų medžiagų sudėtį, struktūrą ir vidinius įtempius ir gali suteikti išsamios informacijos apie junginių pėdsakus metalų lydiniuose, kuriuos sunku aptikti naudojant rentgeno spektroskopiją8.Šis metodas laikomas galingu pagrindinio mokslo įrankiu, jį naudoja metalų ir kitų medžiagų gamintojai.Visai neseniai neutronų difrakcija buvo naudojama mechaninių komponentų, tokių kaip bėgiai ir orlaivių dalys, liekamiesiems įtempiams aptikti9, 10, 11, 12.Neutronai taip pat naudojami naftos ir dujų gręžiniuose, nes juos nesunkiai sugauna daug protonų turinčios medžiagos13.Panašūs metodai naudojami ir civilinėje inžinerijoje.Neardomieji neutronų bandymai yra efektyvi priemonė paslėptiems pastatų, tunelių ir tiltų gedimams aptikti.Neutronų pluoštai aktyviai naudojami moksliniuose tyrimuose ir pramonėje, iš kurių daugelis istoriškai buvo sukurti naudojant branduolinius reaktorius.
Tačiau pasauliniam sutarimui dėl branduolinio ginklo neplatinimo statyti mažus reaktorius mokslinių tyrimų tikslais darosi vis sunkiau.Be to, neseniai įvykusi Fukušimos avarija branduolinių reaktorių statybą padarė beveik socialiai priimtinu.Dėl šios tendencijos auga neutronų šaltinių greitintuvuose poreikis2.Kaip alternatyva branduoliniams reaktoriams jau veikia keli dideli greitintuvą skaidančių neutronų šaltiniai14,15.Tačiau norint efektyviau išnaudoti neutronų pluoštų savybes, būtina plėsti kompaktiškų šaltinių naudojimą greitintuvuose16, kurie gali priklausyti pramonės ir universitetų mokslo institucijoms.Greitintuvų neutronų šaltiniai papildė naujas galimybes ir funkcijas, be to, jie buvo naudojami kaip branduolinių reaktorių pakaitalas14.Pavyzdžiui, „Linac“ varomas generatorius gali lengvai sukurti neutronų srautą, manipuliuodamas pavaros pluoštu.Išspinduliuotus neutronus sunku valdyti, o radiacijos matavimus sunku analizuoti dėl foninių neutronų keliamo triukšmo.Šios problemos išvengia impulsiniai neutronai, valdomi greitintuvo.Visame pasaulyje buvo pasiūlyta keletas projektų, pagrįstų protonų greitintuvo technologija17,18,19.Reakcijos 7Li(p, n)7Be ir 9Be(p, n)9B dažniausiai naudojamos protonų valdomuose kompaktiškuose neutronų generatoriuose, nes tai yra endoterminės reakcijos20.Radiacijos ir radioaktyviųjų atliekų perteklius gali būti sumažintas, jei protonų pluoštui sužadinti pasirinkta energija yra šiek tiek didesnė už slenkstinę vertę.Tačiau tikslinio branduolio masė yra daug didesnė nei protonų, o susidarę neutronai išsisklaido į visas puses.Tokia artima izotropinei neutronų srauto emisija neleidžia efektyviai pernešti neutronų į tiriamąjį objektą.Be to, norint gauti reikiamą neutronų dozę objekto vietoje, būtina gerokai padidinti tiek judančių protonų skaičių, tiek jų energiją.Dėl to didelės gama spindulių ir neutronų dozės pasklis dideliais kampais, sunaikindamos endoterminių reakcijų pranašumus.Įprastas greitintuvu varomas kompaktiškas protonų pagrindu pagamintas neutronų generatorius turi stiprią spinduliuotės apsaugą ir yra didžiausia sistemos dalis.Norint padidinti varomųjų protonų energiją, paprastai reikia papildomai padidinti greitintuvo įrenginio dydį.
Siekiant pašalinti bendruosius įprastų kompaktiškų neutronų šaltinių greitintuvuose trūkumus, buvo pasiūlyta inversijos-kinematinės reakcijos schema21.Šioje schemoje sunkesnis ličio jonų pluoštas naudojamas kaip kreipiamasis pluoštas, o ne protonų pluoštas, nukreiptas į medžiagas, turinčias daug vandenilio, pavyzdžiui, angliavandenilių plastiką, hidridus, vandenilio dujas arba vandenilio plazmą.Buvo svarstomos alternatyvos, pvz., berilio jonais varomi spinduliai, tačiau berilis yra toksiška medžiaga, kurią naudojant reikia ypač atsargiai.Todėl inversinės-kinematinės reakcijos schemoms tinkamiausias yra ličio pluoštas.Kadangi ličio branduolių impulsas yra didesnis nei protonų, branduolinių susidūrimų masės centras nuolat juda į priekį, o neutronai taip pat išspinduliuojami į priekį.Ši funkcija labai pašalina nepageidaujamus gama spindulius ir didelio kampo neutronų emisiją22.Įprasto protonų variklio atvejo ir atvirkštinės kinematikos scenarijaus palyginimas parodytas 1 paveiksle.
Protonų ir ličio pluoštų neutronų gamybos kampų iliustracija (piešta naudojant Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).a) Neutronai dėl reakcijos gali būti išmesti bet kuria kryptimi dėl to, kad judantys protonai atsitrenkia į daug sunkesnius ličio taikinio atomus.b) Ir atvirkščiai, jei ličio jonų vairuotojas bombarduoja taikinį, kuriame gausu vandenilio, dėl didelio sistemos masės centro greičio neutronai susidaro siauru kūgiu į priekį.
Tačiau yra tik keletas atvirkštinių kinematinių neutronų generatorių, nes sunku generuoti reikiamą sunkiųjų jonų srautą su dideliu krūviu, palyginti su protonais.Visi šie įrenginiai naudoja neigiamus purškimo jonų šaltinius kartu su tandeminiais elektrostatiniais greitintuvais.Siekiant padidinti pluošto pagreičio efektyvumą, buvo pasiūlyti kitų tipų jonų šaltiniai26.Bet kokiu atveju turima ličio jonų pluošto srovė ribojama iki 100 µA.Buvo pasiūlyta naudoti 1 mA Li3+27, tačiau ši jonų pluošto srovė šiuo metodu nepatvirtinta.Pagal intensyvumą ličio pluošto greitintuvai negali konkuruoti su protonų pluošto greitintuvais, kurių didžiausia protonų srovė viršija 10 mA28.
Norint įgyvendinti praktišką kompaktišką neutronų generatorių, pagrįstą ličio jonų pluoštu, naudinga generuoti didelio intensyvumo visiškai be jonų.Jonai yra pagreitinami ir valdomi elektromagnetinių jėgų, o didesnis įkrovimo lygis lemia efektyvesnį pagreitį.Ličio jonų pluošto tvarkyklėms reikalingos didžiausios Li3+ srovės, viršijančios 10 mA.
Šiame darbe demonstruojame Li3+ spindulių, kurių didžiausios srovės yra iki 35 mA, pagreitį, kuris yra panašus į pažangius protonų greitintuvus.Originalus ličio jonų pluoštas buvo sukurtas naudojant lazerio abliaciją ir tiesioginės plazmos implantavimo schemą (DPIS), kuri iš pradžių buvo sukurta C6+ pagreitinti.Pagal užsakymą sukurtas radijo dažnio kvadrupolio linacas (RFQ linac) buvo pagamintas naudojant keturių strypų rezonansinę struktūrą.Mes patikrinome, ar greitėjimo pluoštas turi apskaičiuotą didelio grynumo pluošto energiją.Kai Li3+ spindulį efektyviai užfiksuoja ir pagreitina radijo dažnio (RF) greitintuvas, sekanti linac (akceleratoriaus) sekcija naudojama energijai, reikalingai stipriam neutronų srautui iš taikinio generuoti.
Didelio našumo jonų pagreitis yra gerai žinoma technologija.Likusi užduotis, įgyvendinant naują labai efektyvų kompaktišką neutronų generatorių, yra sukurti daug visiškai pašalintų ličio jonų ir suformuoti klasterio struktūrą, susidedančią iš jonų impulsų, sinchronizuotų su RF ciklu greitintuve.Eksperimentų, skirtų šiam tikslui pasiekti, rezultatai aprašyti šiuose trijuose poskyriuose: (1) visiškai be ličio jonų pluošto generavimas, (2) pluošto pagreitis naudojant specialiai sukurtą RFQ linac ir (3) analizės pagreitis. spindulį, kad patikrintumėte jo turinį.Brookhaven nacionalinėje laboratorijoje (BNL) sukūrėme eksperimentinę sąranką, parodytą 2 paveiksle.
Eksperimentinės sąrankos, skirtos pagreitinti ličio pluoštų analizei, apžvalga (iliustruota Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Iš dešinės į kairę lazerio abliacinė plazma generuojama lazerio ir taikinio sąveikos kameroje ir pristatoma į RFQ linac.Patekę į RFQ greitintuvą, jonai atskiriami nuo plazmos ir įšvirkščiami į RFQ greitintuvą per staigų elektrinį lauką, kurį sukuria 52 kV įtampos skirtumas tarp ekstrahavimo elektrodo ir RFQ elektrodo dreifo srityje.Išgauti jonai pagreitinami nuo 22 keV/n iki 204 keV/n naudojant 2 metrų ilgio RFQ elektrodus.Srovės transformatorius (CT), sumontuotas RFQ linac išėjime, užtikrina neardomąjį jonų pluošto srovės matavimą.Spindulys sufokusuojamas trimis kvadrupoliais magnetais ir nukreipiamas į dipolio magnetą, kuris atskiria ir nukreipia Li3+ spindulį į detektorių.Už plyšio greitėjančiam pluoštui aptikti naudojamas ištraukiamas plastikinis scintiliatorius ir Faradėjaus puodelis (FC), kurio poslinkis yra iki -400 V.
Norint sukurti visiškai jonizuotus ličio jonus (Li3+), būtina sukurti plazmą, kurios temperatūra būtų aukštesnė už trečiąją jonizacijos energiją (122,4 eV).Mes bandėme naudoti lazerinę abliaciją aukštos temperatūros plazmai gaminti.Šio tipo lazerinis jonų šaltinis paprastai nenaudojamas ličio jonų pluoštams generuoti, nes ličio metalas yra reaktyvus ir reikalauja specialaus apdorojimo.Sukūrėme tikslinę pakrovimo sistemą, kad sumažintume drėgmės ir oro užterštumą, kai įrengiame ličio foliją vakuuminio lazerio sąveikos kameroje.Visi medžiagų paruošimai buvo atlikti kontroliuojamoje sauso argono aplinkoje.Įdėjus ličio foliją į lazerio taikinio kamerą, folija buvo apšvitinta impulsine Nd: YAG lazerio spinduliuote, kurios energija buvo 800 mJ vienam impulsui.Apskaičiuota, kad fokusuojant į taikinį lazerio galios tankis yra apie 1012 W/cm2.Plazma susidaro, kai impulsinis lazeris sunaikina taikinį vakuume.Viso 6 ns lazerio impulso metu plazma ir toliau įkaista, daugiausia dėl atvirkštinio bremsstrahlung proceso.Kadangi kaitinimo fazės metu nenaudojamas joks ribojantis išorinis laukas, plazma pradeda plėstis trimis matmenimis.Kai plazma pradeda plėstis virš tikslinio paviršiaus, plazmos masės centras įgyja statmeną taikinio paviršiui greitį, kurio energija yra 600 eV/n.Po kaitinimo plazma toliau juda ašine kryptimi nuo taikinio, plečiasi izotropiškai.
Kaip parodyta 2 paveiksle, abliacijos plazma išsiplečia į vakuuminį tūrį, apsuptą metaliniu indu, kurio potencialas toks pat kaip ir taikinio.Taigi, plazma dreifuoja per sritį be lauko link RFQ greitintuvo.Ašinis magnetinis laukas yra taikomas tarp lazerio švitinimo kameros ir RFQ linac, naudojant solenoidinę ritę, apvyniotą aplink vakuuminę kamerą.Solenoido magnetinis laukas slopina radialinį dreifuojančios plazmos plėtimąsi, kad būtų išlaikytas didelis plazmos tankis tiekiant į RFQ angą.Kita vertus, dreifo metu plazma toliau plečiasi ašine kryptimi, sudarydama pailgą plazmą.Aukštos įtampos poslinkis taikomas metaliniam indui, kuriame yra plazma, priešais išėjimo angą RFQ įėjimo angoje.Poslinkio įtampa buvo pasirinkta taip, kad užtikrintų reikiamą 7Li3+ įpurškimo greitį, kad RFQ linac būtų tinkamai pagreitintas.
Gautoje abliacinėje plazmoje yra ne tik 7Li3+, bet ir kitų krūvių būsenų ličio bei teršalų elementų, kurie vienu metu transportuojami į RFQ tiesinį greitintuvą.Prieš pagreitintus eksperimentus naudojant RFQ linac, buvo atlikta neprisijungus skrydžio laiko (TOF) analizė, siekiant ištirti jonų sudėtį ir energijos pasiskirstymą plazmoje.Išsami analitinė sąranka ir stebimi įkrovimo pasiskirstymai paaiškinti skyriuje Metodai.Analizė parodė, kad 7Li3+ jonai buvo pagrindinės dalelės, sudarančios apie 54% visų dalelių, kaip parodyta 3 pav. Remiantis analize, 7Li3+ jonų srovė jonų pluošto išėjimo taške yra 1,87 mA.Atliekant pagreitintus bandymus, besiplečiančiai plazmai taikomas 79 mT solenoido laukas.Dėl to 7Li3+ srovė, ištraukta iš plazmos ir stebima detektoriumi, padidėjo 30 kartų.
Jonų frakcijos lazeriu generuotoje plazmoje, gautos atliekant skrydžio laiko analizę.7Li1+ ir 7Li2+ jonai sudaro atitinkamai 5% ir 25% jonų pluošto.Aptikta 6Li dalelių frakcija atitinka natūralų 6Li kiekį (7,6 %) ličio folijos taikinyje eksperimentinės paklaidos ribose.Pastebėtas nedidelis deguonies užterštumas (6,2 %), daugiausia O1+ (2,1 %) ir O2+ (1,5 %), kuris gali būti dėl ličio folijos taikinio paviršiaus oksidacijos.
Kaip minėta anksčiau, prieš patekdama į RFQ linacą, ličio plazma dreifuoja belaukiame regione.RFQ linac įėjime yra 6 mm skersmens skylė metaliniame inde, o poslinkio įtampa yra 52 kV.Nors RFQ elektrodo įtampa greitai keičiasi ± 29 kV esant 100 MHz dažniui, įtampa sukelia ašinį pagreitį, nes RFQ greitintuvo elektrodų potencialas yra lygus nuliui.Dėl stipraus elektrinio lauko, susidarančio 10 mm tarpelyje tarp angos ir RFQ elektrodo krašto, iš plazmos angoje išgaunami tik teigiami plazmos jonai.Tradicinėse jonų tiekimo sistemose jonai atskiriami nuo plazmos elektriniu lauku dideliu atstumu priešais RFQ greitintuvą ir tada fokusuojami į RFQ apertūrą spindulio fokusavimo elementu.Tačiau intensyviems sunkiųjų jonų pluoštams, kurių reikia intensyviam neutronų šaltiniui, netiesinės atstumiančios jėgos dėl erdvės krūvio poveikio gali sukelti didelius pluošto srovės nuostolius jonų transportavimo sistemoje, o tai apriboja didžiausią srovę, kurią galima pagreitinti.Mūsų DPIS didelio intensyvumo jonai transportuojami kaip dreifuojanti plazma tiesiai į RFQ diafragmos išėjimo tašką, todėl jonų pluoštas neprarandamas dėl erdvės krūvio.Šios demonstracijos metu DPIS pirmą kartą buvo pritaikytas ličio jonų pluoštui.
RFQ struktūra buvo sukurta fokusuoti ir pagreitinti mažos energijos didelės srovės jonų pluoštus ir tapo pirmos eilės pagreičio standartu.Mes panaudojome RFQ, kad pagreitintume 7Li3+ jonus nuo 22 keV/n implanto energijos iki 204 keV/n.Nors ličio ir kitos dalelės, turinčios mažesnį krūvį plazmoje, taip pat ištraukiamos iš plazmos ir įšvirkščiamos į RFQ angą, RFQ linac tik pagreitina jonus, kurių įkrovos ir masės santykis (Q/A) artimas 7Li3+.
Ant pav.4 paveiksle parodytos bangos formos, kurias aptiko srovės transformatorius (CT) RFQ linac ir Faradėjaus puodelio (FC) išvestyje, išanalizavus magnetą, kaip parodyta Fig.2. Laiko poslinkis tarp signalų gali būti interpretuojamas kaip skrydžio laiko skirtumas detektoriaus vietoje.Didžiausia jonų srovė, išmatuota esant CT, buvo 43 mA.RT padėtyje registruotame pluošte gali būti ne tik iki apskaičiuotos energijos pagreitintų jonų, bet ir kitų nei 7Li3+ jonų, kurie nėra pakankamai pagreitinti.Tačiau jonų srovės formų panašumas, nustatytas naudojant QD ir PC, rodo, kad jonų srovę daugiausia sudaro pagreitintas 7Li3+, o didžiausios srovės vertės sumažėjimą PC sukelia pluošto nuostoliai per jonų perdavimą tarp QD ir PC. PC.Nuostoliai Tai patvirtina ir voko modeliavimas.Norint tiksliai išmatuoti 7Li3+ pluošto srovę, spindulys analizuojamas naudojant dipolio magnetą, kaip aprašyta kitame skyriuje.
Pagreitinto pluošto oscilogramos, įrašytos detektoriaus padėtyse CT (juoda kreivė) ir FC (raudona kreivė).Šiuos matavimus sukelia lazerio spinduliuotės aptikimas fotodetektoriumi lazerio plazmos generavimo metu.Juodoji kreivė rodo bangos formą, išmatuotą CT, prijungtą prie RFQ linac išvesties.Dėl savo artumo RFQ linac, detektorius paima 100 MHz RF triukšmą, todėl buvo pritaikytas 98 MHz žemo dažnio FFT filtras, skirtas pašalinti 100 MHz rezonansinį RF signalą, esantį ant aptikimo signalo.Raudona kreivė rodo bangos formą esant FC po to, kai analitinis magnetas nukreipia 7Li3+ jonų spindulį.Šiame magnetiniame lauke, be 7Li3+, gali būti transportuojami N6+ ir O7+.
Jonų pluoštas po RFQ linac sufokusuojamas trijų kvadrupolių fokusavimo magnetų serija, o po to analizuojamas dipolio magnetais, kad būtų atskirtos priemaišos jonų pluošte.0,268 T magnetinis laukas nukreipia 7Li3+ pluoštus į FC.Šio magnetinio lauko aptikimo bangos forma parodyta kaip raudona kreivė 4 paveiksle. Didžiausia pluošto srovė siekia 35 mA, o tai yra daugiau nei 100 kartų didesnė nei įprasto Li3+ pluošto, gaminamo esamuose įprastiniuose elektrostatiniuose greitintuvuose.Spindulio impulso plotis yra 2,0 µs, esant visam pločiui, ne daugiau kaip pusė.7Li3+ pluošto su dipoliu magnetiniu lauku aptikimas rodo sėkmingą pluošto sujungimą ir pluošto pagreitį.Jonų pluošto srovė, kurią aptinka FC skenuojant dipolio magnetinį lauką, parodyta 5 pav. Buvo pastebėta švari viena smailė, gerai atskirta nuo kitų smailių.Kadangi visi jonai, kuriuos RFQ linac pagreitina iki projektinės energijos, yra vienodo greičio, jonų pluoštus su tuo pačiu Q/A sunku atskirti dipolio magnetiniais laukais.Todėl negalime atskirti 7Li3+ nuo N6+ ar O7+.Tačiau priemaišų kiekį galima apskaičiuoti pagal kaimynines įkrovos būsenas.Pavyzdžiui, N7+ ir N5+ gali būti lengvai atskiriami, o N6+ gali būti priemaišos dalis ir tikimasi, kad jų bus maždaug toks pat kiekis kaip N7+ ir N5+.Numatomas taršos lygis – apie 2 proc.
Pluošto komponentų spektrai, gauti skenuojant dipolio magnetinį lauką.Smailė ties 0,268 T atitinka 7Li3+ ir N6+.Smailės plotis priklauso nuo sijos dydžio plyšyje.Nepaisant plačių smailių, 7Li3+ gerai atsiskiria nuo 6Li3+, O6+ ir N5+, tačiau prastai atsiskiria nuo O7+ ir N6+.
FC vietoje pluošto profilis buvo patvirtintas įjungiamu scintiliatoriumi ir įrašytas greita skaitmenine kamera, kaip parodyta 6 paveiksle. Parodyta, kad 7Li3+ impulsinis spindulys, kurio srovė yra 35 mA, yra pagreitintas iki apskaičiuoto RFQ. 204 keV/n energija, kuri atitinka 1,4 MeV , ir perduodama į FC detektorių.
Spindulio profilis, stebimas priešFC scintiliatoriaus ekrane (spalvotas Fidžis, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Analitinio dipolio magneto magnetinis laukas buvo sureguliuotas taip, kad Li3+ jonų pluošto pagreitis būtų nukreiptas į projektinę energijos RFQ.Mėlyni taškai žaliojoje zonoje atsiranda dėl sugedusios scintiliatoriaus medžiagos.
Mes pasiekėme 7Li3+ jonų generavimą lazeriu abliuodami kietos ličio folijos paviršių, o didelės srovės jonų pluoštas buvo užfiksuotas ir pagreitintas specialiai suprojektuotu RFQ linac, naudojant DPIS.Esant 1,4 MeV pluošto energijai, 7Li3+ didžiausia srovė, pasiekta FC po magneto analizės, buvo 35 mA.Tai patvirtina, kad svarbiausia neutronų šaltinio su atvirkštine kinematika įgyvendinimo dalis buvo įgyvendinta eksperimentiškai.Šioje straipsnio dalyje bus aptartas visas kompaktiško neutronų šaltinio dizainas, įskaitant didelės energijos greitintuvus ir neutronų tikslines stotis.Projektas pagrįstas rezultatais, gautais naudojant mūsų laboratorijoje esamas sistemas.Reikėtų pažymėti, kad didžiausią jonų pluošto srovę galima dar labiau padidinti sutrumpinus atstumą tarp ličio folijos ir RFQ linac.Ryžiai.7 iliustruoja visą siūlomo kompaktiško neutronų šaltinio greitintuve koncepciją.
Siūlomo kompaktiško neutronų šaltinio greitintuve koncepcija (braižyta Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Iš dešinės į kairę: lazerio jonų šaltinis, solenoidinis magnetas, RFQ linac, vidutinės energijos pluošto perdavimas (MEBT), IH linac ir sąveikos kamera neutronams generuoti.Apsauga nuo radiacijos pirmiausia teikiama į priekį dėl siaurai nukreiptų neutronų pluoštų pobūdžio.
Po RFQ linac planuojamas tolesnis Inter-digital H-struktūros (IH linac)30 linac pagreitis.IH linacai naudoja π režimo dreifo vamzdžio struktūrą, kad užtikrintų didelius elektrinio lauko gradientus tam tikru greičiu.Koncepcinis tyrimas buvo atliktas remiantis 1D išilginės dinamikos modeliavimu ir 3D apvalkalo modeliavimu.Skaičiavimai rodo, kad 100 MHz IH linac su pagrįsta dreifo vamzdžio įtampa (mažiau nei 450 kV) ir stipriu fokusuojančiu magnetu gali pagreitinti 40 mA spindulį nuo 1,4 iki 14 MeV 1,8 m atstumu.Energijos pasiskirstymas greitintuvo grandinės gale įvertintas ± 0,4 MeV, o tai reikšmingos įtakos neutronų, kuriuos gamina neutronų konversijos taikinys, energijos spektrui.Be to, spindulio spinduliuotė yra pakankamai maža, kad spindulį būtų galima sufokusuoti į mažesnę spindulio vietą, nei paprastai reikėtų vidutinio stiprumo ir dydžio keturpoliui magnetui.Perduodant vidutinės energijos pluoštą (MEBT) tarp RFQ linac ir IH linac, pluoštą formuojantis rezonatorius naudojamas pluošto formavimo struktūrai palaikyti.Šoninio pluošto dydžiui valdyti naudojami trys keturpoliai magnetai.Ši projektavimo strategija buvo naudojama daugelyje greitintuvų31,32,33.Apskaičiuota, kad bendras visos sistemos ilgis nuo jonų šaltinio iki tikslinės kameros yra mažesnis nei 8 m, kuris gali tilpti į standartinį sunkvežimį su puspriekabe.
Neutronų konversijos taikinys bus sumontuotas iškart po linijinio greitintuvo.Aptariame tikslinių stočių projektus, pagrįstus ankstesniais tyrimais, naudojant atvirkštinius kinematinį scenarijų23.Nurodyta, kad konversijos tikslai apima kietąsias medžiagas (polipropileną (C3H6) ir titano hidridą (TiH2)) ir dujines tikslines sistemas.Kiekvienas tikslas turi privalumų ir trūkumų.Tvirti taikiniai leidžia tiksliai valdyti storį.Kuo plonesnis taikinys, tuo tikslesnis erdvinis neutronų gamybos išdėstymas.Tačiau tokie taikiniai vis tiek gali turėti tam tikro laipsnio nepageidaujamų branduolinių reakcijų ir radiacijos.Kita vertus, vandenilio taikinys gali sukurti švaresnę aplinką, pašalindamas 7Be, pagrindinio branduolinės reakcijos produkto, gamybą.Tačiau vandenilis turi silpną barjerinį gebėjimą ir reikalauja didelio fizinio atstumo, kad būtų išleista pakankamai energijos.Tai šiek tiek nepalanku TOF matavimams.Be to, jei vandenilio taikiniui sandarinti naudojama plona plėvelė, būtina atsižvelgti į plonosios plėvelės ir krintančio ličio pluošto generuojamų gama spindulių energijos nuostolius.
LICORNE naudoja polipropileninius taikinius, o tikslinė sistema buvo atnaujinta iki vandenilio elementų, užsandarintų tantalo folija.Darant prielaidą, kad 7Li34 pluošto srovė yra 100 nA, abi tikslinės sistemos gali sukurti iki 107 n/s/sr.Jei pritaikysime šią tariamą neutronų išeigos konversiją mūsų siūlomam neutronų šaltiniui, kiekvienam lazerio impulsui galima gauti 7 × 10–8 C ličio varomą spindulį.Tai reiškia, kad paleidus lazerį vos du kartus per sekundę, išgaunama 40 % daugiau neutronų nei LICORNE gali pagaminti per vieną sekundę nepertraukiamu spinduliu.Bendrą srautą galima nesunkiai padidinti padidinus lazerio sužadinimo dažnį.Jei darysime prielaidą, kad rinkoje yra 1 kHz lazerio sistema, vidutinį neutronų srautą galima nesunkiai padidinti iki maždaug 7 × 109 n/s/sr.
Kai naudojame didelio pasikartojimo dažnio sistemas su plastikiniais taikiniais, būtina kontroliuoti šilumos susidarymą ant taikinių, nes, pavyzdžiui, polipropileno lydymosi temperatūra yra žema 145–175 °C, o šilumos laidumas – 0,1–0,22 W/ m/K.14 MeV ličio jonų pluoštui pakanka 7 µm storio polipropileno taikinio, kad spindulio energija būtų sumažinta iki reakcijos slenksčio (13,098 MeV).Atsižvelgiant į bendrą vieno lazerio šūvio sukuriamų jonų poveikį taikiniui, ličio jonų energijos išsiskyrimas per polipropileną yra 64 mJ/impulsas.Darant prielaidą, kad visa energija perduodama 10 mm skersmens apskritimu, kiekvienas impulsas atitinka maždaug 18 K/impulso temperatūros kilimą.Energijos išsiskyrimas ant polipropileno taikinių grindžiamas paprasta prielaida, kad visi energijos nuostoliai kaupiami kaip šiluma, be spinduliuotės ar kitų šilumos nuostolių.Kadangi norint padidinti impulsų skaičių per sekundę, reikia pašalinti šilumos kaupimąsi, galime naudoti juostinius taikinius, kad išvengtume energijos išsiskyrimo tame pačiame taške23.Darant prielaidą, kad taikinyje yra 10 mm spindulio taškas, kurio lazerio pasikartojimo dažnis yra 100 Hz, polipropileno juostos skenavimo greitis būtų 1 m/s.Galimas didesnis pasikartojimo dažnis, jei leidžiamas spindulio taško persidengimas.
Taip pat ištyrėme taikinius su vandenilio akumuliatoriais, nes buvo galima naudoti stipresnes varomąsias sijas nepažeidžiant taikinio.Neutronų pluoštą galima lengvai sureguliuoti keičiant dujų kameros ilgį ir vandenilio slėgį viduje.Plona metalinė folija dažnai naudojama greitintuvuose, siekiant atskirti dujinę taikinio sritį nuo vakuumo.Todėl norint kompensuoti folijos energijos nuostolius, būtina padidinti krintančio ličio jonų pluošto energiją.35 ataskaitoje aprašytą taikinį sudarė 3,5 cm ilgio aliuminio indas, kurio H2 dujų slėgis buvo 1,5 atm.16,75 MeV ličio jonų pluoštas patenka į akumuliatorių per oru aušinamą 2,7 µm Ta foliją, o ličio jonų pluošto energija akumuliatoriaus gale sulėtėja iki reakcijos slenksčio.Norint padidinti ličio jonų baterijų pluošto energiją nuo 14,0 MeV iki 16,75 MeV, IH linacą teko pailginti apie 30 cm.
Taip pat buvo tiriama neutronų emisija iš dujų elementų taikinių.Aukščiau minėtų LICORNE dujų taikinių atveju GEANT436 modeliavimas rodo, kad kūgio viduje susidaro labai orientuoti neutronai, kaip parodyta [37] 1 paveiksle.35 nuoroda rodo energijos diapazoną nuo 0,7 iki 3,0 MeV, kai didžiausia kūgio anga yra 19,5°, palyginti su pagrindinės šviesos sklidimo kryptimi.Labai orientuoti neutronai gali žymiai sumažinti ekranavimo medžiagos kiekį daugeliu kampų, sumažinant konstrukcijos svorį ir suteikiant didesnį lankstumą montuojant matavimo įrangą.Radiacinės saugos požiūriu, be neutronų, šis dujinis taikinys centroidų koordinačių sistemoje izotropiškai skleidžia 478 keV gama spindulius38.Šie γ spinduliai susidaro dėl 7Be skilimo ir 7Li sužadinimo, kuris atsiranda, kai pirminis Li pluoštas patenka į įvesties langą Ta.Tačiau pridėjus storą 35 Pb/Cu cilindrinį kolimatorių, foną galima žymiai sumažinti.
Kaip alternatyvų taikinį galima naudoti plazmos langą [39, 40], kuris leidžia pasiekti santykinai aukštą vandenilio slėgį ir nedidelę erdvinę neutronų susidarymo sritį, nors ji yra prastesnė už kietuosius taikinius.
Mes tiriame neutronų konversijos taikymo parinktis numatomam ličio jonų pluošto energijos paskirstymui ir pluošto dydžiui, naudojant GEANT4.Mūsų modeliavimas rodo nuoseklų neutronų energijos pasiskirstymą ir vandenilio taikinių kampinį pasiskirstymą aukščiau pateiktoje literatūroje.Bet kurioje tikslinėje sistemoje labai orientuoti neutronai gali būti sukurti atvirkštine kinematine reakcija, kurią sukelia stiprus 7Li3+ pluoštas ant vandenilio turtingo taikinio.Todėl, derinant jau esamas technologijas, galima diegti naujus neutronų šaltinius.
Lazerinio švitinimo sąlygos atkartojo jonų pluošto generavimo eksperimentus prieš pagreitintą demonstravimą.Lazeris yra darbalaukio nanosekundžių Nd:YAG sistema, kurios lazerio galios tankis yra 1012 W/cm2, pagrindinis bangos ilgis – 1064 nm, taškinė energija – 800 mJ, o impulso trukmė – 6 ns.Apskaičiuota, kad taikinio dėmės skersmuo yra 100 µm.Kadangi ličio metalas (Alfa Aesar, 99,9 % grynumo) yra gana minkštas, tiksliai nupjauta medžiaga įspaudžiama į formą.Folijos matmenys 25 mm × 25 mm, storis 0,6 mm.Į kraterį panašūs pažeidimai atsiranda taikinio paviršiuje, kai į jį atsitrenkia lazeris, todėl taikinys perkeliamas motorizuotos platformos, kad su kiekvienu lazerio šūviu būtų gauta nauja taikinio paviršiaus dalis.Siekiant išvengti rekombinacijos dėl likusių dujų, slėgis kameroje buvo laikomas žemiau 10-4 Pa.
Pradinis lazerio plazmos tūris yra mažas, nes lazerio dėmės dydis yra 100 μm ir per 6 ns po jos sukūrimo.Tūrį galima paimti kaip tikslų tašką ir išplėsti.Jei detektorius yra nutolęs xm atstumu nuo tikslinio paviršiaus, tai gaunamas signalas paklūsta ryšiui: jonų srovė I, jonų atvykimo laikas t ir impulso plotis τ.
Sukurta plazma buvo tiriama TOF metodu su FC ir energijos jonų analizatoriumi (EIA), esančiu 2,4 m ir 3,85 m atstumu nuo lazerio taikinio.FC turi slopintuvo tinklelį, pakreiptą -5 kV, kad būtų išvengta elektronų.PAV turi 90 laipsnių elektrostatinį deflektorių, sudarytą iš dviejų bendraašių metalinių cilindrinių elektrodų, turinčių tą pačią įtampą, bet priešingą poliškumą, teigiamą išorėje ir neigiamą viduje.Besiplečianti plazma nukreipiama į deflektorių už plyšio ir nukreipiama per cilindrą einančio elektrinio lauko.Jonai, atitinkantys ryšį E/z = eKU, aptinkami naudojant antrinį elektronų daugiklį (SEM) (Hamamatsu R2362), kur E, z, e, K ir U yra jonų energija, įkrovos būsena ir krūvis yra PAV geometriniai veiksniai. .atitinkamai elektronų ir potencialų skirtumą tarp elektrodų.Keičiant deflektoriaus įtampą, galima gauti jonų energijos ir krūvio pasiskirstymą plazmoje.Šlavimo įtampa U/2 EIA yra nuo 0,2 V iki 800 V, o tai atitinka jonų energiją nuo 4 eV iki 16 keV vienai įkrovimo būsenai.
Skyriuje „Visiškai nuluptų ličio pluoštų generavimas“ aprašytų lazerio švitinimo sąlygomis analizuotų jonų įkrovos būsenos pasiskirstymai parodyti Fig.8.
Jonų krūvio būsenos pasiskirstymo analizė.Čia yra jonų srovės tankio laiko profilis, išanalizuotas naudojant EIA ir išmatuotas 1 m atstumu nuo ličio folijos, naudojant lygtį.(1) ir (2).Naudokite lazerio švitinimo sąlygas, aprašytas skyriuje „Visiškai nušveisto ličio pluošto generavimas“.Integruojant kiekvieną srovės tankį, buvo apskaičiuota jonų dalis plazmoje, parodyta 3 paveiksle.
Lazeriniai jonų šaltiniai gali perduoti intensyvų kelių mA jonų spindulį su dideliu įkrovimu.Tačiau pluošto pristatymas yra labai sunkus dėl erdvės krūvio atstūmimo, todėl jis nebuvo plačiai naudojamas.Pagal tradicinę schemą jonų pluoštai ištraukiami iš plazmos ir perkeliami į pirminį greitintuvą išilgai pluošto linijos su keliais fokusuojančiais magnetais, kad jonų pluoštas būtų formuojamas pagal greitintuvo gebėjimą.Erdvinio krūvio jėgos pluoštuose spinduliai skiriasi netiesiškai ir pastebimi dideli pluošto nuostoliai, ypač mažų greičių srityje.Siekiant išspręsti šią problemą kuriant medicininius anglies greitintuvus, siūloma nauja DPIS41 pluošto tiekimo schema.Mes pritaikėme šią techniką, kad pagreitintume galingą ličio jonų pluoštą iš naujo neutronų šaltinio.
Kaip parodyta pav.4, erdvė, kurioje generuojama ir plečiama plazma, yra apsupta metaliniu indu.Uždara erdvė tęsiasi iki įėjimo į RFQ rezonatorių, įskaitant tūrį solenoido ritės viduje.Į konteinerį buvo įjungta 52 kV įtampa.RFQ rezonatoriuje jonai potencialo ištraukiami per 6 mm skersmens angą įžeminant RFQ.Netiesinės atstūmimo jėgos, esančios spindulio linijoje, pašalinamos, nes jonai yra pernešami plazmos būsenoje.Be to, kaip minėta aukščiau, mes panaudojome solenoidinį lauką kartu su DPIS, kad valdytume ir padidintume jonų tankį ekstrahavimo angoje.
RFQ greitintuvą sudaro cilindrinė vakuuminė kamera, kaip parodyta fig.9a.Jo viduje keturi bedeguonio vario strypai yra išdėstyti kvadrupoliu simetriškai aplink pluošto ašį (9b pav.).4 strypai ir kameros sudaro rezonansinę RF grandinę.Indukuotas RF laukas sukuria laike kintančią įtampą per strypą.Išilgai aplink ašį implantuoti jonai yra laikomi šonuose kvadrupolio lauko.Tuo pačiu metu strypo galas yra moduliuojamas, kad būtų sukurtas ašinis elektrinis laukas.Ašinis laukas padalija įpuršktą ištisinį spindulį į pluošto impulsų, vadinamų pluoštu, seriją.Kiekvienas spindulys patenka į tam tikrą RF ciklo laiką (10 ns).Gretimi spinduliai yra išdėstyti pagal radijo dažnio periodą.RFQ linac 2 µs spindulys iš lazerio jonų šaltinio paverčiamas 200 pluoštų seka.Tada spindulys pagreitinamas iki apskaičiuotos energijos.
Linijinio greitintuvo RFQ.a) (kairėje) RFQ linac kameros vaizdas iš išorės.b) (dešinėje) Keturių strypų elektrodas kameroje.
Pagrindiniai RFQ linac konstrukcijos parametrai yra strypo įtampa, rezonansinis dažnis, pluošto skylės spindulys ir elektrodo moduliacija.Pasirinkite strypo įtampą ± 29 kV, kad jo elektrinis laukas būtų žemiau elektros gedimo slenksčio.Kuo mažesnis rezonansinis dažnis, tuo didesnė šoninio fokusavimo jėga ir mažesnis vidutinis pagreičio laukas.Dideli diafragmos spinduliai leidžia padidinti pluošto dydį ir atitinkamai padidinti pluošto srovę dėl mažesnio erdvės krūvio atstūmimo.Kita vertus, didesniems diafragmos spinduliams reikia daugiau RF galios, kad maitintų RFQ linac.Be to, tai riboja aikštelės kokybės reikalavimai.Remiantis šiais balansais, buvo pasirinktas rezonansinis dažnis (100 MHz) ir diafragmos spindulys (4,5 mm) didelės srovės pluošto pagreitinimui.Moduliacija parinkta taip, kad būtų sumažintas spindulio praradimas ir maksimaliai padidintas pagreičio efektyvumas.Konstrukcija buvo daug kartų optimizuota, kad būtų sukurtas RFQ linac dizainas, kuris gali pagreitinti 7Li3+ jonus esant 40 mA nuo 22 keV/n iki 204 keV/n per 2 m.Eksperimento metu išmatuota RD galia buvo 77 kW.
RFQ linacai gali pagreitinti jonus su tam tikru Q/A diapazonu.Todėl analizuojant spindulį, paduotą į tiesinio greitintuvo galą, būtina atsižvelgti į izotopus ir kitas medžiagas.Be to, norimi jonai, iš dalies pagreitinti, bet įsibėgėjimo sąlygomis nusileidę akceleratoriaus viduryje, vis tiek gali susilaikyti iš šono ir gali būti transportuojami iki galo.Nepageidaujami spinduliai, išskyrus sukurtas 7Li3+ daleles, vadinami priemaišomis.Mūsų eksperimentuose didžiausią nerimą kėlė 14N6+ ir 16O7+ priemaišos, nes ličio metalo folija reaguoja su ore esančiu deguonimi ir azotu.Šie jonai turi Q/A santykį, kurį galima pagreitinti naudojant 7Li3+.Mes naudojame dipolio magnetus, kad atskirtume skirtingos kokybės ir kokybės pluoštus pluošto analizei po RFQ linac.
Spindulio linija po RFQ linac skirta tiekti visiškai pagreitintą 7Li3+ spindulį į FC po dipolio magneto.-400 V poslinkio elektrodai naudojami antriniams elektronams puodelyje slopinti, kad būtų galima tiksliai išmatuoti jonų pluošto srovę.Naudojant šią optiką, jonų trajektorijos yra suskirstytos į dipolius ir sufokusuojamos skirtingose ​​vietose, priklausomai nuo Q/A.Dėl įvairių veiksnių, tokių kaip impulsų difuzija ir erdvės krūvio atstūmimas, spindulys židinyje turi tam tikrą plotį.Rūšys gali būti atskirtos tik tuo atveju, jei atstumas tarp dviejų jonų rūšių židinio padėčių yra didesnis nei pluošto plotis.Norint gauti kuo didesnę raišką, šalia spindulio juosmens įrengiamas horizontalus plyšys, kuriame spindulys praktiškai koncentruojamas.Tarp plyšio ir kompiuterio buvo sumontuotas scintiliacinis ekranas (CsI (Tl) iš Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Scintiliatorius buvo naudojamas norint nustatyti mažiausią plyšį, per kurį suprojektuotos dalelės turėjo praeiti, kad būtų optimali skiriamoji geba, ir parodyti priimtinus pluošto dydžius didelės srovės sunkiųjų jonų pluoštams.Scintiliatoriaus spindulio vaizdas per vakuuminį langą įrašomas CCD kamera.Sureguliuokite ekspozicijos laiko langą, kad jis apimtų visą pluošto impulso plotį.
Šiame tyrime naudotus arba analizuotus duomenų rinkinius gali gauti atitinkami autoriai, pateikę pagrįstą prašymą.
Manke, I. ir kt.Trimatis magnetinių domenų vaizdavimas.Tautinė komuna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS ir kt.Kompaktiškų neutronų šaltinių prie greitintuvų tyrimo galimybės.fizika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. ir kt.Neutronų pagrindu sukurta kompiuterinė mikrotomografija: Pliobates cataloniae ir Barberapithecus huerzeleri kaip bandomieji atvejai.Taip.J. Fizika.antropologija.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).