304L 6,35*1mm Добавувачи на намотани цевки од нерѓосувачки челик ,Демонстрација на интензивен литиумски зрак за генерирање импулсни директни неутрони

Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Лизгачи кои прикажуваат три статии по слајд.Користете ги копчињата за назад и следно за да се движите низ слајдовите или копчињата на контролорот на слајдовите на крајот за да се движите низ секој слајд.

Како алтернатива на проучувањето на нуклеарните реактори, компактен генератор на неутрони управуван од забрзувач кој користи двигател на литиум-јонски зрак може да биде ветувачки кандидат бидејќи произведува малку несакано зрачење.Сепак, беше тешко да се испорача интензивен зрак од јони на литиум, а практичната примена на таквите уреди се сметаше за невозможна.Најакутниот проблем со недоволен проток на јони беше решен со примена на шема за директна имплантација на плазма.Во оваа шема, импулсна плазма со висока густина генерирана со ласерска аблација на литиумска метална фолија ефикасно се инјектира и забрзува со високофреквентен четириполен акцелератор (RFQ акцелератор).Постигнавме врвна струја на зракот од 35 mA забрзана до 1,43 MeV, што е два реда на големина поголема отколку што можат да обезбедат конвенционалните системи со инјектори и забрзувачи.
За разлика од Х-зраците или наелектризираните честички, неутроните имаат голема длабочина на пенетрација и единствена интеракција со кондензирана материја, што ги прави исклучително разновидни сонди за проучување на својствата на материјалите1,2,3,4,5,6,7.Особено, техниките на расејување на неутрони вообичаено се користат за проучување на составот, структурата и внатрешните напрегања во кондензираната материја и може да обезбедат детални информации за соединенијата во трагови во металните легури кои тешко се откриваат со помош на спектроскопија на Х-зраци8.Овој метод се смета за моќна алатка во основната наука и се користи од производители на метали и други материјали.Во поново време, неутронската дифракција се користи за откривање на преостанати напрегања во механичките компоненти како што се делови од шини и авиони9,10,11,12.Неутроните се користат и во нафтените и гасните бунари бидејќи лесно се заробуваат со материјали богати со протони13.Слични методи се користат и во градежништвото.Недеструктивното неутронско тестирање е ефикасна алатка за откривање скриени дефекти во згради, тунели и мостови.Употребата на неутронски зраци активно се користи во научното истражување и индустријата, од кои многу историски се развивале со помош на нуклеарни реактори.
Меѓутоа, со глобалниот консензус за неширење на нуклеарното оружје, изградбата на мали реактори за истражувачки цели станува сè потешко.Освен тоа, неодамнешната несреќа во Фукушима го направи изградбата на нуклеарни реактори речиси општествено прифатливи.Во врска со овој тренд расте побарувачката за неутронски извори кај акцелераторите2.Како алтернатива на нуклеарните реактори, веќе се во функција неколку големи неутронски извори што ги разделуваат забрзувачите14,15.Меѓутоа, за поефикасна употреба на својствата на неутронските зраци, неопходно е да се прошири употребата на компактни извори кај акцелераторите, 16 кои можат да припаѓаат на индустриски и универзитетски истражувачки институции.Акцелераторските неутронски извори додадоа нови способности и функции покрај тоа што служат како замена за нуклеарните реактори14.На пример, генератор управуван од линаци лесно може да создаде прилив на неутрони со манипулирање со погонскиот зрак.Откако ќе се испуштат, неутроните тешко се контролираат, а мерењата на зрачењето тешко се анализираат поради бучавата што ја создаваат неутроните во позадина.Импулсните неутрони контролирани од акцелератор го избегнуваат овој проблем.Низ светот се предложени неколку проекти базирани на технологија на протонски акцелератор17,18,19.Реакциите 7Li(p, n)7Be и 9Be(p, n)9B најчесто се користат во компактните неутронски генератори управувани од протон бидејќи се ендотермни реакции20.Вишокот на зрачење и радиоактивен отпад може да се минимизираат ако енергијата избрана за возбудување на протонскиот зрак е малку над прагот.Меѓутоа, масата на целното јадро е многу поголема од онаа на протоните, а добиените неутрони се расејуваат во сите правци.Таквата блиска до изотропна емисија на неутронскиот флукс спречува ефикасен транспорт на неутрони до предметот на проучување.Покрај тоа, за да се добие потребната доза на неутрони на локацијата на објектот, неопходно е значително да се зголеми и бројот на протони во движење и нивната енергија.Како резултат на тоа, големи дози на гама зраци и неутрони ќе се шират низ големи агли, уништувајќи ја предноста на ендотермичките реакции.Типичен компактен генератор на неутрони базиран на протони управуван од забрзувач има силна заштита од зрачење и е најобемниот дел од системот.Потребата да се зголеми енергијата на погонските протони обично бара дополнително зголемување на големината на објектот за забрзување.
За да се надминат општите недостатоци на конвенционалните компактни неутронски извори кај забрзувачите, беше предложена шема на инверзија-кинематска реакција21.Во оваа шема, потежок литиум-јонски зрак се користи како водич наместо протонски зрак, таргетирајќи ги материјалите богати со водород како што се јаглеводородна пластика, хидриди, водороден гас или водородна плазма.Разгледани се алтернативи, како што се греди управувани од берилиум јони, меѓутоа, берилиумот е токсична супстанција која бара посебна грижа при ракувањето.Затоа, литиумскиот сноп е најсоодветен за шеми на инверзија-кинематска реакција.Бидејќи моментумот на јадрата на литиумот е поголем од оној на протоните, центарот на масата на нуклеарните судири постојано се движи напред, а неутроните исто така се емитуваат напред.Оваа карактеристика во голема мера ги елиминира несаканите гама зраци и емисиите на неутрони со висок агол22.Споредба на вообичаениот случај на протонски мотор и сценариото за инверзна кинематика е прикажана на Слика 1.
Илустрација на аглите на производство на неутрони за протонски и литиумски зраци (нацртана со Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(а) Неутроните можат да се исфрлат во која било насока како резултат на реакцијата поради фактот што протоните во движење ги погодуваат многу потешките атоми на целта на литиумот.(б) Спротивно на тоа, ако двигател на литиум-јони бомбардира цел богата со водород, неутроните се генерираат во тесен конус во напредната насока поради големата брзина на центарот на масата на системот.
Сепак, постојат само неколку инверзни кинематички генератори на неутрони поради тешкотијата да се генерира потребниот флукс на тешки јони со висок полнеж во споредба со протоните.Сите овие постројки користат извори на негативни прскање јони во комбинација со тандем електростатички акцелератори.Други видови извори на јони се предложени за да се зголеми ефикасноста на забрзувањето на зракот26.Во секој случај, достапната струја на литиум-јонскиот зрак е ограничена на 100 µA.Предложено е да се користи 1 mA од Li3+27, но оваа струја на јонски зрак не е потврдена со овој метод.Во однос на интензитетот, акцелераторите на литиумскиот сноп не можат да се натпреваруваат со забрзувачите на протонскиот зрак чија максимална струја на протон надминува 10 mA28.
За да се имплементира практичен компактен неутронски генератор базиран на литиум-јонски зрак, поволно е да се генерира висок интензитет целосно без јони.Јоните се забрзани и водени од електромагнетни сили, а повисокото ниво на полнење резултира со поефикасно забрзување.Возачите на Li-ion снопови бараат врвни струи Li3+ поголеми од 10 mA.
Во оваа работа, го демонстрираме забрзувањето на зраците Li3+ со врвни струи до 35 mA, што е споредливо со напредните протонски акцелератори.Оригиналниот сноп на литиум јони е создаден со помош на ласерска аблација и Директна плазма имплантација шема (DPIS) првично развиена за да се забрза C6+.Прилагодено дизајнирана радиофреквенција четириполен линак (RFQ linac) беше фабрикуван со помош на резонантна структура со четири прачки.Потврдивме дека зракот за забрзување ја има пресметаната енергија на зракот со висока чистота.Штом зракот Li3+ е ефикасно заробен и забрзан од забрзувачот на радиофреквенцијата (RF), последователниот линачен (акцелератор) дел се користи за да се обезбеди енергија потребна за генерирање на силен неутронски флукс од целта.
Забрзувањето на јоните со високи перформанси е добро воспоставена технологија.Преостанатата задача за реализација на нов високо ефикасен компактен генератор на неутрони е да се генерираат голем број целосно одземени литиумски јони и да се формира кластер структура која се состои од серија јонски импулси синхронизирани со RF циклусот во забрзувачот.Резултатите од експериментите дизајнирани за да се постигне оваа цел се опишани во следните три потсекции: (1) генерирање на целосно без литиум-јонски зрак, (2) забрзување на зракот со помош на специјално дизајниран RFQ линак и (3) забрзување на анализата на зракот да ја провери неговата содржина.Во Националната лабораторија Брукхевен (BNL), го изградивме експерименталното поставување прикажано на Слика 2.
Преглед на експерименталното поставување за забрзана анализа на литиумските зраци (илустрирано од Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Од десно кон лево, ласерско-аблативната плазма се генерира во комората за интеракција ласер-цел и се доставува до RFQ линакот.По влегувањето во забрзувачот RFQ, јоните се одвојуваат од плазмата и се инјектираат во RFQ забрзувачот преку ненадејно електрично поле создадено од 52 kV напонска разлика помеѓу електродата за екстракција и RFQ електродата во регионот на дрифт.Извлечените јони се забрзуваат од 22 keV/n до 204 keV/n со помош на RFQ електроди долги 2 метри.Струен трансформатор (CT) инсталиран на излезот од RFQ линакот обезбедува недеструктивно мерење на струјата на јонскиот зрак.Зракот е фокусиран од три четириполни магнети и е насочен кон диполен магнет, кој го одвојува и го насочува зракот Li3+ во детекторот.Зад процепот, пластичен сцинтилатор што може да се повлече и Фарадеј чаша (FC) со пристрасност до -400 V се користат за откривање на зракот за забрзување.
За да се генерираат целосно јонизирани јони на литиум (Li3+), неопходно е да се создаде плазма со температура над нејзината трета енергија на јонизација (122,4 eV).Се обидовме да користиме ласерска аблација за да произведеме плазма со висока температура.Овој тип на ласерски јонски извор не се користи вообичаено за генерирање на литиум-јонски зраци бидејќи литиум металот е реактивен и бара посебно ракување.Развивме цел систем за вчитување за да ја минимизираме влагата и контаминацијата на воздухот при инсталирање на литиумска фолија во комората за вакум ласерска интеракција.Сите подготовки на материјалите беа извршени во контролирана средина од сув аргон.Откако литиумската фолија беше инсталирана во ласерската целна комора, фолијата беше озрачена со импулсно Nd:YAG ласерско зрачење со енергија од 800 mJ по пулс.Во фокусот на целта, густината на ласерската моќност се проценува на околу 1012 W/cm2.Плазмата се создава кога импулсен ласер уништува цел во вакуум.Во текот на целиот ласерски пулс од 6 ns, плазмата продолжува да се загрева, главно поради процесот на обратен bremsstrahlung.Бидејќи за време на фазата на загревање не се применува ограничено надворешно поле, плазмата почнува да се шири во три димензии.Кога плазмата почнува да се шири над целната површина, центарот на масата на плазмата добива брзина нормална на целната површина со енергија од 600 eV/n.По загревањето, плазмата продолжува да се движи во аксијален правец од целта, проширувајќи се изотропно.
Како што е прикажано на слика 2, аблациската плазма се проширува во вакуумски волумен опкружен со метален сад со ист потенцијал како целта.Така, плазмата се движи низ регионот без поле кон забрзувачот RFQ.Помеѓу комората за ласерско зрачење и RFQ линакот се применува аксијално магнетно поле со помош на соленоидна намотка намотана околу вакуумската комора.Магнетното поле на соленоидот го потиснува радијалното проширување на плазмата што лебди со цел да се одржи висока густина на плазмата за време на испораката до отворот RFQ.Од друга страна, плазмата продолжува да се шири во аксијален правец за време на наносот, формирајќи издолжена плазма.Високонапонска пристрасност се применува на металниот сад што ја содржи плазмата пред излезната порта на влезот RFQ.Напонот на пристрасност беше избран за да ја обезбеди потребната стапка на вбризгување од 7Li3+ за правилно забрзување со RFQ линакот.
Добиената аблациона плазма содржи не само 7Li3+, туку и литиум во други состојби на полнење и загадувачки елементи, кои истовремено се транспортираат до линеарниот акцелератор RFQ.Пред забрзаните експерименти со користење на RFQ linac, беше извршена офлајн анализа на времето на летот (TOF) за да се проучи составот и дистрибуцијата на енергија на јоните во плазмата.Деталното аналитичко подесување и набљудуваната распределба на состојбата на полнење се објаснети во делот Методи.Анализата покажа дека јоните 7Li3+ се главните честички, кои сочинуваат околу 54% од сите честички, како што е прикажано на слика 3. Според анализата, јонската струја од 7Li3+ на излезната точка на јонскиот зрак се проценува на 1,87 mA.За време на забрзаните тестови, соленоидното поле од 79 mT се применува на плазмата што се шири.Како резултат на тоа, струјата 7Li3+ извлечена од плазмата и забележана на детекторот се зголеми за фактор 30.
Фракции на јони во ласерски генерирана плазма добиени со анализа на времето на летот.Јоните 7Li1+ и 7Li2+ сочинуваат 5% и 25% од јонскиот зрак, соодветно.Откриената фракција од 6Li честички се согласува со природната содржина на 6Li (7,6%) во целта на литиумската фолија во рамките на експерименталната грешка.Беше забележана мала контаминација со кислород (6,2%), главно О1+ (2,1%) и О2+ (1,5%), што може да се должи на оксидација на површината на целта на литиумската фолија.
Како што беше споменато претходно, литиумската плазма се движи во регион без поле пред да влезе во RFQ линакот.Влезот на RFQ линакот има дупка со дијаметар од 6 mm во метален контејнер, а пристрасниот напон е 52 kV.Иако напонот на RFQ електродата брзо се менува ±29 kV на 100 MHz, напонот предизвикува аксијално забрзување бидејќи електродите за забрзување RFQ имаат просечен потенцијал од нула.Поради силното електрично поле генерирано во јазот од 10 mm помеѓу отворот и работ на RFQ електродата, од плазмата на отворот се извлекуваат само позитивни плазма јони.Во традиционалните системи за испорака на јони, јоните се одвојуваат од плазмата со електрично поле на значително растојание пред забрзувачот RFQ и потоа се фокусираат во отворот RFQ со елемент за фокусирање на зракот.Меѓутоа, за интензивните тешки јонски снопови потребни за интензивен извор на неутрони, нелинеарните одбивни сили поради ефектите на вселенското полнење може да доведат до значителни загуби на струјата на зракот во системот за транспорт на јони, ограничувајќи ја врвната струја што може да се забрза.Во нашиот DPIS, јоните со висок интензитет се транспортираат како лебдечка плазма директно до излезната точка на отворот RFQ, така што нема губење на јонскиот зрак поради вселенско полнење.За време на оваа демонстрација, DPIS за прв пат беше применет на литиум-јонски зрак.
Структурата RFQ беше развиена за фокусирање и забрзување на јонски зраци со висока струја со мала енергија и стана стандард за забрзување од прв ред.Го користевме RFQ за да забрзаме 7Li3+ јони од имплантна енергија од 22 keV/n до 204 keV/n.Иако литиумот и другите честички со помал полнеж во плазмата исто така се извлекуваат од плазмата и се инјектираат во отворот на RFQ, RFQ линакот само ги забрзува јоните со сооднос полнеж-маса (Q/A) блиску до 7Li3+.
На сл.Слика 4 ги прикажува брановите откриени од струјниот трансформатор (CT) на излезот од RFQ линакот и Фарадејската чаша (FC) по анализата на магнетот, како што е прикажано на сл.2. Временското поместување помеѓу сигналите може да се толкува како разлика во времето на летот на локацијата на детекторот.Врвната јонска струја измерена на КТ беше 43 mA.Во положбата RT, регистрираниот зрак може да содржи не само јони забрзани до пресметаната енергија, туку и јони различни од 7Li3+, кои не се доволно забрзани.Сепак, сличноста на формите на јонската струја пронајдена со помош на QD и PC покажува дека јонската струја главно се состои од забрзан 7Li3+, а намалувањето на максималната вредност на струјата на компјутерот е предизвикано од загубите на зракот за време на јонскиот пренос помеѓу QD и PC.Загуби Ова е потврдено и со симулацијата на плико.За прецизно мерење на струјата на зракот 7Li3+, зракот се анализира со диполен магнет како што е опишано во следниот дел.
Осцилограми на забрзаниот зрак снимени во позициите на детекторот CT (црна крива) и FC (црвена крива).Овие мерења се активираат со откривање на ласерско зрачење со фотодетектор за време на ласерското генерирање на плазма.Црната крива ја прикажува брановата форма измерена на КТ поврзан со излезот на RFQ линакот.Поради неговата близина до RFQ линакот, детекторот зема RF шум од 100 MHz, така што беше применет нископропусен FFT филтер од 98 MHz за да се отстрани резонантниот RF сигнал од 100 MHz надреден на сигналот за откривање.Црвената крива ја покажува брановата форма на FC откако аналитичкиот магнет ќе го насочи 7Li3+ јонскиот зрак.Во ова магнетно поле, освен 7Li3+, може да се транспортираат и N6+ и O7+.
Јонскиот зрак по RFQ линакот е фокусиран со серија од три четириполни фокусирани магнети и потоа се анализира со диполни магнети за да се изолираат нечистотиите во јонскиот зрак.Магнетно поле од 0,268 Т ги насочува зраците 7Li3+ во FC.Брановата форма на детекција на ова магнетно поле е прикажана како црвена крива на Слика 4. Врвната струја на зракот достигнува 35 mA, што е повеќе од 100 пати повисока од типичниот зрак Li3+ произведен во постоечките конвенционални електростатички забрзувачи.Ширината на пулсот на зракот е 2,0 µs со целосна ширина на половина од максимумот.Откривањето на зрак 7Li3+ со диполно магнетно поле укажува на успешно здружување и забрзување на зракот.Струјата на јонскиот зрак откриена од FC при скенирање на магнетното поле на диполот е прикажана на сл. 5. Забележан е чист единечен врв, добро одделен од другите врвови.Бидејќи сите јони забрзани до дизајнерската енергија од RFQ линакот имаат иста брзина, јонските зраци со ист Q/A тешко се одвојуваат со диполни магнетни полиња.Затоа, не можеме да разликуваме 7Li3+ од N6+ или O7+.Сепак, количеството на нечистотии може да се процени од соседните држави за полнење.На пример, N7+ и N5+ може лесно да се одвојат, додека N6+ може да биде дел од нечистотијата и се очекува да биде присутен во приближно иста количина како N7+ и N5+.Проценетото ниво на загаденост е околу 2%.
Спектри на компоненти на зракот добиени со скенирање на диполско магнетно поле.Врвот на 0,268 Т одговара на 7Li3+ и N6+.Ширината на врвот зависи од големината на зракот на процепот.И покрај широките врвови, 7Li3+ добро се одвојува од 6Li3+, O6+ и N5+, но слабо се одвојува од O7+ и N6+.
На локацијата на FC, профилот на зракот беше потврден со приклучен сцинтилатор и снимен со брза дигитална камера како што е прикажано на Слика 6. 7Li3+ импулсниот зрак со струја од 35 mA е прикажан како забрзан до пресметан RFQ енергија од 204 keV/n, што одговара на 1,4 MeV, и се пренесува на FC детекторот.
Профил на зрак забележан на екран со сцинтилатор пред FC (обоен од Фиџи, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Магнетното поле на аналитичкиот диполен магнет беше подесено за да го насочи забрзувањето на јонскиот зрак Li3+ кон дизајнерската енергија RFQ.Сините точки во зелената површина се предизвикани од неисправен материјал за сцинтилатор.
Постигнавме генерирање на јони 7Li3+ со ласерска аблација на површината на цврста литиумска фолија, а јонскиот сноп со висока струја беше фатен и забрзан со специјално дизајниран RFQ линак користејќи DPIS.При енергија на зракот од 1,4 MeV, врвната струја од 7Li3+ достигната на FC по анализата на магнетот беше 35 mA.Ова потврдува дека најважниот дел од имплементацијата на неутронски извор со инверзна кинематика е имплементиран експериментално.Во овој дел од трудот, ќе се дискутира за целиот дизајн на компактен неутронски извор, вклучувајќи акцелератори со висока енергија и целни станици на неутрони.Дизајнот се базира на резултатите добиени со постоечките системи во нашата лабораторија.Треба да се забележи дека врвната струја на јонскиот зрак може дополнително да се зголеми со скратување на растојанието помеѓу литиумската фолија и RFQ линакот.Ориз.7 го илустрира целиот концепт на предложениот компактен неутронски извор кај забрзувачот.
Концептуален дизајн на предложениот компактен извор на неутрони кај забрзувачот (нацртан од Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Од десно кон лево: извор на ласерски јони, соленоиден магнет, RFQ линак, пренос на зрак со средна енергија (MEBT), IH линак и комора за интеракција за генерирање неутрони.Заштитата од радијација е обезбедена првенствено во насока нанапред поради тесно насочената природа на произведените неутронски зраци.
По RFQ линакот, планирано е натамошно забрзување на Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac.IH линаците користат структура на п-режим на движечка цевка за да обезбедат високи градиенти на електричното поле во одреден опсег на брзини.Концептуалната студија беше спроведена врз основа на симулација на 1D надолжна динамика и симулација на 3D школка.Пресметките покажуваат дека 100 MHz IH линак со разумен напон на цевката за повлекување (помал од 450 kV) и силен магнет за фокусирање може да забрза зрак од 40 mA од 1,4 до 14 MeV на растојание од 1,8 m.Дистрибуцијата на енергија на крајот од ланецот на забрзувачот се проценува на ± 0,4 MeV, што не влијае значително на енергетскиот спектар на неутроните произведен од целта за конверзија на неутрони.Дополнително, емисивноста на зракот е доволно мала за да го фокусира зракот во помала точка на зрак отколку што вообичаено би било потребно за четириполен магнет со средна јачина и големина.Во преносот на зрак со средна енергија (MEBT) помеѓу RFQ линакот и IH линакот, резонаторот за формирање на зрак се користи за одржување на структурата за формирање на зрак.За контрола на големината на страничниот зрак се користат три четириполни магнети.Оваа дизајнерска стратегија е користена во многу акцелератори31,32,33.Се проценува дека вкупната должина на целиот систем од изворот на јони до целната комора е помала од 8 m, што може да се вклопи во стандарден камион со полуприколка.
Целта за конверзија на неутрони ќе се инсталира директно по линеарниот акцелератор.Разговараме за дизајните на целните станици врз основа на претходни студии користејќи инверзни кинематички сценарија23.Пријавените цели за конверзија вклучуваат цврсти материјали (полипропилен (C3H6) и титаниум хидрид (TiH2)) и гасни целни системи.Секоја цел има предности и недостатоци.Цврстите цели овозможуваат прецизна контрола на дебелината.Колку е потенка целта, толку е попрецизно просторното уредување на производството на неутрони.Сепак, таквите цели сè уште може да имаат одреден степен на несакани нуклеарни реакции и радијација.Од друга страна, водородната цел може да обезбеди почиста средина со елиминирање на производството на 7Be, главниот производ на нуклеарната реакција.Меѓутоа, водородот има слаба бариерна способност и бара големо физичко растојание за доволно ослободување енергија.Ова е малку неповолно за мерењата на TOF.Дополнително, ако се користи тенок филм за запечатување на водородна цел, неопходно е да се земат предвид загубите на енергија од гама зраците генерирани од тенката фолија и упадниот литиумски зрак.
LICORNE користи полипропиленски цели и целниот систем е надграден до водородни ќелии запечатени со танталумова фолија.Претпоставувајќи ја струјата на зракот од 100 nA за 7Li34, двата целни системи можат да произведат до 107 n/s/sr.Ако ја примениме оваа наводна конверзија на издашноста на неутроните на нашиот предложен извор на неутрони, тогаш може да се добие зрак управуван од литиум од 7 × 10-8 C за секој ласерски пулс.Ова значи дека ласерот само двапати во секунда произведува 40% повеќе неутрони отколку што LICORNE може да произведе во една секунда со континуиран зрак.Вкупниот флукс може лесно да се зголеми со зголемување на фреквенцијата на возбудување на ласерот.Ако претпоставиме дека на пазарот постои ласерски систем од 1 kHz, просечниот неутронски флукс лесно може да се зголеми до околу 7 × 109 n/s/sr.
Кога користиме системи со висока стапка на повторување со пластични цели, неопходно е да се контролира производството на топлина на целите бидејќи, на пример, полипропиленот има ниска точка на топење од 145–175 °C и ниска топлинска спроводливост од 0,1–0,22 W/ m/K.За литиум-јонски зрак од 14 MeV, полипропиленска цел со дебелина од 7 µm е доволна за да се намали енергијата на зракот до прагот на реакцијата (13,098 MeV).Земајќи го предвид вкупниот ефект на јоните генерирани од еден ласерски истрел врз целта, ослободувањето на енергијата на јоните на литиум преку полипропилен се проценува на 64 mJ/пулс.Под претпоставка дека целата енергија се пренесува во круг со дијаметар од 10 mm, секој пулс одговара на пораст на температурата од приближно 18 K/пулс.Ослободувањето енергија на полипропиленските цели се заснова на едноставната претпоставка дека сите загуби на енергија се складираат како топлина, без зрачење или други загуби на топлина.Бидејќи зголемувањето на бројот на пулсирања во секунда бара елиминирање на акумулацијата на топлина, можеме да користиме цели на лента за да избегнеме ослободување енергија во истата точка23.Претпоставувајќи ја точката на зрак од 10 mm на целта со брзина на ласерско повторување од 100 Hz, брзината на скенирање на полипропиленската лента би била 1 m/s.Можни се повисоки стапки на повторување доколку е дозволено преклопување на точката на зракот.
Истражувавме и цели со водородни батерии, бидејќи можеше да се користат посилни погонски греди без да се оштети целта.Неутронскиот зрак може лесно да се намести со промена на должината на гасната комора и притисокот на водородот внатре.Во акцелераторите често се користат тенки метални фолии за одвојување на гасовитиот регион на целта од вакуум.Затоа, неопходно е да се зголеми енергијата на упадниот литиум-јонски зрак за да се компензираат загубите на енергија на фолијата.Целниот склоп опишан во извештајот 35 се состоеше од алуминиумски контејнер долг 3,5 cm со притисок на гас H2 од 1,5 atm.Литиум-јонскиот зрак од 16,75 MeV влегува во батеријата преку 2,7 µm Ta фолија со воздушно ладење, а енергијата на литиум-јонскиот зрак на крајот од батеријата се забавува до прагот на реакцијата.За да се зголеми енергијата на зракот на литиум-јонските батерии од 14,0 MeV на 16,75 MeV, IH линакот мораше да се издолжи за околу 30 cm.
Испитувана е и емисијата на неутрони од целите на гасните ќелии.За гореспоменатите цели за гас LICORNE, симулациите на GEANT436 покажуваат дека високо ориентирани неутрони се генерираат внатре во конусот, како што е прикажано на Слика 1 во [37].Референцата 35 го покажува енергетскиот опсег од 0,7 до 3,0 MeV со максимално отворање на конусот од 19,5° во однос на насоката на ширење на долгото светло.Високо ориентираните неутрони можат значително да го намалат количеството на заштитниот материјал на повеќето агли, намалувајќи ја тежината на конструкцијата и обезбедувајќи поголема флексибилност при инсталирањето на мерната опрема.Од гледна точка на заштита од радијација, покрај неутроните, оваа гасовита цел испушта изотропно гама зраци од 478 keV во центроидниот координатен систем38.Овие γ-зраци се произведуваат како резултат на распаѓање 7Be и 7Li деексцитација, што се случува кога примарниот сноп Li удира во влезниот прозорец Ta.Меѓутоа, со додавање на дебел цилиндричен колиматор од 35 Pb/Cu, позадината може значително да се намали.
Како алтернативна цел, може да се користи плазма прозорец [39, 40], што овозможува да се постигне релативно висок притисок на водород и мал просторен регион на создавање неутрони, иако е инфериорен во однос на цврстите цели.
Ги истражуваме опциите за таргетирање на конверзија на неутрони за очекуваната дистрибуција на енергија и големината на зракот на литиум-јонскиот зрак со помош на GEANT4.Нашите симулации покажуваат конзистентна дистрибуција на неутронската енергија и аголна дистрибуција за водородни цели во горната литература.Во секој целен систем, високо ориентирани неутрони може да се произведат со инверзна кинематска реакција поттикната од силен зрак 7Li3+ на мета богата со водород.Затоа, новите извори на неутрони може да се имплементираат со комбинирање на веќе постоечките технологии.
Условите за ласерско зрачење ги репродуцираа експериментите за генерирање на јонски зрак пред забрзаната демонстрација.Ласерот е десктоп наносекунда Nd:YAG систем со густина на ласерска моќност од 1012 W/cm2, основна бранова должина од 1064 nm, точка на енергија од 800 mJ и времетраење на пулсот од 6 ns.Дијаметарот на точката на целта се проценува на 100 µm.Бидејќи металот литиум (Alfa Aesar, 99,9% чист) е прилично мек, прецизно исечениот материјал се втиснува во калапот.Димензии на фолија 25 mm × 25 mm, дебелина 0,6 mm.Оштетување како кратер се јавува на површината на целта кога ласерот ја погодува, така што целта се движи со моторизирана платформа за да обезбеди свеж дел од површината на целта со секој ласерски истрел.За да се избегне рекомбинација поради преостанатиот гас, притисокот во комората се одржуваше под опсегот од 10-4 Pa.
Почетниот волумен на ласерската плазма е мал, бидејќи големината на ласерската точка е 100 μm и во рок од 6 ns по неговото создавање.Јачината на звукот може да се земе како точна точка и да се прошири.Ако детекторот е поставен на растојание xm од целната површина, тогаш примениот сигнал ја почитува врската: јонска струја I, време на пристигнување на јони t и ширина на пулсот τ.
Создадената плазма беше проучувана со методот TOF со FC и енергетски јонски анализатор (EIA) лоциран на растојание од 2,4 m и 3,85 m од ласерската цел.ФК има решетка за потиснување пристрасна за -5 kV за да спречи електрони.EIA има електростатички дефлектор од 90 степени кој се состои од две коаксијални метални цилиндрични електроди со ист напон, но спротивен поларитет, позитивен однадвор и негативен одвнатре.Плазмата што се шири е насочена во дефлекторот зад отворот и се отклонува од електричното поле што минува низ цилиндерот.Јоните кои ја задоволуваат врската E/z = eKU се откриени со помош на секундарен електронски мултипликатор (SEM) (Hamamatsu R2362), каде што E, z, e, K и U се јонската енергија, состојбата на полнење и полнежот се геометриски фактори на EIA .електрони, соодветно, и потенцијалната разлика помеѓу електродите.Со менување на напонот преку дефлекторот, може да се добие енергијата и дистрибуцијата на полнежот на јоните во плазмата.Напонскиот напон U/2 EIA е во опсег од 0,2 V до 800 V, што одговара на јонска енергија во опсег од 4 eV до 16 keV по состојба на полнење.
Распределбата на состојбата на полнење на јоните анализирани во услови на ласерско зрачење опишани во делот „Генерирање на целосно одземени литиумски зраци“ се прикажани на Сл.8.
Анализа на распределбата на состојбата на полнење на јоните.Еве го временскиот профил на густина на струјата на јоните анализиран со EIA и скалиран на 1 m од литиумската фолија користејќи ја равенката.(1) и (2).Користете ги условите за ласерско зрачење опишани во делот „Генерирање на целосно ексфолиран литиумски зрак“.Со интегрирање на секоја густина на струјата, беше пресметан процентот на јони во плазмата, прикажан на слика 3.
Изворите на ласерски јони можат да испорачаат интензивен мулти-mA јонски зрак со големо полнење.Сепак, испораката на зракот е многу тешко поради одбивањето на вселенскиот полнеж, па затоа не беше широко користен.Во традиционалната шема, јонските зраци се извлекуваат од плазмата и се транспортираат до примарниот акцелератор по линијата на зракот со неколку магнети за фокусирање за да го обликуваат јонскиот зрак според способноста за собирање на забрзувачот.Кај зраците со сила на вселенски полнеж, зраците се разминуваат нелинеарно и се забележуваат сериозни загуби на зракот, особено во регионот на мали брзини.За да се надмине овој проблем во развојот на медицински јаглеродни акцелератори, се предлага нова шема за испорака на зрак DPIS41.Ја применивме оваа техника за да го забрзаме моќниот литиум-јонски зрак од нов извор на неутрони.
Како што е прикажано на сл.4, просторот во кој се генерира и проширува плазмата е опкружен со метален контејнер.Заградениот простор се протега до влезот во резонаторот RFQ, вклучувајќи ја јачината на звукот во електромагнетниот калем.На контејнерот е применет напон од 52 kV.Во RFQ резонаторот, јоните се влечат со потенцијал преку дупка со дијаметар од 6 mm со заземјување на RFQ.Нелинеарните одбивни сили на линијата на зракот се елиминираат додека јоните се транспортираат во состојба на плазма.Дополнително, како што споменавме погоре, применивме соленоидно поле во комбинација со DPIS за контрола и зголемување на густината на јоните во отворот за екстракција.
RFQ забрзувачот се состои од цилиндрична вакуумска комора како што е прикажано на сл.9а.Внатре во него, четири прачки од бакар без кислород се поставени четирипол-симетрично околу оската на снопот (сл. 9б).4 прачки и комори формираат резонантно RF коло.Индуцираното RF поле создава временски променлив напон низ шипката.Јоните вградени надолжно околу оската се држат странично од полето на четирипол.Во исто време, врвот на шипката е модулиран за да се создаде аксијално електрично поле.Аксијалното поле го дели инјектираниот континуиран зрак на низа импулси на зрак наречени зрак.Секој зрак е содржан во одредено време на циклус на RF (10 ns).Соседните зраци се распоредени според периодот на радиофреквенција.Во RFQ линакот, зрак од 2 µs од извор на ласерски јони се претвора во низа од 200 зраци.Зракот потоа се забрзува до пресметаната енергија.
Линеарен акцелератор RFQ.(а) (лево) Надворешен поглед на RFQ линачната комора.(б) (десно) Електрода со четири прачки во комората.
Главните параметри на дизајнот на RFQ линакот се напонот на шипката, резонантната фреквенција, радиусот на дупката на зракот и модулацијата на електродата.Изберете го напонот на шипката ± 29 kV така што неговото електрично поле е под прагот на електричен дефект.Колку е помала резонантната фреквенција, толку е поголема страничната сила на фокусирање и помало е просечното поле на забрзување.Големите радиуси на отворот овозможуваат да се зголеми големината на зракот и, следствено, да се зголеми струјата на зракот поради помалото одбивање на просторното полнење.Од друга страна, поголемите радиуси на отворот бараат повеќе RF моќ за напојување на RFQ линакот.Покрај тоа, тој е ограничен од барањата за квалитет на страницата.Врз основа на овие баланси, резонантната фреквенција (100 MHz) и радиусот на отворот (4,5 mm) беа избрани за забрзување на зракот со висока струја.Модулацијата е избрана за да се минимизира загубата на зракот и да се зголеми ефикасноста на забрзувањето.Дизајнот е оптимизиран многу пати за да се произведе RFQ линачен дизајн кој може да забрза 7Li3+ јони на 40 mA од 22 keV/n до 204 keV/n во рок од 2 m.Моќта на RF измерена за време на експериментот беше 77 kW.
RFQ линаците можат да ги забрзаат јоните со специфичен опсег Q/A.Затоа, при анализа на зрак напојуван до крајот на линеарен забрзувач, неопходно е да се земат предвид изотопите и другите супстанции.Покрај тоа, саканите јони, делумно забрзани, но спуштени во услови на забрзување во средината на забрзувачот, сè уште можат да се сретнат со странично затворање и можат да се транспортираат до крај.Несаканите зраци освен инженерските 7Li3+ честички се нарекуваат нечистотии.Во нашите експерименти, нечистотиите 14N6+ и 16O7+ беа најзагрижувачки, бидејќи литиумската метална фолија реагира со кислород и азот во воздухот.Овие јони имаат сооднос Q/A што може да се забрза со 7Li3+.Ние користиме диполни магнети за одвојување на греди со различен квалитет и квалитет за анализа на зраците по RFQ линакот.
Линијата на зракот по RFQ линакот е дизајнирана да го испорача целосно забрзаниот зрак 7Li3+ до FC по диполниот магнет.-400 V пристрасни електроди се користат за потиснување на секундарните електрони во чашата за прецизно мерење на струјата на јонскиот зрак.Со оваа оптика, јонските траектории се поделени во диполи и се фокусираат на различни места во зависност од Q/A.Поради различни фактори како што се дифузија на импулсот и одбивање на просторот на полнежот, зракот во фокусот има одредена ширина.Видот може да се одвои само ако растојанието помеѓу фокусните позиции на двата вида јони е поголемо од ширината на зракот.За да се добие највисока можна резолуција, хоризонтален процеп е инсталиран во близина на половината на зракот, каде што зракот е практично концентриран.Помеѓу процепот и компјутерот беше инсталиран екран за сцинтилација (CsI(Tl) од Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Сцинтилаторот се користеше за да се одреди најмалиот процеп низ кој требаше да поминат дизајнираните честички за оптимална резолуција и да се демонстрираат прифатливи големини на зрак за тешки јонски зраци со висока струја.Сликата на зракот на сцинтилаторот се снима со CCD камера преку вакуумски прозорец.Прилагодете го прозорецот за време на експозиција за да ја покрие целата ширина на импулсот на зракот.
Збирките на податоци користени или анализирани во тековната студија се достапни од соодветните автори на разумно барање.
Манке, И. и сор.Тридимензионално сликање на магнетни домени.Национална комуна.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Андерсон, ИС и сор.Можности за проучување на збиени извори на неутрони кај акцелераторите.физика.Реп. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Урчуоли, А. и сор.Компјутеризирана микротомографија базирана на неутрони: Pliobates cataloniae и Barberapithecus huerzeleri како тест случаи.Да.J. Физика.антропологијата.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).