304L 6,35*1mm Dodavatelé spirálových trubek z nerezové oceli, Ukázka intenzivního lithiového paprsku pro generování pulzních přímých neutronů

Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Posuvníky zobrazující tři články na snímku.Pro pohyb mezi snímky použijte tlačítka zpět a další, pro pohyb po jednotlivých snímcích použijte tlačítka posuvného ovladače na konci.

Jako alternativa ke studiu jaderných reaktorů může být slibným kandidátem kompaktní generátor neutronů řízený urychlovačem využívající lithium-iontový ovladač paprsku, protože produkuje málo nežádoucího záření.Bylo však obtížné dodat intenzivní paprsek lithných iontů a praktické použití takových zařízení bylo považováno za nemožné.Nejakutnější problém nedostatečného toku iontů byl vyřešen aplikací schématu přímé plazmové implantace.V tomto schématu je pulzní plazma o vysoké hustotě generované laserovou ablací lithiové kovové fólie účinně vstřikována a urychlována vysokofrekvenčním kvadrupólovým urychlovačem (RFQ akcelerátor).Dosáhli jsme špičkového proudu paprsku 35 mA urychleného na 1,43 MeV, což je o dva řády více, než mohou poskytnout konvenční injektorové a urychlovací systémy.
Na rozdíl od rentgenového záření nebo nabitých částic mají neutrony velkou hloubku průniku a jedinečnou interakci s kondenzovanou hmotou, což z nich činí extrémně univerzální sondy pro studium vlastností materiálů1,2,3,4,5,6,7.Zejména techniky rozptylu neutronů se běžně používají ke studiu složení, struktury a vnitřních napětí v kondenzované hmotě a mohou poskytnout podrobné informace o stopových sloučeninách ve slitinách kovů, které je obtížné detekovat pomocí rentgenové spektroskopie8.Tato metoda je považována za mocný nástroj v základní vědě a používají ji výrobci kovů a jiných materiálů.V poslední době se neutronová difrakce používá k detekci zbytkových napětí v mechanických součástech, jako jsou části kolejnic a letadel9,10,11,12.Neutrony se také používají v ropných a plynových vrtech, protože je snadno zachycují materiály bohaté na proton13.Podobné metody se používají i ve stavebnictví.Nedestruktivní neutronové testování je účinným nástrojem pro odhalování skrytých poruch v budovách, tunelech a mostech.Použití neutronových paprsků se aktivně využívá ve vědeckém výzkumu a průmyslu, z nichž mnohé byly historicky vyvinuty pomocí jaderných reaktorů.
S celosvětovým konsensem o nešíření jaderných zbraní je však stavba malých reaktorů pro výzkumné účely stále obtížnější.Nedávná havárie ve Fukušimě navíc učinila výstavbu jaderných reaktorů téměř společensky přijatelnou.V souvislosti s tímto trendem roste poptávka po zdrojích neutronů na urychlovačích2.Jako alternativa k jaderným reaktorům je již v provozu několik velkých neutronových zdrojů štěpících urychlovač14,15.Pro efektivnější využití vlastností neutronových svazků je však nutné rozšířit využití kompaktních zdrojů u urychlovačů, 16 které mohou patřit průmyslovým a univerzitním výzkumným institucím.Zdroje urychlovacích neutronů přidaly nové schopnosti a funkce kromě toho, že slouží jako náhrada za jaderné reaktory14.Například generátor řízený linacem může snadno vytvořit proud neutronů manipulací s hnacím paprskem.Jakmile jsou neutrony emitovány, je obtížné je kontrolovat a měření radiace je obtížné analyzovat kvůli hluku vytvářenému neutrony na pozadí.Pulzní neutrony řízené urychlovačem se tomuto problému vyhýbají.Po celém světě bylo navrženo několik projektů založených na technologii urychlovačů protonů17,18,19.Reakce 7Li(p, n)7Be a 9Be(p, n)9B se nejčastěji používají v protonem řízených kompaktních neutronových generátorech, protože se jedná o endotermické reakce20.Nadměrné záření a radioaktivní odpad lze minimalizovat, pokud je energie zvolená pro excitaci protonového paprsku mírně nad prahovou hodnotou.Hmotnost cílového jádra je však mnohem větší než hmotnost protonů a vzniklé neutrony se rozptylují do všech směrů.Taková blízko izotropní emise toku neutronů brání účinnému transportu neutronů k předmětu studia.Pro získání potřebné dávky neutronů v místě objektu je navíc nutné výrazně zvýšit jak počet pohybujících se protonů, tak jejich energii.V důsledku toho se velké dávky gama paprsků a neutronů budou šířit přes velké úhly, což zničí výhodu endotermických reakcí.Typický urychlovačem řízený kompaktní generátor neutronů na bázi protonů má silné radiační stínění a je nejobjemnější částí systému.Potřeba zvýšit energii hnacích protonů obvykle vyžaduje dodatečné zvětšení velikosti zařízení urychlovače.
K překonání obecných nedostatků konvenčních kompaktních neutronových zdrojů na urychlovačích bylo navrženo schéma inverzní kinematické reakce21.V tomto schématu je jako vodicí paprsek místo protonového paprsku použit těžší lithium-iontový paprsek, který míří na materiály bohaté na vodík, jako jsou uhlovodíkové plasty, hydridy, plynný vodík nebo vodíková plazma.Byly zvažovány alternativy, jako jsou paprsky poháněné ionty berylia, nicméně berylium je toxická látka vyžadující zvláštní opatrnost při manipulaci.Pro schémata inverzní kinematické reakce je proto nejvhodnější lithiový paprsek.Vzhledem k tomu, že hybnost jader lithia je větší než hybnost protonů, těžiště jaderných srážek se neustále pohybuje vpřed a neutrony jsou také emitovány dopředu.Tato funkce výrazně eliminuje nežádoucí gama záření a vysokoúhlové emise neutronů22.Porovnání obvyklého případu protonového motoru a scénáře inverzní kinematiky ukazuje obrázek 1.
Ilustrace úhlů produkce neutronů pro protonové a lithiové paprsky (nakresleno pomocí Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutrony mohou být vyvrženy v jakémkoli směru jako výsledek reakce kvůli skutečnosti, že pohybující se protony zasáhly mnohem těžší atomy lithiového terče.(b) Naopak, pokud lithium-iontový ovladač bombarduje cíl bohatý na vodík, neutrony se generují v úzkém kuželu v dopředném směru kvůli vysoké rychlosti těžiště systému.
Existuje však pouze několik inverzních kinematických generátorů neutronů kvůli obtížnosti generování požadovaného toku těžkých iontů s vysokým nábojem ve srovnání s protony.Všechny tyto závody využívají zdroje negativních rozprašovacích iontů v kombinaci s tandemovými elektrostatickými urychlovači.Pro zvýšení účinnosti urychlení paprsku byly navrženy další typy iontových zdrojů26.V každém případě je dostupný proud paprsku lithium-iontů omezen na 100 µA.Bylo navrženo použít 1 mA Li3+27, ale tento proud iontového paprsku nebyl touto metodou potvrzen.Pokud jde o intenzitu, lithiové urychlovače paprsku nemohou konkurovat urychlovačům protonového paprsku, jejichž špičkový protonový proud přesahuje 10 mA28.
Pro implementaci praktického kompaktního neutronového generátoru na bázi lithium-iontového paprsku je výhodné generovat vysokou intenzitu zcela bez iontů.Ionty jsou urychlovány a vedeny elektromagnetickými silami a vyšší úroveň nabití vede k účinnějšímu zrychlení.Budiče paprsku Li-ion vyžadují špičkové proudy Li3+ vyšší než 10 mA.
V této práci demonstrujeme urychlení paprsků Li3+ se špičkovými proudy až 35 mA, což je srovnatelné s pokročilými protonovými urychlovači.Původní lithium-iontový paprsek byl vytvořen pomocí laserové ablace a schématu přímé plazmové implantace (DPIS) původně vyvinutého k urychlení C6+.Na zakázku navržený radiofrekvenční čtyřpólový linac (RFQ linac) byl vyroben pomocí čtyřtyčové rezonanční struktury.Ověřili jsme, že urychlující paprsek má vypočtenou vysokou čistotu energie paprsku.Jakmile je paprsek Li3+ účinně zachycen a urychlen vysokofrekvenčním (RF) urychlovačem, použije se následná sekce linac (urychlovač) k poskytnutí energie potřebné k vytvoření silného neutronového toku z cíle.
Zrychlení vysoce výkonných iontů je dobře zavedená technologie.Zbývajícím úkolem realizace nového vysoce účinného kompaktního neutronového generátoru je generovat velké množství zcela stripovaných lithných iontů a vytvořit klastrovou strukturu sestávající ze série iontových pulzů synchronizovaných s RF cyklem v urychlovači.Výsledky experimentů navržených k dosažení tohoto cíle jsou popsány v následujících třech podkapitolách: (1) generování paprsku zcela bez lithium-iontového paprsku, (2) zrychlení paprsku pomocí speciálně navrženého RFQ linac a (3) zrychlení analýzy paprsku, abyste zkontrolovali jeho obsah.V Brookhaven National Laboratory (BNL) jsme vytvořili experimentální uspořádání zobrazené na obrázku 2.
Přehled experimentálního nastavení pro zrychlenou analýzu lithiových paprsků (ilustrováno Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Zprava doleva se v komoře interakce laser-cíl generuje laserově ablativní plazma a dodává se do RFQ linac.Po vstupu do urychlovače RFQ jsou ionty odděleny od plazmy a vstřikovány do urychlovače RFQ prostřednictvím náhlého elektrického pole vytvořeného rozdílem napětí 52 kV mezi extrakční elektrodou a elektrodou RFQ v oblasti driftu.Extrahované ionty jsou urychleny z 22 keV/n na 204 keV/n pomocí 2 metrů dlouhých RFQ elektrod.Proudový transformátor (CT) instalovaný na výstupu RFQ linac poskytuje nedestruktivní měření proudu iontového paprsku.Paprsek je zaostřen třemi kvadrupólovými magnety a směrován na dipólový magnet, který odděluje a směruje paprsek Li3+ do detektoru.Za štěrbinou je použit výsuvný plastový scintilátor a Faradayův pohárek (FC) s předpětím až -400 V k detekci urychlujícího paprsku.
Pro vytvoření plně ionizovaných iontů lithia (Li3+) je nutné vytvořit plazma s teplotou nad jeho třetí ionizační energií (122,4 eV).Pokusili jsme se použít laserovou ablaci k výrobě vysokoteplotního plazmatu.Tento typ laserového iontového zdroje se běžně nepoužívá ke generování lithných iontových paprsků, protože lithium je reaktivní a vyžaduje speciální manipulaci.Vyvinuli jsme systém plnění cíle, abychom minimalizovali vlhkost a kontaminaci vzduchu při instalaci lithiové fólie do vakuové laserové interakční komory.Všechny přípravy materiálů byly prováděny v kontrolovaném prostředí suchého argonu.Po instalaci lithiové fólie do laserové cílové komory byla fólie ozářena pulzním Nd:YAG laserovým zářením o energii 800 mJ na pulz.Při zaměření na cíl se hustota výkonu laseru odhaduje na asi 1012 W/cm2.Plazma vzniká, když pulzní laser zničí cíl ve vakuu.Během celého 6ns laserového pulsu se plazma dále zahřívá, a to především v důsledku zpětného brzdného záření.Protože během fáze zahřívání není aplikováno žádné omezující vnější pole, plazma se začíná roztahovat ve třech rozměrech.Když se plazma začne rozpínat po povrchu cíle, těžiště plazmatu nabude rychlost kolmou k povrchu cíle s energií 600 eV/n.Po zahřátí se plazma dále pohybuje v axiálním směru od cíle a izotropně expanduje.
Jak je znázorněno na obrázku 2, ablační plazma expanduje do vakuového objemu obklopeného kovovou nádobou se stejným potenciálem jako cíl.Plazma tedy driftuje oblastí bez pole směrem k urychlovači RFQ.Axiální magnetické pole je aplikováno mezi laserovou ozařovací komoru a RFQ linac pomocí cívky solenoidu navinutého kolem vakuové komory.Magnetické pole solenoidu potlačuje radiální expanzi unášeného plazmatu, aby se udržela vysoká hustota plazmatu během dodávání do RFQ apertury.Na druhé straně plazma pokračuje v expanzi v axiálním směru během driftu a vytváří podlouhlé plazma.Vysokonapěťové předpětí je aplikováno na kovovou nádobu obsahující plazmu před výstupním portem na vstupu RFQ.Předpětí bylo zvoleno tak, aby poskytovalo požadovanou rychlost vstřikování 7Li3+ pro správnou akceleraci RFQ linac.
Výsledné ablační plazma obsahuje nejen 7Li3+, ale i lithium v ​​jiných stavech nabití a polutantové prvky, které jsou současně transportovány do lineárního urychlovače RFQ.Před zrychlenými experimenty s použitím RFQ linac byla provedena offline analýza doby letu (TOF) ke studiu složení a distribuce energie iontů v plazmě.Podrobné analytické nastavení a pozorované rozložení stavu náboje jsou vysvětleny v části Metody.Analýza ukázala, že hlavní částice byly 7Li3+ ionty, které tvoří asi 54 % všech částic, jak je znázorněno na obr. 3. Podle analýzy je proud 7Li3+ ve výstupním bodě iontového paprsku odhadován na 1,87 mA.Během zrychlených testů je na expandující plazma aplikováno pole elektromagnetu 79 mT.V důsledku toho se proud 7Li3+ extrahovaný z plazmy a pozorovaný na detektoru zvýšil o faktor 30.
Frakce iontů v laserem generovaném plazmatu získané analýzou doby letu.Ionty 7Li1+ a 7Li2+ tvoří 5 % a 25 % iontového paprsku.Zjištěná frakce částic 6Li souhlasí s přirozeným obsahem 6Li (7,6 %) v terči z lithiové fólie v rámci experimentální chyby.Byla pozorována mírná kontaminace kyslíkem (6,2 %), hlavně O1+ (2,1 %) a O2+ (1,5 %), což může být způsobeno oxidací povrchu lithiového terče.
Jak již bylo zmíněno, lithiová plazma před vstupem do RFQ linac driftuje v oblasti bez pole.Vstup RFQ linac má otvor o průměru 6 mm v kovové nádobě a předpětí je 52 kV.Přestože se napětí RFQ elektrody rychle mění o ±29 kV při 100 MHz, napětí způsobuje axiální zrychlení, protože elektrody RFQ urychlovače mají průměrný potenciál nula.V důsledku silného elektrického pole generovaného v mezeře 10 mm mezi aperturou a okrajem RFQ elektrody jsou z plazmy v aperturě extrahovány pouze kladné ionty plazmy.V tradičních systémech dodávání iontů jsou ionty odděleny od plazmy elektrickým polem ve značné vzdálenosti před RFQ urychlovačem a poté zaostřeny do RFQ apertury prvkem pro zaostřování paprsku.Avšak pro intenzivní svazky těžkých iontů potřebné pro intenzivní zdroj neutronů mohou nelineární odpudivé síly v důsledku účinků prostorového náboje vést k významným ztrátám proudu svazku v systému transportu iontů, což omezuje špičkový proud, který lze urychlit.V našem DPIS jsou ionty o vysoké intenzitě transportovány jako driftující plazma přímo do výstupního bodu RFQ apertury, takže nedochází ke ztrátě iontového paprsku v důsledku vesmírného náboje.Během této demonstrace byl DPIS poprvé aplikován na lithium-iontový paprsek.
Struktura RFQ byla vyvinuta pro zaostřování a urychlování nízkoenergetických vysokoproudých iontových paprsků a stala se standardem pro zrychlení prvního řádu.Použili jsme RFQ k urychlení 7Li3+ iontů z energie implantátu 22 keV/n na 204 keV/n.Ačkoli lithium a další částice s nižším nábojem v plazmě jsou také extrahovány z plazmy a vstřikovány do otvoru RFQ, RFQ linac urychluje pouze ionty s poměrem náboje k hmotnosti (Q/A) blízkým 7Li3+.
Na Obr.Obrázek 4 ukazuje průběhy detekované proudovým transformátorem (CT) na výstupu RFQ linac a Faradayovy misky (FC) po analýze magnetu, jak je znázorněno na Obr.2. Časový posun mezi signály lze interpretovat jako rozdíl v době letu v místě detektoru.Špičkový iontový proud naměřený na CT byl 43 mA.V poloze RT může registrovaný paprsek obsahovat nejen ionty urychlené na vypočítanou energii, ale i jiné ionty než 7Li3+, které nejsou dostatečně urychleny.Nicméně podobnost forem iontového proudu zjištěná pomocí QD a PC ukazuje, že iontový proud sestává hlavně z urychleného 7Li3+ a pokles špičkové hodnoty proudu na PC je způsoben ztrátami paprsku během přenosu iontů mezi QD a PC.Ztráty To potvrzuje i simulace obálky.Pro přesné měření proudu paprsku 7Li3+ je paprsek analyzován pomocí dipólového magnetu, jak je popsáno v další části.
Oscilogramy zrychleného paprsku zaznamenané v polohách detektoru CT (černá křivka) a FC (červená křivka).Tato měření jsou spouštěna detekcí laserového záření fotodetektorem při generování laserového plazmatu.Černá křivka ukazuje průběh naměřený na CT připojeném k výstupu RFQ linac.Díky své blízkosti k RFQ linac detektor zachytí 100 MHz RF šum, takže byl použit 98 MHz dolní propust FFT filtr k odstranění 100 MHz rezonančního RF signálu superponovaného na detekční signál.Červená křivka ukazuje průběh při FC poté, co analytický magnet nasměruje paprsek iontů 7Li3+.V tomto magnetickém poli lze kromě 7Li3+ transportovat i N6+ a O7+.
Iontový paprsek po RFQ linac je zaostřen sérií tří kvadrupólových zaostřovacích magnetů a poté analyzován dipólovými magnety, aby se izolovaly nečistoty v iontovém paprsku.Magnetické pole 0,268 T směruje paprsky 7Li3+ do FC.Průběh detekce tohoto magnetického pole je znázorněn jako červená křivka na obrázku 4. Špičkový proud paprsku dosahuje 35 mA, což je více než 100krát více než typický paprsek Li3+ produkovaný ve stávajících konvenčních elektrostatických urychlovačích.Šířka pulsu paprsku je 2,0 µs při plné šířce v polovině maxima.Detekce paprsku 7Li3+ s dipólovým magnetickým polem indikuje úspěšné shlukování a zrychlení paprsku.Proud iontového svazku detekovaný FC při skenování magnetického pole dipólu je znázorněn na obr. 5. Byl pozorován čistý jeden pík, dobře oddělený od ostatních píků.Protože všechny ionty urychlené na návrhovou energii RFQ linac mají stejnou rychlost, iontové paprsky se stejnou Q/A je obtížné oddělit dipólovými magnetickými poli.Proto nemůžeme rozlišit 7Li3+ od N6+ nebo O7+.Množství nečistot však lze odhadnout ze sousedních vsázkových stavů.Například N7+ a N5+ lze snadno oddělit, zatímco N6+ může být součástí nečistoty a očekává se, že bude přítomen přibližně ve stejném množství jako N7+ a N5+.Odhadovaná úroveň znečištění je asi 2 %.
Spektra složek paprsku získaná skenováním dipólového magnetického pole.Pík při 0,268 T odpovídá 7Li3+ a N6+.Šířka píku závisí na velikosti paprsku na štěrbině.Přes široké píky se 7Li3+ dobře odděluje od 6Li3+, O6+ a N5+, ale špatně se odděluje od O7+ a N6+.
V místě FC byl profil paprsku potvrzen pomocí zásuvného scintilátoru a zaznamenán rychlou digitální kamerou, jak je znázorněno na obrázku 6. Pulzní paprsek 7Li3+ s proudem 35 mA je ukázán jako urychlený na vypočítanou RFQ energie 204 keV/n, což odpovídá 1,4 MeV, a přenesena do FC detektoru.
Profil paprsku pozorovaný na obrazovce scintilátoru před FC (barevné podle Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Magnetické pole analytického dipólového magnetu bylo vyladěno tak, aby směrovalo zrychlení paprsku iontů Li3+ na návrhovou energii RFQ.Modré tečky v zelené oblasti jsou způsobeny vadným materiálem scintilátoru.
Generování 7Li3+ iontů jsme dosáhli laserovou ablací povrchu pevné lithiové fólie a vysokoproudý iontový paprsek byl zachycen a urychlen speciálně navrženým RFQ linac pomocí DPIS.Při energii paprsku 1,4 MeV byl špičkový proud 7Li3+ dosažený na FC po analýze magnetu 35 mA.To potvrzuje, že nejdůležitější část realizace neutronového zdroje s inverzní kinematikou byla realizována experimentálně.V této části příspěvku bude diskutován celý návrh kompaktního neutronového zdroje, včetně vysokoenergetických urychlovačů a neutronových cílových stanic.Návrh je založen na výsledcích získaných se stávajícími systémy v naší laboratoři.Je třeba poznamenat, že špičkový proud iontového paprsku lze dále zvýšit zkrácením vzdálenosti mezi lithiovou fólií a RFQ linakem.Rýže.7 znázorňuje celý koncept navrhovaného kompaktního neutronového zdroje na urychlovači.
Koncepční návrh navrhovaného kompaktního neutronového zdroje na urychlovači (nakreslil Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Zprava doleva: laserový iontový zdroj, solenoidový magnet, RFQ linac, přenos paprsku střední energie (MEBT), IH linac a interakční komora pro generování neutronů.Radiační ochrana je poskytována především v dopředném směru kvůli úzce směrované povaze produkovaných neutronových paprsků.
Po RFQ linac je plánována další akcelerace Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac.IH linacs používají strukturu driftových trubic v režimu π k zajištění vysokých gradientů elektrického pole v určitém rozsahu rychlostí.Koncepční studie byla provedena na základě 1D simulace podélné dynamiky a 3D simulace skořepiny.Výpočty ukazují, že 100 MHz IH linac s rozumným napětím driftové trubice (méně než 450 kV) a silným zaostřovacím magnetem může urychlit paprsek 40 mA z 1,4 na 14 MeV na vzdálenost 1,8 m.Distribuce energie na konci řetězce urychlovače se odhaduje na ± 0,4 MeV, což významně neovlivňuje energetické spektrum neutronů produkovaných cílem konverze neutronů.Kromě toho je emisivita paprsku dostatečně nízká, aby zaostřila paprsek do menšího bodu paprsku, než by se normálně vyžadovalo pro středně silný a velký čtyřpólový magnet.Při přenosu paprsku střední energie (MEBT) mezi RFQ linac a IH linac se k udržení struktury formování paprsku používá rezonátor vytvářející svazek.Pro ovládání velikosti bočního paprsku se používají tři kvadrupólové magnety.Tato návrhová strategie byla použita v mnoha akcelerátorech31,32,33.Celková délka celého systému od iontového zdroje po cílovou komoru se odhaduje na necelých 8 m, což se vejde do běžného návěsu.
Konverzní terč neutronů bude instalován přímo za lineárním urychlovačem.Diskutujeme návrhy cílových stanic na základě předchozích studií s použitím inverzních kinematických scénářů23.Hlášené cíle konverze zahrnují pevné materiály (polypropylen (C3H6) a hydrid titaničitý (TiH2)) a plynné cílové systémy.Každý cíl má své výhody a nevýhody.Pevné terče umožňují přesnou kontrolu tloušťky.Čím tenčí je cíl, tím přesnější je prostorové uspořádání produkce neutronů.Takové cíle však mohou mít stále určitý stupeň nežádoucích jaderných reakcí a radiace.Na druhou stranu vodíkový terč může zajistit čistší životní prostředí tím, že eliminuje produkci 7Be, hlavního produktu jaderné reakce.Vodík má však slabou bariérovou schopnost a vyžaduje velkou fyzickou vzdálenost pro dostatečné uvolnění energie.To je pro měření TOF mírně nevýhodné.Pokud je navíc k utěsnění vodíkového terče použit tenký film, je nutné počítat s energetickými ztrátami gama záření generovaných tenkým filmem a dopadajícím lithiovým paprskem.
LICORNE používá polypropylenové terče a terčový systém byl upgradován na vodíkové články zatavené tantalovou fólií.Za předpokladu proudu paprsku 100 nA pro 7Li34 mohou oba cílové systémy produkovat až 107 n/s/sr.Pokud použijeme tuto proklamovanou konverzi výtěžku neutronů na námi navrhovaný zdroj neutronů, pak lze pro každý laserový pulz získat paprsek řízený lithiem o teplotě 7 × 10–8 C.To znamená, že vypálení laseru pouze dvakrát za sekundu produkuje o 40 % více neutronů, než dokáže LICORNE vyprodukovat za jednu sekundu spojitým paprskem.Celkový tok lze snadno zvýšit zvýšením budicí frekvence laseru.Pokud předpokládáme, že je na trhu 1 kHz laserový systém, lze průměrný tok neutronů snadno škálovat až na přibližně 7 × 109 n/s/sr.
Když používáme systémy s vysokou opakovací rychlostí s plastovými terčíky, je nutné řídit tvorbu tepla na terčích, protože např. polypropylen má nízkou teplotu tání 145–175 °C a nízkou tepelnou vodivost 0,1–0,22 W/ m/K.Pro 14 MeV lithium-iontový paprsek postačuje polypropylenový terč o tloušťce 7 µm ke snížení energie paprsku na reakční práh (13,098 MeV).Vezmeme-li v úvahu celkový účinek iontů generovaných jedním laserovým výstřelem na cíl, uvolňování energie iontů lithia přes polypropylen se odhaduje na 64 mJ/pulz.Za předpokladu, že veškerá energie je přenášena v kruhu o průměru 10 mm, odpovídá každý impuls nárůstu teploty přibližně 18 K/impulz.Uvolňování energie na polypropylenových terčích je založeno na jednoduchém předpokladu, že všechny energetické ztráty jsou akumulovány jako teplo, bez radiačních nebo jiných tepelných ztrát.Vzhledem k tomu, že zvýšení počtu pulzů za sekundu vyžaduje eliminaci nahromadění tepla, můžeme použít proužkové terče, abychom zabránili uvolnění energie ve stejném bodě23.Za předpokladu 10 mm paprskového bodu na terči s opakovací frekvencí laseru 100 Hz by rychlost skenování polypropylenové pásky byla 1 m/s.Vyšší opakovací frekvence jsou možné, pokud je povoleno překrytí bodů paprsku.
Také jsme zkoumali cíle s vodíkovými bateriemi, protože bylo možné použít silnější hnací paprsky bez poškození cíle.Neutronový paprsek lze snadno vyladit změnou délky plynové komory a tlaku vodíku uvnitř.Tenké kovové fólie se často používají v urychlovačích k oddělení plynné oblasti terče od vakua.Proto je nutné zvýšit energii dopadajícího lithium-iontového paprsku, aby se kompenzovaly energetické ztráty na fólii.Sestava terče popsaná ve zprávě 35 sestávala z hliníkové nádoby dlouhé 3,5 cm s tlakem plynu H2 1,5 atm.Lithium-iontový paprsek 16,75 MeV vstupuje do baterie vzduchem chlazenou 2,7 µm Ta fólií a energie lithium-iontového paprsku na konci baterie je zpomalena na práh reakce.Pro zvýšení energie paprsku lithium-iontových baterií ze 14,0 MeV na 16,75 MeV bylo nutné IH linac prodloužit asi o 30 cm.
Byla také studována emise neutronů z cílů plynových článků.Pro výše uvedené plynové cíle LICORNE simulace GEANT436 ukazují, že uvnitř kužele jsou generovány vysoce orientované neutrony, jak je znázorněno na obrázku 1 v [37].Odkaz 35 ukazuje energetický rozsah od 0,7 do 3,0 MeV s maximálním otevřením kužele 19,5° vzhledem ke směru šíření hlavního paprsku.Vysoce orientované neutrony mohou výrazně snížit množství stínícího materiálu ve většině úhlů, snížit hmotnost konstrukce a poskytnout větší flexibilitu při instalaci měřicího zařízení.Z hlediska radiační ochrany tento plynný terč kromě neutronů emituje 478 keV záření gama izotropně v souřadnicovém systému těžiště38.Tyto γ-paprsky jsou produkovány jako výsledek rozpadu 7Be a deexcitace 7Li, ke kterému dochází, když primární paprsek Li dopadne na vstupní okno Ta.Přidáním silného 35 Pb/Cu válcového kolimátoru však lze pozadí výrazně snížit.
Jako alternativní cíl lze použít plazmové okno [39, 40], které umožňuje dosáhnout relativně vysokého tlaku vodíku a malé prostorové oblasti tvorby neutronů, i když je horší než pevné cíle.
Zkoumáme možnosti cílení neutronové konverze pro očekávanou distribuci energie a velikost paprsku lithium-iontového paprsku pomocí GEANT4.Naše simulace ukazují konzistentní rozložení energie neutronů a úhlové rozložení pro vodíkové cíle ve výše uvedené literatuře.V libovolném cílovém systému mohou být vysoce orientované neutrony produkovány inverzní kinematickou reakcí řízenou silným paprskem 7Li3+ na cíli bohatém na vodík.Nové neutronové zdroje lze proto implementovat kombinací již existujících technologií.
Podmínky laserového ozařování reprodukovaly experimenty generování iontového paprsku před zrychlenou demonstrací.Laser je stolní nanosekundový Nd:YAG systém s hustotou výkonu laseru 1012 W/cm2, základní vlnovou délkou 1064 nm, bodovou energií 800 mJ a délkou pulzu 6 ns.Průměr skvrny na terči se odhaduje na 100 µm.Protože je lithiový kov (Alfa Aesar, čistota 99,9 %) dosti měkký, je přesně nařezaný materiál vtlačen do formy.Rozměry fólie 25 mm × 25 mm, tloušťka 0,6 mm.Poškození podobné kráteru nastane na povrchu cíle, když jej zasáhne laser, takže cíl je posouván motorizovanou platformou, aby byla při každém laserovém výstřelu poskytnuta nová část povrchu cíle.Aby se zabránilo rekombinaci v důsledku zbytkového plynu, byl tlak v komoře udržován pod rozsahem 10-4 Pa.
Počáteční objem laserového plazmatu je malý, protože velikost laserového bodu je 100 μm a do 6 ns po jeho vytvoření.Objem lze vzít jako přesný bod a rozšířit.Pokud je detektor umístěn ve vzdálenosti xm od cílového povrchu, pak se přijímaný signál řídí vztahem: proud iontů I, doba příchodu iontů t a šířka pulzu τ.
Vytvořené plazma bylo studováno metodou TOF s FC a analyzátorem energetických iontů (EIA) umístěným ve vzdálenosti 2,4 m a 3,85 m od laserového cíle.FC má supresorovou mřížku předepjatou o -5 kV, aby se zabránilo elektronům.EIA má 90° elektrostatický deflektor sestávající ze dvou koaxiálních kovových válcových elektrod se stejným napětím, ale opačnou polaritou, kladné na vnější straně a záporné na vnitřní straně.Expandující plazma je směrováno do deflektoru za štěrbinou a vychylováno elektrickým polem procházejícím válcem.Ionty splňující vztah E/z = eKU jsou detekovány pomocí sekundárního elektronového multiplikátoru (SEM) (Hamamatsu R2362), kde E, z, e, K a U jsou energie iontu, stav nabití a náboj jsou geometrické faktory EIA. .elektrony a potenciálový rozdíl mezi elektrodami.Změnou napětí na deflektoru lze získat distribuci energie a náboje iontů v plazmatu.Rozmítací napětí U/2 EIA je v rozsahu od 0,2 V do 800 V, což odpovídá energii iontů v rozsahu od 4 eV do 16 keV na jeden stav nabití.
Distribuce stavu nabití iontů analyzovaných za podmínek laserového ozařování popsaných v části „Vytváření plně stripovaných lithiových paprsků“ jsou znázorněny na Obr.8.
Analýza rozložení stavu nabití iontů.Zde je časový profil hustoty iontového proudu analyzovaný pomocí EIA a škálovaný ve vzdálenosti 1 m od lithiové fólie pomocí rovnice.(1) a (2).Použijte podmínky laserového ozařování popsané v části „Vytvoření kompletně exfoliovaného lithiového paprsku“.Integrací každé proudové hustoty byl vypočten podíl iontů v plazmatu, jak je znázorněno na obrázku 3.
Laserové iontové zdroje mohou dodávat intenzivní multi-mA iontový paprsek s vysokým nábojem.Doručování paprsku je však velmi obtížné kvůli odpuzování vesmírného náboje, takže nebylo široce používáno.V tradičním schématu jsou iontové paprsky extrahovány z plazmy a transportovány do primárního urychlovače podél paprskové linie s několika fokusačními magnety pro tvarování iontového paprsku podle snímací schopnosti urychlovače.Ve svazcích prostorových nábojů se svazky rozbíhají nelineárně a jsou pozorovány vážné ztráty svazku, zejména v oblasti nízkých rychlostí.K překonání tohoto problému při vývoji lékařských uhlíkových urychlovačů je navrženo nové schéma dodávání paprsku DPIS41.Tuto techniku ​​jsme použili k urychlení silného lithium-iontového paprsku z nového neutronového zdroje.
Jak je znázorněno na Obr.4 je prostor, ve kterém se plazma generuje a expanduje, obklopen kovovou nádobou.Uzavřený prostor sahá až ke vstupu do RFQ rezonátoru, včetně objemu uvnitř cívky elektromagnetu.Na nádobu bylo přivedeno napětí 52 kV.V RFQ rezonátoru jsou ionty taženy potenciálem skrz otvor o průměru 6 mm uzemněním RFQ.Nelineární odpudivé síly na linii paprsku jsou eliminovány, protože ionty jsou transportovány v plazmovém stavu.Navíc, jak je uvedeno výše, jsme aplikovali solenoidové pole v kombinaci s DPIS pro řízení a zvýšení hustoty iontů v extrakčním otvoru.
Urychlovač RFQ se skládá z válcové vakuové komory, jak je znázorněno na obr.9a.Uvnitř jsou čtyři tyče z bezkyslíkaté mědi umístěny kvadrupólově symetricky kolem osy paprsku (obr. 9b).4 tyče a komory tvoří rezonanční RF obvod.Indukované RF pole vytváří na tyči časově proměnlivé napětí.Ionty implantované podélně kolem osy jsou drženy laterálně kvadrupólovým polem.Současně je špička tyče modulována tak, aby vytvořila axiální elektrické pole.Axiální pole rozděluje vstřikovaný spojitý paprsek na sérii paprskových pulzů nazývaných paprsek.Každý paprsek je obsažen v určité době RF cyklu (10 ns).Sousední paprsky jsou rozmístěny podle periody rádiové frekvence.V RFQ linac je paprsek 2 µs z laserového iontového zdroje převeden na sekvenci 200 paprsků.Paprsek je pak urychlen na vypočítanou energii.
Lineární urychlovač RFQ.(a) (vlevo) Vnější pohled na RFQ linacovou komoru.(b) (vpravo) Čtyřtyčová elektroda v komoře.
Hlavními konstrukčními parametry RFQ linac jsou napětí tyče, rezonanční frekvence, poloměr otvoru paprsku a modulace elektrody.Zvolte napětí na tyči ± 29 kV tak, aby její elektrické pole bylo pod prahem elektrického průrazu.Čím nižší je rezonanční frekvence, tím větší je boční zaostřovací síla a tím menší je průměrné zrychlovací pole.Velké poloměry apertury umožňují zvětšit velikost paprsku a následně zvýšit proud paprsku díky menšímu odpuzování prostorového náboje.Na druhou stranu větší poloměry apertury vyžadují více RF energie pro napájení RFQ linac.Navíc je limitován požadavky na kvalitu webu.Na základě těchto vyvážení byla zvolena rezonanční frekvence (100 MHz) a poloměr apertury (4,5 mm) pro urychlení vysokoproudého paprsku.Modulace je zvolena tak, aby minimalizovala ztráty paprsku a maximalizovala účinnost zrychlení.Konstrukce byla mnohokrát optimalizována, aby vytvořila RFQ linac design, který dokáže urychlit 7Li3+ ionty při 40 mA z 22 keV/n na 204 keV/n do 2 m.RF výkon naměřený během experimentu byl 77 kW.
RFQ linacs může urychlit ionty se specifickým rozsahem Q/A.Proto je při analýze paprsku přiváděného na konec lineárního urychlovače nutné vzít v úvahu izotopy a další látky.Kromě toho požadované ionty, částečně urychlené, ale sestupné za podmínek urychlení uprostřed urychlovače, mohou stále splňovat boční omezení a mohou být transportovány na konec.Nežádoucí paprsky jiné než upravené částice 7Li3+ se nazývají nečistoty.V našich experimentech byly největší obavy z nečistot 14N6+ a 16O7+, protože lithiová kovová fólie reaguje s kyslíkem a dusíkem ve vzduchu.Tyto ionty mají poměr Q/A, který lze urychlit pomocí 7Li3+.Dipólové magnety používáme k oddělení paprsků různé kvality a kvality pro analýzu paprsků po RFQ linac.
Linka paprsku za RFQ linac je navržena tak, aby dodávala plně urychlený paprsek 7Li3+ do FC za dipólovým magnetem.Elektrody s předpětím -400 V se používají k potlačení sekundárních elektronů v misce pro přesné měření proudu iontového paprsku.Pomocí této optiky jsou trajektorie iontů rozděleny do dipólů a zaostřeny na různá místa v závislosti na Q/A.V důsledku různých faktorů, jako je difúze hybnosti a odpuzování prostorového náboje, má paprsek v ohnisku určitou šířku.Druhy lze oddělit pouze v případě, že vzdálenost mezi ohniskovými polohami dvou iontových druhů je větší než šířka paprsku.Pro dosažení nejvyššího možného rozlišení je v blízkosti pasu nosníku instalována horizontální štěrbina, kde je paprsek prakticky soustředěn.Mezi štěrbinu a PC byla instalována scintilační clona (CsI(Tl) od Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Scintilátor byl použit k určení nejmenší štěrbiny, kterou musely navržené částice projít pro optimální rozlišení, ak demonstraci přijatelných velikostí svazku pro vysokoproudé svazky těžkých iontů.Obraz paprsku na scintilátoru je zaznamenáván CCD kamerou přes vakuové okénko.Upravte okno doby expozice tak, aby pokrylo celou šířku pulzu paprsku.
Soubory dat použité nebo analyzované v současné studii jsou k dispozici od příslušných autorů na odůvodněnou žádost.
Manke, I. a kol.Trojrozměrné zobrazování magnetických domén.Národní komuna.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS a kol.Možnosti studia kompaktních neutronových zdrojů na urychlovačích.fyzika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. a kol.Neutronová počítačová mikrotomografie: Pliobates cataloniae a Barberapithecus huerzeleri jako testovací případy.Ano.J. Fyzika.antropologie.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).