304L 6,35*1 мм спіральні труби з нержавіючої сталі, демонстрація інтенсивного променя літію для генерації імпульсних прямих нейтронів

Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Повзунки, що показують три статті на слайді.Використовуйте кнопки «Назад» і «Далі» для переходу між слайдами або кнопки керування слайдами в кінці для переходу між слайдами.

В якості альтернативи вивченню ядерних реакторів перспективним кандидатом може бути компактний генератор нейтронів, що керується прискорювачем і використовує драйвер пучка літій-іонів, оскільки він виробляє мало небажаного випромінювання.Однак доставити інтенсивний пучок іонів літію було важко, і практичне застосування таких пристроїв вважалося неможливим.Найгострішу проблему недостатнього потоку іонів вдалося вирішити шляхом застосування схеми прямої плазмової імплантації.У цій схемі імпульсна плазма високої щільності, створена лазерною абляцією металевої літієвої фольги, ефективно вводиться та прискорюється високочастотним квадрупольним прискорювачем (прискорювач RFQ).Ми досягли пікового струму пучка 35 мА, прискореного до 1,43 МеВ, що на два порядки вище, ніж можуть забезпечити звичайні інжекторні та прискорювальні системи.
На відміну від рентгенівського випромінювання або заряджених частинок, нейтрони мають велику глибину проникнення та унікальну взаємодію з конденсованим речовиною, що робить їх надзвичайно універсальними зондами для вивчення властивостей матеріалів1,2,3,4,5,6,7.Зокрема, методи розсіювання нейтронів зазвичай використовуються для вивчення складу, структури та внутрішніх напруг у конденсованих речовинах і можуть надати детальну інформацію про сліди сполук у металевих сплавах, які важко виявити за допомогою рентгенівської спектроскопії8.Цей метод вважається потужним інструментом у фундаментальній науці та використовується виробниками металів та інших матеріалів.Зовсім недавно нейтронну дифракцію використовували для виявлення залишкових напруг у механічних компонентах, таких як залізничні та авіаційні частини9,10,11,12.Нейтрони також використовуються в нафтових і газових свердловинах, оскільки вони легко захоплюються матеріалами, багатими на протони13.Подібні методи застосовуються і в цивільному будівництві.Неруйнівний нейтронний контроль є ефективним інструментом для виявлення прихованих дефектів у будівлях, тунелях і мостах.Використання нейтронних пучків активно використовується в наукових дослідженнях і промисловості, багато з яких історично були розроблені з використанням ядерних реакторів.
Однак із глобальним консенсусом щодо нерозповсюдження ядерної зброї будівництво малих реакторів для дослідницьких цілей стає дедалі складнішим.Крім того, нещодавня аварія на Фукусімі зробила будівництво ядерних реакторів майже соціально прийнятним.У зв'язку з цією тенденцією зростає попит на джерела нейтронів на прискорювачах2.Як альтернатива ядерним реакторам вже працюють кілька великих прискорювальних джерел нейтронів14,15.Проте для більш ефективного використання властивостей нейтронних пучків необхідно розширити використання компактних джерел на прискорювачах, 16 які можуть належати промисловим та університетським науковим установам.Джерела нейтронів-прискорювачів додали нові можливості та функції на додаток до заміни ядерних реакторів14.Наприклад, генератор з лінійним ускорювачем може легко створити потік нейтронів, маніпулюючи приводним променем.Після випромінювання нейтронів важко контролювати, а радіаційні вимірювання важко аналізувати через шум, створюваний фоновими нейтронами.Імпульсні нейтрони, керовані прискорювачем, дозволяють уникнути цієї проблеми.Кілька проектів, заснованих на технології протонних прискорювачів, були запропоновані в усьому світі17,18,19.Реакції 7Li(p, n)7Be та 9Be(p, n)9B найчастіше використовуються в протонних компактних генераторах нейтронів, оскільки вони є ендотермічними реакціями20.Надмірну радіацію та радіоактивні відходи можна звести до мінімуму, якщо енергія, вибрана для збудження пучка протонів, трохи перевищує порогове значення.Однак маса ядра-мішені набагато більша, ніж у протонів, і отримані нейтрони розсіюються в усіх напрямках.Таке близьке до ізотропного випромінювання нейтронного потоку перешкоджає ефективному транспорту нейтронів до об'єкта дослідження.Крім того, щоб отримати необхідну дозу нейтронів у місці розташування об'єкта, необхідно значно збільшити як кількість рухомих протонів, так і їх енергію.У результаті великі дози гамма-променів і нейтронів поширюватимуться під великими кутами, знищуючи перевагу ендотермічних реакцій.Типовий компактний нейтронний генератор на основі протонів, що керується прискорювачем, має потужне екранування від радіації та є найбільшою частиною системи.Необхідність збільшення енергії руху протонів зазвичай вимагає додаткового збільшення розмірів прискорювальної установки.
Для подолання загальних недоліків звичайних компактних джерел нейтронів на прискорювачах була запропонована схема інверсійно-кінематичної реакції21.У цій схемі більш важкий літій-іонний промінь використовується як направляючий промінь замість протонного пучка, націлюючись на багаті воднем матеріали, такі як вуглеводневий пластик, гідрид, газоподібний водень або воднева плазма.Були розглянуті альтернативи, такі як пучки, керовані іонами берилію, однак берилій є токсичною речовиною, яка вимагає особливої ​​обережності при поводженні.Тому літієвий пучок є найбільш придатним для інверсійно-кінематичних реакційних схем.Оскільки імпульс ядер літію більший, ніж імпульс протонів, центр мас ядерних зіткнень постійно рухається вперед, і нейтрони також випускаються вперед.Ця функція значною мірою усуває небажане гамма-випромінювання та висококутове випромінювання нейтронів22.Порівняння звичайного випадку протонного двигуна та сценарію зворотної кінематики показано на малюнку 1.
Ілюстрація кутів утворення нейтронів для пучків протонів і літію (намальована за допомогою Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Нейтрони можуть викидатися в будь-якому напрямку в результаті реакції через те, що рухомі протони вражають набагато важчі атоми літієвої мішені.(b) Навпаки, якщо літій-іонний драйвер бомбардує багату воднем мішень, нейтрони генеруються у вузькому конусі в прямому напрямку через високу швидкість центру мас системи.
Однак існує лише кілька інверсних кінематичних генераторів нейтронів через труднощі генерації необхідного потоку важких іонів із високим зарядом порівняно з протонами.Усі ці установки використовують джерела негативних розпилюваних іонів у поєднанні з тандемними електростатичними прискорювачами.Інші типи джерел іонів були запропоновані для підвищення ефективності прискорення пучка26.У будь-якому випадку доступний літій-іонний струм пучка обмежений 100 мкА.Було запропоновано використовувати 1 мА Li3+27, але цей струм іонного пучка не був підтверджений цим методом.За інтенсивністю прискорювачі літієвих пучків не можуть конкурувати з прискорювачами протонних пучків, у яких пік протонного струму перевищує 10 мА28.
Для реалізації практичного компактного генератора нейтронів на основі літій-іонного пучка вигідно генерувати високоінтенсивні, повністю позбавлені іонів.Іони прискорюються та направляються електромагнітними силами, а вищий рівень заряду призводить до більш ефективного прискорення.Драйвери літій-іонного променя вимагають пікового струму Li3+ понад 10 мА.
У цій роботі ми демонструємо прискорення пучків Li3+ з піковими струмами до 35 мА, що можна порівняти з передовими прискорювачами протонів.Оригінальний літій-іонний промінь був створений за допомогою лазерної абляції та схеми прямої плазмової імплантації (DPIS), спочатку розробленої для прискорення C6+.Спеціально розроблений радіочастотний квадрупольний лінак (RFQ лінак) був виготовлений з використанням чотиристержневої резонансної структури.Ми перевірили, що прискорювальний промінь має розраховану енергію пучка високої чистоти.Після того, як промінь Li3+ ефективно захоплюється та прискорюється радіочастотним (РЧ) прискорювачем, наступна секція лінійного ускорювача (прискорювача) використовується для забезпечення енергії, необхідної для генерації сильного потоку нейтронів від мішені.
Прискорення високопродуктивних іонів є добре запровадженою технологією.Завданням, що залишилося реалізувати новий високоефективний компактний генератор нейтронів, є генерація великої кількості повністю відірваних іонів літію та формування кластерної структури, що складається з серії іонних імпульсів, синхронізованих із ВЧ-циклом у прискорювачі.Результати експериментів, розроблених для досягнення цієї мети, описані в наступних трьох підрозділах: (1) генерація пучка, повністю позбавленого літій-іонів, (2) прискорення пучка за допомогою спеціально розробленого лінакового ускорювача RFQ та (3) прискорення аналізу балки, щоб перевірити її вміст.У Брукхейвенській національній лабораторії (BNL) ми створили експериментальну установку, показану на малюнку 2.
Огляд експериментальної установки для прискореного аналізу літієвих пучків (ілюстровано Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Справа наліво лазерно-абляційна плазма генерується в камері взаємодії лазера з мішенню та доставляється до лінійного ускорювача RFQ.Після входу в прискорювач RFQ іони відокремлюються від плазми та вводяться в прискорювач RFQ через раптове електричне поле, створене різницею напруг 52 кВ між електродом екстракції та електродом RFQ в області дрейфу.Екстраговані іони прискорюються від 22 кеВ/n до 204 keV/n за допомогою електродів RFQ довжиною 2 метри.Трансформатор струму (СТ), встановлений на виході лінакера RFQ, забезпечує неруйнівне вимірювання струму іонного пучка.Промінь фокусується трьома квадрупольними магнітами і направляється на дипольний магніт, який розділяє і направляє промінь Li3+ в детектор.За щілиною для детектування прискорювального променя використовуються висувний пластиковий сцинтилятор і чашка Фарадея (ЧФ) зі зміщенням до -400 В.
Для генерації повністю іонізованих іонів літію (Li3+) необхідно створити плазму з температурою вище її третьої енергії іонізації (122,4 еВ).Ми спробували використати лазерну абляцію для отримання високотемпературної плазми.Цей тип лазерного джерела іонів зазвичай не використовується для генерації літієво-іонних променів, оскільки металевий літій є реакційноздатним і вимагає спеціального поводження.Ми розробили систему цільового завантаження для мінімізації вологи та забруднення повітря під час встановлення літієвої фольги в камеру взаємодії вакуумного лазера.Всі приготування матеріалів проводили в контрольованому середовищі сухого аргону.Після встановлення літієвої фольги в камеру лазерної мішені фольгу опромінювали імпульсним випромінюванням Nd:YAG лазера з енергією 800 мДж на імпульс.У фокусі на ціль щільність потужності лазера оцінюється приблизно в 1012 Вт/см2.Плазма утворюється, коли імпульсний лазер руйнує мішень у вакуумі.Протягом усього лазерного імпульсу тривалістю 6 нс плазма продовжує нагріватися, головним чином за рахунок процесу зворотного гальмівного випромінювання.Оскільки під час фази нагрівання обмежувальне зовнішнє поле не застосовується, плазма починає розширюватися в трьох вимірах.Коли плазма починає розширюватися над поверхнею мішені, центр мас плазми набуває швидкості, перпендикулярної до поверхні мішені, з енергією 600 еВ/н.Після нагрівання плазма продовжує рух в осьовому напрямку від мішені, ізотропно розширюючись.
Як показано на малюнку 2, абляційна плазма розширюється у вакуумний об’єм, оточений металевим контейнером із тим самим потенціалом, що й мішень.Таким чином, плазма дрейфує через вільну від поля область до прискорювача RFQ.Осьове магнітне поле прикладається між камерою лазерного опромінення та лінаковим ускорювачем RFQ за допомогою котушки соленоїда, намотаної навколо вакуумної камери.Магнітне поле соленоїда пригнічує радіальне розширення дрейфової плазми, щоб підтримувати високу щільність плазми під час доставки до апертури RFQ.З іншого боку, плазма продовжує розширюватися в осьовому напрямку під час дрейфу, утворюючи витягнуту плазму.Висока напруга зміщення прикладається до металевої ємності, що містить плазму, перед вихідним портом на вході RFQ.Напруга зсуву була обрана для забезпечення необхідної швидкості введення 7Li3+ для належного прискорення лінаковим ускорювачем RFQ.
Отримана абляційна плазма містить не тільки 7Li3+, але й літій в інших зарядових станах і забруднюючі елементи, які одночасно транспортуються до лінійного прискорювача RFQ.Перед прискореними експериментами з використанням RFQ linac був проведений автономний аналіз часу прольоту (TOF) для вивчення складу та розподілу енергії іонів у плазмі.Детальна аналітична установка та спостережувані розподіли стану заряду пояснюються в розділі «Методи».Аналіз показав, що іони 7Li3+ були основними частинками, на які припадало приблизно 54% ​​усіх частинок, як показано на рис. 3. Згідно з аналізом, струм іонів 7Li3+ у точці виходу пучка іонів оцінюється в 1,87 мА.Під час прискорених випробувань до плазми, що розширюється, прикладається поле соленоїда 79 мТл.У результаті струм 7Li3+, виділений із плазми та спостережуваний на детекторі, збільшився у 30 разів.
Частки іонів у генерованій лазером плазмі, отримані за допомогою часопролітного аналізу.Іони 7Li1+ і 7Li2+ складають 5% і 25% пучка іонів відповідно.Виявлена ​​частка частинок 6Li узгоджується з природним вмістом 6Li (7,6%) у мішені з літієвої фольги в межах похибки експерименту.Спостерігалося незначне забруднення киснем (6,2%), головним чином O1+ (2,1%) та O2+ (1,5%), що може бути наслідком окислення поверхні мішені з літієвої фольги.
Як згадувалося раніше, літієва плазма дрейфує в безпольовій області перед тим, як увійти в лінак RFQ.Вхід RFQ лінак має отвір діаметром 6 мм в металевому контейнері, а напруга зміщення становить 52 кВ.Хоча напруга на електроді RFQ швидко змінюється ±29 кВ на 100 МГц, напруга викликає осьове прискорення, оскільки середній потенціал електродів прискорювача RFQ дорівнює нулю.Завдяки сильному електричному полю, що створюється в 10-міліметровому проміжку між отвором і краєм електрода RFQ, лише позитивні іони плазми вилучаються з плазми в отворі.У традиційних системах доставки іонів іони відокремлюються від плазми електричним полем на значній відстані перед прискорювачем RFQ, а потім фокусуються в апертурі RFQ елементом фокусування променя.Однак для інтенсивних пучків важких іонів, необхідних для інтенсивного джерела нейтронів, нелінійні сили відштовхування через ефект просторового заряду можуть призвести до значних втрат струму пучка в системі транспорту іонів, обмежуючи піковий струм, який можна прискорити.У нашому DPIS іони високої інтенсивності транспортуються у вигляді дрейфової плазми безпосередньо до точки виходу апертури RFQ, тому немає втрати пучка іонів через просторовий заряд.Під час цієї демонстрації DPIS вперше було застосовано до літій-іонного променя.
Структура RFQ була розроблена для фокусування та прискорення пучків іонів низької енергії з великим струмом і стала стандартом для прискорення першого порядку.Ми використали RFQ для прискорення іонів 7Li3+ від енергії імплантату 22 кеВ/н до 204 кеВ/н.Хоча літій та інші частинки з меншим зарядом у плазмі також витягуються з плазми та вводяться в апертуру RFQ, лінак RFQ прискорює лише іони з відношенням заряду до маси (Q/A), близьким до 7Li3+.
На рис.На малюнку 4 показані форми сигналів, виявлені трансформатором струму (CT) на виході RFQ linac і чашки Фарадея (FC) після аналізу магніту, як показано на рис.2. Часовий зсув між сигналами можна інтерпретувати як різницю в часі прольоту в місці розташування детектора.Піковий іонний струм, виміряний на КТ, становив 43 мА.У положенні RT зареєстрований промінь може містити не тільки іони, прискорені до розрахункової енергії, але й іони, відмінні від 7Li3+, які недостатньо прискорені.Однак подібність форм іонного струму, знайдена за допомогою КТ і ФК, вказує на те, що іонний струм в основному складається з прискореного 7Li3+, а зменшення пікового значення струму на ФК викликано втратами пучка під час перенесення іонів між КТ і ФК. ПК.Втрати Це також підтверджується моделюванням конверта.Щоб точно виміряти струм пучка 7Li3+, промінь аналізують за допомогою дипольного магніту, як описано в наступному розділі.
Осцилограми прискореного пучка записуються в положеннях детектора CT (чорна крива) і FC (червона крива).Ці вимірювання викликаються детектуванням лазерного випромінювання фотодетектором під час генерації лазерної плазми.Чорна крива показує форму хвилі, виміряну на трансформаторі струму, підключеному до виходу RFQ linac.Через близькість до лінакового ускорювача RFQ детектор вловлює радіочастотний шум 100 МГц, тому для видалення резонансного радіочастотного сигналу 100 МГц, накладеного на сигнал виявлення, було застосовано фільтр БПФ низьких частот 98 МГц.Червона крива показує форму хвилі на FC після того, як аналітичний магніт скерував пучок іонів 7Li3+.У цьому магнітному полі, крім 7Li3+, можуть транспортуватися N6+ і O7+.
Іонний пучок після лінакового ускорювача RFQ фокусується серією з трьох квадрупольних фокусуючих магнітів, а потім аналізується дипольними магнітами, щоб ізолювати домішки в іонному пучку.Магнітне поле 0,268 Тл спрямовує пучки 7Li3+ у ФК.Форма хвилі виявлення цього магнітного поля показана червоною кривою на малюнку 4. Піковий струм пучка досягає 35 мА, що більш ніж у 100 разів вище, ніж у типового пучка Li3+, створеного в існуючих звичайних електростатичних прискорювачах.Ширина імпульсу променя становить 2,0 мкс при повній ширині на половині максимуму.Виявлення пучка 7Li3+ дипольним магнітним полем вказує на успішне групування та прискорення пучка.Струм пучка іонів, виявлений FC під час сканування магнітного поля диполя, показано на рис. 5. Спостерігався чистий одиночний пік, добре відокремлений від інших піків.Оскільки всі іони, прискорені до проектної енергії лінаковим ускорювачем RFQ, мають однакову швидкість, іонні пучки з однаковим Q/A важко розділити дипольними магнітними полями.Тому ми не можемо відрізнити 7Li3+ від N6+ або O7+.Однак кількість домішок можна оцінити за сусідніми зарядовими станами.Наприклад, N7+ і N5+ можна легко відокремити, тоді як N6+ може бути частиною домішок і очікується, що він буде присутній приблизно в тій самій кількості, що й N7+ і N5+.Орієнтовний рівень забруднення близько 2%.
Спектри компонент пучка, отримані шляхом сканування дипольного магнітного поля.Пік при 0,268 Тл відповідає 7Li3+ і N6+.Ширина козирка залежить від розміру променя на щілині.Незважаючи на широкі піки, 7Li3+ добре відокремлюється від 6Li3+, O6+ і N5+, але погано відокремлюється від O7+ і N6+.
У місці розташування FC профіль променя було підтверджено за допомогою підключеного сцинтилятора та записано швидкою цифровою камерою, як показано на малюнку 6. Показано, що імпульсний промінь 7Li3+ зі струмом 35 мА прискорюється до розрахункового RFQ. енергією 204 кеВ/н, що відповідає 1,4 МеВ, і передається на детектор FC.
Профіль променя, що спостерігався на екрані сцинтилятора до FC (розфарбований Фіджі, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Магнітне поле аналітичного дипольного магніту було налаштовано таким чином, щоб спрямувати прискорення пучка іонів Li3+ до проектної енергії RFQ.Сині крапки в зеленій області викликані дефектним матеріалом сцинтилятора.
Ми досягли генерації іонів 7Li3+ за допомогою лазерної абляції поверхні суцільної літієвої фольги, а промінь іонів сильного струму було захоплено та прискорено за допомогою спеціально розробленого лінакового ускорювача RFQ за допомогою DPIS.При енергії пучка 1,4 МеВ піковий струм 7Li3+, досягнутий на ФК після аналізу магніту, становив 35 мА.Це підтверджує, що найважливіша частина реалізації джерела нейтронів з інверсною кінематикою реалізована експериментально.У цій частині статті буде розглянуто всю конструкцію компактного джерела нейтронів, включаючи високоенергетичні прискорювачі та нейтронні цільові станції.Дизайн базується на результатах, отриманих за допомогою існуючих систем у нашій лабораторії.Слід зазначити, що піковий струм іонного пучка можна додатково збільшити, скоротивши відстань між літієвою фольгою та RFQ лінак.Рис.7 ілюструє всю концепцію запропонованого компактного джерела нейтронів на прискорювачі.
Концептуальний дизайн запропонованого компактного джерела нейтронів на прискорювачі (намальовано Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Справа наліво: лазерне джерело іонів, соленоїдний магніт, лінак RFQ, перенос пучка середньої енергії (MEBT), лінак IH та камера взаємодії для генерації нейтронів.Радіаційний захист забезпечується переважно в прямому напрямку завдяки вузькоспрямованості вироблених пучків нейтронів.
Після RFQ linac планується подальше прискорення Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac.Лінакові ускорювачі IH використовують структуру дрейфової трубки π-моди для забезпечення високих градієнтів електричного поля в певному діапазоні швидкостей.Концептуальне дослідження було виконано на основі моделювання 1D поздовжньої динаміки та 3D моделювання оболонки.Розрахунки показують, що лінак IH 100 МГц з прийнятною напругою дрейфової трубки (менше 450 кВ) і сильним фокусуючим магнітом може прискорити промінь 40 мА від 1,4 до 14 МеВ на відстані 1,8 м.Розподіл енергії в кінці ланцюга прискорювача оцінюється в ± 0,4 МеВ, що істотно не впливає на енергетичний спектр нейтронів, вироблених мішенню для нейтронної конверсії.Крім того, випромінювальна здатність променя досить низька, щоб сфокусувати промінь у меншу пляму променя, ніж зазвичай потрібно для квадрупольного магніту середньої сили та розміру.У передачі променя середньої енергії (MEBT) між лінійним ускорювачем RFQ та лінійним ускорювачем IH резонатор формування променя використовується для підтримки структури формування променя.Для контролю розміру бічного променя використовуються три квадрупольні магніти.Ця стратегія проектування використовувалася в багатьох прискорювачах31,32,33.Загальна довжина всієї системи від джерела іонів до цільової камери оцінюється в менше 8 м, що може поміститися в стандартний напівпричіп.
Мішень для конверсії нейтронів буде встановлена ​​безпосередньо після лінійного прискорювача.Ми обговорюємо проекти цільових станцій на основі попередніх досліджень з використанням зворотних кінематичних сценаріїв23.Повідомлені цілі перетворення включають тверді матеріали (поліпропілен (C3H6) і гідрид титану (TiH2)) і газоподібні цільові системи.Кожна мета має переваги та недоліки.Тверді мішені дозволяють точно контролювати товщину.Чим тонша мішень, тим точніше просторове розташування нейтронів.Однак такі цілі все ще можуть мати певний ступінь небажаних ядерних реакцій і радіації.З іншого боку, воднева мішень може забезпечити чистіше середовище, усунувши виробництво 7Be, основного продукту ядерної реакції.Однак водень має слабку бар'єрну здатність і потребує великої фізичної відстані для достатнього виділення енергії.Це трохи невигідно для вимірювань TOF.Крім того, якщо тонка плівка використовується для герметизації водневої мішені, необхідно враховувати втрати енергії гамма-променів, що генеруються тонкою плівкою та падаючим пучком літію.
LICORNE використовує поліпропіленові мішені, а систему мішеней було оновлено до водневих елементів, запечатаних танталовою фольгою.Якщо припустити, що струм променя становить 100 нА для 7Li34, обидві цільові системи можуть виробляти до 107 н/с/ср.Якщо ми застосуємо це заявлене перетворення виходу нейтронів до нашого запропонованого джерела нейтронів, тоді для кожного лазерного імпульсу можна отримати керований літієм пучок 7 × 10–8 Кл.Це означає, що запуск лазера лише двічі на секунду виробляє на 40% більше нейтронів, ніж LICORNE може виробляти за одну секунду з безперервним пучком.Загальний потік можна легко збільшити, збільшивши частоту збудження лазера.Якщо ми припустимо, що на ринку є лазерна система з частотою 1 кГц, середній потік нейтронів можна легко збільшити приблизно до 7 × 109 н/с/ср.
Коли ми використовуємо системи з високою частотою повторення з пластиковими мішенями, необхідно контролювати виділення тепла на мішенях, оскільки, наприклад, поліпропілен має низьку температуру плавлення 145–175 °C і низьку теплопровідність 0,1–0,22 Вт/ м/к.Для літій-іонного пучка 14 МеВ достатньо поліпропіленової мішені товщиною 7 мкм, щоб зменшити енергію пучка до порогу реакції (13,098 МеВ).З урахуванням сумарної дії іонів, що генеруються одним лазерним пострілом на мішень, енерговиділення іонів літію через поліпропілен оцінюється в 64 мДж/імпульс.Якщо припустити, що вся енергія передається по колу діаметром 10 мм, кожен імпульс відповідає підвищенню температури приблизно на 18 К/імпульс.Виділення енергії на поліпропіленових мішенях базується на простому припущенні, що всі втрати енергії зберігаються у вигляді тепла без випромінювання чи інших втрат тепла.Оскільки збільшення кількості імпульсів за секунду вимагає усунення накопичення тепла, ми можемо використовувати смугові мішені, щоб уникнути вивільнення енергії в тій самій точці23.Припускаючи пляму променя 10 мм на цілі з частотою повторення лазера 100 Гц, швидкість сканування поліпропіленової стрічки становитиме 1 м/с.Вищі частоти повторення можливі, якщо дозволено перекриття плями променя.
Ми також досліджували мішені з водневими батареями, оскільки можна було використовувати сильніші промені приводу, не пошкоджуючи ціль.Пучок нейтронів можна легко налаштувати, змінюючи довжину газової камери і тиск водню всередині.Тонка металева фольга часто використовується в прискорювачах для відділення газової області мішені від вакууму.Тому необхідно збільшити енергію падаючого літій-іонного пучка, щоб компенсувати втрати енергії на фользі.Мішень, описана в звіті 35, складалася з алюмінієвого контейнера довжиною 3,5 см з тиском газу H2 1,5 атм.Літій-іонний промінь з енергією 16,75 МеВ потрапляє в батарею через повітряно-охолоджену фольгу 2,7 мкм Та, і енергія літій-іонного променя на кінці батареї сповільнюється до порогу реакції.Щоб збільшити енергію пучка літій-іонних батарей з 14,0 МеВ до 16,75 МеВ, лінак IH довелося подовжити приблизно на 30 см.
Досліджено також випромінювання нейтронів із газових комірок-мішеней.Для вищезгаданих газових мішеней LICORNE моделювання GEANT436 показує, що високоорієнтовані нейтрони генеруються всередині конуса, як показано на малюнку 1 у [37].Посилання 35 показує діапазон енергії від 0,7 до 3,0 МеВ з максимальним розкриттям конуса 19,5° відносно напрямку поширення основного променя.Високо орієнтовані нейтрони можуть значно зменшити кількість екрануючого матеріалу під більшістю кутів, зменшуючи вагу конструкції та забезпечуючи більшу гнучкість у встановленні вимірювального обладнання.З точки зору радіаційного захисту, крім нейтронів, ця газова мішень випромінює гамма-промені з енергією 478 кеВ ізотропно в центроїдній системі координат38.Ці γ-промені утворюються в результаті розпаду 7Be та дезбудження 7Li, що відбувається, коли первинний промінь Li потрапляє на вхідне вікно Ta.Однак, додавши товстий 35 Pb/Cu циліндричний коліматор, фон можна значно зменшити.
Як альтернативну мішень можна використовувати плазмове вікно [39, 40], яке дає змогу досягти відносно високого тиску водню та малої просторової області генерації нейтронів, хоча й поступається твердим мішеням.
Ми досліджуємо варіанти націлювання на перетворення нейтронів для очікуваного розподілу енергії та розміру пучка літій-іонного пучка за допомогою GEANT4.Наше моделювання показує послідовний розподіл енергії нейтронів і кутових розподілів для водневих мішеней у наведеній вище літературі.У будь-якій цільовій системі високоорієнтовані нейтрони можуть утворюватися зворотною кінематичною реакцією, керованою потужним пучком 7Li3+ на багатій на водень мішені.Тому нові джерела нейтронів можуть бути реалізовані шляхом поєднання вже існуючих технологій.
Умови лазерного опромінення відтворювали експерименти з генерації іонного пучка до прискореної демонстрації.Лазер являє собою настільну наносекундну систему Nd:YAG з щільністю потужності лазера 1012 Вт/см2, основною довжиною хвилі 1064 нм, енергією плями 800 мДж і тривалістю імпульсу 6 нс.Діаметр плями на мішені оцінюється в 100 мкм.Оскільки металевий літій (Alfa Aesar, 99,9% чистоти) є досить м’яким, точно вирізаний матеріал пресується у форму.Розмір фольги 25 мм × 25 мм, товщина 0,6 мм.Пошкодження, подібні до кратера, виникають на поверхні цілі, коли в неї потрапляє лазер, тому ціль переміщується за допомогою моторизованої платформи, щоб забезпечити свіжу частину поверхні цілі з кожним лазерним пострілом.Щоб уникнути рекомбінації через залишковий газ, тиск у камері підтримувався нижче діапазону 10-4 Па.
Початковий об'єм лазерної плазми невеликий, оскільки розмір лазерної плями становить 100 мкм і протягом 6 нс після її генерації.Обсяг можна взяти за точну точку і розширити.Якщо детектор розташований на відстані xm від поверхні мішені, то прийнятий сигнал підкоряється залежності: іонний струм I, час приходу іона t і ширина імпульсу τ.
Дослідження генерованої плазми проводили методом TOF з ФК і аналізатором іонів енергії (EIA), розташованим на відстані 2,4 м і 3,85 м від лазерної мішені.FC має пригнічувальну сітку зі зміщенням -5 кВ для запобігання електронів.EIA має 90-градусний електростатичний дефлектор, що складається з двох коаксіальних металевих циліндричних електродів з однаковою напругою, але протилежної полярності, позитивного зовні та негативного всередині.Плазма, що розширюється, спрямовується в дефлектор за щілиною і відхиляється електричним полем, що проходить через циліндр.Іони, що задовольняють співвідношення E/z = eKU, виявляються за допомогою вторинного електронного помножувача (SEM) (Hamamatsu R2362), де E, z, e, K і U — енергія іона, стан заряду, а заряд — геометричні фактори EIA .електронів, відповідно, і різниці потенціалів між електродами.Змінюючи напругу на дефлекторі, можна отримати енергетичний і зарядовий розподіл іонів у плазмі.Напруга розгортки U/2 EIA знаходиться в діапазоні від 0,2 В до 800 В, що відповідає енергії іонів в діапазоні від 4 еВ до 16 кеВ на стан заряду.
Розподіл зарядового стану іонів, проаналізованих в умовах лазерного опромінення, описаних у розділі «Генерація повністю оголених пучків літію», наведено на рис.8.
Аналіз розподілу зарядового стану іонів.Ось профіль щільності іонного струму в часі, проаналізований за допомогою EIA та масштабований на відстані 1 м від літієвої фольги за допомогою рівняння.(1) і (2).Використовуйте умови лазерного опромінення, описані в розділі «Створення повністю відшарованого променя літію».Шляхом інтегрування кожної густини струму було розраховано частку іонів у плазмі, як показано на малюнку 3.
Лазерні джерела іонів можуть створювати інтенсивний іонний промінь із кількома мА з високим зарядом.Однак доставка променя дуже складна через відштовхування просторового заряду, тому вона не знайшла широкого застосування.У традиційній схемі іонні пучки витягуються з плазми та транспортуються до первинного прискорювача вздовж лінії пучка за допомогою кількох фокусуючих магнітів для формування іонного пучка відповідно до здатності прискорювача знімати.У пучках силового об'ємного заряду пучки розходяться нелінійно, і спостерігаються значні втрати пучка, особливо в області малих швидкостей.Щоб подолати цю проблему при розробці медичних вуглецевих прискорювачів, пропонується нова схема доставки променя DPIS41.Ми застосували цю техніку для прискорення потужного літій-іонного пучка з нового джерела нейтронів.
Як показано на рис.4, простір, у якому генерується та розширюється плазма, оточений металевим контейнером.Закритий простір простягається до входу в резонатор RFQ, включаючи об’єм всередині котушки соленоїда.До контейнера була подана напруга 52 кВ.У резонаторі RFQ іони втягуються потенціалом через отвір діаметром 6 мм шляхом заземлення RFQ.Нелінійні сили відштовхування на лінії пучка усуваються, оскільки іони транспортуються в стані плазми.Крім того, як згадувалося вище, ми застосували поле соленоїда в поєднанні з DPIS для контролю та збільшення щільності іонів в апертурі екстракції.
Прискорювач RFQ складається з циліндричної вакуумної камери, як показано на рис.9а.Всередині нього квадрупольно симетрично навколо осі пучка розміщені чотири стержні з безкисневої міді (рис. 9б).4 стрижня і камери утворюють резонансний ВЧ контур.Індуковане радіочастотне поле створює змінну в часі напругу на стрижні.Іони, імплантовані поздовжньо навколо осі, утримуються збоку квадрупольним полем.Одночасно кінчик стрижня модулюється для створення осьового електричного поля.Осьове поле розділяє інжектований безперервний промінь на серію імпульсів променя, які називаються пучком.Кожен промінь міститься в межах певного часу радіочастотного циклу (10 нс).Сусідні промені рознесені відповідно до періоду радіочастот.У RFQ linac промінь тривалістю 2 мкс від лазерного джерела іонів перетворюється на послідовність із 200 променів.Потім промінь прискорюється до розрахункової енергії.
Лінійний прискорювач RFQ.(a) (зліва) Зовнішній вигляд камери лінійного ускорювача RFQ.(b) (справа) Чотиристрижневий електрод у камері.
Основними конструктивними параметрами RFQ linac є напруга на стрижні, резонансна частота, радіус отвору променя та модуляція електрода.Вибрати напругу на стержні ± 29 кВ так, щоб його електричне поле було нижче порогу електричного пробою.Чим нижче резонансна частота, тим більше бічна сила фокусування і менше середнє поле прискорення.Великі радіуси апертури дозволяють збільшити розмір пучка і, отже, збільшити струм пучка за рахунок меншого відштовхування об'ємного заряду.З іншого боку, більші радіуси апертури вимагають більшої радіочастотної потужності для живлення RFQ linac.Крім того, він обмежений вимогами до якості сайту.На основі цих балансів було обрано резонансну частоту (100 МГц) і радіус апертури (4,5 мм) для сильнострумового прискорення променя.Модуляція обрана для мінімізації втрат променя та максимізації ефективності прискорення.Конструкцію багато разів оптимізували, щоб створити конструкцію лінійного ускорювача RFQ, яка може прискорювати іони 7Li3+ при 40 мА від 22 кеВ/н до 204 кеВ/н протягом 2 м.РЧ-потужність, виміряна під час експерименту, становила 77 кВт.
Лінаки RFQ можуть прискорювати іони з певним діапазоном Q/A.Тому при аналізі пучка, що подається на кінець лінійного прискорювача, необхідно враховувати ізотопи та інші речовини.Крім того, бажані іони, частково прискорені, але опустилися в умовах прискорення в середині прискорювача, все ще можуть зустрічатися з боковим обмеженням і можуть бути транспортовані до кінця.Небажані промені, крім сконструйованих частинок 7Li3+, називаються домішками.У наших експериментах домішки 14N6+ і 16O7+ викликали найбільше занепокоєння, оскільки металева літієва фольга реагує з киснем і азотом у повітрі.Ці іони мають співвідношення Q/A, яке можна прискорити за допомогою 7Li3+.Ми використовуємо дипольні магніти для розділення променів різної якості та якості для аналізу променів після RFQ linac.
Лінія променя після RFQ linac призначена для доставки повністю прискореного променя 7Li3+ до FC після дипольного магніту.Електроди зміщення -400 В використовуються для придушення вторинних електронів у чашці для точного вимірювання струму пучка іонів.За допомогою цієї оптики траєкторії іонів розділяються на диполі та фокусуються в різних місцях залежно від Q/A.Через різні фактори, такі як дифузія імпульсу та відштовхування просторового заряду, промінь у фокусі має певну ширину.Види можна розділити, лише якщо відстань між фокальними положеннями двох видів іонів перевищує ширину променя.Для отримання максимально високої роздільної здатності біля перетяжки променя встановлюється горизонтальна щілина, де промінь практично зосереджений.Між щілиною та ПК встановлювали сцинтиляційний екран (CsI(Tl) від Saint-Gobain, 40 мм × 40 мм × 3 мм).Сцинтилятор використовувався для визначення найменшої щілини, через яку повинні були пройти розроблені частинки для оптимальної роздільної здатності, і для демонстрації прийнятних розмірів пучка для пучків важких іонів із сильним струмом.Зображення пучка на сцинтиляторі реєструється ПЗЗ-камерою через вакуумне вікно.Відрегулюйте вікно часу експозиції, щоб охопити всю ширину імпульсу променя.
Набори даних, використані або проаналізовані в поточному дослідженні, доступні у відповідних авторів за розумним запитом.
Manke, I. та ін.Тривимірне зображення магнітних доменів.Національна комуна.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS та ін.Можливості дослідження компактних джерел нейтронів на прискорювачах.фізика.654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Урчуолі, А. та ін.Комп’ютерна мікротомографія на основі нейтронів: Pliobates cataloniae і Barberapithecus huerzeleri як тестові випадки.Так.Ж. Фізика.антропологія.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).