304L 6,35 * 1mm ruostumattomasta teräksestä valmistettujen kierreputkien toimittajat, intensiivisen litiumsäteen esitys pulssisuorien neutronien tuottamiseen

Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Liukusäätimet, joissa näkyy kolme artikkelia per dia.Käytä Takaisin- ja Seuraava-painikkeita liikkuaksesi diojen välillä tai diaohjaimen painikkeita lopussa.

Vaihtoehtona ydinreaktoreiden tutkimukselle kompakti kiihdytinkäyttöinen neutronigeneraattori, jossa käytetään litiumioniajuria, voi olla lupaava ehdokas, koska se tuottaa vain vähän ei-toivottua säteilyä.Voimakkaan litiumionisuihkun välittäminen oli kuitenkin vaikeaa, ja tällaisten laitteiden käytännön soveltamista pidettiin mahdottomana.Akuutein riittämättömän ionivirran ongelma ratkaistiin soveltamalla suoraa plasma-istutusmenetelmää.Tässä kaaviossa litiummetallikalvon laserablaatiolla tuotettu suuritiheyksinen pulssiplasma ruiskutetaan ja kiihdytetään tehokkaasti korkeataajuisella kvadrupolikiihdytinllä (RFQ-kiihdytin).Olemme saavuttaneet 35 mA:n huippusäteen virran kiihdytettynä 1,43 MeV:iin, mikä on kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin perinteiset ruisku- ja kiihdytinjärjestelmät pystyvät tarjoamaan.
Toisin kuin röntgensäteillä tai varautuneilla hiukkasilla, neutroneilla on suuri tunkeutumissyvyys ja ainutlaatuinen vuorovaikutus kondensoituneen aineen kanssa, mikä tekee niistä erittäin monipuolisia koettimia materiaalien ominaisuuksien tutkimiseen1,2,3,4,5,6,7.Erityisesti neutronien sirontatekniikoita käytetään yleisesti tiivistyneen aineen koostumuksen, rakenteen ja sisäisten jännitysten tutkimiseen, ja ne voivat tarjota yksityiskohtaista tietoa metalliseoksien hivenyhdisteistä, joita on vaikea havaita röntgenspektroskopialla8.Tätä menetelmää pidetään tehokkaana perustieteen työkaluna, ja metallien ja muiden materiaalien valmistajat käyttävät sitä.Viime aikoina neutronidiffraktiota on käytetty mekaanisten komponenttien, kuten kiskojen ja lentokoneiden osien, jäännösjännitysten havaitsemiseen9,10,11,12.Neutroneja käytetään myös öljy- ja kaasulähteissä, koska protonipitoiset materiaalit sieppaavat ne helposti13.Samanlaisia ​​menetelmiä käytetään myös maa- ja vesirakentamisessa.Tuhoamaton neutronitestaus on tehokas työkalu piilevien vikojen havaitsemiseen rakennuksissa, tunneleissa ja silloissa.Neutronisäteiden käyttöä käytetään aktiivisesti tieteellisessä tutkimuksessa ja teollisuudessa, joista monet on historiallisesti kehitetty ydinreaktoreilla.
Ydinsulkua koskevan maailmanlaajuisen konsensuksen myötä pienten reaktorien rakentaminen tutkimustarkoituksiin on kuitenkin yhä vaikeampaa.Lisäksi äskettäinen Fukushiman onnettomuus on tehnyt ydinreaktorien rakentamisesta lähes yhteiskunnallisesti hyväksyttävää.Tämän trendin yhteydessä kiihdyttimien neutronilähteiden kysyntä kasvaa2.Vaihtoehtona ydinreaktoreille on jo toiminnassa useita suuria kiihdytintä jakavia neutronilähteitä14,15.Neutronisuihkun ominaisuuksien tehokkaampaa hyödyntämistä varten on kuitenkin tarpeen laajentaa kompaktien lähteiden käyttöä kiihdyttimissä, 16 jotka voivat kuulua teollisille ja yliopistollisille tutkimuslaitoksille.Kiihdyttimen neutronilähteet ovat lisänneet uusia ominaisuuksia ja toimintoja sen lisäksi, että ne toimivat ydinreaktorien korvikkeena14.Esimerkiksi linac-ohjattu generaattori voi helposti luoda neutronivirran manipuloimalla käyttösädettä.Kun neutroneja on säteilytetty, niitä on vaikea hallita ja säteilymittauksia on vaikea analysoida taustaneutronien aiheuttaman kohinan vuoksi.Pulssineutronit, joita ohjataan kiihdytin, välttävät tämän ongelman.Eri puolilla maailmaa on ehdotettu useita protonikiihdytinteknologiaan perustuvia hankkeita17,18,19.Reaktioita 7Li(p, n)7Be ja 9Be(p, n)9B käytetään yleisimmin protonikäyttöisissä kompakteissa neutronigeneraattoreissa, koska ne ovat endotermisiä reaktioita20.Ylimääräinen säteily ja radioaktiivinen jäte voidaan minimoida, jos protonisäteen virittämiseen valittu energia on hieman kynnysarvon yläpuolella.Kohdeytimen massa on kuitenkin paljon suurempi kuin protoneilla, ja tuloksena olevat neutronit siroavat kaikkiin suuntiin.Tällainen lähellä isotrooppista neutronivuon emissio estää neutronien tehokkaan kuljetuksen tutkimuskohteeseen.Lisäksi tarvittavan annoksen neutronien saamiseksi kohteen sijainnista on tarpeen lisätä merkittävästi sekä liikkuvien protonien määrää että niiden energiaa.Tämän seurauksena suuret annokset gammasäteitä ja neutroneja etenevät suurten kulmien läpi, mikä tuhoaa endotermisten reaktioiden edut.Tyypillisellä kiihdytinkäyttöisellä kompaktilla protonipohjaisella neutronigeneraattorilla on vahva säteilysuojaus ja se on järjestelmän kookin osa.Tarve lisätä ajoprotonien energiaa vaatii yleensä lisää kiihdytinlaitoksen kokoa.
Kiihdyttimien tavanomaisten kompaktien neutronilähteiden yleisten puutteiden voittamiseksi ehdotettiin inversio-kinemaattista reaktiokaaviota21.Tässä kaaviossa ohjaussäteenä käytetään protonisäteen sijasta raskaampaa litiumionisädettä, joka kohdistuu vetyä sisältäviin materiaaleihin, kuten hiilivetymuoveihin, hydrideihin, vetykaasuun tai vetyplasmaan.Vaihtoehtoja on harkittu, kuten beryllium-ioniohjattuja säteitä, mutta beryllium on myrkyllinen aine, joka vaatii erityistä varovaisuutta käsittelyssä.Siksi litiumpalkki on sopivin inversio-kinemaattisiin reaktiokaavioihin.Koska litiumytimien liikemäärä on suurempi kuin protonien, ydintörmäysten massakeskus liikkuu jatkuvasti eteenpäin, ja neutroneja myös emittoidaan eteenpäin.Tämä ominaisuus eliminoi ei-toivotut gammasäteet ja suuren kulman neutronipäästöt22.Kuvassa 1 on vertailu tavanomaisesta protonimoottorin tapauksesta ja käänteiskinematiikkaskenaariosta.
Kuva neutronien tuotantokulmista protoni- ja litiumsäteille (piirretty Adobe Illustrator CS5:llä, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutronit voivat sinkoutua mihin tahansa suuntaan reaktion seurauksena, koska liikkuvat protonit osuvat litiumkohteen paljon raskaampiin atomeihin.(b) Kääntäen, jos litiumioniajuri pommittaa vetyrikasta kohdetta, neutroneja syntyy kapeassa kartiossa eteenpäin järjestelmän massakeskuksen suuren nopeuden vuoksi.
Kuitenkin vain muutamia käänteiskinemaattisia neutronigeneraattoreita on olemassa, koska raskaiden ionien vaaditun vuon muodostaminen korkealla varauksella protoneihin verrattuna on vaikeaa.Kaikki nämä laitokset käyttävät negatiivisia sputteri-ionilähteitä yhdessä tandem-sähköstaattisten kiihdyttimien kanssa.Muun tyyppisiä ionilähteitä on ehdotettu lisäämään säteen kiihdytyksen tehokkuutta26.Joka tapauksessa käytettävissä oleva litiumionisäteen virta on rajoitettu 100 µA:iin.On ehdotettu käytettäväksi 1 mA Li3+27, mutta tätä ionisuihkuvirtaa ei ole varmistettu tällä menetelmällä.Litiumsuihkukiihdyttimet eivät voi intensiteetillä kilpailla protonisäteen kiihdyttimien kanssa, joiden protonivirran huippu on yli 10 mA28.
Käytännöllisen litiumionisäteeseen perustuvan kompaktin neutronigeneraattorin toteuttamiseksi on edullista tuottaa korkea-intensiteetti täysin ionittomia.Ioneja kiihdyttävät ja ohjaavat sähkömagneettiset voimat, ja korkeampi varaustaso johtaa tehokkaampaan kiihdytykseen.Li-ion-sädeohjaimet vaativat yli 10 mA:n Li3+-huippuvirrat.
Tässä työssä esittelemme Li3+-säteiden kiihtyvyyttä huippuvirroilla jopa 35 mA, mikä on verrattavissa kehittyneisiin protonikiihdyttimiin.Alkuperäinen litiumionisäde luotiin käyttämällä laserablaatiota ja suoraa plasma-istutusjärjestelmää (DPIS), joka alun perin kehitettiin kiihdyttämään C6+:aa.Mittatilaustyönä suunniteltu radiotaajuinen kvadrupolilinac (RFQ linac) valmistettiin käyttämällä nelisauvaista resonanssirakennetta.Olemme varmistaneet, että kiihtyvällä säteellä on laskettu erittäin puhdas säteen energia.Kun Li3+-säde on siepattu ja kiihdytetty radiotaajuisella (RF) kiihdyttimellä, sitä seuraavaa linac-osaa (kiihdytin) käytetään tuottamaan energiaa, joka tarvitaan voimakkaan neutronivuon tuottamiseen kohteesta.
Suorituskykyisten ionien kiihdytys on vakiintunut tekniikka.Jäljellä oleva tehtävä uuden erittäin tehokkaan kompaktin neutronigeneraattorin toteuttamisessa on tuottaa suuri määrä täysin kuorittuja litiumioneja ja muodostaa klusterirakenne, joka koostuu sarjasta ionipulsseja, jotka on synkronoitu kiihdytin RF-syklin kanssa.Tämän tavoitteen saavuttamiseksi suunniteltujen kokeiden tulokset kuvataan seuraavissa kolmessa alajaksossa: (1) litiumionisäteen luominen kokonaan ilman litiumioniakkua, (2) säteen kiihdytys käyttämällä erityisesti suunniteltua RFQ-linakia ja (3) analyysin kiihdytys. säteen sisällön tarkistamiseksi.Brookhaven National Laboratoryssa (BNL) rakensimme kuvassa 2 esitetyn kokeellisen järjestelyn.
Katsaus kokeellisesta asetelmasta litiumpalkkien nopeutettua analyysiä varten (kuva Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Oikealta vasemmalle laser-ablatiivista plasmaa tuotetaan laser-kohdevuorovaikutuskammiossa ja toimitetaan RFQ-linacille.Saapuessaan RFQ-kiihdyttimeen ionit erotetaan plasmasta ja ruiskutetaan RFQ-kiihdyttimeen äkillisen sähkökentän kautta, joka syntyy uuttoelektrodin ja RFQ-elektrodin välisestä 52 kV jännite-erosta ajautumisalueella.Uutetut ionit kiihdytetään arvosta 22 keV/n arvoon 204 keV/n käyttämällä 2 metriä pitkiä RFQ-elektrodeja.RFQ linacin lähtöön asennettu virtamuuntaja (CT) mahdollistaa ionisäteen virran rikkomattoman mittauksen.Säde on fokusoitu kolmella kvadrupolimagneetilla ja suunnattu dipolimagneetille, joka erottaa ja ohjaa Li3+-säteen ilmaisimeen.Raon takana on sisäänvedettävä muovituike ja Faraday-kuppi (FC), jonka esijännite on jopa -400 V, havaitsemaan kiihdytyssäde.
Täysin ionisoituneiden litiumionien (Li3+) tuottamiseksi on tarpeen luoda plasma, jonka lämpötila on korkeampi kuin kolmas ionisaatioenergia (122,4 eV).Yritimme käyttää laserablaatiota korkean lämpötilan plasman tuottamiseen.Tämän tyyppistä laserionilähdettä ei yleisesti käytetä litiumionisäteiden tuottamiseen, koska litiummetalli on reaktiivinen ja vaatii erityiskäsittelyä.Olemme kehittäneet kohdelatausjärjestelmän kosteuden ja ilman saastumisen minimoimiseksi, kun asennamme litiumkalvoa tyhjiölaservuorovaikutuskammioon.Kaikki materiaalien valmistelut suoritettiin kontrolloidussa kuivassa argonissa.Kun litiumfolio oli asennettu laserin kohdekammioon, kalvoa säteilytettiin pulssi Nd:YAG-lasersäteilyllä energialla 800 mJ pulssia kohti.Kohteessa laserin tehotiheyden arvioidaan olevan noin 1012 W/cm2.Plasma syntyy, kun pulssilaser tuhoaa kohteen tyhjiössä.Plasma jatkaa kuumenemista koko 6 ns:n laserpulssin aikana pääasiassa käänteisen bremsstrahlung-prosessin vuoksi.Koska lämmitysvaiheen aikana ei käytetä rajoittavaa ulkoista kenttää, plasma alkaa laajentua kolmessa ulottuvuudessa.Kun plasma alkaa laajentua kohdepinnan yli, plasman massakeskus saavuttaa nopeuden, joka on kohtisuorassa kohdepintaan nähden energialla 600 eV/n.Kuumennuksen jälkeen plasma jatkaa liikkumista aksiaalisuunnassa kohteesta, laajeneen isotrooppisesti.
Kuten kuvassa 2 näkyy, ablaatioplasma laajenee tyhjiötilavuuteen, jota ympäröi metallisäiliö, jolla on sama potentiaali kuin kohteena.Siten plasma ajautuu kenttävapaan alueen läpi kohti RFQ-kiihdytintä.Lasersäteilykammion ja RFQ-linacin väliin kohdistetaan aksiaalinen magneettikenttä tyhjökammion ympärille kierretyn solenoidikelan avulla.Solenoidin magneettikenttä vaimentaa ajautuvan plasman radiaalista laajenemista ylläpitääkseen korkeaa plasmatiheyttä toimitettaessa RFQ-aukkoon.Toisaalta plasma jatkaa laajentumista aksiaalisuunnassa ajautumisen aikana muodostaen pitkänomaisen plasman.Plasman sisältävään metalliastiaan kohdistetaan korkeajänniteesijännite RFQ-sisääntulon ulostuloaukon edessä.Bias-jännite valittiin tarjoamaan tarvittava 7Li3+-injektionopeus RFQ-linacin oikeaa kiihdytystä varten.
Tuloksena oleva ablaatioplasma sisältää paitsi 7Li3+:aa, myös litiumia muissa varaustiloissa ja saasteaineita, jotka kuljetetaan samanaikaisesti RFQ-lineaarikiihdyttimeen.Ennen nopeutettuja kokeita RFQ linacilla suoritettiin offline-lentoaika (TOF) -analyysi ionien koostumuksen ja energian jakautumisen tutkimiseksi plasmassa.Yksityiskohtaiset analyyttiset asetukset ja havaitut varaustilan jakaumat selitetään Menetelmät-osiossa.Analyysi osoitti, että päähiukkaset olivat 7Li3+-ionit, joiden osuus kaikista hiukkasista oli noin 54 %, kuten kuvassa 3 esitetään. Analyysin mukaan 7Li3+-ionivirran ionisäteen lähtöpisteessä arvioidaan olevan 1,87 mA.Kiihdytettyjen testien aikana laajenevaan plasmaan kohdistetaan 79 mT:n solenoidikenttä.Tämän seurauksena plasmasta erotettu ja detektorilla havaittu 7Li3+-virta lisääntyi kertoimella 30.
Laserkehitetyn plasman ionien fraktiot, jotka on saatu lentoaika-analyysillä.7Li1+- ja 7Li2+-ionit muodostavat 5 % ja 25 % ionisäteestä.Havaittu 6Li-hiukkasten fraktio on yhtäpitävä kokeellisen virheen sisällä litiumfoliokohteen luonnollisen 6Li:n (7,6 %) kanssa.Havaittiin lievä happikontaminaatio (6,2 %), pääasiassa O1+ (2,1 %) ja O2+ (1,5 %), mikä saattaa johtua litiumfoliokohteen pinnan hapettumista.
Kuten aiemmin mainittiin, litiumplasma ajautuu kentättömälle alueelle ennen kuin se menee RFQ-linaciin.RFQ linacin tulossa on halkaisijaltaan 6 mm metallisäiliössä oleva reikä ja esijännite on 52 kV.Vaikka RFQ-elektrodin jännite muuttuu nopeasti ±29 kV taajuudella 100 MHz, jännite aiheuttaa aksiaalista kiihtyvyyttä, koska RFQ-kiihdytinelektrodien keskimääräinen potentiaali on nolla.Aukon ja RFQ-elektrodin reunan välisessä 10 mm:n raossa syntyvän voimakkaan sähkökentän ansiosta vain positiiviset plasma-ionit uutetaan plasmasta aukossa.Perinteisissä ioninjakelujärjestelmissä ionit erotetaan plasmasta sähkökentällä huomattavalla etäisyydellä RFQ-kiihdyttimen edessä ja fokusoidaan sitten RFQ-aukkoon säteen tarkennuselementillä.Voimakkaalle neutronilähteelle vaadituille intensiivisille raskaille ionisäteille avaruusvarausvaikutuksista johtuvat epälineaariset hylkivät voimat voivat kuitenkin johtaa merkittäviin säteen virran menetyksiin ioninsiirtojärjestelmässä, mikä rajoittaa kiihdytettävää huippuvirtaa.DPIS-järjestelmässämme korkean intensiteetin ionit kuljetetaan ajautuvana plasmana suoraan RFQ-aukon poistumispisteeseen, joten ionisäde ei menetä avaruusvarauksen vuoksi.Tämän esittelyn aikana DPIS:ää sovellettiin litium-ionisäteeseen ensimmäistä kertaa.
RFQ-rakenne kehitettiin matalaenergisten suurivirtaisten ionisäteiden fokusoimiseen ja kiihdyttämiseen, ja siitä on tullut standardi ensimmäisen asteen kiihdytyksessä.Käytimme RFQ:ta 7Li3+-ionien kiihdyttämiseen implantin energiasta 22 keV/n arvoon 204 keV/n.Vaikka litiumia ja muita hiukkasia, joilla on pienempi varaus plasmassa, uutetaan myös plasmasta ja ruiskutetaan RFQ-aukkoon, RFQ linac kiihdyttää vain ioneja, joiden varaus-massasuhde (Q/A) on lähellä 7Li3+.
KuvassaKuva 4 esittää aaltomuodot, jotka virtamuuntaja (CT) havaitsee RFQ-linacin ja Faraday-kupin (FC) lähdössä magneetin analysoinnin jälkeen, kuten kuvassa 1 on esitetty.2. Signaalien välinen aikasiirtymä voidaan tulkita lentoajan eroksi ilmaisimen sijainnissa.Huippuionivirta mitattuna CT:llä oli 43 mA.RT-asennossa rekisteröity säde voi sisältää laskettuun energiaan kiihdytettyjen ionien lisäksi myös muita ioneja kuin 7Li3+, jotka eivät ole tarpeeksi kiihdytettyjä.QD:n ja PC:n avulla löydettyjen ionivirtamuotojen samankaltaisuus viittaa kuitenkin siihen, että ionivirta koostuu pääasiassa kiihdytetystä 7Li3+:sta ja PC:n virran huippuarvon lasku johtuu säteen häviöistä ioninsiirron aikana QD:n ja PC:n välillä. PC.Häviöt Tämän vahvistaa myös verhokäyräsimulaatio.7Li3+-säteen virran mittaamiseksi tarkasti, säde analysoidaan dipolimagneetilla seuraavassa osassa kuvatulla tavalla.
Kiihdytetyn säteen oskilogrammit tallennettu ilmaisinasemiin CT (musta käyrä) ja FC (punainen käyrä).Nämä mittaukset laukaisevat lasersäteilyn havaitsemisen fotodetektorilla laserplasman generoinnin aikana.Musta käyrä näyttää aaltomuodon, joka on mitattu RFQ linac -lähtöön kytketyllä CT:llä.Koska se on lähellä RFQ-linakia, ilmaisin poimii 100 MHz RF-kohinaa, joten 98 MHz:n alipäästö-FFT-suodatin käytettiin poistamaan 100 MHz resonanssi RF-signaali, joka on asetettu tunnistussignaalin päälle.Punainen käyrä näyttää aaltomuodon FC:ssä sen jälkeen, kun analyyttinen magneetti ohjaa 7Li3+-ionisäteen.Tässä magneettikentässä voidaan kuljettaa 7Li3+:n lisäksi N6+ ja O7+.
RFQ-linacin jälkeinen ionisäde fokusoidaan kolmen kvadrupolien fokusoivan magneetin sarjalla ja analysoidaan sitten dipolimagneeteilla ionisäteen epäpuhtauksien eristämiseksi.0,268 T:n magneettikenttä ohjaa 7Li3+-säteet FC:hen.Tämän magneettikentän ilmaisuaaltomuoto on esitetty punaisena käyränä kuvassa 4. Säteen huippuvirta saavuttaa 35 mA, mikä on yli 100 kertaa suurempi kuin tyypillinen Li3+-säde, joka on tuotettu olemassa olevissa tavanomaisissa sähköstaattisissa kiihdyttimissä.Säteen pulssin leveys on 2,0 µs täydellä leveydellä puolet maksimista.Dipolimagneettikentällä varustetun 7Li3+-säteen havaitseminen osoittaa onnistuneen niputuksen ja säteen kiihtyvyyden.FC:n havaitsema ionisäteen virta skannattaessa dipolin magneettikenttää on esitetty kuvassa 5. Havaittiin puhdas yksittäinen huippu, joka oli hyvin erillään muista huipuista.Koska kaikilla RFQ linacilla suunnitteluenergiaan kiihdytettyjen ionien nopeus on sama, ionisäteitä, joilla on sama Q/A, on vaikea erottaa dipolimagneettikentillä.Siksi emme voi erottaa 7Li3+:aa N6+:sta tai O7+:sta.Epäpuhtauksien määrä voidaan kuitenkin arvioida viereisistä varaustiloista.Esimerkiksi N7+ ja N5+ voidaan erottaa helposti, kun taas N6+ voi olla osa epäpuhtautta ja sen odotetaan olevan läsnä suunnilleen sama määrä kuin N7+ ja N5+.Arvioitu saastetaso on noin 2 %.
Säteen komponenttispektrit, jotka saadaan skannaamalla dipolimagneettikenttä.Piikki kohdassa 0,268 T vastaa 7Li3+:aa ja N6+:aa.Piikin leveys riippuu raossa olevan palkin koosta.Leveistä piikeistä huolimatta 7Li3+ erottuu hyvin 6Li3+:sta, O6+:sta ja N5+:sta, mutta erottuu huonosti O7+:sta ja N6+:sta.
FC:n sijainnissa sädeprofiili vahvistettiin plug-in-tuikelaitteella ja tallennettiin nopealla digitaalikameralla kuvan 6 mukaisesti. 7Li3+-pulssisäde, jonka virta on 35 mA, on osoitettu kiihdytetyksi laskettuun RFQ-arvoon energia 204 keV/n, mikä vastaa 1,4 MeV , ja välitetään FC-ilmaisimelle.
Sädeprofiili havaittiin FC:tä edeltävällä tuikenäytöllä (väritty Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Analyyttisen dipolimagneetin magneettikenttä viritettiin ohjaamaan Li3+-ionisäteen kiihtyvyys suunniteltuun energian RFQ:hen.Vihreän alueen siniset pisteet johtuvat viallisesta tuikemateriaalista.
Saimme aikaan 7Li3+-ionien syntymisen kiinteän litiumkalvon pinnan laserablaatiolla, ja suurivirtainen ionisäde siepattiin ja kiihdytettiin erityisesti suunnitellulla RFQ-linacilla DPIS:n avulla.Säteen energialla 1,4 MeV 7Li3+:n huippuvirta, joka saavutettiin FC:llä magneetin analyysin jälkeen, oli 35 mA.Tämä vahvistaa, että tärkein osa käänteiskinematiikkaa käyttävän neutronilähteen toteutuksesta on toteutettu kokeellisesti.Tässä osassa paperia käsitellään koko kompaktin neutronilähteen suunnittelua, mukaan lukien korkean energian kiihdyttimet ja neutronikohdeasemat.Suunnittelu perustuu laboratoriomme olemassa olevilla järjestelmillä saatuihin tuloksiin.On huomattava, että ionisäteen huippuvirtaa voidaan edelleen lisätä lyhentämällä litiumkalvon ja RFQ-linacin välistä etäisyyttä.Riisi.Kuva 7 havainnollistaa ehdotetun kompaktin neutronilähteen koko konseptia kiihdyttimessä.
Ehdotetun kompaktin neutronilähteen käsitteellinen suunnittelu kiihdyttimessä (piirtäjä Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Oikealta vasemmalle: laserionilähde, solenoidimagneetti, RFQ linac, medium energy beam transfer (MEBT), IH-linac ja vuorovaikutuskammio neutronien synnyttämiseen.Säteilysuojaus toteutetaan ensisijaisesti eteenpäin suunnattuna johtuen syntyvien neutronisäteiden kapeasta suunnasta.
RFQ-linacin jälkeen suunnitellaan Inter-digital H-rakenteen (IH linac)30 linacin lisäkiihdytystä.IH-linacit käyttävät π-moodin drift-putkirakennetta korkean sähkökentän gradientin aikaansaamiseksi tietyllä nopeusalueella.Käsitteellinen tutkimus perustui 1D pitkittäisdynamiikkasimulaatioon ja 3D-kuorisimulaatioon.Laskelmat osoittavat, että 100 MHz IH-linac kohtuullisella drift-putken jännitteellä (alle 450 kV) ja vahvalla tarkennusmagneetilla voi kiihdyttää 40 mA:n säteen 1,4:stä 14 MeV:iin 1,8 metrin etäisyydellä.Energian jakautuminen kiihdytysketjun lopussa on arviolta ± 0,4 MeV, mikä ei merkittävästi vaikuta neutronikonversiokohteen tuottamien neutronien energiaspektriin.Lisäksi säteen emissiokyky on tarpeeksi alhainen fokusoimaan säteen pienempään sädepisteeseen kuin mitä normaalisti vaadittaisiin keskivahvalla ja -kokoiselta kvadrupolimagneetilta.MEBT-lähetyksessä RFQ-linacin ja IH-linacin välillä säteen muodostavaa resonaattoria käytetään ylläpitämään säteen muodostavaa rakennetta.Sivupalkin koon ohjaamiseen käytetään kolmea kvadrupolimagneettia.Tätä suunnittelustrategiaa on käytetty monissa kiihdyttimissä31,32,33.Koko järjestelmän kokonaispituuden ionilähteestä kohdekammioon on arvioitu olevan alle 8 m, mikä mahtuu tavalliseen puoliperävaunuun.
Neutronimuunnoskohde asennetaan heti lineaarikiihdytin perään.Keskustelemme kohdeasemien suunnitelmista aikaisempien tutkimusten pohjalta käyttämällä käänteisiä kinemaattisia skenaarioita23.Raportoituja muunnoskohteita ovat kiinteät materiaalit (polypropeeni (C3H6) ja titaanihydridi (TiH2)) ja kaasumaiset kohdejärjestelmät.Jokaisella tavoitteella on etuja ja haittoja.Kiinteät kohteet mahdollistavat tarkan paksuuden hallinnan.Mitä ohuempi kohde, sitä tarkempi on neutronien tuotannon tilajärjestely.Tällaisissa kohteissa voi kuitenkin silti olla jonkin verran ei-toivottuja ydinreaktioita ja säteilyä.Toisaalta vetykohde voi tarjota puhtaamman ympäristön eliminoimalla ydinreaktion päätuotteen 7Be:n tuotannon.Vetyllä on kuitenkin heikko sulkukyky ja se vaatii suuren fyysisen etäisyyden riittävään energian vapautumiseen.Tämä on hieman epäedullista TOF-mittauksille.Lisäksi, jos ohutta kalvoa käytetään vetykohteen tiivistämiseen, on tarpeen ottaa huomioon ohuen kalvon ja tulevan litiumsäteen tuottamien gammasäteiden energiahäviöt.
LICORNE käyttää polypropeenikohteita ja kohdejärjestelmä on päivitetty vetykennoiksi, jotka on suljettu tantaalifoliolla.Olettaen, että 7Li34:n sädevirta on 100 nA, molemmat kohdejärjestelmät voivat tuottaa jopa 107 n/s/sr.Jos käytämme tätä väitettyä neutronien tuoton muuntamista ehdottamaamme neutronilähteeseen, voidaan saada litiumvetoinen säde 7 × 10–8 C kullekin laserpulssille.Tämä tarkoittaa, että laserin laukaisu vain kahdesti sekunnissa tuottaa 40 % enemmän neutroneja kuin LICORNE pystyy tuottamaan yhdessä sekunnissa jatkuvalla säteellä.Kokonaisvirtausta voidaan helposti lisätä lisäämällä laserin viritystaajuutta.Jos oletetaan, että markkinoilla on 1 kHz:n laserjärjestelmä, keskimääräinen neutronivuo voidaan helposti skaalata noin arvoon 7 × 109 n/s/sr.
Kun käytämme korkean toistonopeuden järjestelmiä, joissa on muoviset maalitaulut, on tarpeen hallita kohteiden lämmöntuotantoa, koska esimerkiksi polypropeenin sulamispiste on alhainen 145–175 °C ja lämmönjohtavuus 0,1–0,22 W/ m/K.14 MeV:n litiumionisäteelle 7 µm paksu polypropeenikohde riittää vähentämään säteen energian reaktiokynnykseen (13,098 MeV).Kun otetaan huomioon yhden laserlaukauksen tuottamien ionien kokonaisvaikutus kohteeseen, litiumionien energian vapautuminen polypropeenin läpi on arvioitu 64 mJ/pulssi.Olettaen, että kaikki energia siirtyy ympyrässä, jonka halkaisija on 10 mm, jokainen pulssi vastaa lämpötilan nousua noin 18 K/pulssi.Energian vapautuminen polypropeenikohteisiin perustuu siihen yksinkertaiseen oletukseen, että kaikki energiahäviöt varastoidaan lämmönä ilman säteilyä tai muita lämpöhäviöitä.Koska pulssien määrän lisääminen sekunnissa vaatii lämmön kertymisen eliminoimista, voimme käyttää nauhakohteita energian vapautumisen välttämiseksi samassa pisteessä23.Olettaen 10 mm:n säteen pisteen kohteen lasertoistotaajuudella 100 Hz, polypropeeninauhan pyyhkäisynopeus olisi 1 m/s.Suuremmat toistotiheydet ovat mahdollisia, jos sädepisteiden päällekkäisyys sallitaan.
Tutkimme kohteita myös vetyakuilla, koska vahvempia vetopalkkia voitiin käyttää vahingoittamatta kohdetta.Neutronisäde on helposti säädettävissä muuttamalla kaasukammion pituutta ja sisällä olevaa vedyn painetta.Ohut metallikalvot käytetään usein kiihdyttimissä erottamaan kohteen kaasumainen alue tyhjiöstä.Siksi on välttämätöntä lisätä tulevan litiumionisäteen energiaa kalvon energiahäviöiden kompensoimiseksi.Raportissa 35 kuvattu kohdekokoonpano koostui 3,5 cm pitkästä alumiinisäiliöstä, jonka H2-kaasun paine oli 1,5 atm.16,75 MeV:n litiumionisäde tulee akkuun ilmajäähdytetyn 2,7 µm Ta-kalvon kautta, ja akun päässä olevan litiumionisäteen energia hidastuu reaktiokynnykseen.Litiumioniakkujen sädeenergian nostamiseksi 14,0 MeV:sta 16,75 MeV:iin IH-linakia piti pidentää noin 30 cm.
Tutkittiin myös neutronien emissiota kaasukennokohteista.Edellä mainituille LICORNE-kaasukohteille GEANT436-simulaatiot osoittavat, että kartion sisällä syntyy erittäin suuntautuneita neutroneja, kuten [37]:n kuvassa 1 näkyy.Viite 35 esittää energia-alueen 0,7 - 3,0 MeV kartion maksimiaukon ollessa 19,5° suhteessa pääsäteen etenemissuuntaan.Korkealle suunnatut neutronit voivat vähentää merkittävästi suojamateriaalin määrää useimmissa kulmissa, mikä vähentää rakenteen painoa ja lisää joustavuutta mittauslaitteiden asennuksessa.Säteilysuojan kannalta tämä kaasumainen kohde lähettää neutronien lisäksi isotrooppisesti 478 keV:n gammasäteitä sentroidikoordinaatistossa38.Nämä γ-säteet syntyvät 7Be:n hajoamisen ja 7Li-deergitaation seurauksena, mikä tapahtuu, kun ensisijainen Li-säde osuu syöttöikkunaan Ta.Taustaa voidaan kuitenkin vähentää merkittävästi lisäämällä paksu 35 Pb/Cu sylinterimäinen kollimaattori.
Vaihtoehtoisena kohteena voidaan käyttää plasmaikkunaa [39, 40], joka mahdollistaa suhteellisen korkean vedynpaineen ja pienen neutronien muodostumisen spatiaalisen alueen saavuttamisen, vaikka se onkin huonompi kuin kiinteät kohteet.
Tutkimme neutronimuunnoskohdistusvaihtoehtoja litiumionisuihkun odotettuun energian jakautumiseen ja säteen kokoon GEANT4:n avulla.Simulaatiomme osoittavat johdonmukaisen neutronienergian jakauman ja vetykohteiden kulmajakaumat yllä olevassa kirjallisuudessa.Missä tahansa kohdejärjestelmässä erittäin suuntautuneita neutroneja voidaan tuottaa käänteisellä kinemaattisella reaktiolla, jota ohjaa vahva 7Li3+-säde vetyä sisältävässä kohteessa.Siksi uusia neutronilähteitä voidaan toteuttaa yhdistämällä jo olemassa olevia teknologioita.
Lasersäteilytysolosuhteet toistivat ionisäteen generointikokeita ennen kiihdytettyä esittelyä.Laser on työpöydän nanosekunnin Nd:YAG-järjestelmä, jonka lasertehotiheys on 1012 W/cm2, perusaallonpituus 1064 nm, pisteenergia 800 mJ ja pulssin kesto 6 ns.Kohteen pisteen halkaisijaksi on arvioitu 100 µm.Koska litiummetalli (Alfa Aesar, 99,9 % puhdas) on melko pehmeää, tarkasti leikattu materiaali puristetaan muottiin.Kalvon mitat 25 mm × 25 mm, paksuus 0,6 mm.Kraatterin kaltainen vaurio tapahtuu kohteen pinnalla, kun laser osuu siihen, joten kohdetta liikutetaan moottoroidulla alustalla tuottaen tuoreen osan kohteen pinnasta jokaisella laserlaukauksella.Jäännöskaasun aiheuttaman rekombinaation välttämiseksi kammiossa oleva paine pidettiin alle 10-4 Pa.
Laserplasman alkutilavuus on pieni, koska laserpisteen koko on 100 μm ja 6 ns sisällä sen syntymisestä.Volyymi voidaan ottaa tarkkana pisteenä ja laajentaa.Jos ilmaisin on sijoitettu etäisyydelle xm kohdepinnasta, niin vastaanotettu signaali noudattaa suhdetta: ionivirta I, ionin saapumisaika t ja pulssin leveys τ.
Syntynyttä plasmaa tutkittiin TOF-menetelmällä FC:llä ja energia-ionianalysaattorilla (EIA), joka sijaitsi 2,4 m ja 3,85 m etäisyydellä laserkohteesta.FC:ssä on -5 kV:lla esijännitetty vaimennusverkko elektronien estämiseksi.EIA:ssa on 90 asteen sähköstaattinen deflektori, joka koostuu kahdesta koaksiaalisesta metallisylinterimäisestä elektrodista, joilla on sama jännite, mutta vastakkainen napaisuus, positiivinen ulkopuolella ja negatiivinen sisäpuolella.Laajentuva plasma ohjataan raon takana olevaan deflektoriin ja poikkeutetaan sylinterin läpi kulkevan sähkökentän vaikutuksesta.Ionit, jotka täyttävät suhteen E/z = eKU, havaitaan käyttämällä sekundaarielektronikerrointa (SEM) (Hamamatsu R2362), jossa E, z, e, K ja U ovat ionin energia, varaustila ja varaus ovat EIA:n geometrisia tekijöitä. .elektronit, vastaavasti, ja elektrodien välisen potentiaalieron.Muuttamalla deflektorin yli olevaa jännitettä saadaan aikaan plasman ionien energia- ja varausjakauma.Pyyhkäisyjännite U/2 EIA on alueella 0,2 V - 800 V, mikä vastaa ionienergiaa alueella 4 eV - 16 keV varaustilaa kohti.
Lasersäteilytyksen olosuhteissa analysoitujen ionien varaustilan jakaumat, jotka on kuvattu kappaleessa "Täysin kuorittujen litiumsäteiden muodostuminen" on esitetty kuvissa8.
Ionien varaustilan jakautumisen analyysi.Tässä on ionivirran tiheyden aikaprofiili, joka on analysoitu EIA:lla ja skaalattu 1 metrin etäisyydelle litiumkalvosta yhtälön avulla.(1) ja (2).Käytä lasersäteilytysolosuhteita, jotka on kuvattu osiossa "Täysin kuoritun litiumsäteen luominen".Integroimalla jokainen virrantiheys laskettiin ionien osuus plasmassa, kuten kuvassa 3.
Laseri-ionilähteet voivat tuottaa voimakkaan usean mA:n ionisäteen korkealla varauksella.Säteen siirto on kuitenkin erittäin vaikeaa tilavarauksen torjunnan vuoksi, joten sitä ei käytetty laajalti.Perinteisessä menetelmässä ionisäteet erotetaan plasmasta ja kuljetetaan ensisijaiseen kiihdyttimeen sädelinjaa pitkin useiden fokusointimagneettien avulla ionisuihkun muotoilemiseksi kiihdyttimen poimintakyvyn mukaan.Avaruusvarausvoimasäteissä säteet hajaantuvat epälineaarisesti ja havaitaan vakavia sädehäviöitä erityisesti pienten nopeuksien alueella.Tämän ongelman ratkaisemiseksi lääketieteellisten hiilikiihdyttimien kehittämisessä ehdotetaan uutta DPIS41-säteen jakelujärjestelmää.Olemme soveltaneet tätä tekniikkaa nopeuttaaksemme voimakasta litiumionisäteilyä uudesta neutronilähteestä.
Kuten kuvassa näkyy.Kuviossa 4 tila, jossa plasma tuotetaan ja laajenee, on metallisäiliön ympäröimä.Suljettu tila ulottuu RFQ-resonaattorin sisäänkäyntiin, mukaan lukien solenoidikäämin sisällä oleva tilavuus.Säiliöön syötettiin 52 kV jännite.RFQ-resonaattorissa ionit vedetään potentiaalin avulla halkaisijaltaan 6 mm:n reiän läpi maadoittamalla RFQ.Sädelinjan epälineaariset hylkivät voimat eliminoituvat, kun ionit kuljetetaan plasmatilassa.Lisäksi, kuten edellä mainittiin, käytimme solenoidikenttää yhdessä DPIS:n kanssa ionien tiheyden säätämiseksi ja lisäämiseksi uuttoaukossa.
RFQ-kiihdytin koostuu sylinterimäisestä tyhjiökammiosta, kuten kuvassa 1 on esitetty.9a.Sen sisällä on neljä hapetonta kuparista valmistettua sauvaa kvadrupolisymmetrisesti säteen akselin ympäri (kuva 9b).4 sauvaa ja kammiota muodostavat resonanssin RF-piirin.Indusoitu RF-kenttä luo ajassa vaihtelevan jännitteen tangon yli.Pituussuunnassa akselin ympärille istutettuja ioneja pitää kvadrupolikenttä sivuttain.Samanaikaisesti tangon kärkeä moduloidaan aksiaalisen sähkökentän luomiseksi.Aksiaalinen kenttä jakaa ruiskutetun jatkuvan säteen sarjaksi sädepulsseja, joita kutsutaan säteeksi.Jokainen säde sisältyy tiettyyn RF-jaksoaikaan (10 ns).Vierekkäiset säteet on sijoitettu radiotaajuusjakson mukaan.RFQ-linacissa 2 µs:n säde laserionilähteestä muunnetaan 200 säteen sekvenssiksi.Sitten säde kiihdytetään laskettuun energiaan.
Lineaarinen kiihdytin RFQ.(a) (vasemmalla) Näkymä RFQ-linac-kammion ulkopuolelta.(b) (oikealla) Nelitankoinen elektrodi kammiossa.
RFQ-linacin tärkeimmät suunnitteluparametrit ovat sauvan jännite, resonanssitaajuus, säteen reiän säde ja elektrodin modulaatio.Valitse tangon jännite ± 29 kV siten, että sen sähkökenttä on alle sähkökatkoskynnyksen.Mitä pienempi resonanssitaajuus, sitä suurempi on lateraalitarkennusvoima ja sitä pienempi keskimääräinen kiihtyvyyskenttä.Suuret aukkosäteet mahdollistavat säteen koon kasvattamisen ja siten säteen virran lisäämisen pienemmän tilavarauksen hylkimisen ansiosta.Toisaalta suuremmat aukon säteet vaativat enemmän RF-tehoa RFQ-linacin tehostamiseksi.Lisäksi sitä rajoittavat sivuston laatuvaatimukset.Näiden tasapainojen perusteella suurvirran säteen kiihtyvyyteen valittiin resonanssitaajuus (100 MHz) ja aukon säde (4,5 mm).Modulaatio on valittu minimoimaan säteen häviö ja maksimoimaan kiihdytystehokkuus.Suunnittelua on optimoitu monta kertaa RFQ linac -mallin tuottamiseksi, joka voi kiihdyttää 7Li3+-ioneja 40 mA:sta 22 keV/n:sta 204 keV/n:iin 2 metrin sisällä.Kokeen aikana mitattu RF-teho oli 77 kW.
RFQ-linacit voivat kiihdyttää ioneja tietyllä Q/A-alueella.Siksi lineaarikiihdyttimen päähän syötettyä sädettä analysoitaessa on otettava huomioon isotoopit ja muut aineet.Lisäksi halutut ionit osittain kiihdytettyinä, mutta kiihdytysolosuhteissa kiihdytin keskellä laskeutuneena voivat silti kohdata sivuttaisrajoituksen ja ne voidaan kuljettaa loppuun asti.Muita ei-toivottuja säteitä kuin muokattuja 7Li3+-hiukkasia kutsutaan epäpuhtauksiksi.Kokeissamme 14N6+ ja 16O7+ epäpuhtaudet olivat suurin huolenaihe, koska litiummetallikalvo reagoi ilman hapen ja typen kanssa.Näillä ioneilla on Q/A-suhde, jota voidaan kiihdyttää 7Li3+:lla.Käytämme dipolimagneetteja erottamaan erilaatuiset ja -laatuiset säteet sädeanalyysiin RFQ-linacin jälkeen.
RFQ linacin jälkeinen sädelinja on suunniteltu toimittamaan täysin kiihdytetty 7Li3+ -säde FC:hen dipolimagneetin jälkeen.-400 V bias-elektrodeja käytetään sekundäärielektronien vaimentamiseen kupissa ionisäteen virran mittaamiseksi tarkasti.Tällä optiikalla ioniradat erotetaan dipoleiksi ja kohdistetaan eri paikkoihin Q/A:n mukaan.Useista eri tekijöistä, kuten liikemäärän diffuusion ja tilavarauksen hylkimisestä, johtuen säteen kohdistuksesta on tietty leveys.Laji voidaan erottaa vain, jos kahden ionilajien polttopisteiden välinen etäisyys on suurempi kuin säteen leveys.Suurimman mahdollisen resoluution saavuttamiseksi säteen vyötärölle asennetaan vaakasuora rako, jossa säde on käytännössä keskittynyt.Raon ja PC:n väliin asennettiin tuikeseula (CsI(Tl) Saint-Gobainilta, 40 mm × 40 mm × 3 mm).Sintillaattoria käytettiin määrittämään pienin rako, jonka suunniteltujen hiukkasten oli läpäistävä optimaalisen resoluution saavuttamiseksi ja osoittamaan hyväksyttävät sädekoot suurivirtaisille raskaille ionisäteille.Säteen kuva tuikeessa tallennetaan CCD-kameralla tyhjiöikkunan läpi.Säädä valotusaikaikkuna kattamaan koko säteen pulssin leveys.
Tässä tutkimuksessa käytetyt tai analysoidut tietojoukot ovat saatavilla vastaavilta tekijöiltä kohtuullisesta pyynnöstä.
Manke, I. et ai.Magneettialueiden kolmiulotteinen kuvantaminen.Kansallinen kunta.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et ai.Mahdollisuudet tutkia kompakteja neutronilähteitä kiihdyttimissä.fysiikka.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et ai.Neutroneihin perustuva tietokonemikrotomografia: Pliobates cataloniae ja Barberapithecus huerzeleri testitapauksina.Joo.J. Physics.antropologia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).