Dostawcy zwijanych rurek ze stali nierdzewnej 304L 6,35 * 1 mm, Demonstracja intensywnej wiązki litu do generowania impulsowych neutronów bezpośrednich

Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Suwaki pokazujące trzy artykuły na slajd.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby poruszać się po slajdach, lub przycisków kontrolera slajdów na końcu, aby poruszać się po poszczególnych slajdach.

Jako alternatywę dla badań reaktorów jądrowych obiecującym kandydatem może być kompaktowy generator neutronów napędzany akceleratorem wykorzystujący sterownik wiązki litowo-jonowej, ponieważ wytwarza niewiele niepożądanego promieniowania.Jednakże dostarczenie intensywnej wiązki jonów litu było trudne, a praktyczne zastosowanie takich urządzeń uznawano za niemożliwe.Najbardziej dotkliwy problem niedostatecznego przepływu jonów został rozwiązany poprzez zastosowanie schematu bezpośredniej implantacji plazmy.W tym schemacie pulsacyjna plazma o dużej gęstości, wytwarzana w wyniku ablacji laserowej folii litowo-metalowej, jest skutecznie wstrzykiwana i przyspieszana przez akcelerator kwadrupolowy o wysokiej częstotliwości (akcelerator RFQ).Osiągnęliśmy szczytowy prąd wiązki o wartości 35 mA przyspieszony do 1,43 MeV, czyli o dwa rzędy wielkości wyższy niż mogą zapewnić konwencjonalne systemy wtryskiwaczy i akceleratorów.
W przeciwieństwie do promieni rentgenowskich czy naładowanych cząstek, neutrony charakteryzują się dużą głębokością penetracji i wyjątkową interakcją ze skondensowaną materią, co czyni je niezwykle wszechstronnymi sondami do badania właściwości materiałów1,2,3,4,5,6,7.W szczególności techniki rozpraszania neutronów są powszechnie stosowane do badania składu, struktury i naprężeń wewnętrznych w materii skondensowanej i mogą dostarczyć szczegółowych informacji na temat związków śladowych w stopach metali, które są trudne do wykrycia za pomocą spektroskopii rentgenowskiej8.Metoda ta jest uważana za potężne narzędzie w naukach podstawowych i jest stosowana przez producentów metali i innych materiałów.Niedawno dyfrakcję neutronów zastosowano do wykrywania naprężeń szczątkowych w elementach mechanicznych, takich jak części szyn i samolotów9,10,11,12.Neutrony są również wykorzystywane w odwiertach naftowych i gazowych, ponieważ są łatwo wychwytywane przez materiały bogate w protony13.Podobne metody stosowane są również w inżynierii lądowej.Nieniszczące badania neutronowe są skutecznym narzędziem do wykrywania ukrytych usterek w budynkach, tunelach i mostach.Wykorzystanie wiązek neutronów jest aktywnie wykorzystywane w badaniach naukowych i przemyśle, z których wiele było w przeszłości rozwijanych przy użyciu reaktorów jądrowych.
Jednak w obliczu światowego konsensusu w sprawie nierozprzestrzeniania broni jądrowej budowa małych reaktorów do celów badawczych staje się coraz trudniejsza.Co więcej, niedawna awaria w Fukushimie sprawiła, że ​​budowa reaktorów jądrowych stała się niemal społecznie akceptowalna.W związku z tym trendem rośnie zapotrzebowanie na źródła neutronów w akceleratorach2.Jako alternatywę dla reaktorów jądrowych działa już kilka dużych źródeł neutronów rozszczepiających akcelerator14,15.Jednak w celu efektywniejszego wykorzystania właściwości wiązek neutronów konieczne jest rozszerzenie zastosowania źródeł kompaktowych w akceleratorach, które mogą należeć do przemysłowych i uniwersyteckich instytucji badawczych.Źródła neutronów akceleracyjnych dodały nowe możliwości i funkcje, a ponadto służą jako zamiennik reaktorów jądrowych14.Na przykład generator napędzany liniakiem może z łatwością wytworzyć strumień neutronów, manipulując wiązką napędową.Po wyemitowaniu neutrony są trudne do kontrolowania, a pomiary promieniowania trudne do analizy ze względu na szum wytwarzany przez neutrony tła.Neutrony impulsowe sterowane akceleratorem pozwalają uniknąć tego problemu.Na całym świecie zaproponowano kilka projektów opartych na technologii akceleratorów protonów17,18,19.Reakcje 7Li(p, n)7Be i 9Be(p, n)9B są najczęściej stosowane w kompaktowych generatorach neutronów napędzanych protonami, ponieważ są reakcjami endotermicznymi20.Nadmiar promieniowania i odpady radioaktywne można zminimalizować, jeśli energia wybrana do wzbudzenia wiązki protonów jest nieco wyższa od wartości progowej.Jednak masa docelowego jądra jest znacznie większa niż masa protonów, a powstałe neutrony rozpraszają się we wszystkich kierunkach.Tak bliska izotropowej emisja strumienia neutronów uniemożliwia efektywny transport neutronów do obiektu badań.Dodatkowo, aby uzyskać wymaganą dawkę neutronów w miejscu lokalizacji obiektu, konieczne jest znaczne zwiększenie zarówno liczby poruszających się protonów, jak i ich energii.W rezultacie duże dawki promieni gamma i neutronów będą rozchodzić się pod dużymi kątami, niszcząc przewagę reakcji endotermicznych.Typowy, kompaktowy generator neutronów na bazie protonów, napędzany akceleratorem, ma silną osłonę przed promieniowaniem i stanowi największą część systemu.Konieczność zwiększenia energii napędzania protonów wiąże się zwykle z dodatkowym zwiększeniem wielkości obiektu akceleratora.
Aby przezwyciężyć ogólne wady konwencjonalnych zwartych źródeł neutronów w akceleratorach, zaproponowano schemat reakcji inwersyjno-kinematycznej21.W tym schemacie cięższa wiązka litowo-jonowa jest wykorzystywana jako wiązka prowadząca zamiast wiązki protonów, celując w materiały bogate w wodór, takie jak tworzywa sztuczne węglowodorowe, wodorki, gazowy wodór lub plazma wodorowa.Rozważano rozwiązania alternatywne, takie jak beryl napędzany jonami, jednakże beryl jest substancją toksyczną wymagającą szczególnej ostrożności podczas obchodzenia się z nim.Dlatego wiązka litu jest najbardziej odpowiednia dla schematów reakcji kinematycznych inwersyjnych.Ponieważ pęd jąder litu jest większy niż protonów, środek masy zderzeń jądrowych stale przesuwa się do przodu, do przodu emitowane są również neutrony.Ta funkcja w znacznym stopniu eliminuje niepożądane promienie gamma i emisję neutronów pod dużym kątem22.Porównanie zwykłego przypadku silnika protonowego i scenariusza kinematyki odwrotnej pokazano na rysunku 1.
Ilustracja kątów wytwarzania neutronów dla wiązek protonów i litu (rysowana w programie Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/ilustrator.html).(a) W wyniku reakcji neutrony mogą zostać wyrzucone w dowolnym kierunku, ponieważ poruszające się protony uderzają w znacznie cięższe atomy tarczy litowej.(b) I odwrotnie, jeśli sterownik litowo-jonowy bombarduje cel bogaty w wodór, neutrony są generowane w wąskim stożku w kierunku do przodu z powodu dużej prędkości środka masy układu.
Jednakże istnieje tylko kilka generatorów neutronów o kinematyki odwrotnej ze względu na trudność w wygenerowaniu wymaganego strumienia ciężkich jonów o wysokim ładunku w porównaniu z protonami.Wszystkie te zakłady wykorzystują źródła jonów ujemnych w połączeniu z tandemowymi akceleratorami elektrostatycznymi.Zaproponowano inne typy źródeł jonów w celu zwiększenia efektywności przyspieszania wiązki26.W każdym przypadku dostępny prąd wiązki litowo-jonowej jest ograniczony do 100 µA.Zaproponowano użycie 1 mA Li3+27, ale ten prąd wiązki jonów nie został potwierdzony tą metodą.Akceleratory wiązką litu nie mogą pod względem intensywności konkurować z akceleratorami wiązką protonów, których szczytowy prąd protonowy przekracza 10 mA28.
Aby wdrożyć praktyczny kompaktowy generator neutronów oparty na wiązce litowo-jonowej, korzystne jest generowanie o dużej intensywności całkowicie pozbawionej jonów.Jony są przyspieszane i kierowane przez siły elektromagnetyczne, a wyższy poziom naładowania skutkuje bardziej efektywnym przyspieszaniem.Sterowniki wiązek litowo-jonowych wymagają prądów szczytowych Li3+ przekraczających 10 mA.
W tej pracy demonstrujemy przyspieszanie wiązek Li3+ prądami szczytowymi do 35 mA, co jest porównywalne z zaawansowanymi akceleratorami protonów.Oryginalną wiązkę litowo-jonową wytworzono przy użyciu ablacji laserowej i schematu bezpośredniej implantacji plazmy (DPIS), pierwotnie opracowanego w celu przyspieszania C6+.Specjalnie zaprojektowany kwadrupolowy liniak o częstotliwości radiowej (RFQ linac) został wyprodukowany przy użyciu czteroprętowej struktury rezonansowej.Sprawdziliśmy, że wiązka przyspieszająca ma obliczoną energię wiązki o wysokiej czystości.Gdy wiązka Li3+ zostanie skutecznie wychwycona i przyspieszona przez akcelerator częstotliwości radiowej (RF), kolejna sekcja liniowa (akcelerator) jest wykorzystywana do zapewnienia energii potrzebnej do wygenerowania silnego strumienia neutronów z celu.
Przyspieszanie wysokowydajnych jonów jest technologią o ugruntowanej pozycji.Pozostałym zadaniem realizacji nowego, wysoce wydajnego kompaktowego generatora neutronów jest wygenerowanie dużej liczby całkowicie pozbawionych jonów litu i utworzenie struktury klastrowej składającej się z szeregu impulsów jonowych zsynchronizowanych z cyklem RF w akceleratorze.Wyniki eksperymentów mających na celu osiągnięcie tego celu opisano w trzech podrozdziałach: (1) generowanie całkowicie pozbawionej wiązki litowo-jonowej, (2) przyspieszanie wiązki za pomocą specjalnie zaprojektowanego liniaka RFQ oraz (3) przyspieszanie analizy belki, aby sprawdzić jej zawartość.W Brookhaven National Laboratory (BNL) zbudowaliśmy układ eksperymentalny pokazany na rysunku 2.
Przegląd układu eksperymentalnego do przyspieszonej analizy wiązek litu (ilustracja: Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Od prawej do lewej plazma ablacyjna laserowa jest generowana w komorze interakcji laser-tarcza i dostarczana do liniowca RFQ.Po wejściu do akceleratora RFQ jony są oddzielane od plazmy i wstrzykiwane do akceleratora RFQ poprzez nagłe pole elektryczne wytworzone przez różnicę napięcia 52 kV pomiędzy elektrodą ekstrakcyjną a elektrodą RFQ w obszarze dryfu.Wyekstrahowane jony są przyspieszane od 22 keV/n do 204 keV/n przy użyciu 2-metrowych elektrod RFQ.Przekładnik prądowy (CT) zainstalowany na wyjściu przetwornika liniowego RFQ zapewnia nieniszczący pomiar prądu wiązki jonów.Wiązka jest skupiana przez trzy magnesy kwadrupolowe i kierowana na magnes dipolowy, który oddziela i kieruje wiązkę Li3+ do detektora.Za szczeliną do wykrywania wiązki przyspieszającej zastosowano wysuwany plastikowy scyntylator i miskę Faradaya (FC) o polaryzacji do -400 V.
Aby wygenerować w pełni zjonizowane jony litu (Li3+), konieczne jest wytworzenie plazmy o temperaturze wyższej od jej trzeciej energii jonizacji (122,4 eV).Próbowaliśmy zastosować ablację laserową do wytworzenia plazmy wysokotemperaturowej.Ten typ źródła jonów laserowych nie jest powszechnie używany do generowania wiązek litowo-jonowych, ponieważ lit metaliczny jest reaktywny i wymaga specjalnego postępowania.Opracowaliśmy system ładowania celu, aby zminimalizować zanieczyszczenie wilgocią i powietrzem podczas instalowania folii litowej w próżniowej komorze interakcji lasera.Całość preparatyki materiałów przeprowadzono w kontrolowanym środowisku suchego argonu.Po zainstalowaniu folii litowej w komorze celowniczej lasera, folię naświetlano pulsacyjnym promieniowaniem lasera Nd:YAG o energii 800 mJ na impuls.W skupieniu na celu gęstość mocy lasera szacuje się na około 1012 W/cm2.Plazma powstaje, gdy impulsowy laser niszczy cel w próżni.Podczas całego impulsu laserowego o długości 6 ns plazma nadal się nagrzewa, głównie w wyniku odwrotnego procesu bremsstrahlunga.Ponieważ w fazie nagrzewania nie jest stosowane żadne ograniczające pole zewnętrzne, plazma zaczyna rozszerzać się w trzech wymiarach.Kiedy plazma zaczyna rozszerzać się na powierzchni docelowej, środek masy plazmy nabiera prędkości prostopadłej do powierzchni docelowej z energią 600 eV/n.Po podgrzaniu plazma nadal przemieszcza się w kierunku osiowym od celu, rozszerzając się izotropowo.
Jak pokazano na rysunku 2, plazma ablacyjna rozszerza się do objętości próżni otoczonej metalowym pojemnikiem o tym samym potencjale co cel.W ten sposób plazma dryfuje przez obszar wolny od pola w kierunku akceleratora RFQ.Pomiędzy komorą napromieniowania laserowego a układem liniowym RFQ przykładane jest osiowe pole magnetyczne za pomocą cewki elektromagnetycznej nawiniętej wokół komory próżniowej.Pole magnetyczne elektromagnesu tłumi promieniową ekspansję dryfującej plazmy, aby utrzymać wysoką gęstość plazmy podczas dostarczania do apertury RFQ.Z drugiej strony, podczas dryfu plazma nadal rozszerza się w kierunku osiowym, tworząc wydłużoną plazmę.Do metalowego naczynia zawierającego plazmę przed portem wyjściowym na wlocie RFQ przykładane jest napięcie polaryzacji.Napięcie polaryzacji wybrano tak, aby zapewnić wymaganą szybkość wtrysku 7Li3+ dla prawidłowego przyspieszenia przez układ liniowy RFQ.
Powstała plazma ablacyjna zawiera nie tylko 7Li3+, ale także lit w innych stanach naładowania oraz pierwiastki zanieczyszczające, które są jednocześnie transportowane do akceleratora liniowego RFQ.Przed przyspieszonymi eksperymentami z wykorzystaniem RFQ linac przeprowadzono analizę czasu przelotu (TOF) w trybie offline w celu zbadania składu i rozkładu energii jonów w plazmie.Szczegółową konfigurację analityczną i zaobserwowane rozkłady stanu naładowania wyjaśniono w sekcji Metody.Analiza wykazała, że ​​głównymi cząstkami były jony 7Li3+, stanowiące około 54% wszystkich cząstek, co pokazano na rys. 3. Z analizy wynika, że ​​prąd jonów 7Li3+ w punkcie wyjściowym wiązki jonów szacuje się na 1,87 mA.Podczas testów przyspieszonych do rozszerzającej się plazmy przykładane jest pole elektromagnetyczne o wartości 79 mT.W rezultacie prąd 7Li3+ pobrany z plazmy i obserwowany na detektorze wzrósł 30-krotnie.
Frakcje jonów w plazmie generowanej laserowo uzyskane na podstawie analizy czasu przelotu.Jony 7Li1+ i 7Li2+ stanowią odpowiednio 5% i 25% wiązki jonów.Wykryta frakcja cząstek 6Li zgadza się z naturalną zawartością 6Li (7,6%) w tarczy z folii litowej w granicach błędu eksperymentalnego.Zaobserwowano niewielkie zanieczyszczenie tlenem (6,2%), głównie O1+ (2,1%) i O2+ (1,5%), co może wynikać z utleniania powierzchni tarczy z folii litowej.
Jak wspomniano wcześniej, plazma litowa dryfuje w obszarze bez pola, zanim wejdzie do liniowca RFQ.Wejście liniaka RFQ ma otwór o średnicy 6 mm w metalowym pojemniku, a napięcie polaryzacji wynosi 52 kV.Chociaż napięcie elektrody RFQ zmienia się szybko ±29 kV przy 100 MHz, napięcie powoduje przyspieszenie osiowe, ponieważ elektrody akceleratora RFQ mają średni potencjał równy zero.Ze względu na silne pole elektryczne generowane w 10 mm szczelinie pomiędzy aperturą a krawędzią elektrody RFQ, z plazmy na aperturze ekstrahowane są jedynie dodatnie jony plazmy.W tradycyjnych systemach dostarczania jonów jony są oddzielane od plazmy za pomocą pola elektrycznego w znacznej odległości przed akceleratorem RFQ, a następnie skupiane w aperturze RFQ za pomocą elementu skupiającego wiązkę.Jednakże w przypadku intensywnych wiązek ciężkich jonów wymaganych dla intensywnego źródła neutronów nieliniowe siły odpychania wynikające z efektów ładunku kosmicznego mogą prowadzić do znacznych strat prądu wiązki w systemie transportu jonów, ograniczając prąd szczytowy, który można przyspieszyć.W naszym DPIS jony o dużej intensywności są transportowane w postaci dryfującej plazmy bezpośrednio do punktu wyjścia apertury RFQ, dzięki czemu nie dochodzi do utraty wiązki jonów z powodu ładunku kosmicznego.Podczas tej demonstracji po raz pierwszy zastosowano technologię DPIS w wiązce litowo-jonowej.
Struktura RFQ została opracowana do skupiania i przyspieszania niskoenergetycznych wiązek jonów o wysokim natężeniu prądu i stała się standardem dla przyspieszania pierwszego rzędu.Wykorzystaliśmy RFQ do przyspieszenia jonów 7Li3+ od energii implantu 22 keV/n do 204 keV/n.Chociaż lit i inne cząstki o niższym ładunku w plazmie są również ekstrahowane z plazmy i wstrzykiwane do apertury RFQ, liniak RFQ przyspiesza jedynie jony ze stosunkiem ładunku do masy (Q/A) bliskim 7Li3+.
Na ryc.Rysunek 4 przedstawia przebiegi wykryte przez przekładnik prądowy (CT) na wyjściu liniaka RFQ i czaszy Faradaya (FC) po analizie magnesu, jak pokazano na rys. 4.2. Przesunięcie czasowe pomiędzy sygnałami można interpretować jako różnicę czasu przelotu w miejscu lokalizacji detektora.Szczytowy prąd jonowy zmierzony w CT wyniósł 43 mA.W pozycji RT wiązka rejestrowana może zawierać nie tylko jony przyspieszane do obliczonej energii, ale także jony inne niż 7Li3+, które nie są dostatecznie przyspieszane.Jednakże podobieństwo form prądu jonowego stwierdzone za pomocą QD i PC wskazuje, że prąd jonowy składa się głównie z przyspieszonego 7Li3+, a spadek wartości szczytowej prądu na PC jest spowodowany stratami wiązki podczas przenoszenia jonów pomiędzy QD i komputer.Straty Potwierdza to również symulacja obwiedni.Aby dokładnie zmierzyć prąd wiązki 7Li3+, wiązkę analizuje się za pomocą magnesu dipolowego, jak opisano w następnej sekcji.
Oscylogramy wiązki przyspieszonej zarejestrowane w pozycjach detektora CT (czarna krzywa) i FC (czerwona krzywa).Pomiary te są wyzwalane przez wykrycie promieniowania laserowego przez fotodetektor podczas wytwarzania plazmy laserowej.Czarna krzywa przedstawia przebieg zmierzony na przekładniku prądowym podłączonym do wyjścia liniowego RFQ.Ze względu na bliskość liniaka RFQ detektor wychwytuje szum RF o częstotliwości 100 MHz, dlatego zastosowano filtr dolnoprzepustowy FFT 98 MHz w celu usunięcia rezonansowego sygnału RF o częstotliwości 100 MHz nałożonego na sygnał detekcji.Czerwona krzywa pokazuje przebieg w FC po skierowaniu przez magnes analityczny wiązki jonów 7Li3+.W tym polu magnetycznym oprócz 7Li3+ mogą transportować się N6+ i O7+.
Wiązka jonów po liniowym RFQ jest skupiana przez szereg trzech kwadrupolowych magnesów ogniskujących, a następnie analizowana za pomocą magnesów dipolowych w celu wyizolowania zanieczyszczeń w wiązce jonów.Pole magnetyczne o wartości 0,268 T kieruje wiązki 7Li3+ do FC.Przebieg detekcji tego pola magnetycznego przedstawiono jako czerwoną krzywą na rysunku 4. Szczytowy prąd wiązki osiąga 35 mA, czyli jest ponad 100 razy wyższy niż typowa wiązka Li3+ wytwarzana w istniejących konwencjonalnych akceleratorach elektrostatycznych.Szerokość impulsu wiązki wynosi 2,0 µs przy pełnej szerokości i połowie maksimum.Wykrycie wiązki 7Li3+ za pomocą dipolowego pola magnetycznego wskazuje na pomyślne skupienie i przyspieszenie wiązki.Prąd wiązki jonów wykryty przez FC podczas skanowania pola magnetycznego dipola pokazano na rys. 5. Zaobserwowano czysty pojedynczy pik, dobrze oddzielony od innych pików.Ponieważ wszystkie jony przyspieszane do energii projektowej przez układ liniowy RFQ mają tę samą prędkość, wiązki jonów o tej samej wartości Q/A są trudne do rozdzielenia za pomocą dipolowych pól magnetycznych.Dlatego nie możemy odróżnić 7Li3+ od N6+ czy O7+.Jednakże ilość zanieczyszczeń można oszacować na podstawie sąsiednich stanów ładunku.Na przykład N7+ i N5+ można łatwo oddzielić, podczas gdy N6+ może stanowić część zanieczyszczenia i oczekuje się, że będzie obecny w mniej więcej tej samej ilości co N7+ i N5+.Szacunkowy poziom zanieczyszczeń wynosi około 2%.
Widma składowych wiązki uzyskane poprzez skanowanie dipolowego pola magnetycznego.Pik przy 0,268 T odpowiada 7Li3+ i N6+.Szerokość piku zależy od wielkości belki na szczelinie.Pomimo szerokich pików, 7Li3+ dobrze oddziela się od 6Li3+, O6+ i N5+, ale słabo oddziela się od O7+ i N6+.
W lokalizacji FC potwierdzono profil wiązki za pomocą podłączanego scyntylatora i zarejestrowano szybką kamerą cyfrową, jak pokazano na rysunku 6. Wykazano, że wiązka impulsowa 7Li3+ o prądzie 35 mA jest przyspieszana do obliczonej wartości RFQ energię 204 keV/n, co odpowiada 1,4 MeV i przesyłaną do detektora FC.
Profil wiązki obserwowany na ekranie scyntylatora sprzed FC (pokolorowany przez Fidżi, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Pole magnetyczne analitycznego magnesu dipolowego dostrojono tak, aby kierować przyspieszenie wiązki jonów Li3+ do projektowanej energii RFQ.Niebieskie kropki na zielonym obszarze są spowodowane wadliwym materiałem scyntylatora.
Osiągnęliśmy generację jonów 7Li3+ poprzez ablację laserową powierzchni stałej folii litowej, a wiązkę jonów o wysokim natężeniu przechwycono i przyspieszono za pomocą specjalnie zaprojektowanego liniowca RFQ z wykorzystaniem DPIS.Przy energii wiązki 1,4 MeV, szczytowy prąd 7Li3+ osiągnięty na FC po analizie magnesu wyniósł 35 mA.Potwierdza to, że najważniejsza część realizacji źródła neutronów o kinematyce odwrotnej została zrealizowana eksperymentalnie.W tej części artykułu zostanie omówiony cały projekt kompaktowego źródła neutronów, z uwzględnieniem akceleratorów wysokoenergetycznych i stacji docelowych neutronów.Projekt opiera się na wynikach uzyskanych z istniejącymi systemami w naszym laboratorium.Należy zauważyć, że szczytowy prąd wiązki jonów można dodatkowo zwiększyć poprzez skrócenie odległości pomiędzy folią litową a liniowcem RFQ.Ryż.7 ilustruje całą koncepcję proponowanego zwartego źródła neutronów w akceleratorze.
Projekt koncepcyjny proponowanego kompaktowego źródła neutronów w akceleratorze (rysunek: Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Od prawej do lewej: laserowe źródło jonów, magnes elektromagnetyczny, RFQ linac, transfer wiązki średniej energii (MEBT), IH linac i komora interakcji do generowania neutronów.Ochrona przed promieniowaniem jest zapewniona przede wszystkim w kierunku do przodu ze względu na wąsko ukierunkowany charakter wytwarzanych wiązek neutronów.
Po akceleracji RFQ linac planowane jest dalsze przyspieszanie linii Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac.Linaki IH wykorzystują strukturę rurki dryfu w trybie π, aby zapewnić wysokie gradienty pola elektrycznego w pewnym zakresie prędkości.Studium koncepcyjne przeprowadzono w oparciu o symulację dynamiki podłużnej 1D oraz symulację powłoki 3D.Obliczenia pokazują, że liniak IH 100 MHz przy rozsądnym napięciu lampy dryftowej (poniżej 450 kV) i silnym magnesie skupiającym może przyspieszyć wiązkę 40 mA od 1,4 do 14 MeV w odległości 1,8 m.Rozkład energii na końcu łańcucha akceleratora szacuje się na ± 0,4 MeV, co nie wpływa znacząco na widmo energetyczne neutronów wytwarzanych przez cel konwersji neutronów.Ponadto emisyjność wiązki jest wystarczająco niska, aby skupić wiązkę w mniejszym punkcie wiązki, niż byłoby to normalnie wymagane w przypadku magnesu kwadrupolowego o średniej sile i wielkości.W transmisji wiązki średniej energii (MEBT) pomiędzy liniowcem RFQ a liniowcem IH, rezonator kształtujący wiązkę służy do utrzymania struktury kształtującej wiązkę.Do kontrolowania wielkości belki bocznej służą trzy magnesy kwadrupolowe.Tę strategię projektowania zastosowano w wielu akceleratorach31,32,33.Szacuje się, że całkowita długość całego systemu od źródła jonów do komory docelowej wynosi niecałe 8 m i mieści się w standardowej ciężarówce z naczepą.
Cel konwersji neutronów zostanie zainstalowany bezpośrednio za akceleratorem liniowym.Omawiamy projekty stacji docelowych w oparciu o wcześniejsze badania z wykorzystaniem scenariuszy kinematyki odwrotnej23.Zgłoszone cele konwersji obejmują materiały stałe (polipropylen (C3H6) i wodorek tytanu (TiH2)) oraz systemy tarcz gazowych.Każdy cel ma zalety i wady.Cele stałe umożliwiają precyzyjną kontrolę grubości.Im cieńszy cel, tym dokładniejszy jest przestrzenny układ produkcji neutronów.Jednakże w takich celach nadal może występować pewien stopień niepożądanych reakcji jądrowych i promieniowania.Z drugiej strony cel wodorowy może zapewnić czystsze środowisko poprzez wyeliminowanie produkcji 7Be, głównego produktu reakcji jądrowej.Jednakże wodór ma słabą zdolność barierową i wymaga dużej odległości fizycznej, aby zapewnić wystarczające uwolnienie energii.Jest to nieco niekorzystne w przypadku pomiarów TOF.Ponadto, jeśli do uszczelnienia celu wodorowego stosowana jest cienka folia, należy wziąć pod uwagę straty energii promieni gamma generowanych przez cienką warstwę i padającą wiązkę litu.
LICORNE wykorzystuje cele polipropylenowe, a system docelowy został zmodernizowany do ogniw wodorowych uszczelnionych folią tantalową.Zakładając, że prąd wiązki wynosi 100 nA dla 7Li34, oba systemy docelowe mogą wytwarzać do 107 n/s/sr.Jeśli zastosujemy tę deklarowaną konwersję wydajności neutronów do proponowanego przez nas źródła neutronów, wówczas dla każdego impulsu laserowego można uzyskać wiązkę napędzaną litem o energii 7 × 10–8 C.Oznacza to, że wystrzelenie lasera zaledwie dwa razy na sekundę wytwarza o 40% więcej neutronów, niż LICORNE jest w stanie wytworzyć w ciągu jednej sekundy przy użyciu wiązki ciągłej.Całkowity strumień można łatwo zwiększyć, zwiększając częstotliwość wzbudzenia lasera.Jeśli założymy, że na rynku dostępny jest system laserowy o częstotliwości 1 kHz, średni strumień neutronów można łatwo przeskalować do około 7 × 109 n/s/sr.
Kiedy używamy systemów o dużej powtarzalności z tarczami z tworzywa sztucznego, konieczne jest kontrolowanie wytwarzania ciepła na tarczach, ponieważ na przykład polipropylen ma niską temperaturę topnienia wynoszącą 145–175 °C i niską przewodność cieplną wynoszącą 0,1–0,22 W/ m/K.W przypadku wiązki litowo-jonowej o energii 14 MeV do zmniejszenia energii wiązki do progu reakcji (13,098 MeV) wystarczy tarcza polipropylenowa o grubości 7 µm.Biorąc pod uwagę całkowity wpływ jonów wytwarzanych przez jeden strzał lasera na cel, energię uwalniania jonów litu przez polipropylen szacuje się na 64 mJ/impuls.Zakładając, że cała energia jest przekazywana w okręgu o średnicy 10 mm, każdemu impulsowi odpowiada wzrost temperatury o około 18 K/impuls.Uwalnianie energii w tarczach polipropylenowych opiera się na prostym założeniu, że wszystkie straty energii są magazynowane w postaci ciepła, bez promieniowania lub innych strat ciepła.Ponieważ zwiększenie liczby impulsów na sekundę wymaga eliminacji gromadzenia się ciepła, możemy zastosować cele paskowe, aby uniknąć uwolnienia energii w tym samym punkcie23.Zakładając, że na tarczy znajduje się plamka wiązki o średnicy 10 mm i częstotliwość powtarzania lasera 100 Hz, prędkość skanowania taśmy polipropylenowej wyniesie 1 m/s.Jeśli dozwolone jest nakładanie się punktów wiązki, możliwe są wyższe częstotliwości powtarzania.
Badaliśmy także cele wyposażone w akumulatory wodorowe, ponieważ można było zastosować mocniejsze wiązki napędowe bez uszkadzania celu.Wiązkę neutronów można łatwo dostroić, zmieniając długość komory gazowej i ciśnienie wodoru wewnątrz.W akceleratorach często stosuje się cienkie folie metalowe, aby oddzielić obszar gazowy tarczy od próżni.Dlatego też konieczne jest zwiększenie energii padającej wiązki litowo-jonowej w celu skompensowania strat energii na folii.Zespół docelowy opisany w raporcie 35 składał się z aluminiowego pojemnika o długości 3,5 cm, w którym znajdował się gaz H2 pod ciśnieniem 1,5 atm.Wiązka litowo-jonowa o napięciu 16,75 MeV wchodzi do akumulatora przez chłodzoną powietrzem folię Ta o grubości 2,7 µm, a energia wiązki litowo-jonowej na końcu akumulatora jest zwalniana do progu reakcji.Aby zwiększyć energię wiązki akumulatorów litowo-jonowych z 14,0 MeV do 16,75 MeV, należało wydłużyć liniak IH o około 30 cm.
Zbadano także emisję neutronów z ogniw gazowych.W przypadku wyżej wymienionych celów gazowych LICORNE symulacje GEANT436 pokazują, że wewnątrz stożka generowane są wysoce zorientowane neutrony, jak pokazano na Rysunku 1 w [37].Odnośnik 35 pokazuje zakres energii od 0,7 do 3,0 MeV przy maksymalnym otwarciu stożka 19,5° w stosunku do kierunku propagacji wiązki głównej.Wysoko zorientowane neutrony mogą znacznie zmniejszyć ilość materiału ekranującego pod większością kątów, zmniejszając ciężar konstrukcji i zapewniając większą elastyczność w instalacji sprzętu pomiarowego.Z punktu widzenia ochrony przed promieniowaniem, oprócz neutronów, ten cel gazowy emituje promienie gamma o energii 478 keV izotropowo w układzie współrzędnych środka ciężkości38.Te promienie γ powstają w wyniku rozpadu 7Be i odwzbudzenia 7Li, które następuje, gdy pierwotna wiązka Li uderza w okno wejściowe Ta.Jednakże, dodając gruby kolimator cylindryczny 35 Pb/Cu, tło można znacznie zmniejszyć.
Jako cel alternatywny można zastosować okno plazmowe [39, 40], które pozwala na uzyskanie stosunkowo wysokiego ciśnienia wodoru i małego przestrzennego obszaru generacji neutronów, choć ustępuje celom stałym.
Badamy opcje ukierunkowania konwersji neutronów pod kątem oczekiwanej dystrybucji energii i rozmiaru wiązki wiązki litowo-jonowej przy użyciu GEANT4.Nasze symulacje pokazują spójny rozkład energii neutronów i rozkładów kątowych dla celów wodorowych w powyższej literaturze.W dowolnym układzie docelowym wysoce zorientowane neutrony można wytworzyć w wyniku odwrotnej reakcji kinematycznej napędzanej silną wiązką 7Li3+ na tarczy bogatej w wodór.Dlatego nowe źródła neutronów można wdrożyć poprzez połączenie już istniejących technologii.
Warunki napromieniowania laserowego odtworzyły eksperymenty dotyczące generacji wiązki jonów sprzed przyspieszonej demonstracji.Laser to stacjonarny nanosekundowy system Nd:YAG o gęstości mocy lasera 1012 W/cm2, podstawowej długości fali 1064 nm, energii plamki 800 mJ i czasie trwania impulsu 6 ns.Średnicę plamki na tarczy szacuje się na 100 µm.Ponieważ lit metaliczny (Alfa Aesar o czystości 99,9%) jest dość miękki, precyzyjnie wycięty materiał wciskany jest do formy.Wymiary folii 25 mm × 25 mm, grubość 0,6 mm.Uszkodzenia przypominające krater pojawiają się na powierzchni celu, gdy trafi w niego laser, więc cel jest przesuwany przez zmotoryzowaną platformę, aby zapewnić świeżą część powierzchni celu przy każdym strzale lasera.Aby uniknąć rekombinacji spowodowanej resztkowym gazem, ciśnienie w komorze utrzymywano poniżej zakresu 10-4 Pa.
Początkowa objętość plazmy laserowej jest niewielka, ponieważ wielkość plamki lasera wynosi 100 µm i następuje w ciągu 6 ns po jej wygenerowaniu.Objętość można przyjąć jako dokładny punkt i rozszerzyć.Jeżeli detektor znajduje się w odległości xm od powierzchni celu, to odebrany sygnał podlega zależności: prądu jonowego I, czasu przybycia jonów t i szerokości impulsu τ.
Wygenerowaną plazmę badano metodą TOF z FC i analizatorem jonów energii (EIA) umieszczonym w odległości 2,4 m i 3,85 m od celu laserowego.FC ma siatkę tłumiącą odchyloną o -5 kV, aby zapobiec przedostawaniu się elektronów.EIA posiada deflektor elektrostatyczny 90 stopni składający się z dwóch współosiowych metalowych, cylindrycznych elektrod o tym samym napięciu, ale o przeciwnej polaryzacji, dodatniej na zewnątrz i ujemnej wewnątrz.Rozszerzająca się plazma kierowana jest do deflektora znajdującego się za szczeliną i odchylana przez pole elektryczne przechodzące przez cylinder.Jony spełniające zależność E/z = eKU wykrywa się za pomocą mnożnika elektronów wtórnych (SEM) (Hamamatsu R2362), gdzie E, z, e, K i U to energia jonów, stan naładowania, a ładunek to współczynniki geometryczne EIA .elektronów i różnicę potencjałów pomiędzy elektrodami.Zmieniając napięcie na deflektorze, można uzyskać rozkład energii i ładunku jonów w plazmie.Napięcie przemiatania U/2 EIA mieści się w zakresie od 0,2 V do 800 V, co odpowiada energii jonów w zakresie od 4 eV do 16 keV na stan naładowania.
Rozkłady stanu ładunku jonów analizowanych w warunkach naświetlania laserem opisanych w rozdziale „Generowanie całkowicie odizolowanych wiązek litu” przedstawiono na rysunkach.8.
Analiza rozkładu stanu ładunku jonów.Oto profil czasowy gęstości prądu jonowego analizowany za pomocą EIA i skalowany w odległości 1 m od folii litowej przy użyciu równania.(1) i (2).Zastosuj warunki napromieniowania laserowego opisane w części „Generowanie całkowicie złuszczonej wiązki litu”.Całkując każdą gęstość prądu, obliczono proporcję jonów w plazmie, co pokazano na rysunku 3.
Laserowe źródła jonów mogą dostarczać intensywną wiązkę jonów o natężeniu wielu mA i wysokim ładunku.Jednak dostarczanie wiązki jest bardzo trudne ze względu na odpychanie ładunków kosmicznych, dlatego nie było powszechnie stosowane.W tradycyjnym schemacie wiązki jonów są wyodrębniane z plazmy i transportowane do głównego akceleratora wzdłuż linii wiązki z kilkoma magnesami skupiającymi w celu ukształtowania wiązki jonów zgodnie ze zdolnością wychwytywania akceleratora.W wiązkach sił ładunku kosmicznego wiązki rozchodzą się nieliniowo i obserwuje się poważne straty wiązki, szczególnie w obszarze małych prędkości.Aby przezwyciężyć ten problem podczas opracowywania medycznych akceleratorów węgla, zaproponowano nowy schemat dostarczania wiązki DPIS41.Zastosowaliśmy tę technikę, aby przyspieszyć potężną wiązkę litowo-jonową z nowego źródła neutronów.
Jak pokazano na ryc.4, przestrzeń, w której wytwarzana i rozszerzana jest plazma, jest otoczona metalowym pojemnikiem.Zamknięta przestrzeń rozciąga się do wejścia do rezonatora RFQ, łącznie z objętością wewnątrz cewki elektromagnesu.Do kontenera przyłożono napięcie 52 kV.W rezonatorze RFQ jony są przeciągane przez potencjał przez otwór o średnicy 6 mm, uziemiając RFQ.Nieliniowe siły odpychające na linii wiązki są eliminowane w miarę transportu jonów w stanie plazmy.Dodatkowo, jak wspomniano powyżej, zastosowaliśmy pole elektromagnetyczne w połączeniu z DPIS w celu kontrolowania i zwiększania gęstości jonów w otworze ekstrakcyjnym.
Akcelerator RFQ składa się z cylindrycznej komory próżniowej, jak pokazano na ryc.9a.Wewnątrz znajdują się cztery pręty z miedzi beztlenowej, rozmieszczone kwadrupolowo symetrycznie wokół osi belki (rys. 9b).4 pręty i komory tworzą rezonansowy obwód RF.Indukowane pole RF wytwarza zmienne w czasie napięcie na pręcie.Jony wszczepione wzdłużnie wokół osi są utrzymywane bocznie przez pole kwadrupolowe.Jednocześnie końcówka pręta jest modulowana w celu wytworzenia osiowego pola elektrycznego.Pole osiowe dzieli wtryskiwaną wiązkę ciągłą na serię impulsów wiązki zwaną wiązką.Każda wiązka mieści się w określonym czasie cyklu RF (10 ns).Sąsiednie wiązki są rozmieszczone zgodnie z okresem częstotliwości radiowej.W RFQ Linac wiązka o długości 2 µs ze źródła jonów laserowych jest przekształcana na sekwencję 200 wiązek.Następnie wiązka jest przyspieszana do obliczonej energii.
Zapytanie ofertowe dotyczące akceleratora liniowego.(a) (po lewej) Widok zewnętrzny komory liniowej RFQ.(b) (po prawej) Elektroda czteroprętowa w komorze.
Głównymi parametrami konstrukcyjnymi RFQ Linac są napięcie pręta, częstotliwość rezonansowa, promień otworu wiązki i modulacja elektrody.Dobierz napięcie na pręcie ± 29 kV tak, aby jego pole elektryczne znajdowało się poniżej progu przebicia elektrycznego.Im niższa częstotliwość rezonansowa, tym większa boczna siła skupiająca i mniejsze średnie pole przyspieszenia.Duże promienie apertury umożliwiają zwiększenie rozmiaru wiązki, a co za tym idzie, zwiększenie prądu wiązki ze względu na mniejsze odpychanie ładunku przestrzennego.Z drugiej strony większe promienie apertury wymagają większej mocy RF do zasilania liniowego RFQ.Ponadto jest ograniczony wymaganiami jakościowymi witryny.Na podstawie tych bilansów wybrano częstotliwość rezonansową (100 MHz) i promień apertury (4,5 mm) dla przyspieszenia wiązki wysokoprądowej.Modulacja jest wybierana tak, aby zminimalizować utratę wiązki i zmaksymalizować efektywność przyspieszania.Projekt był wielokrotnie optymalizowany w celu uzyskania konstrukcji liniowej RFQ, która może przyspieszać jony 7Li3+ przy 40 mA od 22 keV/n do 204 keV/n w odległości 2 m.Moc RF zmierzona podczas eksperymentu wyniosła 77 kW.
Liniaki RFQ mogą przyspieszać jony w określonym zakresie Q/A.Dlatego analizując wiązkę doprowadzoną do końca akceleratora liniowego, należy wziąć pod uwagę izotopy i inne substancje.Ponadto pożądane jony, częściowo przyspieszone, ale opuszczone w warunkach przyspieszania w środku akceleratora, mogą nadal spotykać się z bocznym ograniczeniem i mogą być transportowane do końca.Niepożądane promienie inne niż zmodyfikowane cząstki 7Li3+ nazywane są zanieczyszczeniami.W naszych eksperymentach największe obawy wzbudziły zanieczyszczenia 14N6+ i 16O7+, ponieważ folia litowo-metalowa reaguje z tlenem i azotem z powietrza.Jony te mają stosunek Q/A, który można przyspieszyć za pomocą 7Li3+.Używamy magnesów dipolowych do oddzielania wiązek o różnej jakości i jakości do analizy wiązki po liniowym RFQ.
Linia wiązki za linikiem RFQ jest zaprojektowana tak, aby dostarczać w pełni przyspieszoną wiązkę 7Li3+ do FC za magnesem dipolowym.Elektrody polaryzacji -400 V służą do tłumienia elektronów wtórnych w misce w celu dokładnego pomiaru prądu wiązki jonów.Dzięki tej optyce trajektorie jonów są rozdzielane na dipole i skupiane w różnych miejscach, w zależności od pytań i odpowiedzi.Ze względu na różne czynniki, takie jak dyfuzja pędu i odpychanie ładunku kosmicznego, wiązka w ognisku ma określoną szerokość.Gatunki można oddzielić tylko wtedy, gdy odległość między ogniskami dwóch rodzajów jonów jest większa niż szerokość wiązki.Aby uzyskać najwyższą możliwą rozdzielczość, w pobliżu pasa belki montuje się poziomą szczelinę, gdzie wiązka jest praktycznie skupiona.Pomiędzy szczeliną a komputerem zainstalowano ekran scyntylacyjny (CsI(Tl) firmy Saint-Gobain, 40 mm x 40 mm x 3 mm).Scyntylator wykorzystano do określenia najmniejszej szczeliny, przez którą musiały przejść zaprojektowane cząstki, aby uzyskać optymalną rozdzielczość, oraz do wykazania akceptowalnych rozmiarów wiązek dla wysokoprądowych wiązek ciężkich jonów.Obraz wiązki na scyntylatorze jest rejestrowany przez kamerę CCD przez okno próżniowe.Dostosuj okno czasu ekspozycji, aby pokryć całą szerokość impulsu wiązki.
Zbiory danych wykorzystane lub przeanalizowane w bieżącym badaniu są dostępne u odpowiednich autorów na uzasadnioną prośbę.
Manke, I. i in.Trójwymiarowe obrazowanie domen magnetycznych.Gmina narodowa.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS i in.Możliwości badania zwartych źródeł neutronów w akceleratorach.fizyka.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. i in.Mikrotomografia komputerowa oparta na neutronach: Pliobates cataloniae i Barberapithecus huerzeleri jako przypadki testowe.Tak.J. Fizyka.antropologia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).