304L 6.35*1mm Roesvrye staal opgerolde buisverskaffers, demonstrasie van 'n intense litiumstraal vir die opwekking van gepulseerde direkte neutrone

Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Sliders wat drie artikels per skyfie wys.Gebruik die terug- en volgende-knoppies om deur die skyfies te beweeg, of die skyfiebeheerknoppies aan die einde om deur elke skyfie te beweeg.

As 'n alternatief vir die studie van kernreaktors, kan 'n kompakte versneller-gedrewe neutrongenerator wat 'n litium-ioonstraaldrywer gebruik, 'n belowende kandidaat wees omdat dit min ongewenste bestraling produseer.Dit was egter moeilik om 'n intense straal van litiumione te lewer, en die praktiese toepassing van sulke toestelle is as onmoontlik beskou.Die mees akute probleem van onvoldoende ioonvloei is opgelos deur 'n direkte plasma-inplantingskema toe te pas.In hierdie skema word 'n hoë-digtheid gepulseerde plasma gegenereer deur laser ablasie van 'n litium metaal foelie doeltreffend ingespuit en versnel deur 'n hoë-frekwensie quadrupool versneller (RFQ versneller).Ons het 'n piekstraalstroom van 35 mA bereik, versnel tot 1,43 MeV, wat twee ordes van grootte hoër is as wat konvensionele inspuit- en versnellerstelsels kan voorsien.
Anders as X-strale of gelaaide deeltjies, het neutrone 'n groot penetrasiediepte en unieke interaksie met gekondenseerde materie, wat hulle uiters veelsydige sondes maak om die eienskappe van materiale te bestudeer1,2,3,4,5,6,7.Neutronverstrooiingstegnieke word veral gebruik om die samestelling, struktuur en interne spannings in gekondenseerde materiaal te bestudeer en kan gedetailleerde inligting verskaf oor spoorverbindings in metaallegerings wat moeilik is om met behulp van X-straalspektroskopie op te spoor8.Hierdie metode word beskou as 'n kragtige hulpmiddel in basiese wetenskap en word gebruik deur vervaardigers van metale en ander materiale.Meer onlangs is neutrondiffraksie gebruik om oorblywende spanning in meganiese komponente soos spoor- en vliegtuigonderdele op te spoor9,10,11,12.Neutrone word ook in olie- en gasputte gebruik omdat dit maklik deur protonryke materiale vasgevang word13.Soortgelyke metodes word ook in siviele ingenieurswese gebruik.Nie-vernietigende neutrontoetsing is 'n effektiewe hulpmiddel om verborge foute in geboue, tonnels en brûe op te spoor.Die gebruik van neutronstrale word aktief gebruik in wetenskaplike navorsing en industrie, waarvan baie histories ontwikkel is met behulp van kernreaktore.
Met die wêreldwye konsensus oor nie-verspreiding van kernkrag word dit egter al hoe moeiliker om klein reaktors vir navorsingsdoeleindes te bou.Boonop het die onlangse Fukushima-ongeluk die bou van kernreaktors byna sosiaal aanvaarbaar gemaak.In verband met hierdie tendens groei die vraag na neutronbronne by versnellers2.As 'n alternatief vir kernreaktors, is verskeie groot versneller-splitsende neutronbronne reeds in werking14,15.Vir 'n meer doeltreffende gebruik van die eienskappe van neutronstrale is dit egter nodig om die gebruik van kompakte bronne by versnellers, 16 wat aan industriële en universiteitsnavorsingsinstellings behoort, uit te brei.Versneller neutronbronne het nuwe vermoëns en funksies bygevoeg, benewens dien as 'n plaasvervanger vir kernreaktors14.Byvoorbeeld, 'n linac-aangedrewe kragopwekker kan maklik 'n stroom neutrone skep deur die dryfstraal te manipuleer.Sodra dit uitgestraal is, is neutrone moeilik om te beheer en stralingsmetings is moeilik om te ontleed as gevolg van die geraas wat deur agtergrondneutrone geskep word.Gepulseerde neutrone wat deur 'n versneller beheer word, vermy hierdie probleem.Verskeie projekte gebaseer op protonversnellertegnologie is regoor die wêreld voorgestel17,18,19.Die reaksies 7Li(p, n)7Be en 9Be(p, n)9B word die meeste in protongedrewe kompakte neutronopwekkers gebruik omdat dit endotermiese reaksies is20.Oormaat straling en radioaktiewe afval kan tot die minimum beperk word as die energie wat gekies word om die protonstraal op te wek effens bo die drempelwaarde is.Die massa van die teikenkern is egter baie groter as dié van protone, en die gevolglike neutrone verstrooi in alle rigtings.So naby aan isotropiese emissie van 'n neutronvloed verhoed doeltreffende vervoer van neutrone na die voorwerp van studie.Daarbenewens, om die vereiste dosis neutrone op die plek van die voorwerp te verkry, is dit nodig om beide die aantal bewegende protone en hul energie aansienlik te verhoog.As gevolg hiervan sal groot dosisse gammastrale en neutrone deur groot hoeke voortplant, wat die voordeel van endotermiese reaksies vernietig.’n Tipiese versnellergedrewe kompakte proton-gebaseerde neutrongenerator het sterk stralingsafskerming en is die lywigste deel van die stelsel.Die behoefte om die energie van die dryf van protone te verhoog, vereis gewoonlik 'n bykomende toename in die grootte van die versnellerfasiliteit.
Om die algemene tekortkominge van konvensionele kompakte neutronbronne by versnellers te oorkom, is 'n inversie-kinematiese reaksieskema voorgestel21.In hierdie skema word 'n swaarder litium-ioonstraal as 'n leistraal gebruik in plaas van 'n protonstraal, wat waterstofryke materiale soos koolwaterstofplastiek, hidriede, waterstofgas of waterstofplasma teiken.Alternatiewe is oorweeg, soos berillium-ioon-aangedrewe balke, maar berillium is 'n giftige stof wat spesiale sorg in die hantering vereis.Daarom is 'n litiumstraal die mees geskikte vir inversie-kinematiese reaksieskemas.Aangesien die momentum van litiumkerne groter is as dié van protone, beweeg die massamiddelpunt van kernbotsings voortdurend vorentoe, en neutrone word ook vorentoe uitgestraal.Hierdie kenmerk elimineer grootliks ongewenste gammastrale en hoë-hoek neutronemissies22.’n Vergelyking van die gewone geval van ’n protonenjin en die inverse kinematika-scenario word in Figuur 1 getoon.
Illustrasie van neutronproduksiehoeke vir proton- en litiumbundels (geteken met Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutrone kan in enige rigting uitgestoot word as gevolg van die reaksie as gevolg van die feit dat bewegende protone die veel swaarder atome van die litiumteiken tref.(b) Omgekeerd, as 'n litiumioondrywer 'n waterstofryke teiken bombardeer, word neutrone in 'n smal keël in die voorwaartse rigting gegenereer as gevolg van die hoë snelheid van die stelsel se massamiddelpunt.
Slegs 'n paar inverse kinematiese neutrongenerators bestaan ​​egter as gevolg van die moeilikheid om die vereiste vloed van swaar ione met 'n hoë lading in vergelyking met protone te genereer.Al hierdie aanlegte gebruik negatiewe sputterioonbronne in kombinasie met tandem elektrostatiese versnellers.Ander tipes ioonbronne is voorgestel om die doeltreffendheid van straalversnelling te verhoog26.In elk geval is die beskikbare litium-ioonstraalstroom beperk tot 100 µA.Daar is voorgestel om 1 mA Li3+27 te gebruik, maar hierdie ioonstraalstroom is nie deur hierdie metode bevestig nie.Wat intensiteit betref, kan litiumstraalversnellers nie meeding met protonstraalversnellers waarvan die piekprotonstroom 10 mA28 oorskry nie.
Om 'n praktiese kompakte neutrongenerator gebaseer op 'n litium-ioonstraal te implementeer, is dit voordelig om hoë-intensiteit heeltemal sonder ione te genereer.Die ione word versnel en gelei deur elektromagnetiese kragte, en 'n hoër ladingsvlak lei tot meer doeltreffende versnelling.Li-ioon straaldrywers benodig Li3+ piekstrome van meer as 10 mA.
In hierdie werk demonstreer ons die versnelling van Li3+ strale met piekstrome tot 35 mA, wat vergelykbaar is met gevorderde protonversnellers.Die oorspronklike litiumioonstraal is geskep met behulp van laserablasie en 'n Direkte Plasma-inplantingskema (DPIS) wat oorspronklik ontwikkel is om C6+ te versnel.’n Pasgemaakte radiofrekwensie-kwadrupool-linac (RFQ-linac) is vervaardig met behulp van ’n vier-staaf resonante struktuur.Ons het geverifieer dat die versnellende straal die berekende hoë suiwer straalenergie het.Sodra die Li3+ bundel effektief vasgevang en versnel is deur die radiofrekwensie (RF) versneller, word die daaropvolgende linac (versneller) gedeelte gebruik om die energie te verskaf wat nodig is om 'n sterk neutron vloed vanaf die teiken te genereer.
Die versnelling van hoëwerkverrigtingione is 'n goed gevestigde tegnologie.Die oorblywende taak van die verwesenliking van 'n nuwe hoogs doeltreffende kompakte neutrongenerator is om 'n groot aantal volledig gestroopte litiumione te genereer en 'n groepstruktuur te vorm wat bestaan ​​uit 'n reeks ioonpulse wat met die RF-siklus in die versneller gesinchroniseer word.Die resultate van eksperimente wat ontwerp is om hierdie doel te bereik, word in die volgende drie onderafdelings beskryf: (1) generering van 'n heeltemal ontbloot van litium-ioonstraal, (2) straalversnelling met behulp van 'n spesiaal ontwerpte RFQ linac, en (3) versnelling van analise van die balk om die inhoud daarvan na te gaan.By Brookhaven National Laboratory (BNL) het ons die eksperimentele opstelling gebou wat in Figuur 2 gewys word.
Oorsig van die eksperimentele opstelling vir versnelde analise van litiumbalke (geïllustreer deur Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Van regs na links word laser-ablatiewe plasma in die laser-teiken-interaksiekamer gegenereer en aan die RFQ-linac afgelewer.Wanneer die RFQ-versneller binnekom, word die ione van die plasma geskei en in die RFQ-versneller ingespuit deur 'n skielike elektriese veld wat geskep word deur 'n 52 kV-spanningsverskil tussen die ekstraksie-elektrode en die RFQ-elektrode in die dryfgebied.Die onttrekde ione word van 22 keV/n tot 204 keV/n versnel deur 2 meter lange RFQ-elektrodes te gebruik.'n Stroomtransformator (CT) geïnstalleer by die uitset van die RFQ linac verskaf nie-vernietigende meting van die ioonstraalstroom.Die straal word deur drie vierpoolmagnete gefokus en na 'n dipoolmagneet gerig, wat die Li3+-straal skei en na die detektor lei.Agter die gleuf word 'n intrekbare plastiekskitter en 'n Faraday-beker (FC) met 'n voorspanning van tot -400 V gebruik om die versnellende straal op te spoor.
Om ten volle geïoniseerde litiumione (Li3+) te genereer, is dit nodig om 'n plasma te skep met 'n temperatuur bo sy derde ionisasie-energie (122.4 eV).Ons het probeer om laserablasie te gebruik om hoë-temperatuur plasma te produseer.Hierdie tipe laserioonbron word nie algemeen gebruik om litiumioonstrale te genereer nie omdat litiummetaal reaktief is en spesiale hantering vereis.Ons het 'n teikenlaaistelsel ontwikkel om vog- en lugbesoedeling tot die minimum te beperk wanneer litiumfoelie in die vakuumlaserinteraksiekamer geïnstalleer word.Alle voorbereidings van materiaal is uitgevoer in 'n beheerde omgewing van droë argon.Nadat die litiumfoelie in die laserteikenkamer geïnstalleer is, is die foelie bestraal met gepulseerde Nd:YAG laserstraling teen 'n energie van 800 mJ per pols.By die fokus op die teiken word die laserkragdigtheid geskat op ongeveer 1012 W/cm2.Plasma word geskep wanneer 'n gepulseerde laser 'n teiken in 'n vakuum vernietig.Gedurende die hele 6 ns laserpuls hou die plasma aan om te verhit, hoofsaaklik as gevolg van die omgekeerde bremsstrahlung proses.Aangesien geen beperkende eksterne veld tydens die verhittingsfase toegepas word nie, begin die plasma in drie dimensies uitsit.Wanneer die plasma oor die teikenoppervlak begin uitsit, verkry die massamiddelpunt van die plasma 'n snelheid loodreg op die teikenoppervlak met 'n energie van 600 eV/n.Na verhitting gaan die plasma voort om in die aksiale rigting van die teiken af ​​te beweeg en isotropies uit te brei.
Soos getoon in Figuur 2, brei die ablasieplasma uit tot 'n vakuumvolume omring deur 'n metaalhouer met dieselfde potensiaal as die teiken.Die plasma dryf dus deur die veldvrye gebied na die RFQ-versneller.’n Aksiale magneetveld word tussen die laserbestralingskamer en die RFQ-linac toegepas deur middel van ’n solenoïedspoel wat om die vakuumkamer gewikkel is.Die magnetiese veld van die solenoïde onderdruk die radiale uitsetting van die dryfplasma om 'n hoë plasmadigtheid te handhaaf tydens aflewering aan die RFQ-opening.Aan die ander kant gaan die plasma voort om in die aksiale rigting uit te brei tydens die drywing, wat 'n verlengde plasma vorm.'n Hoëspanning-voorspanning word toegepas op die metaalvat wat die plasma bevat voor die uitgangspoort by die RFQ-inlaat.Die voorspanning is gekies om die vereiste 7Li3+ inspuittempo te verskaf vir behoorlike versnelling deur die RFQ linac.
Die gevolglike ablasieplasma bevat nie net 7Li3+ nie, maar ook litium in ander ladingtoestande en besoedelende elemente, wat gelyktydig na die RFQ lineêre versneller vervoer word.Voor versnelde eksperimente met behulp van die RFQ linac, is 'n vanlyn tyd-van-vlug (TOF) analise uitgevoer om die samestelling en energieverspreiding van ione in die plasma te bestudeer.Die gedetailleerde analitiese opstelling en waargenome toestand-van-lading verspreidings word verduidelik in die Metodes afdeling.Die analise het getoon dat 7Li3+-ione die hoofpartikels was, wat ongeveer 54% van alle deeltjies uitmaak, soos getoon in Fig. 3. Volgens die ontleding word die 7Li3+-ioonstroom by die ioonstraaluitsetpunt op 1.87 mA geskat.Tydens versnelde toetse word 'n 79 mT solenoïdeveld op die uitdyende plasma toegepas.Gevolglik het die 7Li3+-stroom wat uit die plasma onttrek en op die detektor waargeneem is, met 'n faktor van 30 toegeneem.
Fraksies van ione in laser-gegenereerde plasma verkry deur tyd-van-vlug-analise.Die 7Li1+ en 7Li2+ ione maak onderskeidelik 5% en 25% van die ioonbundel uit.Die bespeurde fraksie van 6Li-deeltjies stem ooreen met die natuurlike inhoud van 6Li (7.6%) in die litiumfoelieteiken binne die eksperimentele fout.'n Geringe suurstofkontaminasie (6.2%) is waargeneem, hoofsaaklik O1+ (2.1%) en O2+ (1.5%), wat as gevolg van oksidasie van die oppervlak van die litiumfoelieteiken kan wees.
Soos voorheen genoem, dryf die litiumplasma in 'n veldlose streek voordat dit die RFQ-linac binnegaan.Die inset van die RFQ-linac het 'n gat van 6 mm deursnee in 'n metaalhouer, en die voorspanning is 52 kV.Alhoewel die RFQ-elektrodespanning vinnig verander ±29 kV by 100 MHz, veroorsaak die spanning aksiale versnelling omdat die RFQ-versnellerelektrodes 'n gemiddelde potensiaal van nul het.As gevolg van die sterk elektriese veld wat in die 10 mm gaping tussen die opening en die rand van die RFQ-elektrode gegenereer word, word slegs positiewe plasma-ione uit die plasma by die opening onttrek.In tradisionele ioonleweringstelsels word ione van die plasma geskei deur 'n elektriese veld op 'n aansienlike afstand voor die RFQ-versneller en dan in die RFQ-opening gefokus deur 'n bundelfokuselement.Vir die intense swaar ioonstrale wat benodig word vir 'n intense neutronbron, kan nie-lineêre afstootkragte as gevolg van ruimteladingseffekte egter lei tot aansienlike straalstroomverliese in die ioonvervoerstelsel, wat die piekstroom wat versnel kan word, beperk.In ons DPIS word hoë-intensiteit ione as 'n dryfplasma direk na die uitgangpunt van die RFQ-opening vervoer, so daar is geen verlies van die ioonstraal as gevolg van ruimtelading nie.Tydens hierdie demonstrasie is DPIS vir die eerste keer op 'n litium-ioonstraal toegepas.
Die RFQ-struktuur is ontwikkel vir die fokus en versnelling van lae-energie hoë stroom ioonstrale en het die standaard geword vir eerste-orde versnelling.Ons het RFQ gebruik om 7Li3+ ione van 'n inplantingsenergie van 22 keV/n tot 204 keV/n te versnel.Alhoewel litium en ander deeltjies met 'n laer lading in die plasma ook uit die plasma onttrek en in die RFQ-opening ingespuit word, versnel die RFQ-linac slegs ione met 'n lading-tot-massa-verhouding (Q/A) naby aan 7Li3+.
Op fig.Figuur 4 toon die golfvorms wat deur die stroomtransformator (CT) by die uitset van die RFQ-linac en die Faraday-beker (FC) opgespoor word nadat die magneet ontleed is, soos in fig.2. Die tydverskuiwing tussen die seine kan geïnterpreteer word as die verskil in die tyd van vlug by die ligging van die detektor.Die piek ioonstroom gemeet by CT was 43 mA.In die RT-posisie kan die geregistreerde bundel nie net ione bevat wat tot die berekende energie versnel word nie, maar ook ione anders as 7Li3+, wat nie voldoende versnel word nie.Die ooreenkoms van die ioonstroomvorme wat deur middel van QD en PC gevind word, dui egter daarop dat die ioonstroom hoofsaaklik uit versnelde 7Li3+ bestaan, en die afname in die piekwaarde van die stroom op PC word veroorsaak deur straalverliese tydens ioonoordrag tussen QD en PC.Verliese Dit word ook deur die koevertsimulasie bevestig.Om die 7Li3+ bundelstroom akkuraat te meet, word die bundel met 'n dipoolmagneet ontleed soos in die volgende afdeling beskryf.
Ossillogramme van die versnelde straal aangeteken in die detektorposisies CT (swart kurwe) en FC (rooi kurwe).Hierdie metings word veroorsaak deur die opsporing van laserstraling deur 'n fotodetektor tydens laserplasmagenerering.Die swart kurwe toon die golfvorm gemeet op 'n CT gekoppel aan die RFQ linac uitset.As gevolg van sy nabyheid aan die RFQ-linac, tel die detektor 100 MHz RF-geraas op, dus is 'n 98 MHz-laagdeurlaat-FFT-filter toegepas om die 100 MHz-resonante RF-sein wat op die opsporingsein gesuperponeer is, te verwyder.Die rooi kromme toon die golfvorm by FC nadat die analitiese magneet die 7Li3+ ioonstraal gerig het.In hierdie magneetveld kan, afgesien van 7Li3+, N6+ en O7+ vervoer word.
Die ioonbundel na die RFQ-linac word gefokus deur 'n reeks van drie vierpool-fokusmagnete en dan ontleed deur dipoolmagnete om onsuiwerhede in die ioonbundel te isoleer.’n Magneetveld van 0,268 T rig die 7Li3+-strale in die FC in.Die opsporingsgolfvorm van hierdie magneetveld word as die rooi kromme in Figuur 4 getoon. Die piekstraalstroom bereik 35 mA, wat meer as 100 keer hoër is as 'n tipiese Li3+-bundel wat in bestaande konvensionele elektrostatiese versnellers geproduseer word.Die bundelpulswydte is 2.0 µs by volle breedte by die helfte van maksimum.Die opsporing van 'n 7Li3+ bundel met 'n dipool magneetveld dui op suksesvolle bonding en bundelversnelling.Die ioonstraalstroom wat deur FC bespeur word wanneer die magnetiese veld van die dipool geskandeer word, word in Fig. 5 getoon. 'n Skoon enkele piek is waargeneem, goed geskei van ander pieke.Aangesien alle ione wat deur die RFQ-linac tot die ontwerpenergie versnel word, dieselfde spoed het, is ioonbundels met dieselfde Q/A moeilik om te skei deur dipoolmagnetiese velde.Daarom kan ons nie 7Li3+ van N6+ ​​of O7+ onderskei nie.Die hoeveelheid onsuiwerhede kan egter uit naburige ladingstate geskat word.Byvoorbeeld, N7+ en N5+ kan maklik geskei word, terwyl N6+ deel van die onsuiwerheid kan wees en na verwagting in ongeveer dieselfde hoeveelheid as N7+ en N5+ teenwoordig sal wees.Die geraamde besoedelingsvlak is sowat 2%.
Straalkomponentspektra verkry deur 'n dipoolmagnetiese veld te skandeer.Die piek by 0,268 T stem ooreen met 7Li3+ en N6+.Die piekwydte hang af van die grootte van die balk op die spleet.Ten spyte van breë pieke skei 7Li3+ goed van 6Li3+, O6+ en N5+, maar skei swak van O7+ en N6+.
By die ligging van die FC is die bundelprofiel bevestig met 'n inprop-skitterer en opgeneem met 'n vinnige digitale kamera soos in Figuur 6 getoon. Die 7Li3+ gepulste bundel met 'n stroom van 35 mA word getoon dat dit versnel word tot 'n berekende RFQ energie van 204 keV/n, wat ooreenstem met 1,4 MeV, en na die FC-detektor oorgedra.
Straalprofiel waargeneem op 'n pre-FC-scintillatorskerm (gekleur deur Fidji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Die magnetiese veld van die analitiese dipoolmagneet is ingestel om die versnelling van die Li3+ ioonstraal na die ontwerpenergie RFQ te rig.Die blou kolletjies in die groen area word veroorsaak deur gebrekkige skittermateriaal.
Ons het die generering van 7Li3+-ione bereik deur laserablasie van die oppervlak van 'n soliede litiumfoelie, en 'n hoëstroom-ioonstraal is vasgevang en versnel met 'n spesiaal ontwerpte RFQ-linac met behulp van DPIS.By 'n straalenergie van 1.4 MeV was die piekstroom van 7Li3+ wat op die FC bereik is na ontleding van die magneet 35 mA.Dit bevestig dat die belangrikste deel van die implementering van 'n neutronbron met inverse kinematika eksperimenteel geïmplementeer is.In hierdie deel van die referaat sal die hele ontwerp van 'n kompakte neutronbron bespreek word, insluitend hoë-energieversnellers en neutronteikenstasies.Die ontwerp is gebaseer op resultate wat verkry is met bestaande stelsels in ons laboratorium.Daar moet kennis geneem word dat die piekstroom van die ioonbundel verder verhoog kan word deur die afstand tussen die litiumfoelie en die RFQ linac te verkort.Rys.7 illustreer die hele konsep van die voorgestelde kompakte neutronbron by die versneller.
Konseptuele ontwerp van die voorgestelde kompakte neutronbron by die versneller (geteken deur Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Van regs na links: laserioonbron, solenoïedmagneet, RFQ-linac, medium-energiestraaloordrag (MEBT), IH-linac en interaksiekamer vir neutronopwekking.Stralingsbeskerming word hoofsaaklik in die voorwaartse rigting verskaf as gevolg van die eng gerigte aard van die vervaardigde neutronstrale.
Na die RFQ linac word verdere versnelling van die Inter-digitale H-struktuur (IH linac)30 linac beplan.IH linacs gebruik 'n π-modus dryfbuisstruktuur om hoë elektriese veldgradiënte oor 'n sekere reeks snelhede te verskaf.Die konseptuele studie is uitgevoer op grond van 1D longitudinale dinamika simulasie en 3D dop simulasie.Berekeninge toon dat 'n 100 MHz IH linac met 'n redelike dryfbuisspanning (minder as 450 kV) en 'n sterk fokusmagneet 'n 40 mA straal van 1,4 tot 14 MeV op 'n afstand van 1,8 m kan versnel.Energieverspreiding aan die einde van die versnellerketting word geskat op ± 0.4 MeV, wat nie die energiespektrum van neutrone wat deur die neutronomsettingsteiken geproduseer word, beduidend beïnvloed nie.Daarbenewens is die straaluitstraling laag genoeg om die straal in 'n kleiner straalkol te fokus as wat normaalweg vir 'n mediumsterkte en grootte vierpoolmagneet benodig word.In medium-energie straal (MEBT) transmissie tussen die RFQ linac en die IH linac, word die straalvormende resonator gebruik om die straalvormende struktuur in stand te hou.Drie vierpoolmagnete word gebruik om die grootte van die sybalk te beheer.Hierdie ontwerpstrategie is in baie versnellers31,32,33 gebruik.Die totale lengte van die hele stelsel vanaf die ioonbron tot by die teikenkamer is na raming minder as 8 m, wat in 'n standaard opleggervragmotor kan pas.
Die neutronomskakelingsteiken sal direk na die lineêre versneller geïnstalleer word.Ons bespreek teikenstasie-ontwerpe gebaseer op vorige studies deur inverse kinematiese scenario's te gebruik23.Gerapporteerde omskakelingsteikens sluit in vaste materiale (polipropileen (C3H6) en titaanhidried (TiH2)) en gasvormige teikenstelsels.Elke doelwit het voor- en nadele.Soliede teikens laat presiese diktebeheer toe.Hoe dunner die teiken, hoe meer akkuraat is die ruimtelike rangskikking van neutronproduksie.Sulke teikens kan egter steeds 'n mate van ongewenste kernreaksies en bestraling hê.Aan die ander kant kan 'n waterstofteiken 'n skoner omgewing verskaf deur die produksie van 7Be, die hoofproduk van die kernreaksie, uit te skakel.Waterstof het egter 'n swak versperringsvermoë en vereis 'n groot fisiese afstand vir voldoende energievrystelling.Dit is effens nadelig vir TOF-metings.Daarbenewens, as 'n dun film gebruik word om 'n waterstofteiken te seël, is dit nodig om die energieverliese van gammastrale wat deur die dun film en die invallende litiumstraal gegenereer word, in ag te neem.
LICORNE gebruik polipropileen-teikens en die teikenstelsel is opgegradeer na waterstofselle wat met tantaalfoelie verseël is.As 'n straalstroom van 100 nA vir 7Li34 aanvaar word, kan beide teikenstelsels tot 107 n/s/sr produseer.As ons hierdie beweerde neutronopbrengs-omskakeling op ons voorgestelde neutronbron toepas, kan 'n litium-aangedrewe straal van 7 × 10–8 C vir elke laserpuls verkry word.Dit beteken dat die afvuur van die laser net twee keer per sekonde 40% meer neutrone produseer as wat LICORNE in een sekonde met 'n aaneenlopende straal kan produseer.Die totale vloed kan maklik verhoog word deur die opwekkingsfrekwensie van die laser te verhoog.As ons aanneem dat daar 'n 1 kHz laserstelsel op die mark is, kan die gemiddelde neutronvloed maklik opgeskaal word tot ongeveer 7 × 109 n/s/sr.
Wanneer ons hoë herhalingstempostelsels met plastiekteikens gebruik, is dit nodig om die hitte-opwekking op die teikens te beheer, want byvoorbeeld polipropileen het 'n lae smeltpunt van 145–175 °C en 'n lae termiese geleidingsvermoë van 0.1–0.22 W/ m/K.Vir 'n 14 MeV litium-ioonstraal is 'n 7 µm dik polipropileen teiken voldoende om die bundelenergie tot die reaksiedrempel (13.098 MeV) te verminder.Met inagneming van die totale effek van ione wat deur een laserskoot op die teiken gegenereer word, word die energievrystelling van litiumione deur polipropileen op 64 mJ/puls geskat.As aanvaar word dat al die energie in 'n sirkel met 'n deursnee van 10 mm oorgedra word, stem elke puls ooreen met 'n temperatuurstyging van ongeveer 18 K/puls.Energievrystelling op polipropileen-teikens is gebaseer op die eenvoudige aanname dat alle energieverliese as hitte gestoor word, sonder straling of ander hitteverliese.Aangesien die verhoging van die aantal pulse per sekonde die uitskakeling van hitte-opbou vereis, kan ons strookteikens gebruik om energievrystelling by dieselfde punt te vermy23.As 'n 10 mm-straalvlek op 'n teiken met 'n laserherhalingstempo van 100 Hz aanvaar word, sal die skandeerspoed van die polipropileenband 1 m/s wees.Hoër herhalingstempo's is moontlik as straalvlekoorvleueling toegelaat word.
Ons het ook teikens met waterstofbatterye ondersoek, want sterker dryfstrale kan gebruik word sonder om die teiken te beskadig.Die neutronstraal kan maklik ingestel word deur die lengte van die gaskamer en die waterstofdruk binne te verander.Dun metaalfoelies word dikwels in versnellers gebruik om die gasagtige gebied van die teiken van vakuum te skei.Daarom is dit nodig om die energie van die invallende litium-ioonstraal te verhoog om te vergoed vir die energieverliese op die foelie.Die teikensamestelling wat in verslag 35 beskryf word, het bestaan ​​uit 'n aluminiumhouer van 3,5 cm lank met 'n H2-gasdruk van 1,5 atm.Die 16.75 MeV litiumioonstraal gaan die battery binne deur die lugverkoelde 2.7 µm Ta-foelie, en die energie van die litiumioonstraal aan die einde van die battery word tot die reaksiedrempel vertraag.Om die straalenergie van litium-ioonbatterye van 14,0 MeV tot 16,75 MeV te verhoog, moes die IH linac met sowat 30 cm verleng word.
Die vrystelling van neutrone vanaf gasselteikens is ook bestudeer.Vir die voorgenoemde LICORNE-gasteikens toon GEANT436-simulasies dat hoogs georiënteerde neutrone binne die keël gegenereer word, soos getoon in Figuur 1 in [37].Verwysing 35 toon die energiereeks van 0.7 tot 3.0 MeV met 'n maksimum kegelopening van 19.5° relatief tot die voortplantingsrigting van die hoofbalk.Hoogs georiënteerde neutrone kan die hoeveelheid afskermmateriaal by die meeste hoeke aansienlik verminder, die gewig van die struktuur verminder en groter buigsaamheid bied in die installering van meettoerusting.Uit die oogpunt van stralingsbeskerming, bykomend tot neutrone, straal hierdie gasvormige teiken 478 keV gammastrale isotropies uit in die sentroïedkoördinaatstelsel38.Hierdie γ-strale word geproduseer as gevolg van 7Be-verval en 7Li-ontspanning, wat plaasvind wanneer die primêre Li-straal die insetvenster Ta tref.Deur egter 'n dik 35 Pb/Cu silindriese kollimator by te voeg, kan die agtergrond aansienlik verminder word.
As 'n alternatiewe teiken kan 'n mens 'n plasmavenster gebruik [39, 40], wat dit moontlik maak om 'n relatief hoë waterstofdruk en 'n klein ruimtelike area van neutrongenerering te bereik, alhoewel dit minderwaardig is as vaste teikens.
Ons ondersoek neutronomsetting-teikenopsies vir die verwagte energieverspreiding en straalgrootte van 'n litiumioonstraal met GEANT4.Ons simulasies toon 'n konsekwente verspreiding van neutronenergie en hoekverdelings vir waterstofteikens in bogenoemde literatuur.In enige teikenstelsel kan hoogs georiënteerde neutrone geproduseer word deur 'n omgekeerde kinematiese reaksie aangedryf deur 'n sterk 7Li3+ bundel op 'n waterstofryke teiken.Daarom kan nuwe neutronbronne geïmplementeer word deur reeds bestaande tegnologieë te kombineer.
Die laserbestralingstoestande het ioonstraalgenereringseksperimente voor die versnelde demonstrasie weergegee.Die laser is 'n lessenaar nanosekonde Nd:YAG-stelsel met 'n laserkragdigtheid van 1012 W/cm2, 'n fundamentele golflengte van 1064 nm, 'n kolenergie van 800 mJ en 'n pulsduur van 6 ns.Die koldeursnee op die teiken word op 100 µm geskat.Omdat litiummetaal (Alfa Aesar, 99,9% suiwer) redelik sag is, word die presies gesnyde materiaal in die vorm gedruk.Foelieafmetings 25 mm × 25 mm, dikte 0,6 mm.Krateragtige skade vind op die oppervlak van die teiken plaas wanneer 'n laser dit tref, dus word die teiken deur 'n gemotoriseerde platform beweeg om 'n vars gedeelte van die teiken se oppervlak met elke laserskoot te voorsien.Om rekombinasie as gevolg van oorblywende gas te vermy, is die druk in die kamer onder die reeks van 10-4 Pa gehou.
Die aanvanklike volume van die laserplasma is klein, aangesien die grootte van die laservlek 100 μm is en binne 6 ns na die generering daarvan.Die volume kan as 'n presiese punt geneem en uitgebrei word.As die detektor op 'n afstand xm van die teikenoppervlak geplaas word, gehoorsaam die ontvangde sein die verwantskap: ioonstroom I, ioonaankomstyd t en polswydte τ.
Die gegenereerde plasma is bestudeer deur die TOF-metode met FC en 'n energie-ioonanaliseerder (EIA) wat op 'n afstand van 2,4 m en 3,85 m van die laserteiken geleë is.Die FC het 'n onderdrukkerrooster wat met -5 kV voorgespan is om elektrone te voorkom.Die OIE het 'n 90 grade elektrostatiese deflektor wat bestaan ​​uit twee koaksiale metaal silindriese elektrodes met dieselfde spanning maar teenoorgestelde polariteit, positief aan die buitekant en negatief aan die binnekant.Die uitdyende plasma word in die deflektor agter die gleuf gerig en afgebuig deur die elektriese veld wat deur die silinder gaan.Ione wat aan die verwantskap E/z = eKU voldoen, word opgespoor deur gebruik te maak van 'n Sekondêre Elektronvermenigvuldiger (SEM) (Hamamatsu R2362), waar E, z, e, K en U die ioonenergie, ladingstoestand en lading OIA meetkundige faktore is .elektrone, onderskeidelik, en die potensiaalverskil tussen die elektrodes.Deur die spanning oor die deflektor te verander, kan 'n mens die energie- en ladingverspreiding van ione in die plasma verkry.Die sweepspanning U/2 EIA is in die reeks van 0,2 V tot 800 V, wat ooreenstem met 'n ioon-energie in die reeks van 4 eV tot 16 keV per ladingtoestand.
Die verdelings van die ladingtoestand van die ione wat ontleed is onder die toestande van laserbestraling wat in die afdeling "Opwekking van volledig gestroopte litiumstrale" beskryf word, word in Fig.8.
Ontleding van die verspreiding van die ladingstoestand van ione.Hier is die ioonstroomdigtheid tydprofiel ontleed met OIE en geskaal op 1 m vanaf die litiumfoelie deur die vergelyking te gebruik.(1) en (2).Gebruik die laserbestralingstoestande wat beskryf word in die afdeling "Generasie van 'n volledig afgeskilferde litiumstraal".Deur elke stroomdigtheid te integreer, is die proporsie ione in die plasma bereken, getoon in Figuur 3.
Laserioonbronne kan 'n intense multi-mA ioonstraal met 'n hoë lading lewer.Straallewering is egter baie moeilik as gevolg van spasieladingafstoting, so dit is nie wyd gebruik nie.In die tradisionele skema word ioonstrale uit die plasma onttrek en na die primêre versneller vervoer langs 'n straallyn met verskeie fokusmagnete om die ioonstraal te vorm volgens die optelvermoë van die versneller.In ruimteladingskragbalke divergeer die balke nie-lineêr, en ernstige bundelverliese word waargeneem, veral in die gebied van lae snelhede.Om hierdie probleem in die ontwikkeling van mediese koolstofversnellers te oorkom, word 'n nuwe DPIS41-straalafleweringskema voorgestel.Ons het hierdie tegniek toegepas om 'n kragtige litium-ioonstraal van 'n nuwe neutronbron te versnel.
Soos in fig.4, word die ruimte waarin die plasma gegenereer en uitgebrei word omring deur 'n metaalhouer.Die ingeslote spasie strek tot by die ingang na die RFQ-resonator, insluitend die volume binne die solenoïde-spoel.'n Spanning van 52 kV is op die houer aangelê.In die RFQ-resonator word ione deur potensiaal deur 'n gat van 6 mm deursnee getrek deur die RFQ te aard.Die nie-lineêre afstootkragte op die bundellyn word uitgeskakel soos die ione in die plasmatoestand vervoer word.Daarbenewens, soos hierbo genoem, het ons 'n solenoïedveld in kombinasie met DPIS toegepas om die digtheid van ione in die ekstraksie-opening te beheer en te verhoog.
Die RFQ-versneller bestaan ​​uit 'n silindriese vakuumkamer soos in fig.9a.Daarbinne is vier stawe suurstofvrye koper vierpool-simmetries om die balk-as geplaas (Fig. 9b).4 stawe en kamers vorm 'n resonante RF-stroombaan.Die geïnduseerde RF-veld skep 'n tyd-varierende spanning oor die staaf.Ione wat longitudinaal om die as ingeplant is, word lateraal deur die vierpoolveld vasgehou.Terselfdertyd word die punt van die staaf gemoduleer om 'n aksiale elektriese veld te skep.Die aksiale veld verdeel die ingespuite aaneenlopende bundel in 'n reeks bundelpulse wat 'n bundel genoem word.Elke straal word binne 'n sekere RF-siklustyd (10 ns) bevat.Aangrensende strale is gespasieer volgens die radiofrekwensieperiode.In die RFQ-linac word 'n 2 µs-straal van 'n laserioonbron omgeskakel in 'n reeks van 200 strale.Die straal word dan versnel tot die berekende energie.
Lineêre versneller RFQ.(a) (links) Eksterne aansig van die RFQ linac-kamer.(b) (regs) Vierstaaf-elektrode in die kamer.
Die hoofontwerpparameters van die RFQ-linac is die staafspanning, resonansiefrekwensie, straalgatradius en elektrodemodulasie.Kies die spanning op die staaf ± 29 kV sodat sy elektriese veld onder die elektriese afbreekdrempel is.Hoe laer die resonansiefrekwensie, hoe groter is die laterale fokuseringskrag en hoe kleiner is die gemiddelde versnellingsveld.Groot apertuurradiusse maak dit moontlik om die straalgrootte te vergroot en gevolglik die straalstroom te verhoog as gevolg van die kleiner spasieladingafstoting.Aan die ander kant vereis groter diafragma-radiusse meer RF-krag om die RFQ-linac aan te dryf.Daarbenewens word dit beperk deur die kwaliteitvereistes van die webwerf.Gebaseer op hierdie balanse, is die resonansiefrekwensie (100 MHz) en apertuurradius (4,5 mm) gekies vir hoëstroomstraalversnelling.Die modulasie word gekies om straalverlies te minimaliseer en die versnellingsdoeltreffendheid te maksimeer.Die ontwerp is baie keer geoptimaliseer om 'n RFQ linac-ontwerp te produseer wat 7Li3+-ione teen 40 mA van 22 keV/n tot 204 keV/n binne 2 m kan versnel.Die RF-krag wat tydens die eksperiment gemeet is, was 77 kW.
RFQ-linacs kan ione met 'n spesifieke V/A-reeks versnel.Daarom, wanneer 'n balk wat aan die einde van 'n lineêre versneller gevoer word, ontleed word, is dit nodig om isotope en ander stowwe in ag te neem.Boonop kan die verlangde ione, gedeeltelik versnel, maar onder versnellingstoestande in die middel van die versneller afsak, ​​steeds laterale inperking ontmoet en kan na die einde vervoer word.Ander ongewenste strale as gemanipuleerde 7Li3+-deeltjies word onsuiwerhede genoem.In ons eksperimente was 14N6+ en 16O7+ onsuiwerhede van die grootste kommer, aangesien die litiummetaalfoelie met suurstof en stikstof in die lug reageer.Hierdie ione het 'n Q/A-verhouding wat met 7Li3+ versnel kan word.Ons gebruik dipoolmagnete om balke van verskillende kwaliteit en kwaliteit te skei vir bundelanalise na die RFQ-linac.
Die bundellyn na die RFQ-linac is ontwerp om die ten volle versnelde 7Li3+-bundel na die dipoolmagneet aan die FC te lewer.-400 V voorspanningselektrodes word gebruik om sekondêre elektrone in die beker te onderdruk om die ioonstraalstroom akkuraat te meet.Met hierdie optika word die ioonbane in dipole geskei en op verskillende plekke gefokus afhangende van die V/A.As gevolg van verskeie faktore soos momentumdiffusie en ruimteladingafstoting, het die straal by die fokus 'n sekere breedte.Die spesie kan slegs geskei word as die afstand tussen die fokusposisies van die twee ioonspesies groter is as die balkwydte.Om die hoogste moontlike resolusie te verkry, word 'n horisontale spleet naby die balkmiddel geïnstalleer, waar die balk feitlik gekonsentreer is.'n Skintillasieskerm (CsI(Tl) van Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) is tussen die spleet en die rekenaar geïnstalleer.Die scintillator is gebruik om die kleinste spleet te bepaal waardeur die ontwerpte deeltjies moes gaan vir optimale resolusie en om aanvaarbare bundelgroottes vir hoëstroom swaar-ioonstrale te demonstreer.Die straalbeeld op die scintillator word deur 'n CCD-kamera deur 'n vakuumvenster opgeneem.Pas die blootstellingstydvenster aan om die hele straalpulswydte te dek.
Datastelle wat in die huidige studie gebruik of ontleed is, is op redelike versoek by die onderskeie outeurs beskikbaar.
Manke, I. et al.Driedimensionele beelding van magnetiese domeine.Nasionale gemeente.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Moontlikhede om kompakte neutronbronne by versnellers te bestudeer.fisika.Rep 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neutron-gebaseerde rekenaarmikrotomografie: Pliobates cataloniae en Barberapithecus huerzeleri as toetsgevalle.Ja.J. Fisika.antropologie.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).