304L 6,35*1mm Rustfritt stål kveilrørleverandører, demonstrasjon av en intens litiumstråle for generering av pulserte direkte nøytroner

Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Skyveknapper som viser tre artikler per lysbilde.Bruk tilbake- og neste-knappene for å gå gjennom lysbildene, eller lysbildekontrollknappene på slutten for å gå gjennom hvert lysbilde.

Som et alternativ til studiet av atomreaktorer kan en kompakt akseleratordrevet nøytrongenerator som bruker en litiumionstråledriver være en lovende kandidat fordi den produserer lite uønsket stråling.Imidlertid var det vanskelig å levere en intens stråle av litiumioner, og praktisk anvendelse av slike enheter ble ansett som umulig.Det mest akutte problemet med utilstrekkelig ionestrøm ble løst ved å bruke et direkte plasmaimplantasjonsskjema.I dette opplegget blir et pulsert plasma med høy tetthet generert ved laserablasjon av en litiummetallfolie effektivt injisert og akselerert av en høyfrekvent kvadrupolakselerator (RFQ-akselerator).Vi har oppnådd en toppstrålestrøm på 35 mA akselerert til 1,43 MeV, som er to størrelsesordener høyere enn konvensjonelle injektor- og akseleratorsystemer kan gi.
I motsetning til røntgenstråler eller ladede partikler har nøytroner en stor penetrasjonsdybde og unik interaksjon med kondensert materiale, noe som gjør dem ekstremt allsidige sonder for å studere egenskapene til materialer1,2,3,4,5,6,7.Spesielt er nøytronspredningsteknikker ofte brukt for å studere sammensetningen, strukturen og indre spenninger i kondensert materiale og kan gi detaljert informasjon om sporforbindelser i metallegeringer som er vanskelige å oppdage ved bruk av røntgenspektroskopi8.Denne metoden regnes som et kraftig verktøy i grunnleggende vitenskap og brukes av produsenter av metaller og andre materialer.Nylig har nøytrondiffraksjon blitt brukt for å oppdage restspenninger i mekaniske komponenter som jernbane- og flydeler9,10,11,12.Nøytroner brukes også i olje- og gassbrønner fordi de lett fanges opp av protonrike materialer13.Lignende metoder brukes også innen anleggsteknikk.Ikke-destruktiv nøytrontesting er et effektivt verktøy for å oppdage skjulte feil i bygninger, tunneler og broer.Bruken av nøytronstråler brukes aktivt i vitenskapelig forskning og industri, hvorav mange historisk har blitt utviklet ved bruk av atomreaktorer.
Men med den globale konsensus om ikke-spredning av atomvåpen, blir det stadig vanskeligere å bygge små reaktorer for forskningsformål.Dessuten har den nylige Fukushima-ulykken gjort det nesten sosialt akseptabelt å bygge atomreaktorer.I forbindelse med denne trenden øker etterspørselen etter nøytronkilder ved akseleratorer2.Som et alternativ til atomreaktorer er flere store akselerator-splittende nøytronkilder allerede i drift14,15.For en mer effektiv bruk av egenskapene til nøytronstråler er det imidlertid nødvendig å utvide bruken av kompakte kilder ved akseleratorer, 16 som kan tilhøre industri- og universitetsforskningsinstitusjoner.Akseleratornøytronkilder har lagt til nye muligheter og funksjoner i tillegg til å tjene som erstatning for atomreaktorer14.For eksempel kan en linac-drevet generator enkelt lage en strøm av nøytroner ved å manipulere drivstrålen.Når de først er sendt ut, er nøytroner vanskelig å kontrollere og strålingsmålinger er vanskelige å analysere på grunn av støyen som skapes av bakgrunnsnøytroner.Pulserende nøytroner kontrollert av en akselerator unngår dette problemet.Flere prosjekter basert på protonakseleratorteknologi har blitt foreslått rundt om i verden17,18,19.Reaksjonene 7Li(p, n)7Be og 9Be(p, n)9B brukes oftest i protondrevne kompakte nøytrongeneratorer fordi de er endoterme reaksjoner20.Overflødig stråling og radioaktivt avfall kan minimeres dersom energien som er valgt for å eksitere protonstrålen er litt over terskelverdien.Imidlertid er massen til målkjernen mye større enn protoner, og de resulterende nøytronene spres i alle retninger.Så nær isotropisk emisjon av en nøytronfluks forhindrer effektiv transport av nøytroner til studieobjektet.I tillegg, for å oppnå den nødvendige dosen av nøytroner på stedet for objektet, er det nødvendig å øke både antallet bevegelige protoner og deres energi betydelig.Som et resultat vil store doser gammastråler og nøytroner forplante seg gjennom store vinkler, og ødelegge fordelen med endoterme reaksjoner.En typisk akseleratordrevet kompakt protonbasert nøytrongenerator har sterk strålingsskjerming og er den mest omfangsrike delen av systemet.Behovet for å øke energien til å drive protoner krever vanligvis en ekstra økning i størrelsen på akseleratoranlegget.
For å overvinne de generelle manglene ved konvensjonelle kompakte nøytronkilder ved akseleratorer, ble et inversjonskinematisk reaksjonsskjema foreslått21.I dette opplegget brukes en tyngre litiumionstråle som en ledestråle i stedet for en protonstråle, rettet mot hydrogenrike materialer som hydrokarbonplast, hydrider, hydrogengass eller hydrogenplasma.Alternativer har blitt vurdert, for eksempel berylliumiondrevne bjelker, men beryllium er et giftig stoff som krever spesiell forsiktighet ved håndtering.Derfor er en litiumstråle den mest egnede for inversjonskinematiske reaksjonsskjemaer.Siden bevegelsesmengden til litiumkjerner er større enn for protoner, beveger massesenteret for atomkollisjoner seg stadig fremover, og nøytroner sendes også ut fremover.Denne funksjonen eliminerer i stor grad uønskede gammastråler og høyvinklede nøytronutslipp22.En sammenligning av det vanlige tilfellet med en protonmotor og det omvendte kinematikkscenariet er vist i figur 1.
Illustrasjon av nøytronproduksjonsvinkler for proton- og litiumstråler (tegnet med Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Nøytroner kan kastes ut i alle retninger som et resultat av reaksjonen på grunn av det faktum at bevegelige protoner treffer de mye tyngre atomene i litiummålet.(b) Omvendt, hvis en litiumion-driver bombarderer et hydrogenrikt mål, genereres nøytroner i en smal kjegle i foroverretningen på grunn av den høye hastigheten til systemets massesenter.
Imidlertid eksisterer bare noen få inverse kinematiske nøytrongeneratorer på grunn av vanskeligheten med å generere den nødvendige fluksen av tunge ioner med høy ladning sammenlignet med protoner.Alle disse anleggene bruker negative sputterionkilder i kombinasjon med elektrostatiske tandemakseleratorer.Andre typer ionekilder er foreslått for å øke effektiviteten til stråleakselerasjon26.I alle fall er den tilgjengelige litiumionstrålestrømmen begrenset til 100 µA.Det er foreslått å bruke 1 mA Li3+27, men denne ionestrålestrømmen er ikke bekreftet med denne metoden.Når det gjelder intensitet, kan ikke litiumstråleakseleratorer konkurrere med protonstråleakseleratorer hvis maksimale protonstrøm overstiger 10 mA28.
For å implementere en praktisk kompakt nøytrongenerator basert på en litiumionstråle, er det fordelaktig å generere høy intensitet helt uten ioner.Ionene akselereres og styres av elektromagnetiske krefter, og et høyere ladningsnivå gir mer effektiv akselerasjon.Li-ion stråledrivere krever Li3+ toppstrømmer på over 10 mA.
I dette arbeidet demonstrerer vi akselerasjonen til Li3+-stråler med toppstrømmer opp til 35 mA, som kan sammenlignes med avanserte protonakseleratorer.Den originale litiumionestrålen ble laget ved hjelp av laserablasjon og et Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) som opprinnelig ble utviklet for å akselerere C6+.En spesialdesignet radiofrekvens quadrupole linac (RFQ linac) ble produsert ved bruk av en fire-stavs resonansstruktur.Vi har verifisert at den akselererende strålen har den beregnede stråleenergien med høy renhet.Når Li3+-strålen er effektivt fanget og akselerert av radiofrekvensakseleratoren (RF), brukes den påfølgende linac-seksjonen (akseleratoren) for å gi energien som trengs for å generere en sterk nøytronfluks fra målet.
Akselerasjonen av høyytelsesioner er en veletablert teknologi.Den gjenværende oppgaven med å realisere en ny svært effektiv kompakt nøytrongenerator er å generere et stort antall fullstendig strippede litiumioner og danne en klyngestruktur bestående av en serie ionepulser synkronisert med RF-syklusen i akseleratoren.Resultatene av eksperimenter designet for å oppnå dette målet er beskrevet i følgende tre underavsnitt: (1) generering av en fullstendig fri for litiumionstråle, (2) stråleakselerasjon ved bruk av en spesialdesignet RFQ-linac, og (3) akselerasjon av analyse av strålen for å sjekke innholdet.Ved Brookhaven National Laboratory (BNL) bygde vi det eksperimentelle oppsettet vist i figur 2.
Oversikt over det eksperimentelle oppsettet for akselerert analyse av litiumstråler (illustrert av Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Fra høyre til venstre genereres laser-ablativ plasma i laser-mål-interaksjonskammeret og leveres til RFQ-linac.Når de kommer inn i RFQ-akseleratoren, separeres ionene fra plasmaet og injiseres i RFQ-akseleratoren gjennom et plutselig elektrisk felt skapt av en 52 kV spenningsforskjell mellom ekstraksjonselektroden og RFQ-elektroden i driftområdet.De ekstraherte ionene akselereres fra 22 keV/n til 204 keV/n ved bruk av 2 meter lange RFQ-elektroder.En strømtransformator (CT) installert ved utgangen av RFQ linac gir ikke-destruktiv måling av ionestrålestrømmen.Strålen er fokusert av tre firepolmagneter og rettet mot en dipolmagnet, som skiller og leder Li3+-strålen inn i detektoren.Bak spalten brukes en uttrekkbar plastscintillator og en Faraday-kopp (FC) med en forspenning på opptil -400 V for å oppdage den akselererende strålen.
For å generere fullt ioniserte litiumioner (Li3+), er det nødvendig å lage et plasma med en temperatur over dens tredje ioniseringsenergi (122,4 eV).Vi prøvde å bruke laserablasjon for å produsere høytemperaturplasma.Denne typen laserionekilde brukes ikke ofte til å generere litiumionestråler fordi litiummetall er reaktivt og krever spesiell håndtering.Vi har utviklet et målbelastningssystem for å minimere fuktighet og luftforurensning ved installasjon av litiumfolie i vakuumlaser-interaksjonskammeret.Alle forberedelser av materialer ble utført i et kontrollert miljø av tørr argon.Etter at litiumfolien var installert i lasermålkammeret, ble folien bestrålt med pulset Nd:YAG laserstråling med en energi på 800 mJ per puls.Ved fokus på målet er lasereffekttettheten estimert til å være omtrent 1012 W/cm2.Plasma dannes når en pulserende laser ødelegger et mål i et vakuum.Under hele 6 ns laserpulsen fortsetter plasmaet å varmes opp, hovedsakelig på grunn av den omvendte bremsstrahlung-prosessen.Siden det ikke påføres noe begrensende ytre felt under oppvarmingsfasen, begynner plasmaet å ekspandere i tre dimensjoner.Når plasmaet begynner å utvide seg over måloverflaten, får plasmaets massesenter en hastighet vinkelrett på måloverflaten med en energi på 600 eV/n.Etter oppvarming fortsetter plasmaet å bevege seg i aksial retning fra målet, og ekspanderer isotropisk.
Som vist i figur 2 ekspanderer ablasjonsplasmaet til et vakuumvolum omgitt av en metallbeholder med samme potensial som målet.Dermed driver plasmaet gjennom det feltfrie området mot RFQ-akseleratoren.Et aksialt magnetfelt påføres mellom laserbestrålingskammeret og RFQ-linac ved hjelp av en solenoidspole viklet rundt vakuumkammeret.Magnetfeltet til solenoiden undertrykker den radielle ekspansjonen av det drivende plasmaet for å opprettholde en høy plasmatetthet under levering til RFQ-åpningen.På den annen side fortsetter plasmaet å ekspandere i aksial retning under driften, og danner et langstrakt plasma.En høyspenningsforspenning påføres metallbeholderen som inneholder plasmaet foran utgangsporten ved RFQ-inntaket.Forspenningen ble valgt for å gi den nødvendige 7Li3+ injeksjonshastigheten for riktig akselerasjon av RFQ-linac.
Det resulterende ablasjonsplasmaet inneholder ikke bare 7Li3+, men også litium i andre ladningstilstander og forurensende elementer, som samtidig transporteres til RFQ lineærakseleratoren.Før akselererte eksperimenter ved bruk av RFQ linac, ble en offline time-of-flight (TOF) analyse utført for å studere sammensetningen og energifordelingen av ioner i plasmaet.Det detaljerte analytiske oppsettet og observerte ladningstilstandsfordelinger er forklart i metodedelen.Analysen viste at 7Li3+ ioner var hovedpartiklene, og utgjorde ca. 54 % av alle partikler, som vist i fig. 3. I følge analysen er 7Li3+ ionestrømmen ved ionestrålens utgangspunkt estimert til 1,87 mA.Under akselererte tester påføres et 79 mT solenoidfelt på det ekspanderende plasmaet.Som et resultat økte 7Li3+-strømmen som ble ekstrahert fra plasmaet og observert på detektoren med en faktor på 30.
Fraksjoner av ioner i lasergenerert plasma oppnådd ved flytidsanalyse.7Li1+ og 7Li2+ ionene utgjør henholdsvis 5 % og 25 % av ionestrålen.Den påviste fraksjon av 6Li-partikler stemmer overens med det naturlige innholdet av 6Li (7,6%) i litiumfoliemålet innenfor den eksperimentelle feilen.Det ble observert en liten oksygenforurensning (6,2%), hovedsakelig O1+ (2,1%) og O2+ (1,5%), som kan skyldes oksidasjon av overflaten til litiumfoliemålet.
Som tidligere nevnt driver litiumplasmaet i et feltløst område før det kommer inn i RFQ-linac.Inngangen til RFQ linac har et 6 mm diameter hull i en metallbeholder, og forspenningen er 52 kV.Selv om RFQ-elektrodespenningen endres raskt ±29 kV ved 100 MHz, forårsaker spenningen aksial akselerasjon fordi RFQ-akseleratorelektrodene har et gjennomsnittlig potensial på null.På grunn av det sterke elektriske feltet som genereres i 10 mm gapet mellom aperturen og kanten av RFQ-elektroden, blir bare positive plasmaioner ekstrahert fra plasmaet ved aperturen.I tradisjonelle ioneleveringssystemer separeres ioner fra plasmaet av et elektrisk felt i en betydelig avstand foran RFQ-akseleratoren og deretter fokusert inn i RFQ-åpningen av et strålefokuseringselement.For de intense tunge ionestrålene som kreves for en intens nøytronkilde, kan imidlertid ikke-lineære frastøtende krefter på grunn av romladningseffekter føre til betydelige strålestrømtap i ionetransportsystemet, og begrense toppstrømmen som kan akselereres.I vår DPIS blir ioner med høy intensitet transportert som et drivende plasma direkte til utgangspunktet for RFQ-åpningen, så det er ingen tap av ionestrålen på grunn av romladning.Under denne demonstrasjonen ble DPIS påført en litiumionstråle for første gang.
RFQ-strukturen ble utviklet for å fokusere og akselerere lavenergi høystrøm-ionestråler og har blitt standarden for førsteordens akselerasjon.Vi brukte RFQ for å akselerere 7Li3+ ioner fra en implantatenergi på 22 keV/n til 204 keV/n.Selv om litium og andre partikler med lavere ladning i plasmaet også ekstraheres fra plasmaet og injiseres i RFQ-åpningen, akselererer RFQ-linac bare ioner med et ladning-til-masseforhold (Q/A) nær 7Li3+.
På fig.Figur 4 viser bølgeformene detektert av strømtransformatoren (CT) ved utgangen av RFQ-linacen og Faraday-koppen (FC) etter å ha analysert magneten, som vist i fig.2. Tidsforskyvningen mellom signalene kan tolkes som forskjellen i flytiden ved detektorens plassering.Topp ionestrømmen målt ved CT var 43 mA.I RT-posisjonen kan den registrerte strålen inneholde ikke bare ioner akselerert til den beregnede energien, men også andre ioner enn 7Li3+, som ikke er tilstrekkelig akselerert.Likheten mellom ionestrømformene funnet ved hjelp av QD og PC indikerer imidlertid at ionestrømmen hovedsakelig består av akselerert 7Li3+, og reduksjonen i toppverdien av strømmen på PC er forårsaket av stråletap under ioneoverføring mellom QD og PC.Tap Dette bekreftes også av konvoluttsimuleringen.For nøyaktig å måle 7Li3+-strålestrømmen, analyseres strålen med en dipolmagnet som beskrevet i neste avsnitt.
Oscillogrammer av den akselererte strålen registrert i detektorposisjonene CT (svart kurve) og FC (rød kurve).Disse målingene utløses av deteksjon av laserstråling av en fotodetektor under generering av laserplasma.Den svarte kurven viser bølgeformen målt på en CT koblet til RFQ-linac-utgangen.På grunn av sin nærhet til RFQ-linacen, fanger detektoren opp 100 MHz RF-støy, så et 98 MHz lavpass FFT-filter ble brukt for å fjerne 100 MHz-resonans-RF-signalet som er lagt på deteksjonssignalet.Den røde kurven viser bølgeformen ved FC etter at den analytiske magneten retter 7Li3+ ionestrålen.I dette magnetfeltet, bortsett fra 7Li3+, kan N6+ ​​og O7+ transporteres.
Ionestrålen etter RFQ-linac fokuseres av en serie på tre firepolsfokuserende magneter og analyseres deretter av dipolmagneter for å isolere urenheter i ionestrålen.Et magnetfelt på 0,268 T leder 7Li3+-strålene inn i FC-en.Deteksjonsbølgeformen til dette magnetfeltet er vist som den røde kurven i figur 4. Toppstrålestrømmen når 35 mA, som er mer enn 100 ganger høyere enn en typisk Li3+-stråle produsert i eksisterende konvensjonelle elektrostatiske akseleratorer.Strålepulsbredden er 2,0 µs ved full bredde ved halv maksimum.Deteksjonen av en 7Li3+ stråle med et dipolmagnetisk felt indikerer vellykket samling og stråleakselerasjon.Ionestrålestrømmen detektert av FC ved skanning av magnetfeltet til dipolen er vist i fig. 5. En ren enkelt topp ble observert, godt atskilt fra andre topper.Siden alle ioner akselerert til designenergien av RFQ-linac har samme hastighet, er ionestråler med samme Q/A vanskelige å skille med dipolmagnetiske felt.Derfor kan vi ikke skille 7Li3+ fra N6+ eller O7+.Mengden av urenheter kan imidlertid estimeres fra naboladningsstater.For eksempel kan N7+ og N5+ enkelt skilles, mens N6+ kan være en del av urenheten og forventes å være tilstede i omtrent samme mengde som N7+ og N5+.Det beregnede forurensningsnivået er ca. 2 %.
Strålekomponentspektra oppnådd ved å skanne et dipolmagnetisk felt.Toppen ved 0,268 T tilsvarer 7Li3+ og N6+.Toppbredden avhenger av størrelsen på bjelken på spalten.Til tross for brede topper, skiller 7Li3+ godt fra 6Li3+, O6+ og N5+, men dårlig fra O7+ og N6+.
På stedet for FC ble stråleprofilen bekreftet med en plug-in scintillator og tatt opp med et raskt digitalkamera som vist i figur 6. Den pulsede 7Li3+ strålen med en strøm på 35 mA er vist å bli akselerert til en beregnet RFQ energi på 204 keV/n, som tilsvarer 1,4 MeV , og sendes til FC-detektoren.
Stråleprofil observert på en pre-FC scintillatorskjerm (farget av Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Magnetfeltet til den analytiske dipolmagneten ble innstilt for å rette akselerasjonen til Li3+ ionestrålen til designenergien RFQ.De blå prikkene i det grønne området er forårsaket av defekt scintillatormateriale.
Vi oppnådde generering av 7Li3+ ioner ved laserablasjon av overflaten til en solid litiumfolie, og en høystrøms ionestråle ble fanget opp og akselerert med en spesialdesignet RFQ linac ved bruk av DPIS.Ved en stråleenergi på 1,4 MeV var toppstrømmen på 7Li3+ nådd på FC etter analyse av magneten 35 mA.Dette bekrefter at den viktigste delen av implementeringen av en nøytronkilde med invers kinematikk har blitt implementert eksperimentelt.I denne delen av artikkelen vil hele utformingen av en kompakt nøytronkilde bli diskutert, inkludert høyenergiakseleratorer og nøytronmålstasjoner.Designet er basert på resultater oppnådd med eksisterende systemer i vårt laboratorium.Det skal bemerkes at toppstrømmen til ionestrålen kan økes ytterligere ved å forkorte avstanden mellom litiumfolien og RFQ-linacen.Ris.7 illustrerer hele konseptet med den foreslåtte kompakte nøytronkilden ved akseleratoren.
Konseptuell design av den foreslåtte kompakte nøytronkilden ved akseleratoren (tegnet av Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Fra høyre til venstre: laserionekilde, solenoidmagnet, RFQ linac, medium energy beam transfer (MEBT), IH linac og interaksjonskammer for nøytrongenerering.Strålebeskyttelse gis primært i foroverretningen på grunn av den snevert rettede naturen til de produserte nøytronstrålene.
Etter RFQ-linac er ytterligere akselerasjon av Inter-digital H-struktur (IH linac)30 linac planlagt.IH linacs bruker en π-modus driftrørstruktur for å gi høye elektriske feltgradienter over et visst hastighetsområde.Den konseptuelle studien ble utført basert på 1D longitudinell dynamikksimulering og 3D skallsimulering.Beregninger viser at en 100 MHz IH linac med en rimelig driftrørspenning (mindre enn 450 kV) og en sterk fokuseringsmagnet kan akselerere en 40 mA stråle fra 1,4 til 14 MeV i en avstand på 1,8 m.Energifordelingen på slutten av akseleratorkjeden er estimert til ± 0,4 MeV, noe som ikke påvirker energispekteret til nøytroner som produseres av nøytronkonverteringsmålet nevneverdig.I tillegg er stråleemissiviteten lav nok til å fokusere strålen til et mindre strålepunkt enn det som normalt ville vært nødvendig for en middels styrke og størrelse firpolet magnet.Ved overføring av middels energistråle (MEBT) mellom RFQ-linac og IH-linac, brukes den stråleformende resonatoren for å opprettholde den stråledannende strukturen.Tre quadrupole magneter brukes til å kontrollere størrelsen på sidebjelken.Denne designstrategien har blitt brukt i mange akseleratorer31,32,33.Den totale lengden på hele systemet fra ionekilden til målkammeret er beregnet til å være mindre enn 8 m, noe som kan passe i en standard semitrailer.
Nøytronkonverteringsmålet vil bli installert rett etter lineærakseleratoren.Vi diskuterer målstasjonsdesign basert på tidligere studier ved bruk av inverse kinematiske scenarier23.Rapporterte konverteringsmål inkluderer faste materialer (polypropylen (C3H6) og titanhydrid (TiH2)) og gassformige målsystemer.Hvert mål har fordeler og ulemper.Solide mål gir nøyaktig tykkelseskontroll.Jo tynnere målet er, desto mer nøyaktig er det romlige arrangementet av nøytronproduksjon.Imidlertid kan slike mål fortsatt ha en viss grad av uønskede kjernefysiske reaksjoner og stråling.På den annen side kan et hydrogenmål gi et renere miljø ved å eliminere produksjonen av 7Be, hovedproduktet av kjernereaksjonen.Hydrogen har imidlertid en svak barriereevne og krever stor fysisk avstand for tilstrekkelig energifrigjøring.Dette er litt ufordelaktig for TOF-målinger.I tillegg, hvis en tynn film brukes til å forsegle et hydrogenmål, er det nødvendig å ta hensyn til energitapet til gammastråler generert av den tynne filmen og den innfallende litiumstrålen.
LICORNE bruker polypropylenmål og målsystemet er oppgradert til hydrogenceller forseglet med tantalfolie.Forutsatt en strålestrøm på 100 nA for 7Li34, kan begge målsystemene produsere opptil 107 n/s/sr.Hvis vi bruker denne påståtte nøytronutbyttekonverteringen til vår foreslåtte nøytronkilde, kan en litiumdrevet stråle på 7 × 10–8 C oppnås for hver laserpuls.Dette betyr at avfyring av laseren bare to ganger per sekund produserer 40 % flere nøytroner enn LICORNE kan produsere på ett sekund med en kontinuerlig stråle.Den totale fluksen kan enkelt økes ved å øke eksitasjonsfrekvensen til laseren.Hvis vi antar at det er et 1 kHz lasersystem på markedet, kan den gjennomsnittlige nøytronfluksen lett skaleres opp til ca. 7 × 109 n/s/sr.
Når vi bruker systemer med høy repetisjonshastighet med plastmål, er det nødvendig å kontrollere varmeutviklingen på målene fordi for eksempel polypropylen har et lavt smeltepunkt på 145–175 °C og en lav varmeledningsevne på 0,1–0,22 W/ m/K.For en 14 MeV litiumionstråle er et 7 µm tykt polypropylenmål tilstrekkelig til å redusere stråleenergien til reaksjonsterskelen (13.098 MeV).Tatt i betraktning den totale effekten av ioner generert av ett laserskudd på målet, er energifrigjøringen av litiumioner gjennom polypropylen estimert til 64 mJ/puls.Forutsatt at all energien overføres i en sirkel med en diameter på 10 mm, tilsvarer hver puls en temperaturstigning på omtrent 18 K/puls.Energifrigjøring på polypropylenmål er basert på den enkle antakelsen at alle energitap lagres som varme, uten stråling eller andre varmetap.Siden økning av antall pulser per sekund krever eliminering av varmeoppbygging, kan vi bruke stripemål for å unngå energifrigjøring på samme punkt23.Forutsatt en 10 mm stråleflekk på et mål med en laserrepetisjonshastighet på 100 Hz, vil skanningshastigheten til polypropylentapen være 1 m/s.Høyere repetisjonsfrekvenser er mulig hvis strålepunktoverlapping er tillatt.
Vi undersøkte også mål med hydrogenbatterier, fordi sterkere drivstråler kunne brukes uten å skade målet.Nøytronstrålen kan enkelt stilles inn ved å endre lengden på gasskammeret og hydrogentrykket inne.Tynne metallfolier brukes ofte i akseleratorer for å skille den gassformede delen av målet fra vakuum.Derfor er det nødvendig å øke energien til den innfallende litiumionstrålen for å kompensere for energitapene på folien.Målsammenstillingen beskrevet i rapport 35 besto av en aluminiumsbeholder 3,5 cm lang med et H2-gasstrykk på 1,5 atm.16,75 MeV litiumionstrålen kommer inn i batteriet gjennom den luftkjølte 2,7 µm Ta-folien, og energien til litiumionstrålen på enden av batteriet bremses ned til reaksjonsterskelen.For å øke stråleenergien til litium-ion-batterier fra 14,0 MeV til 16,75 MeV, måtte IH-linacen forlenges med ca. 30 cm.
Utslippet av nøytroner fra gasscellemål ble også studert.For de nevnte LICORNE-gassmålene viser GEANT436-simuleringer at høyt orienterte nøytroner genereres inne i kjeglen, som vist i figur 1 i [37].Referanse 35 viser energiområdet fra 0,7 til 3,0 MeV med en maksimal kjegleåpning på 19,5° i forhold til hovedstrålens forplantningsretning.Svært orienterte nøytroner kan redusere mengden av skjermingsmateriale betydelig i de fleste vinkler, redusere vekten av strukturen og gi større fleksibilitet ved installasjon av måleutstyr.Fra et strålevernssynspunkt sender dette gassmålet i tillegg til nøytroner ut 478 keV gammastråler isotropisk i tyngdepunktskoordinatsystemet38.Disse γ-strålene produseres som et resultat av 7Be-forfall og 7Li-deeksitasjon, som oppstår når den primære Li-strålen treffer inngangsvinduet Ta.Men ved å legge til en tykk 35 Pb/Cu sylindrisk kollimator, kan bakgrunnen reduseres betydelig.
Som et alternativt mål kan man bruke et plasmavindu [39, 40], som gjør det mulig å oppnå et relativt høyt hydrogentrykk og et lite romlig område med nøytrongenerering, selv om det er dårligere enn faste mål.
Vi undersøker alternativer for målretting av nøytronkonvertering for forventet energifordeling og strålestørrelse for en litiumionstråle ved bruk av GEANT4.Våre simuleringer viser en konsistent fordeling av nøytronenergi og vinkelfordelinger for hydrogenmål i litteraturen ovenfor.I ethvert målsystem kan høyt orienterte nøytroner produseres ved en invers kinematisk reaksjon drevet av en sterk 7Li3+ stråle på et hydrogenrikt mål.Derfor kan nye nøytronkilder implementeres ved å kombinere allerede eksisterende teknologier.
Laserbestrålingsforholdene reproduserte ionestrålegenereringseksperimenter før den akselererte demonstrasjonen.Laseren er et stasjonært nanosekund Nd:YAG-system med en lasereffekttetthet på 1012 W/cm2, en fundamental bølgelengde på 1064 nm, en punktenergi på 800 mJ og en pulsvarighet på 6 ns.Flekkdiameteren på målet er estimert til 100 µm.Fordi litiummetall (Alfa Aesar, 99,9 % ren) er ganske mykt, presses det nøyaktig kuttede materialet inn i formen.Foliemål 25 mm × 25 mm, tykkelse 0,6 mm.Kraterlignende skade oppstår på overflaten av målet når en laser treffer det, så målet flyttes av en motorisert plattform for å gi en frisk del av målets overflate med hvert laserskudd.For å unngå rekombinasjon på grunn av restgass ble trykket i kammeret holdt under området 10-4 Pa.
Startvolumet til laserplasmaet er lite, siden størrelsen på laserflekken er 100 μm og innen 6 ns etter generering.Volumet kan tas som et eksakt punkt og utvides.Hvis detektoren er plassert i en avstand xm fra måloverflaten, følger det mottatte signalet forholdet: ionestrøm I, ioneankomsttid t og pulsbredde τ.
Det genererte plasmaet ble studert med TOF-metoden med FC og en energiionanalysator (EIA) plassert i en avstand på 2,4 m og 3,85 m fra lasermålet.FC har et undertrykkergitter forspent med -5 kV for å forhindre elektroner.EIA har en 90 graders elektrostatisk deflektor som består av to koaksiale sylindriske metallelektroder med samme spenning, men motsatt polaritet, positiv på utsiden og negativ på innsiden.Det ekspanderende plasmaet ledes inn i deflektoren bak sporet og avbøyes av det elektriske feltet som går gjennom sylinderen.Ioner som tilfredsstiller forholdet E/z = eKU blir oppdaget ved hjelp av en sekundær elektronmultiplikator (SEM) (Hamamatsu R2362), der E, z, e, K og U er ioneenergien, ladningstilstanden og ladningen er EIA geometriske faktorer .henholdsvis elektroner og potensialforskjellen mellom elektrodene.Ved å endre spenningen over deflektoren kan man få energi- og ladningsfordelingen til ioner i plasmaet.Sveipespenningen U/2 EIA ligger i området fra 0,2 V til 800 V, som tilsvarer en ioneenergi i området fra 4 eV til 16 keV per ladetilstand.
Fordelingene av ladningstilstanden til ionene som er analysert under forholdene med laserbestråling beskrevet i avsnittet "Generering av fullstendig strippede litiumstråler" er vist i fig.8.
Analyse av fordelingen av ladningstilstanden til ioner.Her er tidsprofilen for ionestrømtetthet analysert med EIA og skalert 1 m fra litiumfolien ved å bruke ligningen.(1) og (2).Bruk laserbestrålingsforholdene beskrevet i avsnittet "Generering av en fullstendig eksfoliert litiumstråle".Ved å integrere hver strømtetthet ble andelen ioner i plasmaet beregnet, vist i figur 3.
Laserionekilder kan levere en intens multi-mA ionestråle med høy ladning.Imidlertid er strålelevering veldig vanskelig på grunn av romladningsfrastøting, så den ble ikke mye brukt.I det tradisjonelle opplegget trekkes ionestråler ut fra plasmaet og transporteres til den primære akseleratoren langs en strålelinje med flere fokuseringsmagneter for å forme ionestrålen i henhold til akseleratorens oppfangingsevne.I romladningskraftstråler divergerer strålene ikke-lineært, og alvorlige stråletap observeres, spesielt i området med lave hastigheter.For å overvinne dette problemet i utviklingen av medisinske karbonakseleratorer, foreslås et nytt DPIS41-stråleleveringsskjema.Vi har brukt denne teknikken for å akselerere en kraftig litiumionstråle fra en ny nøytronkilde.
Som vist i fig.4 er rommet hvor plasmaet genereres og utvides, omgitt av en metallbeholder.Det lukkede rommet strekker seg til inngangen til RFQ-resonatoren, inkludert volumet inne i solenoidspolen.En spenning på 52 kV ble påført beholderen.I RFQ-resonatoren trekkes ioner av potensial gjennom et 6 mm diameter hull ved å jorde RFQ.De ikke-lineære frastøtende kreftene på strålelinjen elimineres når ionene transporteres i plasmatilstanden.I tillegg, som nevnt ovenfor, brukte vi et solenoidfelt i kombinasjon med DPIS for å kontrollere og øke tettheten av ioner i ekstraksjonsåpningen.
RFQ-akseleratoren består av et sylindrisk vakuumkammer som vist i fig.9a.Inne i den er fire staver av oksygenfritt kobber plassert kvadrupolsymmetrisk rundt stråleaksen (fig. 9b).4 stenger og kamre danner en resonans RF-krets.Det induserte RF-feltet skaper en tidsvarierende spenning over stangen.Ioner implantert i lengderetningen rundt aksen holdes sideveis av kvadrupolfeltet.Samtidig moduleres tuppen av stangen for å skape et aksialt elektrisk felt.Det aksiale feltet deler den injiserte kontinuerlige strålen i en serie med strålepulser kalt en stråle.Hver stråle er inneholdt innenfor en viss RF-syklustid (10 ns).Tilstøtende stråler er fordelt i henhold til radiofrekvensperioden.I RFQ linac blir en 2 µs stråle fra en laserionekilde konvertert til en sekvens på 200 stråler.Strålen akselereres deretter til den beregnede energien.
Lineær akselerator RFQ.(a) (venstre) Utvendig visning av RFQ linac-kammeret.(b) (høyre) Firestavselektrode i kammeret.
De viktigste designparametrene til RFQ-linac er stangspenningen, resonansfrekvensen, strålehullsradius og elektrodemodulasjon.Velg spenningen på stangen ± 29 kV slik at dens elektriske felt er under terskelen for elektrisk sammenbrudd.Jo lavere resonansfrekvens, desto større sidefokuseringskraft og jo mindre er gjennomsnittlig akselerasjonsfelt.Store blenderradier gjør det mulig å øke strålestørrelsen og følgelig øke strålestrømmen på grunn av den mindre romladningsfrastøtningen.På den annen side krever større blenderradier mer RF-effekt for å drive RFQ-linac.I tillegg er det begrenset av kvalitetskravene til nettstedet.Basert på disse balansene ble resonansfrekvensen (100 MHz) og blenderradiusen (4,5 mm) valgt for høystrømsstråleakselerasjon.Moduleringen er valgt for å minimere stråletap og maksimere akselerasjonseffektiviteten.Designet har blitt optimert mange ganger for å produsere en RFQ-linac-design som kan akselerere 7Li3+-ioner ved 40 mA fra 22 keV/n til 204 keV/n innen 2 m.RF-effekten målt under forsøket var 77 kW.
RFQ-linacs kan akselerere ioner med et spesifikt Q/A-område.Derfor, når du analyserer en stråle matet til enden av en lineær akselerator, er det nødvendig å ta hensyn til isotoper og andre stoffer.I tillegg kan de ønskede ionene, delvis akselerert, men senket under akselerasjonsforhold i midten av akseleratoren, fortsatt møte sideveis innesperring og kan transporteres til enden.Andre uønskede stråler enn konstruerte 7Li3+-partikler kalles urenheter.I våre eksperimenter var 14N6+ og 16O7+ urenheter av største bekymring, siden litiummetallfolien reagerer med oksygen og nitrogen i luften.Disse ionene har et Q/A-forhold som kan akselereres med 7Li3+.Vi bruker dipolmagneter for å skille stråler av ulik kvalitet og kvalitet for stråleanalyse etter RFQ-linac.
Strålelinjen etter RFQ-linac er designet for å levere den fullt akselererte 7Li3+-strålen til FC etter dipolmagneten.-400 V forspenningselektroder brukes til å undertrykke sekundære elektroner i koppen for nøyaktig å måle ionestrålestrømmen.Med denne optikken blir ionebanene separert i dipoler og fokusert på forskjellige steder avhengig av Q/A.På grunn av ulike faktorer som momentdiffusjon og romladningsfrastøting, har strålen ved fokus en viss bredde.Arten kan bare separeres dersom avstanden mellom fokalposisjonene til de to ioneartene er større enn strålebredden.For å oppnå høyest mulig oppløsning er det installert en horisontal spalte nær bjelkens midje, hvor strålen er praktisk talt konsentrert.En scintillasjonsskjerm (CsI(Tl) fra Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) ble installert mellom spalten og PC-en.Scintillatoren ble brukt til å bestemme den minste spalten som de konstruerte partiklene måtte passere gjennom for optimal oppløsning og for å demonstrere akseptable strålestørrelser for høystrøms tunge ionestråler.Strålebildet på scintillatoren tas opp av et CCD-kamera gjennom et vakuumvindu.Juster eksponeringstidsvinduet for å dekke hele strålepulsbredden.
Datasett brukt eller analysert i den nåværende studien er tilgjengelig fra de respektive forfatterne på rimelig forespørsel.
Manke, I. et al.Tredimensjonal avbildning av magnetiske domener.Nasjonal kommune.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Muligheter for å studere kompakte nøytronkilder ved akseleratorer.fysikk.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Nøytronbasert datamikrotomografi: Pliobates cataloniae og Barberapithecus huerzeleri som testtilfeller.Ja.J. Fysikk.antropologi.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).