304L 6.35 * 1mm Pembekal pipah coiled stainless steel, Demonstrasi sinar litium anu kuat pikeun ngahasilkeun neutron langsung pulsed

Hatur nuhun pikeun ngadatangan Nature.com.Anjeun nganggo versi browser kalayan dukungan CSS kawates.Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun yén anjeun nganggo browser anu diropéa (atanapi nganonaktipkeun Mode Kasaluyuan dina Internet Explorer).Sajaba ti éta, pikeun mastikeun rojongan lumangsung, urang némbongkeun situs tanpa gaya na JavaScript.
Sliders némbongkeun tilu artikel per slide.Paké tombol pungkur jeung hareup pikeun mindahkeun ngaliwatan slides, atawa tombol controller slide dina tungtung pikeun mindahkeun ngaliwatan unggal slide.

Minangka alternatip pikeun ulikan réaktor nuklir, generator neutron anu digerakkeun ku akselerator kompak nganggo supir sinar litium-ion tiasa janten calon anu ngajangjikeun sabab ngahasilkeun radiasi anu teu dihoyongkeun sakedik.Sanajan kitu, éta hésé nganteurkeun hiji beam sengit ion litium, sarta aplikasi praktis alat sapertos ieu dianggap teu mungkin.Masalah anu paling akut tina aliran ion anu teu cekap direngsekeun ku cara nerapkeun skéma implantasi plasma langsung.Dina skéma ieu, plasma pulsa dénsitas luhur anu dihasilkeun ku ablasi laser tina foil logam litium sacara éfisién disuntik sareng digancangan ku akselerator quadrupole frekuensi tinggi (RFQ akselerator).Kami geus kahontal arus beam puncak 35 mA gancangan ka 1,43 MeV, nu dua ordo gedena leuwih luhur ti injector konvensional sarta sistem akselerator bisa nyadiakeun.
Teu kawas sinar-X atawa partikel muatan, neutron boga jero penetrasi badag sarta interaksi unik jeung zat condensed, sahingga usik pisan serbaguna pikeun nalungtik sipat material1,2,3,4,5,6,7.Khususna, téknik paburencay neutron ilaharna dipaké pikeun ngulik komposisi, struktur, jeung tegangan internal dina matéri kentel sarta bisa méré inpo wincik ngeunaan sanyawa renik dina alloy logam anu hese dideteksi maké spéktroskopi sinar-X8.Metoda ieu dianggap alat anu kuat dina élmu dasar sareng dianggo ku produsén logam sareng bahan sanés.Nu leuwih anyar, difraksi neutron geus dipaké pikeun ngadeteksi stresses sésa dina komponén mékanis kayaning rail jeung bagian pesawat9,10,11,12.Neutron ogé dipaké dina sumur minyak jeung gas sabab gampang direbut ku bahan anu beunghar proton13.Métode anu sami ogé dianggo dina rékayasa sipil.Uji neutron non-destructive mangrupikeun alat anu mujarab pikeun ngadeteksi kasalahan anu disumputkeun dina gedong, torowongan sareng sasak.Pamakéan balok neutron aktip dipaké dina panalungtikan ilmiah jeung industri, loba nu sajarahna geus dimekarkeun maké réaktor nuklir.
Nanging, kalayan konsensus global ngeunaan non-proliferasi nuklir, ngawangun réaktor leutik pikeun tujuan panalungtikan janten langkung sesah.Leuwih ti éta, kacilakaan Fukushima panganyarna geus nyieun wangunan réaktor nuklir ampir ditarima socially.Patali sareng tren ieu, paménta sumber neutron dina akselerator ningkat2.Salaku alternatip pikeun réaktor nuklir, sababaraha sumber neutron pamisah-akselerator ageung parantos beroperasi14,15.Tapi, pikeun pamakéan leuwih efisien tina sipat balok neutron, perlu dilegakeun pamakéan sumber kompak dina akselerator, 16 nu bisa jadi milik lembaga panalungtikan industri jeung universitas.Sumber neutron akselerator parantos nambihan kamampuan sareng pungsi énggal salian pikeun ngagentos réaktor nuklir14.Contona, generator linac-disetir bisa kalayan gampang nyieun aliran neutron ku manipulasi drive beam.Sakali dipancarkeun, neutron hese dikontrol jeung ukuran radiasi hese dianalisis alatan noise dijieun ku neutron tukang.Neutron pulsa anu dikawasa ku akselerator ngahindarkeun masalah ieu.Sababaraha proyék dumasar kana téknologi akselerator proton parantos diajukeun di sakumna dunya17,18,19.Réaksi 7Li(p, n)7Be jeung 9Be(p,n)9B paling sering dipaké dina generator neutron kompak anu digerakkeun proton sabab réaksi éndotermik20.Radiasi kaleuwihan sareng runtah radioaktif tiasa diminimalkeun upami énérgi anu dipilih pikeun ngagumbirakeun sinar proton rada luhur tina nilai ambang.Sanajan kitu, massa inti target jauh leuwih badag batan proton, sarta neutron anu dihasilkeun sumebar ka sagala arah.Sapertos émisi isotropik tina fluks neutron nyegah transportasi éfisién neutron ka objék kajian.Sajaba ti éta, pikeun ménta dosis diperlukeun neutron di lokasi obyék, perlu nyata ngaronjatkeun duanana jumlah proton gerak jeung énergi maranéhanana.Hasilna, dosis badag sinar gamma jeung neutron bakal propagate ngaliwatan sudut badag, ngaruksak kauntungan tina réaksi endothermic.Generator neutron basis proton kompak anu didorong ku akselerator gaduh pelindung radiasi anu kuat sareng mangrupikeun bagian anu paling ageung tina sistem.Kabutuhan pikeun ningkatkeun énergi nyetir proton biasana merlukeun paningkatan tambahan dina ukuran fasilitas akselerator.
Pikeun ngatasi kakurangan umum sumber neutron kompak konvensional dina akselerator, skéma réaksi inversi-kinematik diusulkeun21.Dina skéma ieu, balok litium-ion anu leuwih beurat dipaké minangka balok pituduh tinimbang balok proton, nargétkeun bahan anu beunghar hidrogén saperti plastik hidrokarbon, hidrida, gas hidrogén, atawa plasma hidrogén.Alternatif geus dianggap, kayaning beryllium ion-driven balok, kumaha oge, beryllium mangrupakeun zat toksik merlukeun perawatan husus dina penanganan.Ku alatan éta, sinar litium paling cocog pikeun skéma réaksi inversion-kinematic.Kusabab moméntum inti litium langkung ageung tibatan proton, pusat massa tabrakan nuklir terus maju, sareng neutron ogé dipancarkeun ka hareup.Fitur ieu ngaleungitkeun sinar gamma anu teu dihoyongkeun sareng émisi neutron sudut luhur22.Babandingan kasus biasa tina mesin proton sareng skenario kinematika tibalik dipidangkeun dina Gambar 1.
Ilustrasi sudut produksi neutron pikeun proton sareng balok litium (digambar nganggo Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutron bisa diusir ka sagala arah salaku hasil tina réaksi alatan kanyataan yén proton pindah pencét atom leuwih beurat tina target litium.(b) Sabalikna, lamun supir litium-ion ngabombardir udagan anu beunghar hidrogén, neutron dihasilkeun dina congcot sempit dina arah maju alatan laju luhur puseur massa sistem.
Sanajan kitu, ngan sababaraha generator neutron kinematik tibalik aya alatan kasusah ngahasilkeun fluks diperlukeun ion beurat kalawan muatan luhur dibandingkeun proton.Sadaya pepelakan ieu ngagunakeun sumber ion sputter négatip dina kombinasi sareng akselerator éléktrostatik tandem.Jenis sumber ion lianna geus diusulkeun pikeun ngaronjatkeun efisiensi akselerasi beam26.Dina naon waé, arus sinar litium-ion anu sayogi dugi ka 100 µA.Eta geus diusulkeun ngagunakeun 1 mA of Li3 + 27, tapi ion beam ayeuna ieu teu acan dikonfirmasi ku metoda ieu.Dina hal inténsitas, akselerator sinar litium teu tiasa bersaing sareng akselerator sinar proton anu puncak arus protonna ngaleuwihan 10 mA28.
Pikeun nerapkeun generator neutron kompak praktis dumasar kana sinar litium-ion, éta nguntungkeun pikeun ngahasilkeun-inténsitas tinggi lengkep tanpa ion.Ion-ion digancangan sareng dipandu ku gaya éléktromagnétik, sareng tingkat muatan anu langkung luhur nyababkeun akselerasi anu langkung éfisién.Supir sinar Li-ion merlukeun arus puncak Li3+ leuwih ti 10 mA.
Dina karya ieu, kami nunjukkeun akselerasi balok Li3+ kalayan arus puncak dugi ka 35 mA, anu tiasa dibandingkeun sareng akselerator proton maju.Sinar ion litium asli diciptakeun nganggo ablasi laser sareng Skéma Implantasi Plasma Langsung (DPIS) mimitina dikembangkeun pikeun ngagancangkeun C6 +.A quadrupole linac frekuensi radio custom-dirancang (RFQ linac) dijieun maké struktur résonansi opat-rod.Kami geus diverifikasi yén accelerating beam boga énergi beam purity tinggi diitung.Sakali sinar Li3 + sacara efektif direbut sareng digancangan ku akselerator frekuensi radio (RF), bagian linac (akselerator) anu salajengna dianggo pikeun nyayogikeun énergi anu diperyogikeun pikeun ngahasilkeun fluks neutron anu kuat tina udagan.
Akselerasi ion kinerja luhur nyaéta téknologi anu mapan.Tugas sésana pikeun ngawujudkeun generator neutron kompak anu éfisiénna énggal nyaéta ngahasilkeun sajumlah ageung ion litium anu lengkep dilucuti sareng ngabentuk struktur klaster anu diwangun ku séri pulsa ion anu disingkronkeun sareng siklus RF dina akselerator.Hasil percobaan anu dirarancang pikeun ngahontal tujuan ieu dijelaskeun dina tilu subseksi ieu: (1) ngahasilkeun sinar litium-ion lengkep, (2) akselerasi sinar ngagunakeun RFQ linac anu dirarancang khusus, sareng (3) akselerasi analisis. tina balok pikeun mariksa eusina.Di Brookhaven National Laboratory (BNL), urang ngawangun setelan ékspérimén anu dipidangkeun dina Gambar 2.
Tinjauan setelan eksperimen pikeun analisis gancangan balok litium (ilustrasi ku Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Ti katuhu ka kenca, plasma laser-ablative dihasilkeun dina chamber interaksi laser-target sarta dikirimkeun ka RFQ linac.Nalika asup kana akselerator RFQ, ion dipisahkeun tina plasma sareng disuntikkeun kana akselerator RFQ ngaliwatan médan listrik ngadadak anu diciptakeun ku bédana tegangan 52 kV antara éléktroda ékstraksi sareng éléktroda RFQ di daérah drift.Ion anu diekstrak digancangan tina 22 keV/n ka 204 keV/n nganggo éléktroda RFQ panjang 2 méter.Trafo ayeuna (CT) dipasang dina kaluaran RFQ linac nyadiakeun pangukuran non-destructive tina arus beam ion.Beam fokus ku tilu magnet quadrupole sarta diarahkeun ka magnet dipole, nu misahkeun jeung ngarahkeun sinar Li3 + kana detektor.Di tukangeun celah, scintillator plastik anu tiasa ditarik sareng cangkir Faraday (FC) kalayan bias dugi ka -400 V dianggo pikeun ngadeteksi sinar anu ngagancangkeun.
Pikeun ngahasilkeun ion litium terionisasi sapinuhna (Li3+), perlu nyieun plasma kalayan suhu di luhur énergi ionisasi katilu na (122,4 eV).Kami nyobian nganggo ablasi laser pikeun ngahasilkeun plasma suhu luhur.Jenis sumber ion laser ieu henteu biasa dianggo pikeun ngahasilkeun balok ion litium sabab logam litium réaktif sareng peryogi penanganan khusus.Kami parantos ngembangkeun sistem beban target pikeun ngaminimalkeun kontaminasi Uap sareng hawa nalika masang foil litium dina ruang interaksi laser vakum.Sadaya persiapan bahan dilaksanakeun dina lingkungan anu dikontrol tina argon garing.Saatos litium foil ieu dipasang dina chamber target laser, foil ieu irradiated kalawan pulsed Nd: YAG radiasi laser dina énergi 800 mJ per pulsa.Dina fokus kana udagan, dénsitas kakuatan laser diperkirakeun kira 1012 W / cm2.Plasma dijieun nalika laser pulsed ngancurkeun udagan dina vakum.Salila sakabéh 6 ns laser pulsa, plasma terus panas nepi, utamana alatan prosés bremsstrahlung sabalikna.Kusabab henteu aya médan éksternal anu dikurung salami fase pemanasan, plasma mimiti ngalegaan dina tilu diménsi.Nalika plasma mimiti ngalegaan kana permukaan target, pusat massa plasma ngagaduhan laju anu jejeg kana permukaan target kalayan énergi 600 eV / n.Saatos pemanasan, plasma terus gerak dina arah axial ti udagan, ngembangna isotropically.
Ditémbongkeun saperti dina Gambar 2, plasma ablation expands kana volume vakum dikurilingan ku wadah logam jeung poténsi sarua jeung udagan.Ku kituna, plasma drifts ngaliwatan wewengkon bébas widang nuju akselerator RFQ.Médan magnét axial dilarapkeun antara chamber irradiation laser jeung RFQ linac ku cara maké hiji coil solenoid tatu sabudeureun chamber vakum.Médan magnét tina solenoid suppresses ékspansi radial plasma drifting guna ngajaga kapadetan plasma tinggi salila pangiriman ka aperture RFQ.Di sisi séjén, plasma terus dilegakeun dina arah axial salila drift, ngabentuk plasma elongated.Bias tegangan tinggi diterapkeun kana wadah logam anu ngandung plasma di payuneun palabuhan kaluar di inlet RFQ.Tegangan bias dipilih pikeun nyadiakeun laju suntik 7Li3+ anu diperyogikeun pikeun akselerasi anu pas ku RFQ linac.
Plasma ablasi anu dihasilkeun ngandung henteu ngan ukur 7Li3+, tapi ogé litium dina kaayaan muatan anu sanés sareng unsur polutan, anu sakaligus diangkut ka akselerator linier RFQ.Saméméh ékspérimén gancangan maké RFQ linac, analisis waktu-of-flight offline (TOF) dipigawé pikeun nalungtik komposisi jeung distribusi énergi ion dina plasma.Setup analitis lengkep sareng sebaran state-of-charge anu dititénan dipedar dina bagian Métode.Analisis némbongkeun yén 7Li3+ ion éta partikel utama, akuntansi pikeun ngeunaan 54% tina sakabeh partikel, sakumaha ditémbongkeun dina Gbr. 3. Numutkeun analisis, arus ion 7Li3+ dina titik kaluaran beam ion diperkirakeun dina 1,87 mA.Salila tés gancangan, médan solenoid 79 mT diterapkeun kana plasma ngembang.Hasilna, arus 7Li3+ sasari tina plasma jeung observasi dina detektor ngaronjat ku faktor 30.
Fraksi ion dina plasma dihasilkeun laser diala ku analisis time-of-hiber.Ion 7Li1+ jeung 7Li2+ masing-masing diwangun ku 5% jeung 25% tina sinar ion.Fraksi partikel 6Li anu dideteksi satuju sareng eusi alami 6Li (7,6%) dina target foil litium dina kasalahan ékspérimén.A kontaminasi oksigén slight (6.2%) ieu observasi, utamana O1 + (2.1%) jeung O2 + (1.5%), nu bisa jadi alatan oksidasi beungeut target litium foil.
Sakumaha didadarkeun di saméméhna, plasma litium drifts di wewengkon fieldless saméméh asup kana RFQ linac.Input tina RFQ linac boga liang diaméterna 6 mm dina wadah logam, sarta tegangan bias 52 kV.Sanajan tegangan éléktroda RFQ robah gancang ± 29 kV dina 100 MHz, tegangan ngabalukarkeun akselerasi axial sabab éléktroda akselerator RFQ boga poténsi rata-rata nol.Alatan médan listrik kuat dihasilkeun dina celah 10 mm antara aperture jeung ujung éléktroda RFQ, ngan ion plasma positif anu sasari tina plasma dina aperture nu.Dina sistem pangiriman ion tradisional, ion dipisahkeun tina plasma ku médan listrik dina jarak anu lumayan di payuneun akselerator RFQ teras difokuskeun kana aperture RFQ ku unsur fokus sinar.Sanajan kitu, pikeun balok ion beurat sengit diperlukeun pikeun sumber neutron sengit, gaya repulsive non-linier alatan éfék muatan spasi bisa ngakibatkeun leungitna arus balok signifikan dina sistem transpor ion, ngawatesan arus puncak nu bisa gancangan.Dina DPIS urang, ion-inténsitas tinggi diangkut salaku plasma drifting langsung ka titik kaluar tina aperture RFQ, jadi euweuh leungitna beam ion alatan muatan spasi.Salila demonstrasi ieu, DPIS diterapkeun kana sinar litium-ion pikeun kahiji kalina.
Struktur RFQ dikembangkeun pikeun fokus jeung accelerating low énergi low arus ion balok sarta geus jadi standar pikeun akselerasi urutan kahiji.Kami nganggo RFQ pikeun ngagancangkeun ion 7Li3+ tina énergi implant 22 keV/n ka 204 keV/n.Sanajan litium jeung partikel séjén kalawan muatan handap dina plasma ogé sasari tina plasma sarta nyuntik kana aperture RFQ, RFQ linac ngan accelerates ion kalawan ratio muatan-to-massa (Q/A) deukeut 7Li3+.
Dina Gbr.angka 4 nembongkeun bentuk gelombang dideteksi ku trafo ayeuna (CT) dina kaluaran RFQ linac jeung Faraday cup (FC) sanggeus analisa magnet, ditémbongkeun saperti dina Gbr.2. Waktu shift antara sinyal bisa diinterpretasi salaku bédana dina waktu hiber di lokasi detektor.Puncak arus ion diukur dina CT éta 43 mA.Dina posisi RT, beam didaptarkeun bisa ngandung teu ukur ion gancangan kana énergi diitung, tapi ogé ion lian ti 7Li3+, nu teu cukup gancangan.Tapi, kasaruaan bentuk ayeuna ion kapanggih ku cara QD jeung PC nunjukkeun yén ayeuna ion utamana diwangun ku gancangan 7Li3+, sarta panurunan dina nilai puncak arus dina PC disababkeun ku leungitna beam salila mindahkeun ion antara QD jeung PC.Karugian Ieu ogé dikonfirmasi ku simulasi amplop.Pikeun akurat ngukur 7Li3+ beam ayeuna, beam dianalisis ku magnet dipole sakumaha dijelaskeun dina bagian salajengna.
Oscillograms tina sinar gancangan kacatet dina posisi detektor CT (kurva hideung) jeung FC (kurva beureum).Pangukuran ieu dipicu ku deteksi radiasi laser ku photodetector salami generasi plasma laser.Kurva hideung nembongkeun bentuk gelombang diukur dina CT disambungkeun kana kaluaran RFQ linac.Alatan jarakna ka RFQ linac, detektor nyokot 100 MHz RF noise, jadi 98 MHz low pass FFT filter ieu dilarapkeun pikeun miceun 100 MHz resonant RF sinyal superimposed dina sinyal deteksi.Kurva beureum nembongkeun bentuk gelombang di FC sanggeus magnet analitik ngarahkeun sinar ion 7Li3+.Dina médan magnét ieu, sajaba ti 7Li3+, N6+ jeung O7+ bisa diangkut.
Beam ion sanggeus RFQ linac difokuskeun ku runtuyan tilu quadrupole fokus magnet lajeng dianalisis ku magnet dipole pikeun ngasingkeun pangotor dina beam ion.Médan magnét 0,268 T ngarahkeun sinar 7Li3+ kana FC.Bentuk gelombang deteksi médan magnét ieu ditémbongkeun salaku kurva beureum dina Gambar 4. Puncak beam ayeuna ngahontal 35 mA, nu leuwih ti 100 kali leuwih luhur ti Li3 + beam has dihasilkeun dina akselerators éléktrostatik konvensional aya.Lebar pulsa sinar nyaéta 2,0 µs dina lebar pinuh dina satengah maksimum.Deteksi sinar 7Li3+ sareng médan magnét dipole nunjukkeun bunching sareng akselerasi sinar anu suksés.Arus sinar ion dideteksi ku FC nalika nyeken médan magnét dipole ditémbongkeun dina Gbr. 5. Puncak tunggal bersih ieu observasi, ogé dipisahkeun ti puncak séjén.Kusabab sadaya ion anu gancangan kana énergi desain ku RFQ linac gaduh laju anu sami, sinar ion kalayan Q / A anu sami hese dipisahkeun ku médan magnét dipole.Ku kituna, urang teu bisa ngabedakeun 7Li3+ ti N6+ atawa O7+.Sanajan kitu, jumlah najis bisa diperkirakeun ti nagara muatan tatangga.Contona, N7 + jeung N5 + bisa gampang dipisahkeun, bari N6 + bisa jadi bagian tina najis jeung diperkirakeun hadir dina ngeunaan jumlah sarua sakumaha N7 + jeung N5 +.Tingkat polusi diperkirakeun sakitar 2%.
spéktra komponén beam diala ku scanning médan magnét dipole.Puncak dina 0,268 T pakait jeung 7Li3+ jeung N6+.Lebar puncak gumantung kana ukuran balok dina celah.Sanajan puncak lega, 7Li3+ misahkeun ogé ti 6Li3+, O6+, jeung N5+, tapi kirang misahkeun ti O7+ jeung N6+.
Di lokasi FC, profil beam dikonfirmasi ku scintillator plug-in sareng dirékam nganggo kaméra digital gancang sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 6. Beam pulsed 7Li3 + kalayan arus 35 mA ditampilkeun gancangan kana RFQ diitung. énergi 204 keV / n, nu pakait jeung 1,4 MeV, sarta dikirimkeun ka detektor FC.
Profil Beam dititénan dina layar scintillator pre-FC (diwarnaan ku Fiji, 2.3.0, HTTPS://imagej.net/software/fiji/).Médan magnét tina magnet dipole analitik ieu katala pikeun ngarahkeun akselerasi sinar ion Li3 + kana énergi desain RFQ.Titik-titik biru di wewengkon héjo disababkeun ku bahan scintillator cacad.
Kami ngahontal generasi ion 7Li3+ ku ablasi laser permukaan litium foil padet, sareng sinar ion arus anu luhur direbut sareng digancangan ku RFQ linac anu dirarancang khusus nganggo DPIS.Dina énergi beam 1.4 MeV, arus puncak 7Li3+ ngahontal dina FC sanggeus analisis magnet éta 35 mA.Ieu negeskeun yén bagian anu paling penting tina palaksanaan sumber neutron kalayan kinematik terbalik parantos dilaksanakeun sacara ékspériméntal.Dina bagian ieu makalah, sakabéh desain sumber neutron kompak bakal dibahas, kaasup akselerator énergi tinggi jeung stasiun target neutron.Desain dumasar kana hasil anu dicandak ku sistem anu aya di laboratorium urang.Ieu kudu dicatet yén arus puncak tina beam ion bisa salajengna ngaronjat ku pondok jarak antara litium foil jeung RFQ linac.Sangu.7 ngagambarkeun sakabéh konsép sumber neutron kompak diusulkeun dina akselerator.
Desain konseptual sumber neutron kompak diusulkeun dina akselerator (digambar ku Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Ti katuhu ka kenca: sumber ion laser, magnet solenoid, RFQ linac, mindahkeun sinar énergi sedeng (MEBT), IH linac, sarta chamber interaksi pikeun generasi neutron.Perlindungan radiasi disadiakeun utamana dina arah maju alatan sipat heureut diarahkeun tina balok neutron dihasilkeun.
Saatos RFQ linac, akselerasi salajengna tina Inter-digital H-struktur (IH linac)30 linac rencanana.IH linacs ngagunakeun struktur tabung drift mode π pikeun nyadiakeun gradién médan listrik anu luhur dina rentang laju anu tangtu.Ulikan konseptual dilaksanakeun dumasar kana simulasi dinamika longitudinal 1D sareng simulasi cangkang 3D.Itungan nunjukeun yen linac 100 MHz IH kalawan tegangan tube drift lumrah (kirang ti 450 kV) jeung magnet fokus kuat bisa ngagancangkeun a 40 mA beam tina 1,4 nepi ka 14 MeV dina jarak 1,8 m.Distribusi énergi dina tungtung ranté akselerator diperkirakeun ± 0,4 MeV, anu henteu mangaruhan sacara signifikan spéktrum énergi neutron anu dihasilkeun ku target konversi neutron.Sajaba ti éta, émisivitas pancaran cukup handap pikeun museurkeun pancaran kana titik pancaran anu langkung alit tibatan anu biasana diperyogikeun pikeun kakuatan sedeng sareng magnet quadrupole ukuranana.Dina transmisi sinar énergi sedeng (MEBT) antara RFQ linac jeung IH linac, resonator beamforming dipaké pikeun ngajaga struktur beamforming.Tilu magnet quadrupole dipaké pikeun ngadalikeun ukuran beam samping.Strategi desain ieu parantos dianggo dina seueur akselerator31,32,33.Panjang total sakabéh sistem tina sumber ion ka chamber target diperkirakeun kirang ti 8 m, nu bisa pas dina treuk semi-trailer baku.
Target konversi neutron bakal dipasang langsung saatos akselerator linier.Urang ngabahas desain stasiun udagan dumasar kana studi saméméhna ngagunakeun skenario kinematik tibalik23.Target konversi dilaporkeun kaasup bahan padet (polipropilén (C3H6) jeung titanium hidrida (TiH2)) jeung sistem target gas.Unggal gol boga kaunggulan jeung kalemahan.Target padet ngamungkinkeun kontrol ketebalan tepat.The thinner target, beuki akurat susunan spasial produksi neutron.Tapi, udagan sapertos kitu masih tiasa gaduh sababaraha tingkat réaksi nuklir sareng radiasi anu teu dihoyongkeun.Di sisi anu sanés, udagan hidrogén tiasa nyayogikeun lingkungan anu langkung bersih ku ngaleungitkeun produksi 7Be, produk utama réaksi nuklir.Sanajan kitu, hidrogén miboga kamampuh panghalang lemah sarta merlukeun jarak fisik badag pikeun ngaleupaskeun énergi cukup.Ieu rada ngarugikeun pikeun pangukuran TOF.Sajaba ti éta, lamun film ipis dipaké pikeun ngégél target hidrogén, perlu tumut kana akun leungitna énergi sinar gamma dihasilkeun ku film ipis jeung litium beam kajadian.
LICORNE nganggo target polipropilén sareng sistem target parantos ditingkatkeun kana sél hidrogén anu disegel ku foil tantalum.Anggap arus beam 100 nA pikeun 7Li34, duanana sistem target bisa ngahasilkeun nepi ka 107 n / s / sr.Upami urang nerapkeun konvérsi ngahasilkeun neutron ieu kana sumber neutron anu diusulkeun, maka sinar anu didorong litium 7 × 10-8 C tiasa didapet pikeun unggal pulsa laser.Ieu ngandung harti yén némbak laser ngan dua kali per detik ngahasilkeun 40% leuwih neutron ti LICORNE bisa ngahasilkeun dina sadetik ku beam kontinyu.Total fluks bisa gampang ngaronjat ku ngaronjatna frékuénsi éksitasi laser nu.Lamun urang nganggap yén aya sistem laser 1 kHz dina pasaran, fluks neutron rata bisa kalayan gampang diskalakeun nepi ka ngeunaan 7 × 109 n / s / sr.
Nalika kami nganggo sistem laju pengulangan anu luhur sareng target plastik, perlu pikeun ngontrol generasi panas dina target sabab, contona, polipropilén ngagaduhan titik lebur rendah 145-175 °C sareng konduktivitas termal rendah 0,1-0,22 W / m/K.Pikeun pancaran litium-ion 14 MeV, udagan polipropilén kandel 7 µm cekap pikeun ngirangan énergi pancaran kana ambang réaksi (13.098 MeV).Nyandak kana akun pangaruh total ion dihasilkeun ku hiji laser shot on target, sékrési énergi ion litium ngaliwatan polipropilén diperkirakeun dina 64 mJ/pulsa.Anggap yén sakabéh énergi ditransferkeun dina bunderan kalayan diaméter 10 mm, unggal pulsa pakait jeung naékna hawa kira 18 K/pulsa.Pelepasan énérgi dina sasaran polipropilén didasarkeun kana anggapan saderhana yén sadaya karugian énérgi disimpen salaku panas, tanpa radiasi atanapi karugian panas sanés.Kusabab ngaronjatna jumlah pulsa per detik merlukeun éliminasi akumulasi panas, urang tiasa nganggo target strip pikeun nyingkahan pelepasan énérgi dina titik nu sarua23.Anggap titik balok 10 mm dina udagan kalayan laju pengulangan laser 100 Hz, laju scanning pita polipropilén bakal jadi 1 m/s.Laju pengulangan anu langkung luhur tiasa upami tumpang tindih titik sinar diidinan.
Urang ogé nalungtik targét nganggo batré hidrogén, sabab balok drive anu langkung kuat tiasa dianggo tanpa ngarusak udagan.Sinar neutron bisa gampang disetel ku cara ngarobah panjang chamber gas jeung tekanan hidrogén jero.Foil logam ipis sering dianggo dina akselerator pikeun misahkeun daérah gas tina udagan tina vakum.Ku alatan éta, perlu pikeun ngaronjatkeun énergi kajadian beam litium-ion pikeun ngimbangan leungitna énergi dina foil.Rakitan target anu dijelaskeun dina laporan 35 diwangun ku wadah aluminium 3,5 cm panjangna kalayan tekanan gas H2 1,5 atm.Sinar ion litium 16,75 MeV asup ka batré ngaliwatan foil Ta 2,7 µm anu tiis-hawa, sareng énergi sinar ion litium dina tungtung batréna diturunkeun kana ambang réaksi.Pikeun ningkatkeun énergi pancaran batré litium-ion tina 14,0 MeV ka 16,75 MeV, linac IH kedah dipanjangan sakitar 30 cm.
Émisi neutron tina target sél gas ogé ditalungtik.Pikeun target gas LICORNE anu kasebat, simulasi GEANT436 nunjukkeun yén neutron anu berorientasi pisan dibangkitkeun di jero congcot, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1 dina [37].Rujukan 35 nembongkeun rentang énergi ti 0,7 nepi ka 3,0 MeV kalawan bukaan congcot maksimum 19,5 ° relatif ka arah rambatan tina beam utama.Neutron anu berorientasi pisan tiasa sacara signifikan ngirangan jumlah bahan pelindung dina kalolobaan sudut, ngirangan beurat struktur sareng nyayogikeun kalenturan anu langkung ageung dina pamasangan alat ukur.Tina sudut pandang panyalindungan radiasi, salian neutron, target gas ieu ngaluarkeun sinar gamma 478 keV sacara isotropik dina sistem koordinat centroid38.Sinar-γ ieu dihasilkeun salaku hasil tina buruk 7Be sarta deexcitation 7Li, nu lumangsung nalika sinar Li primér pencét jandela input Ta.Sanajan kitu, ku nambahkeun hiji kandel 35 Pb / Cu cylindrical collimator, tukang bisa nyata ngurangan.
Salaku udagan alternatif, hiji bisa ngagunakeun jandela plasma [39, 40], nu ngamungkinkeun pikeun ngahontal tekanan hidrogén rélatif luhur sarta wewengkon spasial leutik generasi neutron, sanajan éta inferior mun target padet.
Kami nalungtik pilihan nargétkeun konversi neutron pikeun distribusi énergi anu dipiharep sareng ukuran balok tina sinar ion litium nganggo GEANT4.Simulasi kami nunjukkeun distribusi konsisten énergi neutron sareng distribusi sudut pikeun target hidrogén dina literatur di luhur.Dina sagala sistem udagan, neutron anu berorientasi pisan bisa dihasilkeun ku réaksi kinematik tibalik anu didorong ku sinar 7Li3+ anu kuat dina udagan anu beunghar hidrogén.Ku alatan éta, sumber neutron anyar bisa dilaksanakeun ku ngagabungkeun téknologi geus aya.
Kaayaan iradiasi laser ngahasilkeun ékspérimén generasi sinar ion sateuacan demonstrasi gancangan.Laser nyaéta sistem desktop nanosecond Nd:YAG kalayan kapadetan kakuatan laser 1012 W/cm2, panjang gelombang dasar 1064 nm, énergi titik 800 mJ, sareng durasi pulsa 6 ns.Diaméter titik dina udagan diperkirakeun 100 µm.Kusabab logam litium (Alfa Aesar, 99,9% murni) rada lemes, bahan anu pas dipotong dipencet kana kapang.Diménsi foil 25 mm × 25 mm, ketebalan 0,6 mm.Karusakan kawas kawah lumangsung dina beungeut udagan nalika laser pencét éta, jadi udagan ieu dipindahkeun ku platform motorized nyadiakeun bagian seger tina beungeut udagan kalawan unggal shot laser.Pikeun ngahindarkeun rekombinasi alatan gas sésa, tekanan dina chamber ieu diteundeun handap rentang 10-4 Pa.
Volume awal plasma laser leutik, sabab ukuran titik laser nyaéta 100 μm sarta dina 6 ns sanggeus generasi na.Volume bisa dicokot salaku titik pasti tur dimekarkeun.Lamun detektor ditempatkeun dina jarak xm ti beungeut target, mangka sinyal narima nurut hubungan: ion ayeuna I, ion waktu datangna t, jeung lebar pulsa τ.
Plasma anu dihasilkeun diulik ku metode TOF sareng FC sareng analisa ion énergi (EIA) anu aya dina jarak 2,4 m sareng 3,85 m ti target laser.FC ngabogaan grid suppressor bias ku -5 kV pikeun nyegah éléktron.EIA gaduh deflektor éléktrostatik 90 derajat anu diwangun ku dua éléktroda silinder logam coaxial kalayan tegangan anu sami tapi polaritasna sabalikna, positip di luar sareng négatip di jero.Plasma ngembangna diarahkeun kana deflektor tukangeun slot sareng dibelokkeun ku médan listrik anu ngalangkungan silinder.Ion anu nyugemakeun hubungan E/z = eKU dideteksi maké Secondary Electron Multiplier (SEM) (Hamamatsu R2362), dimana E, z, e, K, jeung U nyaéta énergi ion, kaayaan muatan, jeung muatan mangrupa faktor géométri EIA. .éléktron, masing-masing, jeung béda poténsial antara éléktroda.Ku cara ngarobah voltase peuntas deflector, hiji bisa meunangkeun énergi jeung distribusi muatan ion dina plasma.Tegangan sapuan U/2 EIA aya dina rentang ti 0,2 V nepi ka 800 V, nu pakait jeung énergi ion dina rentang ti 4 eV nepi ka 16 keV per kaayaan muatan.
Distribusi kaayaan muatan tina ion dianalisis dina kaayaan irradiation laser dijelaskeun dina bagian "Generasi balok litium pinuh dilucuti" ditémbongkeun dina Gbr.8.
Analisis sebaran kaayaan muatan ion.Ieu profil waktos dénsitas ion ayeuna dianalisis sareng EIA sareng diskalakeun dina 1 m ti litium foil nganggo persamaan.(1) jeung (2).Anggo kaayaan iradiasi laser anu dijelaskeun dina bagian "Generasi Litium Beam Lengkep Exfoliated".Ku ngahijikeun unggal dénsitas ayeuna, proporsi ion dina plasma diitung, ditémbongkeun dina Gambar 3.
Sumber ion laser tiasa nganteurkeun sinar ion multi-mA anu kuat kalayan muatan anu luhur.Sanajan kitu, pangiriman beam hésé pisan alatan repulsion muatan spasi, jadi teu loba dipaké.Dina skéma tradisional, balok ion diékstrak tina plasma sareng diangkut ka akselerator primér sapanjang garis balok kalayan sababaraha magnet fokus pikeun ngabentuk balok ion dumasar kana kamampuan akselerator.Dina balok gaya muatan rohangan, balokna diverge non-linier, sareng karugian balok anu serius dititénan, khususna di daérah anu berkecepatan rendah.Pikeun ngatasi masalah ieu dina pamekaran akselerator karbon médis, skéma pangiriman sinar DPIS41 énggal diusulkeun.Kami parantos nerapkeun téknik ieu pikeun ngagancangkeun sinar litium-ion anu kuat tina sumber neutron énggal.
Ditémbongkeun saperti dina Gbr.4, rohangan dimana plasma dihasilkeun sareng dilegaan dikurilingan ku wadah logam.Rohangan enclosed ngalegaan ka lawang ka resonator RFQ, kaasup volume jero coil solenoid.A tegangan 52 kV ieu dilarapkeun kana wadahna.Dina resonator RFQ, ion ditarik ku poténsial ngaliwatan liang diaméterna 6 mm ku grounding RFQ.Gaya repulsive non-linier dina garis beam dileungitkeun nalika ion diangkut dina kaayaan plasma.Salaku tambahan, sakumaha didadarkeun di luhur, kami nerapkeun médan solenoid dina kombinasi sareng DPIS pikeun ngontrol sareng ningkatkeun dénsitas ion dina aperture ékstraksi.
akselerator RFQ diwangun ku chamber vakum cylindrical ditémbongkeun saperti dina Gbr.9a.Di jerona, opat rod tambaga bébas oksigén disimpen quadrupole-simétris sabudeureun sumbu beam (Gbr. 9b).4 rod na chambers ngabentuk sirkuit RF resonant.Médan RF ngainduksi nyiptakeun tegangan waktos-variasi sakuliah rod.Ion implanted longitudinally sabudeureun sumbu ditahan laterally ku widang quadrupole.Dina waktos anu sami, ujung rod dimodulasi pikeun nyiptakeun médan listrik axial.Médan axial ngabagi sinar kontinyu anu disuntikkeun kana séri pulsa sinar anu disebut sinar.Unggal balok dikandung dina waktos siklus RF anu tangtu (10 ns).Balok anu padeukeut dipasing dumasar kana période frékuénsi radio.Dina RFQ linac, sinar 2 µs tina sumber ion laser dirobah jadi runtuyan 200 balok.Beam ieu lajeng gancangan kana énergi diitung.
Linier akselerator RFQ.(a) (ditinggalkeun) External view of RFQ linac chamber.(b) (katuhu) Opat-rod éléktroda dina chamber nu.
Parameter desain utama RFQ linac nyaéta tegangan rod, frékuénsi résonansi, radius liang balok, sareng modulasi éléktroda.Pilih tegangan dina rod ± 29 kV supados médan listrik na handap ambang ngarecahna listrik.Nu handap frékuénsi résonansi, nu leuwih gede gaya fokus gurat jeung leutik widang akselerasi rata.Radii aperture badag ngamungkinkeun pikeun ngaronjatkeun ukuran beam jeung, konsékuansi, ngaronjatkeun arus beam alatan repulsion muatan spasi leutik.Di sisi anu sanés, radii aperture anu langkung ageung peryogi langkung seueur kakuatan RF pikeun ngawasa RFQ linac.Salaku tambahan, éta diwatesan ku syarat kualitas situs.Dumasar kana kasaimbangan ieu, frékuénsi résonansi (100 MHz) sareng radius aperture (4,5 mm) dipilih pikeun akselerasi sinar-luhur.Modulasi dipilih pikeun ngaleutikan leungitna sinar sareng maksimalkeun efisiensi akselerasi.Desain geus dioptimalkeun sababaraha kali pikeun ngahasilkeun desain RFQ linac nu bisa ngagancangkeun 7Li3+ ion dina 40 mA ti 22 keV / n ka 204 keV / n dina 2 m.Daya RF anu diukur nalika percobaan nyaéta 77 kW.
RFQ linacs tiasa ngagancangkeun ion ku rentang Q / A husus.Ku alatan éta, nalika analisa beam fed ka tungtung akselerator linier, perlu tumut kana akun isotop jeung zat séjén.Sajaba ti éta, ion nu dipikahoyong, sawaréh gancangan, tapi turun dina kaayaan akselerasi di tengah akselerator, masih bisa minuhan kurungan gurat tur bisa diangkut ka tungtung.Sinar nu teu dihoyongkeun lian ti partikel 7Li3+ direkayasa disebut najis.Dina percobaan urang, 14N6+ jeung 16O7+ najis éta perhatian greatest, saprak foil logam litium meta jeung oksigén jeung nitrogén dina hawa.Ion-ion ieu mibanda rasio Q/A nu bisa digancangan ku 7Li3+.Kami nganggo magnet dipole pikeun misahkeun balok tina kualitas sareng kualitas anu béda pikeun analisis balok saatos RFQ linac.
Garis beam sanggeus RFQ linac dirancang pikeun nganteurkeun pinuh gancangan 7Li3 + beam ka FC sanggeus magnet dipole.-400 V éléktroda bias dipaké pikeun ngurangan éléktron sekundér dina cangkir pikeun akurat ngukur arus ion beam.Kalayan optik ieu, lintasan ion dipisahkeun kana dipol sareng fokus di tempat anu béda gumantung kana Q / A.Alatan rupa-rupa faktor kayaning difusi moméntum sarta repulsion muatan spasi, balok dina fokus boga lebar tangtu.Spésiésna ngan bisa dipisahkeun lamun jarak antara posisi fokus dua spésiés ion leuwih badag batan lebar balok.Pikeun kéngingkeun résolusi anu paling luhur, celah horisontal dipasang caket cangkéng beam, dimana beam praktis pekat.Layar scintillation (CsI(Tl) ti Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) dipasang antara celah jeung PC.Scintillator ieu dipaké pikeun nangtukeun celah pangleutikna nu partikel dirancang kudu ngaliwatan pikeun resolusi optimal sarta pikeun demonstrate ukuran beam ditarima pikeun balok ion beurat ayeuna tinggi.Gambar sinar dina scintillator dirékam ku kaméra CCD ngaliwatan jandela vakum.Saluyukeun jandela waktu paparan pikeun nutupan sakabéh lebar pulsa sinar.
Datasets dipaké atawa dianalisis dina ulikan ayeuna sadia ti pangarang masing-masing kana pamundut lumrah.
Manke, I. et al.Imaging tilu diménsi tina domain magnét.Komune nasional.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Kamungkinan ngulik sumber neutron kompak dina akselerator.Fisika.Rep 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Mikrotomografi diitung dumasar-neutron: Pliobates cataloniae sareng Barberapithecus huerzeleri salaku kasus uji.Sumuhun.J. Fisika.antropologi.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).