304Л 6,35 * 1мм Добављачи намотаних цеви од нерђајућег челика, Демонстрација интензивног литијумског зрака за генерисање импулсних директних неутрона

Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Клизачи који приказују три чланка по слајду.Користите дугмад назад и следећи да бисте се кретали кроз слајдове или дугмад контролора слајдова на крају да бисте се кретали кроз сваки слајд.

Као алтернатива проучавању нуклеарних реактора, компактни неутронски генератор покретан акцелератором који користи покретач литијум-јонског снопа може бити кандидат који обећава јер производи мало нежељеног зрачења.Међутим, било је тешко испоручити интензиван сноп литијум јона, а практична примена таквих уређаја се сматрала немогућом.Најакутнији проблем недовољног протока јона решен је применом директне шеме имплантације плазме.У овој шеми, пулсна плазма високе густине генерисана ласерском аблацијом литијум металне фолије се ефикасно убризгава и убрзава високофреквентним квадруполним акцелератором (РФК акцелератор).Постигли смо вршну струју снопа од 35 мА убрзану на 1,43 МеВ, што је два реда величине више него што конвенционални системи ињектора и акцелератора могу да обезбеде.
За разлику од рендгенских зрака или наелектрисаних честица, неутрони имају велику дубину продирања и јединствену интеракцију са кондензованом материјом, што их чини изузетно разноврсним сондама за проучавање својстава материјала1,2,3,4,5,6,7.Посебно, технике расејања неутрона се обично користе за проучавање састава, структуре и унутрашњих напона у кондензованој материји и могу пружити детаљне информације о једињењима у траговима у металним легурама које је тешко детектовати помоћу рендгенске спектроскопије8.Овај метод се сматра моћним алатом у основној науци и користе га произвођачи метала и других материјала.У скорије време, неутронска дифракција је коришћена за откривање заосталих напона у механичким компонентама као што су делови шина и авиона9,10,11,12.Неутрони се такође користе у нафтним и гасним бушотинама јер их лако хватају материјали богати протонима13.Сличне методе се користе и у грађевинарству.Неутронско испитивање без разарања је ефикасан алат за откривање скривених кварова у зградама, тунелима и мостовима.Употреба неутронских зрака се активно користи у научним истраживањима и индустрији, од којих су многи историјски развијени коришћењем нуклеарних реактора.
Међутим, са глобалним консензусом о неширењу нуклеарног оружја, изградња малих реактора у истраживачке сврхе постаје све тежа.Штавише, недавна несрећа у Фукушими учинила је изградњу нуклеарних реактора готово друштвено прихватљивом.У вези са овим трендом расте потражња за изворима неутрона на акцелераторима2.Као алтернатива нуклеарним реакторима, неколико великих извора неутрона који деле акцелераторе већ је у функцији14,15.Међутим, за ефикасније коришћење својстава неутронских снопова, неопходно је проширити употребу компактних извора на акцелераторима, 16 који могу припадати индустријским и универзитетским истраживачким институцијама.Извори акцелераторских неутрона су додали нове могућности и функције поред тога што служе као замена за нуклеарне реакторе14.На пример, генератор на линијски погон може лако да створи ток неутрона манипулисањем погонским снопом.Једном емитовани, неутроне је тешко контролисати, а мерења зрачења је тешко анализирати због буке коју стварају позадински неутрони.Импулсни неутрони контролисани акцелератором избегавају овај проблем.Неколико пројеката заснованих на технологији протонских акцелератора је предложено широм света17,18,19.Реакције 7Ли(п, н)7Бе и 9Бе(п, н)9Б најчешће се користе у компактним неутронским генераторима на протонски погон јер су ендотермне реакције20.Вишак зрачења и радиоактивног отпада могу се минимизирати ако је енергија одабрана да побуђује протонски сноп нешто изнад граничне вредности.Међутим, маса циљног језгра је много већа од масе протона, а резултујући неутрони се расипају у свим правцима.Тако близу изотропне емисије неутронског флукса онемогућава ефикасан транспорт неутрона до објекта проучавања.Поред тога, да би се добила потребна доза неутрона на локацији објекта, потребно је значајно повећати и број покретних протона и њихову енергију.Као резултат тога, велике дозе гама зрака и неутрона ће се ширити под великим угловима, уништавајући предност ендотермних реакција.Типичан компактни неутронски генератор на бази протона који покреће акцелератор има јаку заштиту од зрачења и најкрупнији је део система.Потреба за повећањем енергије покретања протона обично захтева додатно повећање величине акцелераторског објекта.
Да би се превазишли општи недостаци конвенционалних компактних неутронских извора на акцелераторима, предложена је шема инверзионо-кинематичке реакције21.У овој шеми, тежи литијум-јонски сноп се користи као водећи сноп уместо протонског снопа, циљајући материјале богате водоником као што су угљоводонична пластика, хидриди, водоник или водонична плазма.Разматране су алтернативе, као што су берилијумски снопови на јони, међутим, берилијум је токсична супстанца која захтева посебну пажњу при руковању.Због тога је литијумски сноп најпогоднији за шеме инверзионо-кинематичке реакције.Пошто је импулс литијумових језгара већи од импулса протона, центар масе нуклеарних судара се стално креће напред, а неутрони се такође емитују напред.Ова карактеристика у великој мери елиминише нежељене гама зраке и емисије неутрона под великим углом22.Поређење уобичајеног случаја протонског мотора и сценарија инверзне кинематике приказано је на слици 1.
Илустрација углова производње неутрона за протонске и литијумске зраке (нацртано помоћу Адобе Иллустратор ЦС5, 15.1.0, хттпс://ввв.адобе.цом/продуцтс/иллустратор.хтмл).(а) Неутрони могу бити избачени у било ком правцу као резултат реакције због чињенице да покретни протони ударају у много теже атоме литијумске мете.(б) Супротно томе, ако литијум-јонски покретач бомбардује мету богату водоником, неутрони се стварају у уском конусу у правцу напред због велике брзине центра масе система.
Међутим, постоји само неколико инверзних кинематичких неутронских генератора због потешкоћа у генерисању потребног флукса тешких јона са високим наелектрисањем у поређењу са протонима.Сва ова постројења користе негативне изворе јона за распршивање у комбинацији са тандемским електростатичким акцелераторима.Предложени су и други типови јонских извора за повећање ефикасности убрзања зрака26.У сваком случају, доступна струја литијум-јонског снопа је ограничена на 100 µА.Предложено је да се користи 1 мА Ли3+27, али ова струја јонског снопа није потврђена овом методом.У погледу интензитета, акцелератори литијумског снопа не могу да се такмиче са акцелераторима протонског снопа чија вршна струја протона прелази 10 мА28.
За имплементацију практичног компактног неутронског генератора заснованог на литијум-јонском снопу, корисно је генерисати високоинтензитет потпуно без јона.Јони се убрзавају и воде електромагнетним силама, а виши ниво наелектрисања резултира ефикаснијим убрзањем.Ли-јонски покретачи снопа захтевају Ли3+ вршне струје веће од 10 мА.
У овом раду демонстрирамо убрзање Ли3+ снопова са вршним струјама до 35 мА, што је упоредиво са напредним протонским акцелераторима.Оригинални литијум јонски сноп креиран је коришћењем ласерске аблације и шеме директне плазма имплантације (ДПИС) која је првобитно развијена да убрза Ц6+.Посебно дизајниран радиофреквентни квадруполни линац (РФК линац) је произведен коришћењем резонантне структуре са четири шипке.Проверили смо да убрзавајући сноп има израчунату енергију снопа високе чистоће.Када је Ли3+ сноп ефикасно ухваћен и убрзан радио-фреквенцијским (РФ) акцелератором, наредни део (акцелератор) се користи да обезбеди енергију потребну за генерисање снажног неутронског флукса из мете.
Убрзање јона високих перформанси је добро успостављена технологија.Преостали задатак реализације новог високо ефикасног компактног неутронског генератора је да генерише велики број потпуно лишених литијум јона и формира кластер структуру која се састоји од серије јонских импулса синхронизованих са РФ циклусом у акцелератору.Резултати експеримената осмишљених за постизање овог циља описани су у следећа три пододељка: (1) генерисање снопа потпуно лишеног литијум-јонског снопа, (2) убрзање снопа коришћењем посебно дизајнираног РФК линаца и (3) убрзање анализе снопа да проверите његов садржај.У Националној лабораторији Брукхејвен (БНЛ), направили смо експерименталну поставку приказану на слици 2.
Преглед експерименталне поставке за убрзану анализу литијумских зрака (илустровао Инксцапе, 1.0.2, хттпс://инксцапе.орг/).С десна на лево, ласерско-аблативна плазма се генерише у комори за интеракцију ласер-мета и испоручује се у РФК линац.По уласку у РФК акцелератор, јони се одвајају од плазме и убризгавају у РФК акцелератор кроз изненадно електрично поље створено разликом напона од 52 кВ између електроде за екстракцију и РФК електроде у области дрифта.Екстраховани јони се убрзавају са 22 кеВ/н на 204 кеВ/н помоћу РФК електрода дужине 2 метра.Струјни трансформатор (ЦТ) инсталиран на излазу РФК линац обезбеђује недеструктивно мерење струје јонског снопа.Сноп се фокусира помоћу три квадруполна магнета и усмерава на диполни магнет, који одваја и усмерава Ли3+ сноп у детектор.Иза прореза се користе пластични сцинтилатор који се увлачи и Фарадејева чаша (ФЦ) са пристрасношћу до -400 В за детекцију снопа убрзања.
За генерисање потпуно јонизованих литијум јона (Ли3+), потребно је створити плазму са температуром изнад њене треће енергије јонизације (122,4 еВ).Покушали смо да користимо ласерску аблацију за производњу високотемпературне плазме.Овај тип извора ласерских јона се обично не користи за генерисање литијум-јонских снопа јер је метал литијум реактиван и захтева посебно руковање.Развили смо систем циљног пуњења како бисмо минимизирали влагу и контаминацију ваздуха приликом уградње литијумске фолије у вакуумску ласерску интеракцијску комору.Све припреме материјала вршене су у контролисаном окружењу сувог аргона.Након што је литијумска фолија постављена у ласерску циљну комору, фолија је озрачена импулсним Нд:ИАГ ласерским зрачењем при енергији од 800 мЈ по импулсу.У фокусу на мети, густина снаге ласера ​​се процењује на око 1012 В/цм2.Плазма се ствара када пулсни ласер уништи мету у вакууму.Током читавог ласерског импулса од 6 нс, плазма наставља да се загрева, углавном због процеса обрнутог кочног зрачења.Пошто се током фазе загревања не примењује спољно поље које ограничава, плазма почиње да се шири у три димензије.Када плазма почне да се шири преко површине мете, центар масе плазме добија брзину окомиту на површину мете са енергијом од 600 еВ/н.Након загревања, плазма наставља да се креће у аксијалном правцу од мете, ширећи се изотропно.
Као што је приказано на слици 2, аблациона плазма се шири у вакуумску запремину окружену металном посудом са истим потенцијалом као и мета.Дакле, плазма се креће кроз област без поља према РФК акцелератору.Аксијално магнетно поље се примењује између коморе за ласерско зрачење и РФК линац помоћу соленоидне завојнице намотане око вакуум коморе.Магнетно поље соленоида потискује радијално ширење лебдеће плазме како би се одржала висока густина плазме током испоруке до РФК отвора.С друге стране, плазма наставља да се шири у аксијалном правцу током дрифта, формирајући издужену плазму.Висок напон се примењује на металну посуду која садржи плазму испред излазног отвора на улазу РФК.Напон преднапона је изабран да обезбеди потребну брзину убризгавања 7Ли3+ за правилно убрзање од стране РФК линеца.
Добијена аблациона плазма садржи не само 7Ли3+, већ и литијум у другим стањима наелектрисања и елементе загађивача, који се истовремено транспортују до РФК линеарног акцелератора.Пре убрзаних експеримената коришћењем РФК линац-а, извршена је ванмрежна анализа времена лета (ТОФ) да би се проучавао састав и расподела енергије јона у плазми.Детаљно аналитичко подешавање и посматране дистрибуције стања напуњености објашњени су у одељку Методе.Анализа је показала да су јони 7Ли3+ били главне честице, које чине око 54% ​​свих честица, као што је приказано на слици 3. Према анализи, струја јона 7Ли3+ на излазној тачки снопа јона процењена је на 1,87 мА.Током убрзаних тестова, соленоидно поље од 79 мТ примењује се на плазму која се шири.Као резултат тога, струја 7Ли3+ извучена из плазме и посматрана на детектору се повећала за фактор 30.
Фракције јона у ласерски генерисаној плазми добијене анализом времена лета.Јони 7Ли1+ и 7Ли2+ чине 5% и 25% јонског снопа, респективно.Детектована фракција честица 6Ли слаже се са природним садржајем 6Ли (7,6%) у мети од литијумске фолије у оквиру експерименталне грешке.Уочена је блага контаминација кисеоником (6,2%), углавном О1+ (2,1%) и О2+ (1,5%), што може бити последица оксидације површине мете од литијумске фолије.
Као што је раније поменуто, литијумска плазма се помера у области без поља пре уласка у РФК линац.Улаз РФК Линац има рупу пречника 6 мм у металном контејнеру, а напон преднапона је 52 кВ.Иако се напон РФК електроде брзо мења ±29 кВ на 100 МХз, напон изазива аксијално убрзање јер РФК акцелераторске електроде имају просечан потенцијал нула.Због јаког електричног поља створеног у размаку од 10 мм између отвора и ивице РФК електроде, само позитивни јони плазме се екстрахују из плазме на отвору.У традиционалним системима за испоруку јона, јони се одвајају од плазме електричним пољем на значајној удаљености испред РФК акцелератора, а затим се фокусирају у РФК отвор помоћу елемента за фокусирање зрака.Међутим, за интензивне снопове тешких јона који су потребни за интензиван извор неутрона, нелинеарне силе одбијања због ефеката просторног набоја могу довести до значајних губитака струје снопа у систему за транспорт јона, ограничавајући вршну струју која се може убрзати.У нашем ДПИС-у, јони високог интензитета се транспортују као лебдећа плазма директно до излазне тачке РФК отвора, тако да нема губитка јонског снопа због наелектрисања простора.Током ове демонстрације, ДПИС је први пут примењен на литијум-јонски сноп.
Структура РФК је развијена за фокусирање и убрзање нискоенергетских високострујних јонских снопова и постала је стандард за убрзање првог реда.Користили смо РФК да убрзамо јоне 7Ли3+ са енергије имплантата од 22 кеВ/н до 204 кеВ/н.Иако се литијум и друге честице са нижим наелектрисањем у плазми такође издвајају из плазме и убризгавају у РФК отвор, РФК линац само убрзава јоне са односом наелектрисања и масе (К/А) близу 7Ли3+.
На сл.Слика 4 приказује таласне облике које је детектовао струјни трансформатор (ЦТ) на излазу РФК линаца и Фарадејеве чаше (ФЦ) након анализе магнета, као што је приказано на сл.2. Временски помак између сигнала може се тумачити као разлика у времену лета на локацији детектора.Максимална јонска струја измерена на ЦТ била је 43 мА.У положају РТ, регистровани сноп може да садржи не само јоне убрзане до израчунате енергије, већ и јоне осим 7Ли3+, који нису довољно убрзани.Међутим, сличност облика јонске струје пронађене помоћу КД и ПЦ указује да се јонска струја углавном састоји од убрзаног 7Ли3+, а смањење вршне вредности струје на ПЦ је узроковано губицима снопа током преноса јона између КД и ПЦ. ПЦ.Губици Ово потврђује и симулација омотача.За прецизно мерење струје снопа 7Ли3+, сноп се анализира помоћу диполног магнета као што је описано у следећем одељку.
Осцилограми убрзаног зрака снимљени у положајима детектора ЦТ (црна крива) и ФЦ (црвена крива).Ова мерења су покренута детекцијом ласерског зрачења фотодетектором током генерисања ласерске плазме.Црна крива приказује таласни облик измерен на ЦТ спојеном на РФК линац излаз.Због своје близине РФК линац-у, детектор хвата 100 МХз РФ шум, тако да је примењен ФФТ филтер од 98 МХз да би се уклонио резонантни РФ сигнал од 100 МХз суперпонован на сигнал детекције.Црвена крива приказује таласни облик на ФЦ након што аналитички магнет усмери сноп јона 7Ли3+.У овом магнетном пољу, осим 7Ли3+, могу се транспортовати Н6+ и О7+.
Јонски сноп након РФК лина се фокусира помоћу серије од три квадруполна фокусирајућа магнета, а затим се анализира помоћу диполних магнета да би се изоловале нечистоће у снопу јона.Магнетно поље од 0,268 Т усмерава 7Ли3+ зраке у ФЦ.Таласни облик детекције овог магнетног поља је приказан као црвена крива на слици 4. Максимална струја снопа достиже 35 мА, што је више од 100 пута веће од типичног Ли3+ снопа произведеног у постојећим конвенционалним електростатичким акцелераторима.Ширина импулса снопа је 2,0 µс при пуној ширини на половини максимума.Детекција 7Ли3+ зрака са диполним магнетним пољем указује на успешно груписање и убрзање снопа.Струја јонског снопа коју је детектовао ФЦ приликом скенирања магнетног поља дипола приказана је на слици 5. Уочен је чист појединачни пик, добро одвојен од осталих пикова.Пошто сви јони убрзани до пројектоване енергије помоћу РФК линеа имају исту брзину, снопове јона са истим К/А тешко је раздвојити диполним магнетним пољима.Стога не можемо разликовати 7Ли3+ од Н6+ или О7+.Међутим, количина нечистоћа се може проценити из суседних стања наелектрисања.На пример, Н7+ и Н5+ могу се лако одвојити, док Н6+ може бити део нечистоће и очекује се да ће бити присутан у приближно истој количини као Н7+ и Н5+.Процењени ниво загађења је око 2%.
Спектри компоненте снопа добијени скенирањем диполног магнетног поља.Пик на 0,268 Т одговара 7Ли3+ и Н6+.Ширина врха зависи од величине греде на прорезу.Упркос широким пиковима, 7Ли3+ се добро одваја од 6Ли3+, О6+ и Н5+, али се слабо одваја од О7+ и Н6+.
На локацији ФЦ, профил снопа је потврђен уградним сцинтилатором и снимљен брзом дигиталном камером као што је приказано на слици 6. Показано је да је 7Ли3+ импулсни сноп са струјом од 35 мА убрзан до израчунате РФК енергије од 204 кеВ/н, што одговара 1,4 МеВ , и преноси се на ФЦ детектор.
Профил снопа посматран на екрану сцинтилатора пре ФЦ (обоје Фиџи, 2.3.0, хттпс://имагеј.нет/софтваре/фији/).Магнетно поље аналитичког диполног магнета је подешено да усмери убрзање Ли3+ јонског снопа на пројектовану енергију РФК.Плаве тачке у зеленој области су узроковане неисправним материјалом сцинтилатора.
Постигли смо генерисање јона 7Ли3+ ласерском аблацијом површине чврсте литијумске фолије, а сноп јона велике струје је ухваћен и убрзан специјално дизајнираним РФК линацом користећи ДПИС.При енергији снопа од 1,4 МеВ, вршна струја 7Ли3+ постигнута на ФЦ након анализе магнета била је 35 мА.Ово потврђује да је најважнији део имплементације неутронског извора са инверзном кинематиком спроведен експериментално.У овом делу рада биће размотрена целокупна конструкција компактног неутронског извора, укључујући акцелераторе високе енергије и неутронске циљне станице.Дизајн је заснован на резултатима добијеним са постојећим системима у нашој лабораторији.Треба напоменути да се вршна струја јонског снопа може додатно повећати скраћивањем растојања између литијумске фолије и РФК линац.Пиринач.7 илуструје цео концепт предложеног компактног извора неутрона на акцелератору.
Идејни пројекат предложеног компактног извора неутрона на акцелератору (цртао Фреецад, 0.19, хттпс://ввв.фреецадвеб.орг/).С десна на лево: ласерски јонски извор, соленоидни магнет, РФК линац, пренос снопа средње енергије (МЕБТ), ИХ линац и интеракцијска комора за генерисање неутрона.Заштита од зрачења је обезбеђена првенствено у правцу напред због уско усмерене природе произведених неутронских снопова.
Након РФК Линац-а, планирано је даље убрзање Интер-дигиталне Х-структуре (ИХ линац)30 линаца.ИХ линес користе структуру дрифт цеви у π-моду да обезбеде високе градијенте електричног поља у одређеном опсегу брзина.Концептуална студија је спроведена на основу симулације 1Д лонгитудиналне динамике и 3Д симулације шкољке.Прорачуни показују да 100 МХз ИХ линац са разумним напоном дрифт цеви (мањим од 450 кВ) и јаким магнетом за фокусирање може убрзати сноп од 40 мА од 1,4 до 14 МеВ на удаљености од 1,8 м.Расподела енергије на крају ланца акцелератора је процењена на ± 0,4 МеВ, што не утиче значајно на енергетски спектар неутрона које производи циљ неутронске конверзије.Поред тога, емисивност снопа је довољно ниска да фокусира сноп у мању тачку снопа него што би иначе било потребно за квадруполни магнет средње снаге и величине.У преносу снопа средње енергије (МЕБТ) између РФК линијског и ИХ линијског снопа, резонатор за формирање снопа се користи за одржавање структуре за формирање снопа.За контролу величине бочног снопа користе се три четворополна магнета.Ова стратегија дизајна је коришћена у многим акцелераторима31,32,33.Укупна дужина целог система од извора јона до циљне коморе процењује се на мању од 8 м, што може да стане у стандардни камион полуприколице.
Циљ неутронске конверзије биће инсталиран непосредно после линеарног акцелератора.Разговарамо о дизајну циљних станица на основу претходних студија коришћењем инверзних кинематичких сценарија23.Пријављени циљеви конверзије укључују чврсте материјале (полипропилен (Ц3Х6) и титанијум хидрид (ТиХ2)) и гасовите циљне системе.Сваки циљ има предности и мане.Чврсте мете омогућавају прецизну контролу дебљине.Што је тањи циљ, то је прецизнији просторни распоред производње неутрона.Међутим, такви циљеви и даље могу имати одређени степен нежељених нуклеарних реакција и зрачења.С друге стране, мета водоника може да обезбеди чистију животну средину елиминисањем производње 7Бе, главног производа нуклеарне реакције.Међутим, водоник има слабу способност баријере и захтева велику физичку удаљеност за довољно ослобађање енергије.Ово је мало неповољно за ТОФ мерења.Поред тога, ако се танки филм користи за заптивање мете водоника, потребно је узети у обзир губитке енергије гама зрака које стварају танки филм и упадни литијумски сноп.
ЛИЦОРНЕ користи полипропиленске мете и циљни систем је надограђен на водоничне ћелије запечаћене танталном фолијом.Под претпоставком да је струја снопа 100 нА за 7Ли34, оба циљна система могу произвести до 107 н/с/ср.Ако применимо ову претпостављену конверзију приноса неутрона на наш предложени извор неутрона, онда се за сваки ласерски импулс може добити литијумски сноп од 7 × 10–8 Ц.То значи да испаљивање ласера ​​само два пута у секунди производи 40% више неутрона него што ЛИЦОРНЕ може произвести у једној секунди са континуираним снопом.Укупан флукс се може лако повећати повећањем фреквенције побуде ласера.Ако претпоставимо да на тржишту постоји ласерски систем од 1 кХз, просечан ток неутрона се лако може скалирати до око 7 × 109 н/с/ср.
Када користимо системе високе стопе понављања са пластичним метама, неопходно је контролисати стварање топлоте на метама јер, на пример, полипропилен има ниску тачку топљења од 145–175 °Ц и ниску топлотну проводљивост од 0,1–0,22 В/ м/К.За литијум-јонски сноп од 14 МеВ, полипропиленска мета дебљине 7 µм довољна је да смањи енергију снопа до прага реакције (13,098 МеВ).Узимајући у обзир укупан ефекат јона генерисаних једним ласерским ударцем на мету, ослобађање енергије литијум јона кроз полипропилен се процењује на 64 мЈ/пулс.Под претпоставком да се сва енергија преноси у круг пречника 10 мм, сваки импулс одговара порасту температуре од приближно 18 К/пулс.Ослобађање енергије на полипропиленским метама заснива се на једноставној претпоставци да се сви губици енергије складиште као топлота, без зрачења или других топлотних губитака.Пошто повећање броја импулса у секунди захтева елиминацију нагомилавања топлоте, можемо да користимо мете траке да бисмо избегли ослобађање енергије у истој тачки23.Под претпоставком да је тачка снопа од 10 мм на мети са стопом понављања ласера ​​од 100 Хз, брзина скенирања полипропиленске траке би била 1 м/с.Веће стопе понављања су могуће ако је дозвољено преклапање тачке снопа.
Такође смо истраживали мете са водоничним батеријама, јер су се јачи погонски снопови могли користити без оштећења мете.Неутронски сноп се може лако подесити променом дужине гасне коморе и притиска водоника унутра.Танке металне фолије се често користе у акцелераторима за одвајање гасовитог региона мете од вакуума.Због тога је потребно повећати енергију упадног литијум-јонског снопа како би се надокнадили губици енергије на фолији.Циљни склоп описан у извештају 35 састојао се од алуминијумског контејнера дужине 3,5 цм са притиском гаса Х2 од 1,5 атм.Сноп литијум јона од 16,75 МеВ улази у батерију кроз ваздушно хлађену Та фолију од 2,7 µм, а енергија литијум јонског снопа на крају батерије успорава се до прага реакције.Да би се повећала енергија снопа литијум-јонских батерија са 14,0 МеВ на 16,75 МеВ, ИХ линац је морао бити продужен за око 30 цм.
Такође је проучавана емисија неутрона из мета гасних ћелија.За горе поменуте гасне мете ЛИЦОРНЕ, симулације ГЕАНТ436 показују да се високо оријентисани неутрони генеришу унутар конуса, као што је приказано на слици 1 у [37].Референца 35 приказује енергетски опсег од 0,7 до 3,0 МеВ са максималним отварањем конуса од 19,5° у односу на правац простирања главног снопа.Високо оријентисани неутрони могу значајно смањити количину заштитног материјала у већини углова, смањујући тежину конструкције и обезбеђујући већу флексибилност у уградњи мерне опреме.Са становишта заштите од зрачења, поред неутрона, ова гасовита мета емитује гама зраке од 478 кеВ изотропно у централном координатном систему38.Ови γ-зраци настају као резултат распада 7Бе и деексцитације 7Ли, што се дешава када примарни сноп Ли удари у улазни прозор Та.Међутим, додавањем дебелог цилиндричног колиматора од 35 Пб/Цу, позадина се може значајно смањити.
Као алтернативни циљ може се користити плазма прозор [39, 40], који омогућава постизање релативно високог притиска водоника и малог просторног подручја генерисања неутрона, иако је инфериоран у односу на чврсте мете.
Истражујемо опције циљања неутронске конверзије за очекивану дистрибуцију енергије и величину снопа литијум јонског снопа користећи ГЕАНТ4.Наше симулације показују конзистентну расподелу енергије неутрона и угаоне расподеле за водоничне мете у горњој литератури.У било ком циљном систему, високо оријентисани неутрони се могу произвести инверзном кинематичком реакцијом коју покреће јак 7Ли3+ сноп на мети богатој водоником.Стога се нови извори неутрона могу имплементирати комбиновањем већ постојећих технологија.
Услови ласерског зрачења су репродуковали експерименте генерисања јонског снопа пре убрзане демонстрације.Ласер је десктоп наносекундни Нд:ИАГ систем са густином снаге ласера ​​од 1012 В/цм2, основном таласном дужином од 1064 нм, енергијом тачке од 800 мЈ и трајањем импулса од 6 нс.Пречник тачке на мети је процењен на 100 µм.Пошто је литијум метал (Алфа Аесар, 99,9% чистоће) прилично мекан, прецизно сечени материјал се утискује у калуп.Димензије фолије 25 мм × 25 мм, дебљина 0,6 мм.Оштећење попут кратера настаје на површини мете када је ласер погоди, тако да се мета помера моторизована платформа како би се обезбедио свеж део површине мете са сваким ласерским ударцем.Да би се избегла рекомбинација услед заосталог гаса, притисак у комори је држан испод опсега од 10-4 Па.
Почетна запремина ласерске плазме је мала, пошто је величина ласерске тачке 100 μм и у року од 6 нс након њеног генерисања.Волумен се може узети као тачна тачка и проширити.Ако је детектор постављен на растојању км од површине мете, тада примљени сигнал испуњава однос: јонска струја И, време доласка јона т и ширина импулса τ.
Генерисана плазма је проучавана ТОФ методом са ФЦ и анализатором енергетских јона (ЕИА) који се налази на удаљености од 2,4 м и 3,85 м од ласерске мете.ФЦ има супресорску мрежу нагнуту за -5 кВ да спречи електроне.ЕИА има електростатички дефлектор од 90 степени који се састоји од две коаксијалне металне цилиндричне електроде истог напона, али супротног поларитета, позитивних споља и негативних изнутра.Плазма која се шири се усмерава у дефлектор иза прореза и одбија се електричним пољем које пролази кроз цилиндар.Јони који задовољавају однос Е/з = еКУ детектују се коришћењем секундарног множитеља електрона (СЕМ) (Хамаматсу Р2362), где су Е, з, е, К и У енергија јона, стање наелектрисања и наелектрисање ЕИА геометријски фактори .електрона, односно разлика потенцијала између електрода.Променом напона на дефлектору може се добити расподела енергије и наелектрисања јона у плазми.Напон свееп У/2 ЕИА је у опсегу од 0,2 В до 800 В, што одговара енергији јона у опсегу од 4 еВ до 16 кеВ по стању наелектрисања.
Расподеле стања наелектрисања јона анализираних у условима ласерског зрачења описаних у одељку „Генерисање потпуно очишћених литијумских снопова“ приказане су на Сл.8.
Анализа расподеле стања наелектрисања јона.Овде је временски профил густине јонске струје анализиран помоћу ЕИА и скалиран на 1 м од литијумске фолије помоћу једначине.(1) и (2).Користите услове ласерског зрачења описане у одељку „Генерација потпуно ексфолираног литијумског зрака“.Интеграцијом сваке густине струје израчунат је удео јона у плазми, приказан на слици 3.
Ласерски јонски извори могу да испоруче интензиван сноп јона од више мА са високим пуњењем.Међутим, испорука зрака је веома отежана због одбијања свемирског набоја, тако да није била широко коришћена.У традиционалној шеми, јонски снопови се екстрахују из плазме и транспортују до примарног акцелератора дуж линије снопа са неколико магнета за фокусирање како би се сноп јона обликовал у складу са способношћу акцелератора.У сноповима силе свемирског набоја, снопови се нелинеарно дивергирају и примећују се озбиљни губици снопа, посебно у области малих брзина.Да би се превазишао овај проблем у развоју медицинских угљеничних акцелератора, предложена је нова шема испоруке снопа ДПИС41.Применили смо ову технику да убрзамо снажан литијум-јонски сноп из новог извора неутрона.
Као што је приказано на сл.4, простор у коме се плазма ствара и шири је окружен металним контејнером.Затворени простор се протеже до улаза у РФК резонатор, укључујући запремину унутар соленоидне завојнице.На контејнер је примењен напон од 52 кВ.У РФК резонатору, јони се повлаче потенцијалом кроз рупу пречника 6 мм уземљењем РФК.Нелинеарне силе одбијања на линији снопа се елиминишу док се јони транспортују у стању плазме.Поред тога, као што је горе поменуто, применили смо соленоидно поље у комбинацији са ДПИС-ом за контролу и повећање густине јона у отвору за екстракцију.
РФК акцелератор се састоји од цилиндричне вакуум коморе као што је приказано на сл.9а.Унутар ње су четири шипке бакра без кисеоника постављене квадруполно симетрично око осе снопа (сл. 9б).4 шипке и коморе формирају резонантно РФ коло.Индуковано РФ поље ствара временски променљив напон преко штапа.Јони имплантирани уздужно око осе држе се бочно помоћу квадруполног поља.У исто време, врх штапа је модулисан да створи аксијално електрично поље.Аксијално поље дели убризгани континуирани сноп у низ импулса снопа који се назива сноп.Сваки сноп се налази унутар одређеног времена РФ циклуса (10 нс).Суседни снопови су распоређени у складу са периодом радио фреквенције.У РФК линац-у, сноп од 2 µс из извора ласерских јона се претвара у низ од 200 зрака.Сноп се затим убрзава до израчунате енергије.
Линеарни акцелератор РФК.(а) (лево) Спољашњи поглед на РФК линац комору.(б) (десно) Електрода са четири шипке у комори.
Главни параметри дизајна РФК линац-а су напон штапа, резонантна фреквенција, полупречник отвора снопа и модулација електроде.Изаберите напон на штапу ± 29 кВ тако да његово електрично поље буде испод прага електричног квара.Што је резонантна фреквенција нижа, то је већа сила бочног фокусирања и мање је просечно поље убрзања.Велики радијуси отвора омогућавају повећање величине снопа и, последично, повећање струје снопа због мањег одбијања просторног набоја.С друге стране, већи радијуси отвора бленде захтевају више РФ снаге да би напајали РФК линац.Поред тога, ограничен је захтевима квалитета сајта.На основу ових баланса изабрани су резонантна фреквенција (100 МХз) и радијус отвора (4,5 мм) за убрзање снопа велике струје.Модулација је одабрана да минимизира губитак зрака и максимизира ефикасност убрзања.Дизајн је много пута оптимизован да би се произвео РФК линац дизајн који може да убрза 7Ли3+ јоне на 40 мА од 22 кеВ/н до 204 кеВ/н у кругу од 2 м.РФ снага измерена током експеримента била је 77 кВ.
РФК линаци могу да убрзају јоне са одређеним К/А опсегом.Због тога, приликом анализе зрака који се доводи до краја линеарног акцелератора, потребно је узети у обзир изотопе и друге супстанце.Поред тога, жељени јони, делимично убрзани, али спуштени под условима убрзања у средини акцелератора, и даље могу задовољити бочно ограничење и могу се транспортовати до краја.Нежељени зраци осим пројектованих 7Ли3+ честица називају се нечистоћама.У нашим експериментима највећу забринутост изазивале су нечистоће 14Н6+ и 16О7+, пошто литијум метална фолија реагује са кисеоником и азотом у ваздуху.Ови јони имају однос К/А који се може убрзати са 7Ли3+.Користимо диполне магнете за одвајање снопа различитог квалитета и квалитета за анализу снопа након РФК линац.
Линија снопа након РФК линеца је дизајнирана да испоручи потпуно убрзани 7Ли3+ сноп до ФЦ након диполног магнета.-400 В биас електроде се користе за сузбијање секундарних електрона у чаши да би се прецизно измерила струја јонског снопа.Са овом оптиком, јонске трајекторије су раздвојене у диполе и фокусиране на различитим местима у зависности од К/А.Због различитих фактора као што су дифузија импулса и одбијање просторног набоја, сноп у фокусу има одређену ширину.Врсте се могу раздвојити само ако је растојање између фокусних позиција две врсте јона веће од ширине снопа.Да би се добила највећа могућа резолуција, хоризонтални прорез се поставља близу струка греде, где је сноп практично концентрисан.Између прореза и рачунара постављен је сцинтилациони екран (ЦсИ(Тл) из Саинт-Гобаин-а, 40 мм × 40 мм × 3 мм).Сцинтилатор је коришћен за одређивање најмањег прореза кроз који су пројектоване честице морале да прођу за оптималну резолуцију и за демонстрирање прихватљивих величина зрака за снопове тешких јона велике струје.Слика зрака на сцинтилатору се снима ЦЦД камером кроз вакуумски прозор.Подесите временски оквир експозиције да покрије целу ширину импулса снопа.
Скупови података који су коришћени или анализирани у овој студији доступни су од одговарајућих аутора на разуман захтев.
Манке, И. ет ал.Тродимензионално снимање магнетних домена.Национална комуна.1, 125. хттпс://дои.орг/10.1038/нцоммс1125 (2010).
Андерсон, ИС ет ал.Могућности проучавања компактних извора неутрона на акцелераторима.стање.Реп. 654, 1-58.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.пхисреп.2016.07.007 (2016).
Урцхуоли, А. ет ал.Компјутерска микротомографија заснована на неутронима: Плиобатес цаталониае и Барберапитхецус хуерзелери као тестни случајеви.Да.Ј. Пхисицс.антропологија.166, 987–993.хттпс://дои.орг/10.1002/ајпа.23467 (2018).