304L 6.35*1mm Pembekal tiub bergelung keluli tahan karat, Demonstrasi rasuk litium yang sengit untuk menjana neutron terus berdenyut

Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Peluncur menunjukkan tiga artikel setiap slaid.Gunakan butang belakang dan seterusnya untuk bergerak melalui slaid, atau butang pengawal slaid di hujung untuk bergerak melalui setiap slaid.

Sebagai alternatif kepada kajian reaktor nuklear, penjana neutron dipacu pemecut padat menggunakan pemacu rasuk litium-ion mungkin merupakan calon yang menjanjikan kerana ia menghasilkan sedikit sinaran yang tidak diingini.Walau bagaimanapun, sukar untuk menghantar pancaran ion litium yang sengit, dan aplikasi praktikal peranti sedemikian dianggap mustahil.Masalah paling akut aliran ion yang tidak mencukupi telah diselesaikan dengan menggunakan skim implantasi plasma langsung.Dalam skim ini, plasma berdenyut berketumpatan tinggi yang dihasilkan oleh ablasi laser kerajang logam litium disuntik dan dipercepatkan dengan cekap oleh pemecut quadrupole frekuensi tinggi (pemecut RFQ).Kami telah mencapai arus rasuk puncak 35 mA yang dipercepatkan kepada 1.43 MeV, iaitu dua urutan magnitud lebih tinggi daripada yang boleh disediakan oleh sistem penyuntik dan pemecut konvensional.
Tidak seperti sinar-X atau zarah bercas, neutron mempunyai kedalaman penembusan yang besar dan interaksi unik dengan bahan terkondensasi, menjadikannya kuar yang sangat serba boleh untuk mengkaji sifat bahan1,2,3,4,5,6,7.Khususnya, teknik serakan neutron biasanya digunakan untuk mengkaji komposisi, struktur, dan tegasan dalaman dalam jirim pekat dan boleh memberikan maklumat terperinci tentang sebatian surih dalam aloi logam yang sukar dikesan menggunakan spektroskopi sinar-X8.Kaedah ini dianggap sebagai alat yang berkuasa dalam sains asas dan digunakan oleh pengeluar logam dan bahan lain.Baru-baru ini, pembelauan neutron telah digunakan untuk mengesan tegasan baki dalam komponen mekanikal seperti rel dan bahagian pesawat9,10,11,12.Neutron juga digunakan dalam telaga minyak dan gas kerana ia mudah ditangkap oleh bahan yang kaya dengan proton13.Kaedah yang sama juga digunakan dalam kejuruteraan awam.Ujian neutron tidak merosakkan ialah alat yang berkesan untuk mengesan kerosakan tersembunyi dalam bangunan, terowong dan jambatan.Penggunaan rasuk neutron digunakan secara aktif dalam penyelidikan saintifik dan industri, kebanyakannya telah dibangunkan secara sejarah menggunakan reaktor nuklear.
Walau bagaimanapun, dengan konsensus global mengenai bukan percambahan nuklear, membina reaktor kecil untuk tujuan penyelidikan menjadi semakin sukar.Lebih-lebih lagi, kemalangan Fukushima baru-baru ini telah menjadikan pembinaan reaktor nuklear hampir diterima oleh masyarakat.Sehubungan dengan trend ini, permintaan untuk sumber neutron pada pemecut semakin meningkat2.Sebagai alternatif kepada reaktor nuklear, beberapa sumber neutron pemisah pemecut besar telah pun beroperasi14,15.Walau bagaimanapun, untuk penggunaan yang lebih cekap sifat-sifat rasuk neutron, adalah perlu untuk mengembangkan penggunaan sumber padat pada pemecut, 16 yang mungkin dimiliki oleh institusi penyelidikan industri dan universiti.Sumber neutron pemecut telah menambah keupayaan dan fungsi baharu selain berfungsi sebagai pengganti reaktor nuklear14.Sebagai contoh, penjana dipacu linac boleh mencipta aliran neutron dengan mudah dengan memanipulasi pancaran pemacu.Setelah dipancarkan, neutron sukar dikawal dan ukuran sinaran sukar dianalisis kerana bunyi yang dihasilkan oleh neutron latar belakang.Neutron berdenyut dikawal oleh pemecut mengelakkan masalah ini.Beberapa projek berasaskan teknologi pemecut proton telah dicadangkan di seluruh dunia17,18,19.Tindak balas 7Li(p, n)7Be dan 9Be(p, n)9B paling kerap digunakan dalam penjana neutron padat dipacu proton kerana ia adalah tindak balas endotermik20.Lebihan sinaran dan sisa radioaktif boleh diminimumkan jika tenaga yang dipilih untuk menguja rasuk proton berada di atas nilai ambang sedikit.Walau bagaimanapun, jisim nukleus sasaran adalah lebih besar daripada proton, dan neutron yang terhasil berselerak ke semua arah.Sebegitu hampir dengan pelepasan isotropik fluks neutron menghalang pengangkutan neutron yang cekap ke objek kajian.Di samping itu, untuk mendapatkan dos neutron yang diperlukan di lokasi objek, adalah perlu untuk meningkatkan dengan ketara kedua-dua bilangan proton bergerak dan tenaga mereka.Akibatnya, dos sinar gamma dan neutron yang besar akan merambat melalui sudut yang besar, memusnahkan kelebihan tindak balas endotermik.Penjana neutron berasaskan proton padat dipacu pemecut biasa mempunyai pelindung sinaran yang kuat dan merupakan bahagian paling besar dalam sistem.Keperluan untuk meningkatkan tenaga memandu proton biasanya memerlukan penambahan tambahan dalam saiz kemudahan pemecut.
Untuk mengatasi kelemahan umum sumber neutron padat konvensional pada pemecut, skema tindak balas inversi-kinematik telah dicadangkan21.Dalam skema ini, rasuk litium-ion yang lebih berat digunakan sebagai rasuk panduan dan bukannya rasuk proton, menyasarkan bahan kaya hidrogen seperti plastik hidrokarbon, hidrida, gas hidrogen atau plasma hidrogen.Alternatif telah dipertimbangkan, seperti rasuk pacuan ion berilium, walau bagaimanapun, berilium ialah bahan toksik yang memerlukan penjagaan khas dalam pengendalian.Oleh itu, rasuk litium adalah yang paling sesuai untuk skema tindak balas penyongsangan-kinematik.Oleh kerana momentum nukleus litium lebih besar daripada proton, pusat jisim perlanggaran nuklear sentiasa bergerak ke hadapan, dan neutron juga dipancarkan ke hadapan.Ciri ini sangat menghapuskan sinar gama yang tidak diingini dan pelepasan neutron sudut tinggi22.Perbandingan kes biasa enjin proton dan senario kinematik songsang ditunjukkan dalam Rajah 1.
Ilustrasi sudut penghasilan neutron untuk rasuk proton dan litium (dilukis dengan Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutron boleh dikeluarkan ke mana-mana arah akibat tindak balas disebabkan oleh fakta bahawa proton yang bergerak mengenai atom sasaran litium yang jauh lebih berat.(b) Sebaliknya, jika pemacu litium-ion mengebom sasaran yang kaya dengan hidrogen, neutron dijana dalam kon sempit ke arah hadapan disebabkan oleh halaju tinggi pusat jisim sistem.
Walau bagaimanapun, hanya beberapa penjana neutron kinematik songsang wujud kerana kesukaran menjana fluks ion berat yang diperlukan dengan cas yang tinggi berbanding dengan proton.Kesemua tumbuhan ini menggunakan sumber ion sputter negatif dalam kombinasi dengan pemecut elektrostatik tandem.Jenis sumber ion lain telah dicadangkan untuk meningkatkan kecekapan pecutan rasuk26.Walau apa pun, arus pancaran litium-ion yang tersedia dihadkan kepada 100 µA.Ia telah dicadangkan untuk menggunakan 1 mA Li3+27, tetapi arus rasuk ion ini belum disahkan oleh kaedah ini.Dari segi keamatan, pemecut rasuk litium tidak boleh bersaing dengan pemecut rasuk proton yang arus proton puncaknya melebihi 10 mA28.
Untuk melaksanakan penjana neutron padat praktikal berdasarkan rasuk litium-ion, adalah berfaedah untuk menjana keamatan tinggi tanpa ion sepenuhnya.Ion-ion dipercepatkan dan dipandu oleh daya elektromagnet, dan tahap cas yang lebih tinggi menghasilkan pecutan yang lebih cekap.Pemacu rasuk Li-ion memerlukan arus puncak Li3+ melebihi 10 mA.
Dalam kerja ini, kami menunjukkan pecutan rasuk Li3+ dengan arus puncak sehingga 35 mA, yang setanding dengan pemecut proton maju.Rasuk ion litium asal dicipta menggunakan ablasi laser dan Skim Implantasi Plasma Langsung (DPIS) pada asalnya dibangunkan untuk mempercepatkan C6+.Linac quadrupole frekuensi radio yang direka khas (RFQ linac) telah direka menggunakan struktur resonan empat batang.Kami telah mengesahkan bahawa rasuk pecutan mempunyai tenaga rasuk ketulenan tinggi yang dikira.Setelah pancaran Li3+ ditangkap dan dipercepatkan dengan berkesan oleh pemecut frekuensi radio (RF), bahagian linac (pemecut) seterusnya digunakan untuk menyediakan tenaga yang diperlukan untuk menjana fluks neutron yang kuat daripada sasaran.
Pecutan ion berprestasi tinggi adalah teknologi yang mantap.Tugas selebihnya untuk merealisasikan penjana neutron kompak baharu yang sangat cekap adalah untuk menjana sejumlah besar ion litium yang dilucutkan sepenuhnya dan membentuk struktur kelompok yang terdiri daripada satu siri denyutan ion yang disegerakkan dengan kitaran RF dalam pemecut.Keputusan eksperimen yang direka untuk mencapai matlamat ini diterangkan dalam tiga subseksyen berikut: (1) penjanaan rasuk litium-ion yang tiada sepenuhnya, (2) pecutan rasuk menggunakan linac RFQ yang direka khas, dan (3) pecutan analisis rasuk untuk memeriksa kandungannya.Di Brookhaven National Laboratory (BNL), kami membina persediaan eksperimen yang ditunjukkan dalam Rajah 2.
Gambaran keseluruhan persediaan percubaan untuk analisis dipercepatkan rasuk litium (diilustrasikan oleh Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Dari kanan ke kiri, plasma ablatif laser dijana dalam ruang interaksi sasaran laser dan dihantar ke RFQ linac.Apabila memasuki pemecut RFQ, ion dipisahkan daripada plasma dan disuntik ke dalam pemecut RFQ melalui medan elektrik secara tiba-tiba yang dicipta oleh perbezaan voltan 52 kV antara elektrod pengekstrakan dan elektrod RFQ di kawasan hanyut.Ion yang diekstrak dipercepatkan daripada 22 keV/n kepada 204 keV/n menggunakan elektrod RFQ sepanjang 2 meter.Transformer arus (CT) yang dipasang pada output RFQ linac menyediakan pengukuran arus rasuk ion yang tidak merosakkan.Rasuk difokuskan oleh tiga magnet quadrupole dan diarahkan ke magnet dipol, yang memisahkan dan mengarahkan rasuk Li3+ ke dalam pengesan.Di belakang celah, penggilap plastik boleh tarik dan cawan Faraday (FC) dengan pincang sehingga -400 V digunakan untuk mengesan rasuk pecutan.
Untuk menjana ion litium terion sepenuhnya (Li3+), adalah perlu untuk mencipta plasma dengan suhu melebihi tenaga pengionan ketiganya (122.4 eV).Kami cuba menggunakan ablasi laser untuk menghasilkan plasma suhu tinggi.Sumber ion laser jenis ini tidak biasa digunakan untuk menghasilkan rasuk ion litium kerana logam litium reaktif dan memerlukan pengendalian khas.Kami telah membangunkan sistem pemuatan sasaran untuk meminimumkan kelembapan dan pencemaran udara apabila memasang kerajang litium dalam ruang interaksi laser vakum.Semua penyediaan bahan telah dijalankan dalam persekitaran terkawal argon kering.Selepas kerajang litium dipasang di dalam ruang sasaran laser, kerajang itu disinari dengan sinaran laser Nd:YAG berdenyut pada tenaga 800 mJ setiap nadi.Pada tumpuan pada sasaran, ketumpatan kuasa laser dianggarkan kira-kira 1012 W/cm2.Plasma tercipta apabila laser berdenyut memusnahkan sasaran dalam vakum.Semasa keseluruhan nadi laser 6 ns, plasma terus menjadi panas, terutamanya disebabkan oleh proses bremsstrahlung terbalik.Memandangkan tiada medan luar terkurung digunakan semasa fasa pemanasan, plasma mula berkembang dalam tiga dimensi.Apabila plasma mula mengembang di atas permukaan sasaran, pusat jisim plasma memperoleh halaju berserenjang dengan permukaan sasaran dengan tenaga 600 eV/n.Selepas pemanasan, plasma terus bergerak ke arah paksi dari sasaran, berkembang secara isotropik.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, plasma ablasi mengembang menjadi isipadu vakum yang dikelilingi oleh bekas logam dengan potensi yang sama dengan sasaran.Oleh itu, plasma hanyut melalui kawasan bebas medan ke arah pemecut RFQ.Medan magnet paksi digunakan di antara ruang penyinaran laser dan linac RFQ melalui lilitan gegelung solenoid di sekeliling ruang vakum.Medan magnet solenoid menyekat pengembangan jejari plasma hanyut untuk mengekalkan ketumpatan plasma yang tinggi semasa penghantaran ke apertur RFQ.Sebaliknya, plasma terus berkembang dalam arah paksi semasa hanyut, membentuk plasma memanjang.Pincang voltan tinggi dikenakan pada bekas logam yang mengandungi plasma di hadapan port keluar di salur masuk RFQ.Voltan pincang dipilih untuk menyediakan kadar suntikan 7Li3+ yang diperlukan untuk pecutan yang betul oleh RFQ linac.
Plasma ablasi yang terhasil mengandungi bukan sahaja 7Li3+, tetapi juga litium dalam keadaan caj lain dan unsur pencemar, yang diangkut secara serentak ke pemecut linear RFQ.Sebelum eksperimen dipercepatkan menggunakan linac RFQ, analisis masa penerbangan luar talian (TOF) dilakukan untuk mengkaji komposisi dan pengagihan tenaga ion dalam plasma.Persediaan analisis terperinci dan pengagihan keadaan caj yang diperhatikan dijelaskan dalam bahagian Kaedah.Analisis menunjukkan bahawa ion 7Li3+ adalah zarah utama, menyumbang kira-kira 54% daripada semua zarah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Menurut analisis, arus ion 7Li3+ pada titik keluaran rasuk ion dianggarkan pada 1.87 mA.Semasa ujian dipercepatkan, medan solenoid 79 mT digunakan pada plasma yang mengembang.Akibatnya, arus 7Li3+ yang diekstrak daripada plasma dan diperhatikan pada pengesan meningkat dengan faktor 30.
Pecahan ion dalam plasma janaan laser yang diperoleh melalui analisis masa penerbangan.Ion 7Li1+ dan 7Li2+ membentuk 5% dan 25% daripada pancaran ion, masing-masing.Pecahan zarah 6Li yang dikesan bersetuju dengan kandungan semula jadi 6Li (7.6%) dalam sasaran kerajang litium dalam ralat eksperimen.Pencemaran oksigen sedikit (6.2%) telah diperhatikan, terutamanya O1+ (2.1%) dan O2+ (1.5%), yang mungkin disebabkan oleh pengoksidaan permukaan sasaran kerajang litium.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, plasma litium hanyut di kawasan tanpa medan sebelum memasuki linac RFQ.Input linac RFQ mempunyai lubang diameter 6 mm dalam bekas logam, dan voltan pincang ialah 52 kV.Walaupun voltan elektrod RFQ berubah dengan cepat ±29 kV pada 100 MHz, voltan menyebabkan pecutan paksi kerana elektrod pemecut RFQ mempunyai potensi purata sifar.Disebabkan oleh medan elektrik yang kuat yang dijana dalam jurang 10 mm antara apertur dan pinggir elektrod RFQ, hanya ion plasma positif diekstrak daripada plasma pada apertur.Dalam sistem penghantaran ion tradisional, ion dipisahkan daripada plasma oleh medan elektrik pada jarak yang agak jauh di hadapan pemecut RFQ dan kemudian difokuskan ke dalam apertur RFQ oleh elemen pemfokusan rasuk.Walau bagaimanapun, untuk rasuk ion berat sengit yang diperlukan untuk sumber neutron sengit, daya tolakan bukan linear akibat kesan caj ruang boleh membawa kepada kehilangan arus rasuk yang ketara dalam sistem pengangkutan ion, mengehadkan arus puncak yang boleh dipercepatkan.Dalam DPIS kami, ion berintensiti tinggi diangkut sebagai plasma hanyut terus ke titik keluar apertur RFQ, jadi tiada kehilangan pancaran ion akibat caj ruang.Semasa demonstrasi ini, DPIS telah digunakan pada rasuk litium-ion buat kali pertama.
Struktur RFQ telah dibangunkan untuk memfokus dan mempercepatkan rasuk ion arus tinggi tenaga rendah dan telah menjadi standard untuk pecutan tertib pertama.Kami menggunakan RFQ untuk mempercepatkan ion 7Li3+ daripada tenaga implan 22 keV/n kepada 204 keV/n.Walaupun litium dan zarah lain dengan cas yang lebih rendah dalam plasma juga diekstrak daripada plasma dan disuntik ke dalam apertur RFQ, linac RFQ hanya mempercepatkan ion dengan nisbah cas-ke-jisim (Q/A) menghampiri 7Li3+.
Pada rajah.Rajah 4 menunjukkan bentuk gelombang yang dikesan oleh pengubah semasa (CT) pada output linac RFQ dan cawan Faraday (FC) selepas menganalisis magnet, seperti yang ditunjukkan dalam rajah.2. Peralihan masa antara isyarat boleh ditafsirkan sebagai perbezaan masa penerbangan di lokasi pengesan.Arus ion puncak yang diukur pada CT ialah 43 mA.Dalam kedudukan RT, rasuk berdaftar boleh mengandungi bukan sahaja ion yang dipercepatkan kepada tenaga yang dikira, tetapi juga ion selain daripada 7Li3+, yang tidak cukup dipercepatkan.Walau bagaimanapun, persamaan bentuk arus ion yang ditemui melalui QD dan PC menunjukkan bahawa arus ion terutamanya terdiri daripada 7Li3+ dipercepatkan, dan penurunan nilai puncak arus pada PC disebabkan oleh kehilangan rasuk semasa pemindahan ion antara QD dan PC.Kerugian Ini juga disahkan oleh simulasi sampul surat.Untuk mengukur arus rasuk 7Li3+ dengan tepat, rasuk dianalisis dengan magnet dipol seperti yang diterangkan dalam bahagian seterusnya.
Osilogram bagi rasuk dipercepatkan direkodkan dalam kedudukan pengesan CT (lengkung hitam) dan FC (lengkung merah).Pengukuran ini dicetuskan oleh pengesanan sinaran laser oleh pengesan foto semasa penjanaan plasma laser.Lengkung hitam menunjukkan bentuk gelombang yang diukur pada CT yang disambungkan kepada output linac RFQ.Oleh kerana jaraknya yang hampir dengan linac RFQ, pengesan menangkap hingar RF 100 MHz, jadi penapis FFT pas rendah 98 MHz digunakan untuk mengeluarkan isyarat RF resonan 100 MHz yang ditindih pada isyarat pengesanan.Lengkung merah menunjukkan bentuk gelombang pada FC selepas magnet analisis mengarahkan pancaran ion 7Li3+.Dalam medan magnet ini, selain daripada 7Li3+, N6+ dan O7+ boleh diangkut.
Rasuk ion selepas linac RFQ difokuskan oleh satu siri tiga magnet memfokus empat kali ganda dan kemudian dianalisis oleh magnet dipol untuk mengasingkan kekotoran dalam rasuk ion.Medan magnet 0.268 T mengarahkan rasuk 7Li3+ ke dalam FC.Bentuk gelombang pengesanan medan magnet ini ditunjukkan sebagai lengkung merah dalam Rajah 4. Arus rasuk puncak mencapai 35 mA, iaitu lebih daripada 100 kali lebih tinggi daripada rasuk Li3+ biasa yang dihasilkan dalam pemecut elektrostatik konvensional sedia ada.Lebar nadi rasuk ialah 2.0 µs pada lebar penuh pada separuh maksimum.Pengesanan rasuk 7Li3+ dengan medan magnet dipol menunjukkan tandan dan pecutan rasuk yang berjaya.Arus pancaran ion yang dikesan oleh FC semasa mengimbas medan magnet dipol ditunjukkan dalam Rajah 5. Satu puncak bersih diperhatikan, dipisahkan dengan baik daripada puncak lain.Oleh kerana semua ion yang dipercepatkan kepada tenaga reka bentuk oleh RFQ linac mempunyai kelajuan yang sama, rasuk ion dengan Q/A yang sama sukar dipisahkan oleh medan magnet dipol.Oleh itu, kita tidak boleh membezakan 7Li3+ daripada N6+ atau O7+.Walau bagaimanapun, jumlah kekotoran boleh dianggarkan dari keadaan cas yang berdekatan.Contohnya, N7+ dan N5+ boleh dipisahkan dengan mudah, manakala N6+ mungkin sebahagian daripada kekotoran dan dijangka hadir dalam jumlah yang hampir sama dengan N7+ dan N5+.Anggaran tahap pencemaran adalah kira-kira 2%.
Spektrum komponen rasuk diperoleh dengan mengimbas medan magnet dipol.Puncak pada 0.268 T sepadan dengan 7Li3+ dan N6+.Lebar puncak bergantung pada saiz rasuk pada celah.Walaupun puncak yang luas, 7Li3+ memisahkan dengan baik daripada 6Li3+, O6+ dan N5+, tetapi berpisah dengan baik daripada O7+ dan N6+.
Di lokasi FC, profil pancaran telah disahkan dengan scintillator plug-in dan dirakam dengan kamera digital pantas seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6. Rasuk berdenyut 7Li3+ dengan arus 35 mA ditunjukkan untuk dipercepatkan kepada RFQ yang dikira tenaga 204 keV/n, yang sepadan dengan 1.4 MeV , dan dihantar ke pengesan FC.
Profil pancaran diperhatikan pada skrin scintillator pra-FC (diwarnai oleh Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Medan magnet magnet dipol analitik telah ditala untuk mengarahkan pecutan pancaran ion Li3+ ke RFQ tenaga reka bentuk.Titik biru di kawasan hijau disebabkan oleh bahan scintillator yang rosak.
Kami mencapai penjanaan ion 7Li3+ melalui ablasi laser pada permukaan kerajang litium pepejal, dan pancaran ion arus tinggi telah ditangkap dan dipercepatkan dengan linac RFQ yang direka khas menggunakan DPIS.Pada tenaga rasuk 1.4 MeV, arus puncak 7Li3+ dicapai pada FC selepas analisis magnet ialah 35 mA.Ini mengesahkan bahawa bahagian terpenting dalam pelaksanaan sumber neutron dengan kinematik songsang telah dilaksanakan secara eksperimen.Dalam bahagian kertas ini, keseluruhan reka bentuk sumber neutron padat akan dibincangkan, termasuk pemecut tenaga tinggi dan stesen sasaran neutron.Reka bentuk adalah berdasarkan keputusan yang diperoleh dengan sistem sedia ada di makmal kami.Perlu diingatkan bahawa arus puncak pancaran ion boleh ditingkatkan lagi dengan memendekkan jarak antara kerajang litium dan linac RFQ.nasi.7 menggambarkan keseluruhan konsep sumber neutron padat yang dicadangkan pada pemecut.
Reka bentuk konsep sumber neutron padat yang dicadangkan pada pemecut (dilukis oleh Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Dari kanan ke kiri: sumber ion laser, magnet solenoid, RFQ linac, pemindahan rasuk tenaga sederhana (MEBT), IH linac, dan ruang interaksi untuk penjanaan neutron.Perlindungan sinaran disediakan terutamanya dalam arah hadapan kerana sifat rasuk neutron yang dihasilkan secara sempit.
Selepas linac RFQ, pecutan selanjutnya bagi struktur H antara-digital (linac IH)30 dirancang.IH linac menggunakan struktur tiub hanyut mod π untuk memberikan kecerunan medan elektrik yang tinggi pada julat kelajuan tertentu.Kajian konseptual dijalankan berdasarkan simulasi dinamik longitudinal 1D dan simulasi cangkerang 3D.Pengiraan menunjukkan bahawa linac 100 MHz IH dengan voltan tiub hanyut yang munasabah (kurang daripada 450 kV) dan magnet fokus yang kuat boleh mempercepatkan rasuk 40 mA dari 1.4 hingga 14 MeV pada jarak 1.8 m.Pengagihan tenaga pada penghujung rantaian pemecut dianggarkan pada ± 0.4 MeV, yang tidak menjejaskan spektrum tenaga neutron yang dihasilkan oleh sasaran penukaran neutron dengan ketara.Di samping itu, emisitiviti rasuk adalah cukup rendah untuk memfokuskan rasuk ke tempat rasuk yang lebih kecil daripada yang biasanya diperlukan untuk magnet quadrupole kekuatan sederhana dan saiz.Dalam penghantaran pancaran tenaga sederhana (MEBT) antara linac RFQ dan linac IH, resonator pembentuk pancaran digunakan untuk mengekalkan struktur pembentuk pancaran.Tiga magnet quadrupole digunakan untuk mengawal saiz rasuk sisi.Strategi reka bentuk ini telah digunakan dalam banyak pemecut31,32,33.Jumlah panjang keseluruhan sistem dari sumber ion ke ruang sasaran dianggarkan kurang daripada 8 m, yang boleh dimuatkan dalam trak separuh treler standard.
Sasaran penukaran neutron akan dipasang terus selepas pemecut linear.Kami membincangkan reka bentuk stesen sasaran berdasarkan kajian lepas menggunakan senario kinematik songsang23.Sasaran penukaran yang dilaporkan termasuk bahan pepejal (polipropilena (C3H6) dan titanium hidrida (TiH2)) dan sistem sasaran gas.Setiap matlamat ada kelebihan dan kekurangan.Sasaran pepejal membenarkan kawalan ketebalan yang tepat.Lebih nipis sasaran, lebih tepat susunan spatial pengeluaran neutron.Walau bagaimanapun, sasaran sedemikian mungkin masih mempunyai beberapa tahap tindak balas nuklear dan sinaran yang tidak diingini.Sebaliknya, sasaran hidrogen boleh menyediakan persekitaran yang lebih bersih dengan menghapuskan pengeluaran 7Be, produk utama tindak balas nuklear.Walau bagaimanapun, hidrogen mempunyai keupayaan penghalang yang lemah dan memerlukan jarak fizikal yang besar untuk pelepasan tenaga yang mencukupi.Ini merugikan sedikit untuk pengukuran TOF.Di samping itu, jika filem nipis digunakan untuk mengelak sasaran hidrogen, adalah perlu untuk mengambil kira kehilangan tenaga sinar gamma yang dihasilkan oleh filem nipis dan pancaran litium kejadian.
LICORNE menggunakan sasaran polipropilena dan sistem sasaran telah dinaik taraf kepada sel hidrogen yang dimeterai dengan kerajang tantalum.Dengan mengandaikan arus rasuk 100 nA untuk 7Li34, kedua-dua sistem sasaran boleh menghasilkan sehingga 107 n/s/sr.Jika kami menggunakan penukaran hasil neutron yang didakwa ini kepada sumber neutron kami yang dicadangkan, maka rasuk dipacu litium 7 × 10-8 C boleh diperolehi untuk setiap nadi laser.Ini bermakna menembak laser hanya dua kali sesaat menghasilkan 40% lebih neutron daripada LICORNE boleh menghasilkan dalam satu saat dengan pancaran berterusan.Jumlah fluks boleh ditingkatkan dengan mudah dengan meningkatkan kekerapan pengujaan laser.Jika kita mengandaikan bahawa terdapat sistem laser 1 kHz di pasaran, fluks neutron purata boleh ditingkatkan dengan mudah kepada kira-kira 7 × 109 n/s/sr.
Apabila kita menggunakan sistem kadar ulangan yang tinggi dengan sasaran plastik, adalah perlu untuk mengawal penjanaan haba pada sasaran kerana, sebagai contoh, polipropilena mempunyai takat lebur rendah 145–175 °C dan kekonduksian terma rendah 0.1–0.22 W/ m/K.Untuk rasuk litium-ion 14 MeV, sasaran polipropilena setebal 7 µm adalah mencukupi untuk mengurangkan tenaga rasuk ke ambang tindak balas (13.098 MeV).Dengan mengambil kira jumlah kesan ion yang dihasilkan oleh satu tembakan laser pada sasaran, pelepasan tenaga ion litium melalui polipropilena dianggarkan pada 64 mJ/denyutan.Dengan mengandaikan bahawa semua tenaga dipindahkan dalam bulatan dengan diameter 10 mm, setiap nadi sepadan dengan kenaikan suhu kira-kira 18 K/nadi.Pelepasan tenaga pada sasaran polipropilena adalah berdasarkan andaian mudah bahawa semua kehilangan tenaga disimpan sebagai haba, tanpa sinaran atau kehilangan haba yang lain.Memandangkan peningkatan bilangan denyutan sesaat memerlukan penghapusan pembentukan haba, kita boleh menggunakan sasaran jalur untuk mengelakkan pelepasan tenaga pada titik yang sama23.Dengan mengandaikan tempat pancaran 10 mm pada sasaran dengan kadar ulangan laser 100 Hz, kelajuan pengimbasan pita polipropilena ialah 1 m/s.Kadar pengulangan yang lebih tinggi adalah mungkin jika pertindihan titik rasuk dibenarkan.
Kami juga menyiasat sasaran dengan bateri hidrogen, kerana rasuk pemacu yang lebih kuat boleh digunakan tanpa merosakkan sasaran.Rasuk neutron boleh ditala dengan mudah dengan menukar panjang ruang gas dan tekanan hidrogen di dalamnya.Kerajang logam nipis sering digunakan dalam pemecut untuk memisahkan kawasan gas sasaran daripada vakum.Oleh itu, adalah perlu untuk meningkatkan tenaga pancaran litium-ion kejadian untuk mengimbangi kehilangan tenaga pada kerajang.Pemasangan sasaran yang diterangkan dalam laporan 35 terdiri daripada bekas aluminium 3.5 cm panjang dengan tekanan gas H2 1.5 atm.Rasuk ion litium 16.75 MeV memasuki bateri melalui kerajang Ta 2.7 µm yang disejukkan udara, dan tenaga rasuk ion litium pada hujung bateri diperlahankan ke ambang tindak balas.Untuk meningkatkan tenaga pancaran bateri litium-ion daripada 14.0 MeV kepada 16.75 MeV, linac IH perlu dipanjangkan kira-kira 30 cm.
Pelepasan neutron daripada sasaran sel gas juga dikaji.Untuk sasaran gas LICORNE yang disebutkan di atas, simulasi GEANT436 menunjukkan bahawa neutron berorientasikan tinggi dijana di dalam kon, seperti ditunjukkan dalam Rajah 1 dalam [37].Rujukan 35 menunjukkan julat tenaga dari 0.7 hingga 3.0 MeV dengan bukaan kon maksimum 19.5° berbanding arah perambatan rasuk utama.Neutron berorientasikan tinggi boleh mengurangkan dengan ketara jumlah bahan pelindung pada kebanyakan sudut, mengurangkan berat struktur dan memberikan fleksibiliti yang lebih besar dalam pemasangan peralatan pengukuran.Dari sudut perlindungan sinaran, sebagai tambahan kepada neutron, sasaran gas ini memancarkan 478 keV sinar gamma secara isotropik dalam sistem koordinat centroid38.Sinar-γ ini dihasilkan hasil daripada pereputan 7Be dan penyahujaan 7Li, yang berlaku apabila pancaran Li primer mencecah tetingkap input Ta.Walau bagaimanapun, dengan menambah kolimator silinder 35 Pb/Cu yang tebal, latar belakang boleh dikurangkan dengan ketara.
Sebagai sasaran alternatif, seseorang boleh menggunakan tetingkap plasma [39, 40], yang memungkinkan untuk mencapai tekanan hidrogen yang agak tinggi dan kawasan spatial kecil penjanaan neutron, walaupun ia lebih rendah daripada sasaran pepejal.
Kami sedang menyiasat pilihan penyasaran penukaran neutron untuk pengagihan tenaga yang dijangkakan dan saiz rasuk rasuk ion litium menggunakan GEANT4.Simulasi kami menunjukkan taburan tenaga neutron dan taburan sudut yang konsisten untuk sasaran hidrogen dalam kesusasteraan di atas.Dalam mana-mana sistem sasaran, neutron berorientasikan tinggi boleh dihasilkan oleh tindak balas kinematik songsang yang didorong oleh rasuk 7Li3+ yang kuat pada sasaran yang kaya dengan hidrogen.Oleh itu, sumber neutron baharu boleh dilaksanakan dengan menggabungkan teknologi sedia ada.
Keadaan penyinaran laser menghasilkan semula eksperimen penjanaan rasuk ion sebelum demonstrasi dipercepatkan.Laser ialah sistem Nd:YAG nanosaat desktop dengan ketumpatan kuasa laser 1012 W/cm2, panjang gelombang asas 1064 nm, tenaga titik 800 mJ, dan tempoh nadi 6 ns.Diameter titik pada sasaran dianggarkan pada 100 µm.Oleh kerana logam litium (Alfa Aesar, 99.9% tulen) agak lembut, bahan yang dipotong tepat ditekan ke dalam acuan.Dimensi kerajang 25 mm × 25 mm, ketebalan 0.6 mm.Kerosakan seperti kawah berlaku pada permukaan sasaran apabila laser mengenainya, jadi sasaran digerakkan oleh platform bermotor untuk menyediakan bahagian segar permukaan sasaran dengan setiap pukulan laser.Untuk mengelakkan penggabungan semula disebabkan oleh sisa gas, tekanan dalam ruang disimpan di bawah julat 10-4 Pa.
Isipadu awal plasma laser adalah kecil, kerana saiz tempat laser ialah 100 μm dan dalam masa 6 ns selepas penjanaannya.Kelantangan boleh diambil sebagai titik tepat dan dikembangkan.Jika pengesan diletakkan pada jarak xm dari permukaan sasaran, maka isyarat yang diterima mematuhi hubungan: arus ion I, masa ketibaan ion t, dan lebar nadi τ.
Plasma yang dihasilkan dikaji dengan kaedah TOF dengan FC dan penganalisis ion tenaga (EIA) yang terletak pada jarak 2.4 m dan 3.85 m dari sasaran laser.FC mempunyai grid penekan yang dipincang oleh -5 kV untuk menghalang elektron.EIA mempunyai deflektor elektrostatik 90 darjah yang terdiri daripada dua elektrod silinder logam sepaksi dengan voltan yang sama tetapi kekutuban bertentangan, positif di luar dan negatif di dalam.Plasma yang mengembang diarahkan ke dalam deflektor di belakang slot dan dipesongkan oleh medan elektrik yang melalui silinder.Ion yang memenuhi perhubungan E/z = eKU dikesan menggunakan Pengganda Elektron Sekunder (SEM) (Hamatsu R2362), di mana E, z, e, K, dan U ialah tenaga ion, keadaan cas dan cas ialah faktor geometri EIA .elektron, masing-masing, dan beza keupayaan antara elektrod.Dengan menukar voltan merentasi pemesong, seseorang boleh mendapatkan tenaga dan pengedaran cas ion dalam plasma.Voltan sapuan U/2 EIA berada dalam julat dari 0.2 V hingga 800 V, yang sepadan dengan tenaga ion dalam julat dari 4 eV hingga 16 keV setiap keadaan cas.
Pengagihan keadaan caj ion yang dianalisis di bawah keadaan penyinaran laser yang diterangkan dalam bahagian "Penjanaan rasuk litium terlucut sepenuhnya" ditunjukkan dalam Rajah.8.
Analisis taburan keadaan cas ion.Berikut ialah profil masa ketumpatan arus ion yang dianalisis dengan EIA dan berskala pada 1 m dari kerajang litium menggunakan persamaan.(1) dan (2).Gunakan keadaan penyinaran laser yang diterangkan dalam bahagian "Penjanaan Rasuk Litium Terkelupas Sepenuhnya".Dengan menyepadukan setiap ketumpatan arus, perkadaran ion dalam plasma dikira, ditunjukkan dalam Rajah 3.
Sumber ion laser boleh menghantar pancaran ion berbilang mA yang sengit dengan cas yang tinggi.Walau bagaimanapun, penghantaran rasuk sangat sukar kerana penolakan caj ruang, jadi ia tidak digunakan secara meluas.Dalam skema tradisional, rasuk ion diekstrak daripada plasma dan diangkut ke pemecut utama di sepanjang garis rasuk dengan beberapa magnet fokus untuk membentuk rasuk ion mengikut keupayaan pikap pemecut.Dalam rasuk daya cas ruang, rasuk menyimpang secara tidak linear, dan kehilangan rasuk yang serius diperhatikan, terutamanya di kawasan halaju rendah.Untuk mengatasi masalah ini dalam pembangunan pemecut karbon perubatan, satu skim penghantaran rasuk DPIS41 baharu dicadangkan.Kami telah menggunakan teknik ini untuk mempercepatkan pancaran litium-ion yang berkuasa daripada sumber neutron baharu.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.4, ruang di mana plasma dijana dan dikembangkan dikelilingi oleh bekas logam.Ruang tertutup memanjang ke pintu masuk ke resonator RFQ, termasuk isipadu di dalam gegelung solenoid.Voltan 52 kV telah digunakan pada bekas.Dalam resonator RFQ, ion ditarik oleh potensi melalui lubang diameter 6 mm dengan membumikan RFQ.Daya tolakan bukan linear pada garis pancaran disingkirkan apabila ion diangkut dalam keadaan plasma.Di samping itu, seperti yang dinyatakan di atas, kami menggunakan medan solenoid dalam kombinasi dengan DPIS untuk mengawal dan meningkatkan ketumpatan ion dalam apertur pengekstrakan.
Pemecut RFQ terdiri daripada kebuk vakum silinder seperti yang ditunjukkan dalam rajah.9a.Di dalamnya, empat batang kuprum bebas oksigen diletakkan quadrupole-simetri di sekeliling paksi rasuk (Rajah 9b).4 rod dan ruang membentuk litar RF resonans.Medan RF teraruh mencipta voltan yang berubah-ubah masa merentasi rod.Ion yang ditanam secara longitudinal di sekeliling paksi dipegang secara sisi oleh medan kuadrupol.Pada masa yang sama, hujung rod dimodulasi untuk mencipta medan elektrik bersama paksi.Medan paksi membelah rasuk berterusan yang disuntik kepada satu siri denyutan rasuk yang dipanggil rasuk.Setiap rasuk terkandung dalam masa kitaran RF tertentu (10 ns).Rasuk bersebelahan dijarakkan mengikut tempoh frekuensi radio.Dalam linac RFQ, rasuk 2 µs daripada sumber ion laser ditukar kepada urutan 200 rasuk.Rasuk kemudiannya dipercepatkan kepada tenaga yang dikira.
Pemecut linear RFQ.(a) (kiri) Pandangan luar ruang linac RFQ.(b) (kanan) Elektrod empat batang dalam kebuk.
Parameter reka bentuk utama RFQ linac ialah voltan rod, frekuensi resonans, jejari lubang rasuk, dan modulasi elektrod.Pilih voltan pada rod ± 29 kV supaya medan elektriknya berada di bawah ambang kerosakan elektrik.Semakin rendah frekuensi resonans, semakin besar daya pemfokusan sisi dan semakin kecil medan pecutan purata.Jejari apertur yang besar memungkinkan untuk meningkatkan saiz rasuk dan, akibatnya, meningkatkan arus rasuk disebabkan oleh tolakan cas ruang yang lebih kecil.Sebaliknya, jejari apertur yang lebih besar memerlukan lebih banyak kuasa RF untuk menggerakkan linac RFQ.Di samping itu, ia dihadkan oleh keperluan kualiti tapak.Berdasarkan baki ini, frekuensi resonans (100 MHz) dan jejari apertur (4.5 mm) telah dipilih untuk pecutan rasuk arus tinggi.Modulasi dipilih untuk meminimumkan kehilangan rasuk dan memaksimumkan kecekapan pecutan.Reka bentuk ini telah dioptimumkan berkali-kali untuk menghasilkan reka bentuk linac RFQ yang boleh mempercepatkan ion 7Li3+ pada 40 mA daripada 22 keV/n kepada 204 keV/n dalam 2 m.Kuasa RF yang diukur semasa eksperimen ialah 77 kW.
Linac RFQ boleh mempercepatkan ion dengan julat Q/A tertentu.Oleh itu, apabila menganalisis rasuk yang disalurkan ke hujung pemecut linear, adalah perlu untuk mengambil kira isotop dan bahan lain.Di samping itu, ion yang dikehendaki, sebahagiannya dipercepatkan, tetapi diturunkan di bawah keadaan pecutan di tengah-tengah pemecut, masih boleh memenuhi kurungan sisi dan boleh diangkut ke penghujung.Sinar yang tidak diingini selain daripada zarah 7Li3+ yang direka bentuk dipanggil kekotoran.Dalam eksperimen kami, kekotoran 14N6+ dan 16O7+ adalah yang paling membimbangkan, kerana kerajang logam litium bertindak balas dengan oksigen dan nitrogen di udara.Ion ini mempunyai nisbah Q/A yang boleh dipercepatkan dengan 7Li3+.Kami menggunakan magnet dipol untuk memisahkan rasuk yang berbeza kualiti dan kualiti untuk analisis rasuk selepas linac RFQ.
Garisan rasuk selepas linac RFQ direka untuk menghantar rasuk 7Li3+ dipercepatkan sepenuhnya ke FC selepas magnet dipol.Elektrod pincang -400 V digunakan untuk menekan elektron sekunder dalam cawan untuk mengukur arus pancaran ion dengan tepat.Dengan optik ini, trajektori ion dipisahkan kepada dipol dan difokuskan di tempat yang berbeza bergantung pada Q/A.Disebabkan oleh pelbagai faktor seperti resapan momentum dan tolakan cas ruang, rasuk pada fokus mempunyai lebar tertentu.Spesies hanya boleh dipisahkan jika jarak antara kedudukan fokus kedua-dua spesies ion lebih besar daripada lebar rasuk.Untuk mendapatkan resolusi tertinggi yang mungkin, celah mendatar dipasang berhampiran pinggang rasuk, di mana rasuk secara praktikal tertumpu.Skrin kilauan (CsI(Tl) dari Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) telah dipasang di antara celah dan PC.Sintilator digunakan untuk menentukan celah terkecil yang perlu dilalui oleh zarah yang direka bentuk untuk resolusi optimum dan untuk menunjukkan saiz rasuk yang boleh diterima untuk rasuk ion berat arus tinggi.Imej rasuk pada scintillator dirakam oleh kamera CCD melalui tingkap vakum.Laraskan tetingkap masa pendedahan untuk menutup keseluruhan lebar nadi pancaran.
Set data yang digunakan atau dianalisis dalam kajian semasa tersedia daripada pengarang masing-masing atas permintaan yang munasabah.
Manke, I. et al.Pengimejan tiga dimensi domain magnetik.Komune kebangsaan.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Kemungkinan mengkaji sumber neutron padat pada pemecut.fizik.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Mikrotomografi berkomputer berasaskan neutron: Pliobates cataloniae dan Barberapithecus huerzeleri sebagai kes ujian.ya.J. Fizik.antropologi.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).