304L 6.35*1mm Rustfrit stål spiralrør leverandører, demonstration af en intens lithium stråle til generering af pulserende direkte neutroner

Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Sliders, der viser tre artikler pr. slide.Brug tilbage- og næste-knapperne til at flytte gennem diasene, eller dias-controllerknapperne i slutningen til at flytte gennem hvert dias.

Som et alternativ til studiet af atomreaktorer kan en kompakt acceleratordrevet neutrongenerator, der bruger en lithium-ion-stråledriver, være en lovende kandidat, fordi den producerer lidt uønsket stråling.Det var imidlertid vanskeligt at levere en intens stråle af lithiumioner, og den praktiske anvendelse af sådanne enheder blev anset for umulig.Det mest akutte problem med utilstrækkelig ionstrøm blev løst ved at anvende et direkte plasmaimplantationsskema.I dette skema injiceres et højdensitets pulseret plasma genereret ved laserablation af en lithiummetalfolie effektivt og accelereres af en højfrekvent quadrupole accelerator (RFQ accelerator).Vi har opnået en spidsstrålestrøm på 35 mA accelereret til 1,43 MeV, hvilket er to størrelsesordener højere end konventionelle injektor- og acceleratorsystemer kan levere.
I modsætning til røntgenstråler eller ladede partikler har neutroner en stor penetrationsdybde og unik interaktion med kondenseret stof, hvilket gør dem til ekstremt alsidige sonder til at studere materialers egenskaber1,2,3,4,5,6,7.Især neutronspredningsteknikker bruges almindeligvis til at studere sammensætningen, strukturen og indre spændinger i kondenseret stof og kan give detaljerede oplysninger om sporforbindelser i metallegeringer, som er svære at påvise ved hjælp af røntgenspektroskopi8.Denne metode betragtes som et kraftfuldt værktøj i grundlæggende videnskab og bruges af producenter af metaller og andre materialer.For nylig er neutrondiffraktion blevet brugt til at detektere resterende spændinger i mekaniske komponenter såsom jernbane- og flydele9,10,11,12.Neutroner bruges også i olie- og gasbrønde, fordi de let fanges af protonrige materialer13.Lignende metoder bruges også i anlægsarbejder.Ikke-destruktiv neutrontest er et effektivt værktøj til at opdage skjulte fejl i bygninger, tunneller og broer.Brugen af ​​neutronstråler bruges aktivt i videnskabelig forskning og industri, hvoraf mange historisk er blevet udviklet ved hjælp af atomreaktorer.
Men med den globale konsensus om nuklear ikke-spredning bliver det stadig vanskeligere at bygge små reaktorer til forskningsformål.Desuden har den nylige Fukushima-ulykke gjort det næsten socialt acceptabelt at bygge atomreaktorer.I forbindelse med denne tendens vokser efterspørgslen efter neutronkilder ved acceleratorer2.Som et alternativ til atomreaktorer er flere store accelerator-spaltende neutronkilder allerede i drift14,15.Men for en mere effektiv udnyttelse af neutronstrålernes egenskaber er det nødvendigt at udvide brugen af ​​kompakte kilder ved acceleratorer, 16 som kan tilhøre industri- og universitetsforskningsinstitutioner.Acceleratorneutronkilder har tilføjet nye muligheder og funktioner ud over at tjene som erstatning for atomreaktorer14.For eksempel kan en linac-drevet generator nemt skabe en strøm af neutroner ved at manipulere drivstrålen.Når først de er udsendt, er neutroner svære at kontrollere, og strålingsmålinger er vanskelige at analysere på grund af støjen, der skabes af baggrundsneutroner.Pulserende neutroner styret af en accelerator undgår dette problem.Adskillige projekter baseret på protonacceleratorteknologi er blevet foreslået rundt om i verden17,18,19.Reaktionerne 7Li(p, n)7Be og 9Be(p, n)9B bruges oftest i protondrevne kompakte neutrongeneratorer, fordi de er endoterme reaktioner20.Overskydende stråling og radioaktivt affald kan minimeres, hvis den energi, der vælges til at excitere protonstrålen, er lidt over tærskelværdien.Imidlertid er massen af ​​målkernen meget større end protonernes, og de resulterende neutroner spredes i alle retninger.Så tæt på isotrop emission af en neutronflux forhindrer effektiv transport af neutroner til genstanden for undersøgelsen.For at opnå den nødvendige dosis neutroner på objektets placering er det desuden nødvendigt at øge både antallet af bevægelige protoner og deres energi betydeligt.Som et resultat vil store doser af gammastråler og neutroner forplante sig gennem store vinkler og ødelægge fordelen ved endoterme reaktioner.En typisk acceleratordrevet kompakt protonbaseret neutrongenerator har stærk strålingsafskærmning og er den mest omfangsrige del af systemet.Behovet for at øge energien til at drive protoner kræver normalt en yderligere forøgelse af størrelsen af ​​acceleratorfaciliteten.
For at overvinde de generelle mangler ved konventionelle kompakte neutronkilder ved acceleratorer blev der foreslået et inversionskinematisk reaktionsskema21.I dette skema bruges en tungere lithium-ion-stråle som en ledestråle i stedet for en protonstråle, rettet mod brintrige materialer såsom kulbrinteplast, hydrider, brintgas eller brintplasma.Alternativer er blevet overvejet, såsom beryllium-ion-drevne bjælker, men beryllium er et giftigt stof, der kræver særlig omhu ved håndtering.Derfor er en lithiumstråle den mest velegnede til inversion-kinematiske reaktionsskemaer.Da fremdriften af ​​lithiumkerner er større end protonernes, bevæger massecentret af kernekollisioner sig konstant fremad, og neutroner udsendes også fremad.Denne funktion eliminerer i høj grad uønskede gammastråler og højvinklede neutronemissioner22.En sammenligning af det sædvanlige tilfælde af en protonmotor og scenariet med omvendt kinematik er vist i figur 1.
Illustration af neutronproduktionsvinkler for proton- og lithiumstråler (tegnet med Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutroner kan udstødes i enhver retning som følge af reaktionen på grund af det faktum, at bevægelige protoner rammer de meget tungere atomer i lithiummålet.(b) Omvendt, hvis en lithium-ion-driver bombarderer et brintrigt mål, genereres neutroner i en smal kegle i fremadgående retning på grund af den høje hastighed af systemets massecenter.
Imidlertid eksisterer kun nogle få inverse kinematiske neutrongeneratorer på grund af vanskeligheden ved at generere den nødvendige flux af tunge ioner med en høj ladning sammenlignet med protoner.Alle disse anlæg bruger negative sputterionkilder i kombination med tandem elektrostatiske acceleratorer.Andre typer ionkilder er blevet foreslået for at øge effektiviteten af ​​stråleacceleration26.Under alle omstændigheder er den tilgængelige lithium-ion-strålestrøm begrænset til 100 µA.Det er blevet foreslået at bruge 1 mA Li3+27, men denne ionstrålestrøm er ikke blevet bekræftet med denne metode.Med hensyn til intensitet kan lithiumstråleacceleratorer ikke konkurrere med protonstråleacceleratorer, hvis spidsprotonstrøm overstiger 10 mA28.
For at implementere en praktisk kompakt neutrongenerator baseret på en lithium-ion stråle, er det fordelagtigt at generere høj intensitet fuldstændig fri for ioner.Ionerne accelereres og styres af elektromagnetiske kræfter, og et højere ladningsniveau resulterer i mere effektiv acceleration.Li-ion stråledrivere kræver Li3+ spidsstrømme på over 10 mA.
I dette arbejde demonstrerer vi accelerationen af ​​Li3+ stråler med spidsstrømme op til 35 mA, hvilket kan sammenlignes med avancerede protonacceleratorer.Den originale lithium-ionstråle blev skabt ved hjælp af laserablation og et Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) oprindeligt udviklet til at accelerere C6+.En specialdesignet radiofrekvens quadrupole linac (RFQ linac) blev fremstillet ved hjælp af en fire-stangs resonansstruktur.Vi har verificeret, at den accelererende stråle har den beregnede stråleenergi med høj renhed.Når først Li3+ strålen er effektivt fanget og accelereret af radiofrekvensacceleratoren (RF), bruges den efterfølgende linac (accelerator) sektion til at levere den nødvendige energi til at generere en stærk neutronflux fra målet.
Accelerationen af ​​højtydende ioner er en veletableret teknologi.Den resterende opgave med at realisere en ny højeffektiv kompakt neutrongenerator er at generere et stort antal fuldstændigt strippede lithiumioner og danne en klyngestruktur bestående af en række ionimpulser synkroniseret med RF-cyklussen i acceleratoren.Resultaterne af eksperimenter designet til at nå dette mål er beskrevet i de følgende tre underafsnit: (1) generering af en fuldstændig fri for lithium-ion-stråle, (2) stråleacceleration ved hjælp af en specialdesignet RFQ-linac og (3) acceleration af analyse af strålen for at kontrollere dens indhold.På Brookhaven National Laboratory (BNL) byggede vi den eksperimentelle opsætning vist i figur 2.
Oversigt over den eksperimentelle opsætning til accelereret analyse af lithiumstråler (illustreret af Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Fra højre til venstre genereres laser-ablativ plasma i laser-target-interaktionskammeret og leveres til RFQ-linac.Når ionerne kommer ind i RFQ-acceleratoren, adskilles ionerne fra plasmaet og injiceres i RFQ-acceleratoren gennem et pludseligt elektrisk felt skabt af en spændingsforskel på 52 kV mellem ekstraktionselektroden og RFQ-elektroden i driftområdet.De ekstraherede ioner accelereres fra 22 keV/n til 204 keV/n ved hjælp af 2 meter lange RFQ-elektroder.En strømtransformator (CT) installeret ved udgangen af ​​RFQ linac giver ikke-destruktiv måling af ionstrålestrømmen.Strålen fokuseres af tre quadrupolmagneter og rettes til en dipolmagnet, som adskiller og leder Li3+-strålen ind i detektoren.Bag spalten bruges en tilbagetrækkelig plastscintillator og en Faraday-kop (FC) med en bias på op til -400 V til at detektere den accelererende stråle.
For at generere fuldt ioniserede lithiumioner (Li3+), er det nødvendigt at skabe et plasma med en temperatur over dets tredje ioniseringsenergi (122,4 eV).Vi forsøgte at bruge laserablation til at producere højtemperaturplasma.Denne type laserionkilde er ikke almindeligt anvendt til at generere lithiumionstråler, fordi lithiummetal er reaktivt og kræver særlig håndtering.Vi har udviklet et målbelastningssystem for at minimere fugt og luftforurening ved installation af lithiumfolie i vakuumlaserens interaktionskammer.Alle forberedelser af materialer blev udført i et kontrolleret miljø af tør argon.Efter at lithiumfolien var installeret i lasermålkammeret, blev folien bestrålet med pulseret Nd:YAG laserstråling med en energi på 800 mJ pr. puls.Ved fokus på målet er lasereffekttætheden estimeret til at være omkring 1012 W/cm2.Plasma dannes, når en pulserende laser ødelægger et mål i et vakuum.Under hele 6 ns laserpulsen fortsætter plasmaet med at varme op, primært på grund af den omvendte bremsstrahlung-proces.Da der ikke påføres noget afgrænsende ydre felt under opvarmningsfasen, begynder plasmaet at udvide sig i tre dimensioner.Når plasmaet begynder at udvide sig over måloverfladen, opnår plasmaets massecenter en hastighed vinkelret på måloverfladen med en energi på 600 eV/n.Efter opvarmning fortsætter plasmaet med at bevæge sig i aksial retning fra målet og udvider sig isotropisk.
Som vist i figur 2 udvider ablationsplasmaet sig til et vakuumvolumen omgivet af en metalbeholder med samme potentiale som målet.Således driver plasmaet gennem det feltfrie område mod RFQ-acceleratoren.Et aksialt magnetfelt påføres mellem laserbestrålingskammeret og RFQ-linac ved hjælp af en magnetspole viklet rundt om vakuumkammeret.Magnetfeltet i solenoiden undertrykker den radiale udvidelse af det drivende plasma for at opretholde en høj plasmadensitet under levering til RFQ-åbningen.På den anden side fortsætter plasmaet med at udvide sig i den aksiale retning under driften og danner et aflangt plasma.En højspændingsforspænding påføres metalbeholderen, der indeholder plasmaet foran udgangsporten ved RFQ-indgangen.Forspændingen blev valgt for at give den nødvendige 7Li3+ injektionshastighed for korrekt acceleration af RFQ-linac.
Det resulterende ablationsplasma indeholder ikke kun 7Li3+, men også lithium i andre ladningstilstande og forurenende elementer, som samtidig transporteres til RFQ lineær acceleratoren.Forud for accelererede eksperimenter med RFQ linac blev der udført en offline time-of-flight (TOF) analyse for at studere sammensætningen og energifordelingen af ​​ioner i plasmaet.Den detaljerede analytiske opsætning og observerede ladningstilstandsfordelinger er forklaret i afsnittet Metoder.Analysen viste, at 7Li3+ ioner var hovedpartiklerne, der tegnede sig for omkring 54% af alle partikler, som vist i fig. 3. Ifølge analysen er 7Li3+ ionstrømmen ved ionstrålens udgangspunkt estimeret til 1,87 mA.Under accelererede test påføres et 79 mT solenoidefelt på det ekspanderende plasma.Som et resultat steg 7Li3+-strømmen, der blev ekstraheret fra plasmaet og observeret på detektoren, med en faktor på 30.
Fraktioner af ioner i lasergenereret plasma opnået ved time-of-flight analyse.7Li1+ og 7Li2+ ionerne udgør henholdsvis 5 % og 25 % af ionstrålen.Den detekterede fraktion af 6Li-partikler stemmer overens med det naturlige indhold af 6Li (7,6%) i lithiumfoliemålet inden for den eksperimentelle fejl.En let iltforurening (6,2%) blev observeret, hovedsageligt O1+ (2,1%) og O2+ (1,5%), hvilket kan skyldes oxidation af overfladen af ​​lithiumfoliemålet.
Som tidligere nævnt driver lithiumplasmaet i et feltløst område, før det kommer ind i RFQ-linac.Indgangen på RFQ linac har et hul på 6 mm i diameter i en metalbeholder, og forspændingen er 52 kV.Selvom RFQ-elektrodespændingen ændres hurtigt ±29 kV ved 100 MHz, forårsager spændingen aksial acceleration, fordi RFQ-acceleratorelektroderne har et gennemsnitligt potentiale på nul.På grund af det stærke elektriske felt, der genereres i 10 mm mellemrummet mellem åbningen og kanten af ​​RFQ-elektroden, udvindes kun positive plasmaioner fra plasmaet ved åbningen.I traditionelle ionleveringssystemer adskilles ioner fra plasmaet af et elektrisk felt i en betydelig afstand foran RFQ-acceleratoren og fokuseres derefter ind i RFQ-åbningen af ​​et strålefokuseringselement.Men for de intense tunge ionstråler, der kræves til en intens neutronkilde, kan ikke-lineære frastødende kræfter på grund af rumladningseffekter føre til betydelige strålestrømtab i iontransportsystemet, hvilket begrænser spidsstrømmen, der kan accelereres.I vores DPIS transporteres højintensive ioner som et drivende plasma direkte til udgangspunktet for RFQ-åbningen, så der er intet tab af ionstrålen på grund af rumladning.Under denne demonstration blev DPIS påført en lithium-ion-stråle for første gang.
RFQ-strukturen blev udviklet til at fokusere og accelerere lavenergi højstrøms ionstråler og er blevet standarden for førsteordens acceleration.Vi brugte RFQ til at accelerere 7Li3+ ioner fra en implantatenergi på 22 keV/n til 204 keV/n.Selvom lithium og andre partikler med en lavere ladning i plasmaet også ekstraheres fra plasmaet og injiceres i RFQ-åbningen, accelererer RFQ-linac kun ioner med et ladning-til-masseforhold (Q/A) tæt på 7Li3+.
På fig.Figur 4 viser de bølgeformer, der detekteres af strømtransformatoren (CT) ved udgangen af ​​RFQ-linac og Faraday-koppen (FC) efter at have analyseret magneten, som vist i fig.2. Tidsforskydningen mellem signalerne kan tolkes som forskellen i flyvetidspunktet ved detektorens placering.Den maksimale ionstrøm målt ved CT var 43 mA.I RT-positionen kan den registrerede stråle ikke kun indeholde ioner accelereret til den beregnede energi, men også andre ioner end 7Li3+, som ikke accelereres tilstrækkeligt.Men ligheden mellem ionstrømsformerne fundet ved hjælp af QD og PC indikerer, at ionstrømmen hovedsageligt består af accelereret 7Li3+, og faldet i spidsværdien af ​​strømmen på PC er forårsaget af stråletab under ionoverførsel mellem QD og PC.Tab Dette bekræftes også af kuvertsimuleringen.For nøjagtigt at måle 7Li3+ strålestrømmen analyseres strålen med en dipolmagnet som beskrevet i næste afsnit.
Oscillogrammer af den accelererede stråle optaget i detektorpositionerne CT (sort kurve) og FC (rød kurve).Disse målinger udløses af detektering af laserstråling af en fotodetektor under laserplasmagenerering.Den sorte kurve viser bølgeformen målt på en CT forbundet til RFQ linac output.På grund af dens nærhed til RFQ-linac opfanger detektoren 100 MHz RF-støj, så et 98 MHz lavpas FFT-filter blev anvendt for at fjerne det 100 MHz resonante RF-signal, der er overlejret på detektionssignalet.Den røde kurve viser bølgeformen ved FC efter den analytiske magnet retter 7Li3+ ionstrålen.I dette magnetfelt kan der udover 7Li3+ transporteres N6+ og O7+.
Ionstrålen efter RFQ linac fokuseres af en serie på tre quadrupol fokuseringsmagneter og analyseres derefter af dipolmagneter for at isolere urenheder i ionstrålen.Et magnetfelt på 0,268 T leder 7Li3+ strålerne ind i FC'en.Detektionsbølgeformen for dette magnetiske felt er vist som den røde kurve i figur 4. Spidsstrålestrømmen når 35 mA, hvilket er mere end 100 gange højere end en typisk Li3+-stråle produceret i eksisterende konventionelle elektrostatiske acceleratorer.Strålepulsbredden er 2,0 µs ved fuld bredde ved halv maksimum.Detekteringen af ​​en 7Li3+ stråle med et dipolmagnetisk felt indikerer vellykket samling og stråleacceleration.Ionstrålestrømmen detekteret af FC ved scanning af dipolens magnetiske felt er vist i fig. 5. En ren enkelt top blev observeret, godt adskilt fra andre toppe.Da alle ioner, der accelereres til designenergien af ​​RFQ-linacen, har samme hastighed, er ionstråler med samme Q/A vanskelige at adskille med dipolmagnetiske felter.Derfor kan vi ikke skelne 7Li3+ fra N6+ eller O7+.Mængden af ​​urenheder kan dog estimeres fra naboladningsstater.For eksempel kan N7+ og N5+ let adskilles, mens N6+ kan være en del af urenheden og forventes at være til stede i omtrent samme mængde som N7+ og N5+.Det estimerede forureningsniveau er omkring 2 %.
Strålekomponentspektre opnået ved at scanne et dipolmagnetisk felt.Toppen ved 0,268 T svarer til 7Li3+ og N6+.Spidsbredden afhænger af størrelsen af ​​bjælken på spalten.På trods af brede toppe adskiller 7Li3+ godt fra 6Li3+, O6+ og N5+, men adskiller sig dårligt fra O7+ og N6+.
På FC'ens placering blev stråleprofilen bekræftet med en plug-in scintillator og optaget med et hurtigt digitalkamera som vist i figur 6. Den 7Li3+ pulserende stråle med en strøm på 35 mA er vist at blive accelereret til en beregnet RFQ energi på 204 keV/n, hvilket svarer til 1,4 MeV, og sendes til FC-detektoren.
Stråleprofil observeret på en pre-FC scintillatorskærm (farvet af Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Det magnetiske felt af den analytiske dipolmagnet blev indstillet til at rette accelerationen af ​​Li3+ ionstrålen til designenergien RFQ.De blå prikker i det grønne område er forårsaget af defekt scintillatormateriale.
Vi opnåede generering af 7Li3+ ioner ved laserablation af overfladen af ​​en solid lithiumfolie, og en højstrøms ionstråle blev fanget og accelereret med en specielt designet RFQ linac ved hjælp af DPIS.Ved en stråleenergi på 1,4 MeV var spidsstrømmen på 7Li3+ nået på FC'en efter analyse af magneten 35 mA.Dette bekræfter, at den vigtigste del af implementeringen af ​​en neutronkilde med invers kinematik er blevet implementeret eksperimentelt.I denne del af papiret vil hele designet af en kompakt neutronkilde blive diskuteret, herunder højenergiacceleratorer og neutronmålstationer.Designet er baseret på resultater opnået med eksisterende systemer i vores laboratorium.Det skal bemærkes, at peakstrømmen af ​​ionstrålen kan øges yderligere ved at forkorte afstanden mellem lithiumfolien og RFQ-linacen.Ris.7 illustrerer hele konceptet med den foreslåede kompakte neutronkilde ved acceleratoren.
Konceptuelt design af den foreslåede kompakte neutronkilde ved acceleratoren (tegnet af Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Fra højre til venstre: laserionkilde, solenoidemagnet, RFQ linac, medium energy beam transfer (MEBT), IH linac og interaktionskammer til neutrongenerering.Strålingsbeskyttelse ydes primært i fremadgående retning på grund af den snævert rettede natur af de producerede neutronstråler.
Efter RFQ-linac er yderligere acceleration af den inter-digitale H-struktur (IH linac)30 linac planlagt.IH linacs bruger en π-mode driftrørstruktur til at give høje elektriske feltgradienter over et bestemt hastighedsområde.Den konceptuelle undersøgelse blev udført baseret på 1D longitudinel dynamiksimulering og 3D-skalsimulering.Beregninger viser, at en 100 MHz IH linac med en rimelig driftrørspænding (mindre end 450 kV) og en stærk fokuseringsmagnet kan accelerere en 40 mA stråle fra 1,4 til 14 MeV i en afstand på 1,8 m.Energifordelingen i slutningen af ​​acceleratorkæden estimeres til ± 0,4 MeV, hvilket ikke påvirker energispektret af neutroner produceret af neutronkonverteringsmålet signifikant.Derudover er stråleemissionsevnen lav nok til at fokusere strålen til et mindre strålepunkt, end det normalt ville være nødvendigt for en mellemstyrke og størrelse quadrupole magnet.Ved transmission af medium energistråle (MEBT) mellem RFQ-linac og IH-linac, bruges den stråledannende resonator til at opretholde den stråledannende struktur.Tre quadrupole magneter bruges til at styre størrelsen af ​​sidestrålen.Denne designstrategi er blevet brugt i mange acceleratorer31,32,33.Den samlede længde af hele systemet fra ionkilden til målkammeret er estimeret til at være mindre end 8 m, hvilket kan passe i en standard sættevogn.
Neutronkonverteringsmålet vil blive installeret direkte efter den lineære accelerator.Vi diskuterer målstationsdesign baseret på tidligere undersøgelser ved hjælp af inverse kinematiske scenarier23.Rapporterede konverteringsmål omfatter faste materialer (polypropylen (C3H6) og titaniumhydrid (TiH2)) og gasformige målsystemer.Hvert mål har fordele og ulemper.Solide mål tillader præcis tykkelseskontrol.Jo tyndere målet er, jo mere nøjagtigt er det rumlige arrangement af neutronproduktion.Sådanne mål kan dog stadig have en vis grad af uønskede nukleare reaktioner og stråling.På den anden side kan et brintmål give et renere miljø ved at eliminere produktionen af ​​7Be, hovedproduktet af den nukleare reaktion.Brint har dog en svag barriereevne og kræver en stor fysisk afstand for tilstrækkelig energifrigivelse.Dette er lidt ufordelagtigt for TOF-målinger.Desuden, hvis en tynd film bruges til at forsegle et brintmål, er det nødvendigt at tage hensyn til energitabet af gammastråler genereret af den tynde film og den indfaldende lithiumstråle.
LICORNE bruger polypropylenmål, og målsystemet er blevet opgraderet til brintceller forseglet med tantalfolie.Forudsat en strålestrøm på 100 nA for 7Li34, kan begge målsystemer producere op til 107 n/s/sr.Hvis vi anvender denne påståede neutronudbyttekonvertering til vores foreslåede neutronkilde, så kan en lithiumdrevet stråle på 7 × 10-8 C opnås for hver laserimpuls.Det betyder, at affyring af laseren blot to gange i sekundet producerer 40 % flere neutroner, end LICORNE kan producere på et sekund med en kontinuerlig stråle.Den totale flux kan nemt øges ved at øge laserens excitationsfrekvens.Hvis vi antager, at der er et 1 kHz lasersystem på markedet, kan den gennemsnitlige neutronflux let skaleres op til omkring 7 × 109 n/s/sr.
Når vi anvender systemer med høj gentagelseshastighed med plastmål, er det nødvendigt at kontrollere varmeudviklingen på målene, fordi for eksempel polypropylen har et lavt smeltepunkt på 145-175 °C og en lav varmeledningsevne på 0,1-0,22 W/ m/K.For en 14 MeV lithium-ion-stråle er et 7 µm tykt polypropylenmål tilstrækkeligt til at reducere stråleenergien til reaktionstærsklen (13.098 MeV).Under hensyntagen til den samlede effekt af ioner genereret af et laserskud på målet, estimeres energifrigivelsen af ​​lithiumioner gennem polypropylen til 64 mJ/puls.Hvis man antager, at al energien overføres i en cirkel med en diameter på 10 mm, svarer hver impuls til en temperaturstigning på cirka 18 K/puls.Energifrigivelse på polypropylenmål er baseret på den simple antagelse, at alle energitab lagres som varme, uden stråling eller andre varmetab.Da forøgelse af antallet af impulser pr. sekund kræver eliminering af varmeopbygning, kan vi bruge strimmelmål for at undgå energifrigivelse på samme punkt23.Hvis man antager en 10 mm stråleplet på et mål med en lasergentagelseshastighed på 100 Hz, ville scanningshastigheden af ​​polypropylenbåndet være 1 m/s.Højere gentagelseshastigheder er mulige, hvis strålepletoverlapning er tilladt.
Vi undersøgte også mål med brintbatterier, fordi stærkere drivstråler kunne bruges uden at beskadige målet.Neutronstrålen kan nemt indstilles ved at ændre længden af ​​gaskammeret og brinttrykket indeni.Tynde metalfolier bruges ofte i acceleratorer til at adskille målets gasformige område fra vakuum.Derfor er det nødvendigt at øge energien af ​​den indfaldende lithium-ion-stråle for at kompensere for energitabene på folien.Målsamlingen beskrevet i rapport 35 bestod af en aluminiumsbeholder 3,5 cm lang med et H2-gastryk på 1,5 atm.16,75 MeV lithium-ion-strålen kommer ind i batteriet gennem den luftkølede 2,7 µm Ta-folie, og energien af ​​lithium-ion-strålen for enden af ​​batteriet decelereres til reaktionstærsklen.For at øge stråleenergien i lithium-ion-batterier fra 14,0 MeV til 16,75 MeV, skulle IH linac forlænges med omkring 30 cm.
Emissionen af ​​neutroner fra gascellemål blev også undersøgt.For de førnævnte LICORNE-gasmål viser GEANT436-simuleringer, at højt orienterede neutroner genereres inde i keglen, som vist i figur 1 i [37].Reference 35 viser energiområdet fra 0,7 til 3,0 MeV med en maksimal kegleåbning på 19,5° i forhold til hovedstrålens udbredelsesretning.Meget orienterede neutroner kan betydeligt reducere mængden af ​​afskærmningsmateriale i de fleste vinkler, reducere vægten af ​​strukturen og give større fleksibilitet i installationen af ​​måleudstyr.Fra et strålingsbeskyttelsessynspunkt udsender dette gasformige mål foruden neutroner 478 keV gammastråler isotropisk i tyngdepunktskoordinatsystemet38.Disse γ-stråler produceres som et resultat af 7Be-henfald og 7Li-deexcitation, som opstår, når den primære Li-stråle rammer inputvinduet Ta.Ved at tilføje en tyk 35 Pb/Cu cylindrisk kollimator kan baggrunden dog reduceres betydeligt.
Som et alternativt mål kan man bruge et plasmavindue [39, 40], som gør det muligt at opnå et relativt højt brinttryk og et lille rumligt område af neutrongenerering, selvom det er ringere end faste mål.
Vi undersøger muligheder for målretning af neutronkonvertering for den forventede energifordeling og strålestørrelse af en lithium-ionstråle ved hjælp af GEANT4.Vores simuleringer viser en ensartet fordeling af neutronenergi og vinkelfordelinger for brintmål i ovenstående litteratur.I ethvert målsystem kan højt orienterede neutroner produceres ved en omvendt kinematisk reaktion drevet af en stærk 7Li3+ stråle på et brintrigt mål.Derfor kan nye neutronkilder implementeres ved at kombinere allerede eksisterende teknologier.
Laserbestrålingsbetingelserne reproducerede ionstrålegenereringseksperimenter forud for den accelererede demonstration.Laseren er et stationært nanosekund Nd:YAG-system med en lasereffekttæthed på 1012 W/cm2, en fundamental bølgelængde på 1064 nm, en pletenergi på 800 mJ og en pulsvarighed på 6 ns.Pletdiameteren på målet er estimeret til 100 µm.Fordi lithiummetal (Alfa Aesar, 99,9% ren) er ret blødt, presses det præcist skåret materiale ind i formen.Foliemål 25 mm × 25 mm, tykkelse 0,6 mm.Kraterlignende skade opstår på overfladen af ​​målet, når en laser rammer det, så målet flyttes af en motoriseret platform for at give en frisk del af målets overflade med hvert laserskud.For at undgå rekombination på grund af resterende gas blev trykket i kammeret holdt under området 10-4 Pa.
Det indledende volumen af ​​laserplasmaet er lille, da størrelsen af ​​laserpletten er 100 μm og inden for 6 ns efter dets generering.Volumen kan tages som et nøjagtigt punkt og udvides.Hvis detektoren er placeret i en afstand xm fra måloverfladen, så adlyder det modtagne signal forholdet: ionstrøm I, ionankomsttid t og pulsbredde τ.
Det genererede plasma blev undersøgt ved TOF-metoden med FC og en energiionanalysator (EIA) placeret i en afstand af 2,4 m og 3,85 m fra lasermålet.FC'en har et undertrykkergitter, der er forspændt med -5 kV for at forhindre elektroner.EIA'en har en 90 graders elektrostatisk deflektor bestående af to koaksiale cylindriske metalelektroder med samme spænding, men modsat polaritet, positiv på ydersiden og negativ på indersiden.Det ekspanderende plasma ledes ind i deflektoren bag spalten og afbøjes af det elektriske felt, der passerer gennem cylinderen.Ioner, der opfylder forholdet E/z = eKU, detekteres ved hjælp af en sekundær elektronmultiplikator (SEM) (Hamamatsu R2362), hvor E, z, e, K og U er ionenergien, ladningstilstanden og ladningen er EIA geometriske faktorer .henholdsvis elektroner og potentialforskellen mellem elektroderne.Ved at ændre spændingen over deflektoren kan man opnå energi- og ladningsfordelingen af ​​ioner i plasmaet.Sweepspændingen U/2 EIA ligger i området fra 0,2 V til 800 V, hvilket svarer til en ionenergi i området fra 4 eV til 16 keV pr. ladetilstand.
Fordelingerne af ladningstilstanden for de analyserede ioner under betingelserne for laserbestråling beskrevet i afsnittet "Generering af fuldt strippede lithiumstråler" er vist i fig.8.
Analyse af fordelingen af ​​ladningstilstanden for ioner.Her er ionstrømtæthedens tidsprofil analyseret med EIA og skaleret 1 m fra lithiumfolien ved hjælp af ligningen.(1) og (2).Brug laserbestrålingsbetingelserne beskrevet i afsnittet "Generering af en fuldstændig eksfolieret lithiumstråle".Ved at integrere hver strømtæthed blev andelen af ​​ioner i plasmaet beregnet, vist i figur 3.
Laserionkilder kan levere en intens multi-mA ionstråle med høj ladning.Imidlertid er strålelevering meget vanskelig på grund af rumladningsfrastødning, så den blev ikke brugt meget.I det traditionelle skema ekstraheres ionstråler fra plasmaet og transporteres til den primære accelerator langs en strålelinje med flere fokuseringsmagneter for at forme ionstrålen i overensstemmelse med acceleratorens opsamlingsevne.I rumladningskraftstråler divergerer strålerne ikke-lineært, og der observeres alvorlige stråletab, især i området med lave hastigheder.For at overvinde dette problem i udviklingen af ​​medicinske kulstofacceleratorer foreslås et nyt DPIS41-stråleleveringsskema.Vi har anvendt denne teknik til at accelerere en kraftig lithium-ion-stråle fra en ny neutronkilde.
Som vist i fig.4 er det rum, hvori plasmaet genereres og ekspanderes, omgivet af en metalbeholder.Det lukkede rum strækker sig til indgangen til RFQ-resonatoren, inklusive volumenet inde i magnetspolen.En spænding på 52 kV blev påført beholderen.I RFQ-resonatoren trækkes ioner af potentiale gennem et hul med en diameter på 6 mm ved at jorde RFQ'en.De ikke-lineære frastødende kræfter på strålelinjen elimineres, når ionerne transporteres i plasmatilstanden.Derudover har vi, som nævnt ovenfor, anvendt et solenoidfelt i kombination med DPIS for at kontrollere og øge tætheden af ​​ioner i ekstraktionsåbningen.
RFQ-acceleratoren består af et cylindrisk vakuumkammer som vist i fig.9a.Inde i den er fire stænger af iltfrit kobber placeret quadrupolsymmetrisk omkring stråleaksen (fig. 9b).4 stænger og kamre danner et resonant RF-kredsløb.Det inducerede RF-felt skaber en tidsvarierende spænding over stangen.Ioner implanteret i længderetningen omkring aksen holdes lateralt af quadrupolfeltet.Samtidig moduleres spidsen af ​​stangen for at skabe et aksialt elektrisk felt.Det aksiale felt opdeler den indsprøjtede kontinuerlige stråle i en række stråleimpulser kaldet en stråle.Hver stråle er indeholdt inden for en bestemt RF-cyklustid (10 ns).Tilstødende stråler er fordelt efter radiofrekvensperioden.I RFQ linac konverteres en 2 µs stråle fra en laserionkilde til en sekvens på 200 stråler.Strålen accelereres derefter til den beregnede energi.
Lineær accelerator RFQ.(a) (venstre) Udvendigt billede af RFQ linac-kammeret.(b) (højre) Firestangselektrode i kammeret.
De vigtigste designparametre for RFQ linac er stangspændingen, resonansfrekvensen, strålehulsradius og elektrodemodulation.Vælg spændingen på stangen ± 29 kV, så dens elektriske felt er under tærsklen for elektrisk gennembrud.Jo lavere resonansfrekvensen er, jo større er den laterale fokuseringskraft og jo mindre er det gennemsnitlige accelerationsfelt.Store blænderadier gør det muligt at øge strålestørrelsen og følgelig øge strålestrømmen på grund af den mindre rumladningsfrastødning.På den anden side kræver større blænderadier mere RF-effekt for at drive RFQ-linac.Derudover er det begrænset af webstedets kvalitetskrav.Baseret på disse balancer blev resonansfrekvensen (100 MHz) og blænderadius (4,5 mm) valgt til højstrømsstråleacceleration.Modulationen er valgt for at minimere stråletab og maksimere accelerationseffektiviteten.Designet er blevet optimeret mange gange til at producere et RFQ linac design, der kan accelerere 7Li3+ ioner ved 40 mA fra 22 keV/n til 204 keV/n inden for 2 m.RF-effekten målt under forsøget var 77 kW.
RFQ-linacs kan accelerere ioner med et specifikt Q/A-område.Derfor, når man analyserer en stråle, der føres til enden af ​​en lineær accelerator, er det nødvendigt at tage højde for isotoper og andre stoffer.Derudover kan de ønskede ioner, delvist accelererede, men nedsænkede under accelerationsforhold i midten af ​​acceleratoren, stadig møde sideværts indeslutning og kan transporteres til enden.Andre uønskede stråler end konstruerede 7Li3+-partikler kaldes urenheder.I vores forsøg var 14N6+ og 16O7+ urenheder af største bekymring, da lithiummetalfolien reagerer med ilt og nitrogen i luften.Disse ioner har et Q/A-forhold, der kan accelereres med 7Li3+.Vi bruger dipolmagneter til at adskille stråler af forskellig kvalitet og kvalitet til stråleanalyse efter RFQ-linac.
Strålelinjen efter RFQ linac er designet til at levere den fuldt accelererede 7Li3+ stråle til FC efter dipolmagneten.-400 V forspændingselektroder bruges til at undertrykke sekundære elektroner i koppen for nøjagtigt at måle ionstrålestrømmen.Med denne optik er ionbanerne adskilt i dipoler og fokuseret forskellige steder afhængigt af Q/A.På grund af forskellige faktorer som momentumdiffusion og rumladningsfrastødning har strålen ved fokus en vis bredde.Arterne kan kun adskilles, hvis afstanden mellem de to ionarters brændpunkter er større end strålebredden.For at opnå den højest mulige opløsning installeres en vandret slids nær stråletaljen, hvor strålen praktisk talt er koncentreret.En scintillationsskærm (CsI(Tl) fra Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) blev installeret mellem slidsen og pc'en.Scintillatoren blev brugt til at bestemme den mindste spalte, som de designede partikler skulle passere igennem for optimal opløsning og til at demonstrere acceptable strålestørrelser for tunge ionstråler med høj strøm.Strålebilledet på scintillatoren optages af et CCD-kamera gennem et vakuumvindue.Juster eksponeringstidsvinduet til at dække hele strålepulsbredden.
Datasæt brugt eller analyseret i den aktuelle undersøgelse er tilgængelige fra de respektive forfattere efter rimelig anmodning.
Manke, I. et al.Tredimensionel billeddannelse af magnetiske domæner.National kommune.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Muligheder for at studere kompakte neutronkilder ved acceleratorer.fysik.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neutronbaseret computermikrotomografi: Pliobates cataloniae og Barberapithecus huerzeleri som testcases.Ja.J. Fysik.antropologi.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).