304L 6.35*1mm Paslanmaz çelik sarmal boru tedarikçileri, Darbeli doğrudan nötronlar üretmek için yoğun bir lityum ışınının gösterilmesi

Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Ayrıca sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Slayt başına üç makale gösteren kaydırıcılar.Slaytlar arasında ilerlemek için geri ve ileri düğmelerini veya her slaytta ilerlemek için sondaki slayt denetleyici düğmelerini kullanın.

Nükleer reaktör çalışmalarına alternatif olarak, lityum iyon ışın sürücüsü kullanan kompakt, hızlandırıcıyla çalışan bir nötron jeneratörü, çok az istenmeyen radyasyon ürettiği için umut verici bir aday olabilir.Ancak yoğun bir lityum iyonu ışınını iletmek zordu ve bu tür cihazların pratik uygulamasının imkansız olduğu düşünülüyordu.Yetersiz iyon akışının en akut sorunu, doğrudan plazma implantasyon şeması uygulanarak çözüldü.Bu şemada, bir lityum metal folyonun lazerle ablasyonuyla üretilen yüksek yoğunluklu atımlı plazma, yüksek frekanslı dört kutuplu bir hızlandırıcı (RFQ hızlandırıcı) tarafından verimli bir şekilde enjekte edilir ve hızlandırılır.Geleneksel enjektör ve hızlandırıcı sistemlerinin sağlayabileceğinden iki kat daha yüksek olan, 1,43 MeV'ye hızlandırılmış 35 mA'lik bir tepe ışın akımı elde ettik.
X ışınlarının veya yüklü parçacıkların aksine, nötronlar geniş bir nüfuz derinliğine ve yoğun madde ile benzersiz bir etkileşime sahiptir; bu da onları malzemelerin özelliklerini incelemek için son derece çok yönlü problar haline getirir1,2,3,4,5,6,7.Özellikle, nötron saçılma teknikleri, yoğunlaştırılmış maddedeki bileşim, yapı ve iç gerilimleri incelemek için yaygın olarak kullanılır ve metal alaşımlarındaki, X-ışını spektroskopisi kullanılarak tespit edilmesi zor olan iz bileşikler hakkında ayrıntılı bilgi sağlayabilir8.Bu yöntem, temel bilimlerde güçlü bir araç olarak kabul edilir ve metal ve diğer malzeme üreticileri tarafından kullanılır.Daha yakın zamanlarda, ray ve uçak parçaları9,10,11,12 gibi mekanik bileşenlerdeki artık gerilimleri tespit etmek için nötron kırınımı kullanılmıştır.Nötronlar, proton açısından zengin malzemeler tarafından kolayca yakalandıkları için petrol ve gaz kuyularında da kullanılır13.Benzer yöntemler inşaat mühendisliğinde de kullanılmaktadır.Tahribatsız nötron testi binalarda, tünellerde ve köprülerde gizli hataların tespitinde etkili bir araçtır.Nötron ışınlarının kullanımı, çoğu tarihsel olarak nükleer reaktörler kullanılarak geliştirilen bilimsel araştırma ve endüstride aktif olarak kullanılmaktadır.
Ancak nükleer silahların yayılmasının önlenmesine ilişkin küresel fikir birliği nedeniyle araştırma amaçlı küçük reaktörler inşa etmek giderek zorlaşıyor.Dahası, son Fukushima kazası nükleer reaktörlerin inşasını neredeyse sosyal açıdan kabul edilebilir hale getirdi.Bu eğilimle bağlantılı olarak hızlandırıcılarda nötron kaynaklarına olan talep artıyor2.Nükleer reaktörlere alternatif olarak, birçok büyük hızlandırıcıyı bölen nötron kaynağı hâlihazırda faaliyettedir14,15.Ancak nötron ışınlarının özelliklerinin daha verimli kullanılması için, endüstriyel ve üniversite araştırma kurumlarına ait olabilecek hızlandırıcılarda (16) kompakt kaynakların kullanımının yaygınlaştırılması gerekmektedir.Hızlandırıcı nötron kaynakları, nükleer reaktörlerin yerini almanın yanı sıra yeni yetenekler ve işlevler de ekledi14.Örneğin, linakla çalışan bir jeneratör, tahrik ışınını manipüle ederek kolaylıkla bir nötron akışı oluşturabilir.Bir kez yayıldıktan sonra nötronların kontrol edilmesi zordur ve arka plandaki nötronların yarattığı gürültü nedeniyle radyasyon ölçümlerinin analiz edilmesi zordur.Bir hızlandırıcı tarafından kontrol edilen darbeli nötronlar bu sorunu ortadan kaldırır.Dünya çapında proton hızlandırıcı teknolojisine dayalı çeşitli projeler önerilmiştir17,18,19.7Li(p, n)7Be ve 9Be(p, n)9B reaksiyonları, endotermik reaksiyonlar oldukları için protonla çalışan kompakt nötron jeneratörlerinde en sık kullanılırlar20.Proton ışınını uyarmak için seçilen enerji eşik değerinin biraz üzerindeyse aşırı radyasyon ve radyoaktif atık en aza indirilebilir.Ancak hedef çekirdeğin kütlesi protonların kütlesinden çok daha büyüktür ve ortaya çıkan nötronlar her yöne dağılır.Bir nötron akısının izotropik emisyonuna bu kadar yakın olması, nötronların çalışma nesnesine verimli bir şekilde taşınmasını engeller.Ayrıca nesnenin bulunduğu yerde gerekli nötron dozunu elde etmek için hem hareketli protonların sayısını hem de enerjilerini önemli ölçüde artırmak gerekir.Sonuç olarak, büyük dozlarda gama ışınları ve nötronlar büyük açılardan yayılarak endotermik reaksiyonların avantajını ortadan kaldıracaktır.Tipik bir hızlandırıcıyla çalıştırılan kompakt proton bazlı nötron jeneratörü, güçlü bir radyasyon korumasına sahiptir ve sistemin en büyük parçasıdır.Protonları sürmenin enerjisini artırma ihtiyacı genellikle hızlandırıcı tesisinin boyutunda ek bir artış gerektirir.
Hızlandırıcılarda geleneksel kompakt nötron kaynaklarının genel eksikliklerinin üstesinden gelmek için bir ters kinematik reaksiyon şeması önerildi21.Bu şemada, hidrokarbon plastikleri, hidritler, hidrojen gazı veya hidrojen plazması gibi hidrojen açısından zengin malzemeleri hedef alan, proton ışını yerine kılavuz ışın olarak daha ağır bir lityum iyon ışını kullanılır.Berilyum iyonu ile çalışan ışınlar gibi alternatifler de değerlendirilmiştir; ancak berilyum, kullanımı sırasında özel dikkat gerektiren toksik bir maddedir.Bu nedenle, ters kinematik reaksiyon şemaları için en uygun olanı lityum ışınıdır.Lityum çekirdeklerinin momentumu protonların momentumundan daha büyük olduğundan, nükleer çarpışmaların kütle merkezi sürekli olarak ileri doğru hareket eder ve nötronlar da ileri doğru yayılır.Bu özellik, istenmeyen gama ışınlarını ve yüksek açılı nötron emisyonlarını büyük ölçüde ortadan kaldırır22.Bir proton motorunun olağan durumu ile ters kinematik senaryosunun karşılaştırması Şekil 1'de gösterilmektedir.
Proton ve lityum ışınları için nötron üretim açılarının çizimi (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html ile çizilmiş).(a) Hareket eden protonların lityum hedefinin çok daha ağır atomlarına çarpması nedeniyle reaksiyon sonucunda nötronlar herhangi bir yönde fırlatılabilir.(b) Tersine, eğer bir lityum iyon sürücüsü hidrojen açısından zengin bir hedefi bombalarsa, sistemin kütle merkezinin yüksek hızı nedeniyle nötronlar ileri yönde dar bir koni içinde üretilir.
Bununla birlikte, protonlara kıyasla yüksek yüklü ağır iyonların gerekli akışını üretmenin zorluğu nedeniyle yalnızca birkaç ters kinematik nötron üreteci mevcuttur.Bu tesislerin tümü, tandem elektrostatik hızlandırıcılarla birlikte negatif püskürtme iyon kaynaklarını kullanıyor.Işın ivmelenmesinin verimliliğini artırmak için başka tür iyon kaynakları önerilmiştir26.Her durumda mevcut lityum iyon ışın akımı 100 µA ile sınırlıdır.1 mA Li3+27 kullanılması önerilmiştir ancak bu iyon ışın akımı bu yöntemle doğrulanmamıştır.Yoğunluk açısından, lityum ışın hızlandırıcıları, tepe proton akımı 10 mA28'i aşan proton ışın hızlandırıcılarıyla rekabet edemez.
Lityum-iyon ışınına dayalı pratik bir kompakt nötron jeneratörü uygulamak için, iyonlardan tamamen yoksun yüksek yoğunlukta üretmek avantajlıdır.İyonlar elektromanyetik kuvvetler tarafından hızlandırılır ve yönlendirilir; daha yüksek bir yük seviyesi, daha etkili bir hızlanmayla sonuçlanır.Li-ion ışın sürücüleri, 10 mA'yı aşan Li3+ tepe akımlarına ihtiyaç duyar.
Bu çalışmada, gelişmiş proton hızlandırıcılarla karşılaştırılabilir olan, 35 mA'ya kadar tepe akımlarıyla Li3+ ışınlarının hızlanmasını gösteriyoruz.Orijinal lityum iyon ışını, lazer ablasyon ve orijinal olarak C6+'yı hızlandırmak için geliştirilen Doğrudan Plazma İmplantasyon Planı (DPIS) kullanılarak oluşturuldu.Özel olarak tasarlanmış bir radyo frekansı dört kutuplu linak (RFQ linak), dört çubuklu bir rezonans yapısı kullanılarak üretildi.Hızlanan ışının hesaplanan yüksek saflıkta ışın enerjisine sahip olduğunu doğruladık.Li3+ ışını radyo frekansı (RF) hızlandırıcı tarafından etkili bir şekilde yakalanıp hızlandırıldığında, sonraki linak (hızlandırıcı) bölümü, hedeften güçlü bir nötron akışı oluşturmak için gereken enerjiyi sağlamak için kullanılır.
Yüksek performanslı iyonların hızlandırılması köklü bir teknolojidir.Yeni, yüksek verimli kompakt bir nötron jeneratörü gerçekleştirmenin geri kalan görevi, çok sayıda tamamen soyulmuş lityum iyonu üretmek ve hızlandırıcıdaki RF döngüsüyle senkronize edilmiş bir dizi iyon darbesinden oluşan bir küme yapısı oluşturmaktır.Bu hedefe ulaşmak için tasarlanan deneylerin sonuçları, aşağıdaki üç alt bölümde açıklanmaktadır: (1) tamamen lityum iyon ışınının üretilmesi, (2) özel olarak tasarlanmış bir RFQ linak kullanılarak ışın hızlandırılması ve (3) analizin hızlandırılması. içeriğini kontrol etmek için ışının.Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda (BNL) Şekil 2'de gösterilen deney düzeneğini kurduk.
Lityum ışınlarının hızlandırılmış analizi için deney düzeneğine genel bakış (Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/ ile gösterilmiştir).Sağdan sola, lazer-hedef etkileşim odasında lazer ablatif plazma üretilir ve RFQ linac'a iletilir.RFQ hızlandırıcıya girdikten sonra iyonlar plazmadan ayrılır ve sürüklenme bölgesindeki ekstraksiyon elektrotu ile RFQ elektrotu arasındaki 52 kV'luk voltaj farkının yarattığı ani bir elektrik alanı aracılığıyla RFQ hızlandırıcıya enjekte edilir.Çıkarılan iyonlar, 2 metre uzunluğundaki RFQ elektrotları kullanılarak 22 keV/n'den 204 keV/n'ye hızlandırılır.RFQ linac'ın çıkışına takılan bir akım transformatörü (CT), iyon ışın akımının tahribatsız ölçümünü sağlar.Işın, üç dört kutuplu mıknatıs tarafından odaklanır ve Li3+ ışınını ayırıp dedektöre yönlendiren bir çift kutuplu mıknatısa yönlendirilir.Yarıkların arkasında, hızlanan ışını tespit etmek için geri çekilebilir bir plastik sintilatör ve -400 V'a kadar önyargılı bir Faraday kabı (FC) kullanılır.
Tamamen iyonize lityum iyonları (Li3+) üretmek için üçüncü iyonizasyon enerjisinin (122,4 eV) üzerinde sıcaklıkta bir plazma oluşturmak gerekir.Yüksek sıcaklıkta plazma üretmek için lazer ablasyonunu kullanmaya çalıştık.Bu tip lazer iyon kaynağı, lityum iyon ışınları üretmek için yaygın olarak kullanılmaz çünkü lityum metali reaktiftir ve özel kullanım gerektirir.Vakumlu lazer etkileşim odasına lityum folyo yerleştirirken nem ve hava kirliliğini en aza indirmek için bir hedef yükleme sistemi geliştirdik.Malzemelerin tüm hazırlıkları kontrollü bir kuru argon ortamında gerçekleştirildi.Lityum folyo lazer hedef odasına yerleştirildikten sonra folyo, darbe başına 800 mJ enerjide darbeli Nd:YAG lazer radyasyonu ile ışınlandı.Hedefe odaklanıldığında lazer güç yoğunluğunun yaklaşık 1012 W/cm2 olduğu tahmin edilmektedir.Plazma, darbeli bir lazerin vakumdaki bir hedefi yok etmesiyle oluşturulur.6 ns'lik lazer darbesinin tamamı boyunca plazma, esas olarak ters bremsstrahlung süreci nedeniyle ısınmaya devam eder.Isıtma aşamasında herhangi bir sınırlayıcı dış alan uygulanmadığından plazma üç boyutlu olarak genişlemeye başlar.Plazma hedef yüzey üzerinde genişlemeye başladığında, plazmanın kütle merkezi, 600 eV/n enerjiyle hedef yüzeye dik bir hız kazanır.Isıtmadan sonra plazma izotropik olarak genişleyerek hedeften eksenel yönde hareket etmeye devam eder.
Şekil 2'de gösterildiği gibi ablasyon plazması, hedefle aynı potansiyele sahip metal bir kapla çevrelenen bir vakum hacmine doğru genişler.Böylece plazma alansız bölgeden RFQ hızlandırıcıya doğru sürüklenir.Vakum odasının etrafına sarılan bir solenoid bobin vasıtasıyla lazer ışınlama odası ile RFQ lineer arasına eksenel bir manyetik alan uygulanır.Solenoidin manyetik alanı, RFQ açıklığına dağıtım sırasında yüksek plazma yoğunluğunu korumak için sürüklenen plazmanın radyal genleşmesini bastırır.Öte yandan plazma, sürüklenme sırasında eksenel yönde genişlemeye devam ederek uzun bir plazma oluşturur.RFQ girişindeki çıkış portunun önünde plazmayı içeren metal kaba yüksek voltaj öngerimi uygulanır.Öngerilim voltajı, RFQ linak tarafından uygun hızlanma için gereken 7Li3+ enjeksiyon hızını sağlayacak şekilde seçildi.
Ortaya çıkan ablasyon plazması yalnızca 7Li3+'yi değil, aynı zamanda RFQ doğrusal hızlandırıcıya eşzamanlı olarak taşınan diğer yük durumlarında lityum ve kirletici elementleri de içerir.RFQ linac kullanılarak hızlandırılmış deneylerden önce, plazmadaki iyonların bileşimini ve enerji dağılımını incelemek için çevrimdışı bir uçuş süresi (TOF) analizi yapıldı.Ayrıntılı analitik kurulum ve gözlemlenen şarj durumu dağılımları Yöntemler bölümünde açıklanmaktadır.Analiz, Şekil 3'te gösterildiği gibi 7Li3+ iyonlarının ana parçacıklar olduğunu ve tüm parçacıkların yaklaşık %54'ünü oluşturduğunu gösterdi. Analize göre, iyon ışını çıkış noktasındaki 7Li3+ iyon akımının 1,87 mA olduğu tahmin ediliyor.Hızlandırılmış testler sırasında genişleyen plazmaya 79 mT'lik bir solenoid alanı uygulanır.Sonuç olarak, plazmadan çıkarılan ve dedektörde gözlemlenen 7Li3+ akımı 30 kat arttı.
Uçuş süresi analiziyle elde edilen, lazerle üretilen plazmadaki iyon fraksiyonları.7Li1+ ve 7Li2+ iyonları iyon ışınının sırasıyla %5 ve %25'ini oluşturur.6Li parçacıklarının tespit edilen fraksiyonu, deneysel hata dahilinde lityum folyo hedefindeki doğal 6Li içeriğine (%7,6) uygundur.Lityum folyo hedefinin yüzeyinin oksidasyonundan kaynaklanabilecek, esas olarak O1+ (%2,1) ve O2+ (%1,5) olmak üzere hafif bir oksijen kirliliği (%6,2) gözlemlendi.
Daha önce de belirtildiği gibi, lityum plazma RFQ linak'a girmeden önce alansız bir bölgede sürüklenir.RFQ linac'ın girişi metal bir kapta 6 mm çapında bir deliğe sahiptir ve öngerilim voltajı 52 kV'dur.RFQ elektrot voltajı 100 MHz'de hızla ±29 kV değişse de, RFQ hızlandırıcı elektrotlarının ortalama potansiyeli sıfır olduğundan voltaj eksenel hızlanmaya neden olur.Açıklık ile RFQ elektrotunun kenarı arasındaki 10 mm'lik boşlukta oluşturulan güçlü elektrik alanı nedeniyle açıklıktaki plazmadan yalnızca pozitif plazma iyonları çıkarılır.Geleneksel iyon dağıtım sistemlerinde iyonlar, RFQ hızlandırıcının önünde önemli bir mesafede bulunan bir elektrik alanıyla plazmadan ayrılır ve daha sonra bir ışın odaklama elemanı aracılığıyla RFQ açıklığına odaklanır.Bununla birlikte, yoğun bir nötron kaynağı için gerekli olan yoğun ağır iyon ışınları için, uzay yükü etkilerinden kaynaklanan doğrusal olmayan itici kuvvetler, iyon taşıma sisteminde önemli ışın akımı kayıplarına yol açarak hızlandırılabilecek tepe akımını sınırlayabilir.DPIS'imizde, yüksek yoğunluklu iyonlar sürüklenen bir plazma olarak doğrudan RFQ açıklığının çıkış noktasına taşınır, böylece uzay yükü nedeniyle iyon ışınında herhangi bir kayıp olmaz.Bu gösteri sırasında DPIS ilk kez bir lityum iyon ışınına uygulandı.
RFQ yapısı, düşük enerjili yüksek akımlı iyon ışınlarını odaklamak ve hızlandırmak için geliştirildi ve birinci dereceden hızlandırma için standart haline geldi.7Li3+ iyonlarını 22 keV/n'lik bir implant enerjisinden 204 keV/n'ye hızlandırmak için RFQ'yu kullandık.Lityum ve plazmada daha düşük yüklü diğer parçacıklar da plazmadan çıkarılıp RFQ açıklığına enjekte edilmesine rağmen, RFQ linak yalnızca 7Li3+'ye yakın yük-kütle oranı (Q/A) olan iyonları hızlandırır.
Şek.Şekil 4, Şekil 2'de gösterildiği gibi mıknatıs analiz edildikten sonra RFQ linak ve Faraday kabının (FC) çıkışında akım transformatörü (CT) tarafından tespit edilen dalga biçimlerini göstermektedir.2. Sinyaller arasındaki zaman kayması, dedektörün bulunduğu yerdeki uçuş süresindeki fark olarak yorumlanabilir.BT'de ölçülen tepe iyon akımı 43 mA idi.RT konumunda, kayıtlı ışın yalnızca hesaplanan enerjiye hızlandırılmış iyonları değil aynı zamanda 7Li3+ dışında yeterince hızlandırılmamış iyonları da içerebilir.Ancak QD ve PC aracılığıyla bulunan iyon akım formlarının benzerliği, iyon akımının esas olarak hızlandırılmış 7Li3+'dan oluştuğunu ve PC'deki akımın tepe değerindeki azalmanın, QD ile PC arasındaki iyon transferi sırasındaki ışın kayıplarından kaynaklandığını göstermektedir. PC.Kayıplar Bu aynı zamanda zarf simülasyonu ile de doğrulanmaktadır.7Li3+ ışın akımını doğru bir şekilde ölçmek için ışın, bir sonraki bölümde açıklandığı gibi bir çift kutuplu mıknatısla analiz edilir.
Hızlandırılmış ışının osilogramları CT (siyah eğri) ve FC (kırmızı eğri) dedektör konumlarında kaydedilmiştir.Bu ölçümler, lazer plazma üretimi sırasında bir fotodetektör tarafından lazer radyasyonunun algılanmasıyla tetiklenir.Siyah eğri, RFQ linac çıkışına bağlı bir CT'de ölçülen dalga biçimini gösterir.RFQ linac'a yakınlığı nedeniyle dedektör 100 MHz RF gürültüsünü alır, dolayısıyla algılama sinyalinin üzerine bindirilen 100 MHz rezonans RF sinyalini çıkarmak için 98 MHz düşük geçişli bir FFT filtresi uygulandı.Kırmızı eğri, analitik mıknatısın 7Li3+ iyon ışınını yönlendirmesinden sonra FC'deki dalga biçimini gösterir.Bu manyetik alanda 7Li3+'nın yanı sıra N6+ ve O7+ da taşınabilmektedir.
RFQ linac'tan sonraki iyon ışını, bir dizi üç dört kutuplu odaklama mıknatısı tarafından odaklanır ve ardından iyon ışınındaki yabancı maddeleri izole etmek için çift kutuplu mıknatıslar tarafından analiz edilir.0,268 T'lik bir manyetik alan 7Li3+ ışınlarını FC'ye yönlendirir.Bu manyetik alanın algılama dalga biçimi Şekil 4'te kırmızı eğri olarak gösterilmektedir. Tepe ışın akımı 35 mA'ya ulaşır; bu, mevcut geleneksel elektrostatik hızlandırıcılarda üretilen tipik bir Li3+ ışınından 100 kat daha fazladır.Işın darbe genişliği tam genişlikte yarı maksimumda 2,0 µs'dir.Çift kutuplu manyetik alana sahip bir 7Li3+ ışınının tespiti, başarılı demetleme ve ışın hızlanmasını gösterir.Dipolün manyetik alanını tararken FC tarafından tespit edilen iyon ışını akımı Şekil 5'te gösterilmektedir. Diğer tepe noktalarından iyice ayrılmış, temiz bir tek tepe gözlendi.RFQ linac tarafından tasarım enerjisine hızlandırılan tüm iyonlar aynı hıza sahip olduğundan, aynı Q/A'ya sahip iyon ışınlarının dipol manyetik alanlar tarafından ayrılması zordur.Bu nedenle 7Li3+'yı N6+ veya O7+'dan ayırt edemeyiz.Ancak yabancı maddelerin miktarı komşu şarj durumlarından tahmin edilebilir.Örneğin N7+ ve N5+ kolayca ayrılabilirken, N6+ safsızlığın bir parçası olabilir ve N7+ ve N5+ ile yaklaşık aynı miktarda mevcut olması beklenir.Tahmini kirlilik seviyesi yaklaşık %2'dir.
Bir çift kutuplu manyetik alanın taranmasıyla elde edilen ışın bileşeni spektrumları.0,268 T'deki zirve 7Li3+ ve N6+'ya karşılık gelir.Tepe genişliği yarıktaki ışının boyutuna bağlıdır.Geniş zirvelere rağmen 7Li3+, 6Li3+, O6+ ve N5+'dan iyi ayrılıyor ancak O7+ ve N6+'dan zayıf ayrılıyor.
FC'nin konumunda ışın profili, Şekil 6'da gösterildiği gibi takılabilir sintilatörle doğrulandı ve hızlı bir dijital kamerayla kaydedildi. 35 mA akıma sahip 7Li3+ darbeli ışının, hesaplanan RFQ'ya kadar hızlandırıldığı gösterilmiştir. 1,4 MeV'ye karşılık gelen 204 keV/n'lik enerji FC dedektörüne iletilir.
FC öncesi bir sintilatör ekranında gözlemlenen ışın profili (Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/ ile renklendirilmiş).Analitik dipol mıknatısın manyetik alanı, Li3+ iyon ışınının hızlanmasını tasarım enerjisi RFQ'ya yönlendirecek şekilde ayarlandı.Yeşil alandaki mavi noktalar hatalı sintilatör malzemesinden kaynaklanmaktadır.
Katı bir lityum folyonun yüzeyinin lazerle ablasyonuyla 7Li3+ iyonlarının üretilmesini sağladık ve DPIS kullanılarak özel olarak tasarlanmış bir RFQ linak ile yüksek akımlı bir iyon ışını yakalanıp hızlandırıldı.1,4 MeV ışın enerjisinde, mıknatısın analizi sonrasında FC üzerinde ulaşılan 7Li3+ tepe akımı 35 mA idi.Bu, ters kinematikli bir nötron kaynağının uygulanmasının en önemli kısmının deneysel olarak gerçekleştirildiğini doğrulamaktadır.Makalenin bu bölümünde, yüksek enerjili hızlandırıcılar ve nötron hedef istasyonları da dahil olmak üzere kompakt bir nötron kaynağının tüm tasarımı tartışılacaktır.Tasarım, laboratuvarımızdaki mevcut sistemlerden elde edilen sonuçlara dayanmaktadır.İyon ışınının tepe akımının, lityum folyo ile RFQ linak arasındaki mesafenin kısaltılmasıyla daha da artırılabileceği belirtilmelidir.Pirinç.Şekil 7, hızlandırıcıda önerilen kompakt nötron kaynağının tüm konseptini göstermektedir.
Hızlandırıcıda önerilen kompakt nötron kaynağının kavramsal tasarımı (Freecad tarafından çizilmiş, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Sağdan sola: lazer iyon kaynağı, solenoid mıknatıs, RFQ linak, orta enerji ışın transferi (MEBT), IH linak ve nötron üretimi için etkileşim odası.Üretilen nötron ışınlarının dar yönlendirilmiş doğasından dolayı radyasyondan korunma öncelikle ileri yönde sağlanır.
RFQ linac'ın ardından Inter-digital H-yapısı (IH linac)30 linac'ın daha da hızlandırılması planlanıyor.IH linakları, belirli bir hız aralığında yüksek elektrik alanı gradyanları sağlamak için π-modlu sürüklenme tüpü yapısını kullanır.Kavramsal çalışma, 1 boyutlu boylamsal dinamik simülasyonu ve 3 boyutlu kabuk simülasyonuna dayalı olarak gerçekleştirildi.Hesaplamalar, makul bir sürüklenme tüpü voltajına (450 kV'den az) ve güçlü bir odaklama mıknatısına sahip 100 MHz IH linacın, 1,8 m mesafede 40 mA'lık bir ışını 1,4'ten 14 MeV'ye hızlandırabileceğini göstermektedir.Hızlandırıcı zincirinin sonundaki enerji dağılımının ± 0,4 MeV olduğu tahmin edilmektedir; bu, nötron dönüşüm hedefi tarafından üretilen nötronların enerji spektrumunu önemli ölçüde etkilememektedir.Ek olarak, ışın yayılımı, ışının orta kuvvette ve büyüklükte dört kutuplu bir mıknatıs için normalde gerekli olandan daha küçük bir ışın noktasına odaklanmasını sağlayacak kadar düşüktür.RFQ linak ve IH linak arasındaki orta enerji ışını (MEBT) iletiminde, hüzme oluşturma yapısını korumak için hüzme oluşturma rezonatörü kullanılır.Yan kirişin boyutunu kontrol etmek için üç dört kutuplu mıknatıs kullanılır.Bu tasarım stratejisi birçok hızlandırıcıda kullanılmıştır31,32,33.İyon kaynağından hedef odasına kadar tüm sistemin toplam uzunluğunun, standart bir yarı römork kamyona sığabilecek 8 m'den az olacağı tahmin ediliyor.
Nötron dönüşüm hedefi doğrusal hızlandırıcının hemen sonrasına kurulacak.Ters kinematik senaryolar23 kullanan önceki çalışmalara dayanarak hedef istasyon tasarımlarını tartışıyoruz.Bildirilen dönüşüm hedefleri katı malzemeleri (polipropilen (C3H6) ve titanyum hidrit (TiH2)) ve gazlı hedef sistemlerini içerir.Her hedefin avantajları ve dezavantajları vardır.Katı hedefler hassas kalınlık kontrolüne olanak tanır.Hedef ne kadar ince olursa, nötron üretiminin uzaysal düzenlemesi o kadar doğru olur.Bununla birlikte, bu tür hedeflerde yine de bir dereceye kadar istenmeyen nükleer reaksiyonlar ve radyasyon bulunabilir.Öte yandan hidrojen hedefi, nükleer reaksiyonun ana ürünü olan 7Be'nin üretimini ortadan kaldırarak daha temiz bir ortam sağlayabilir.Ancak hidrojenin bariyer yeteneği zayıftır ve yeterli enerji salınımı için büyük bir fiziksel mesafeye ihtiyaç vardır.Bu durum TOF ölçümleri için biraz dezavantajlıdır.Ek olarak, bir hidrojen hedefini kapatmak için ince bir film kullanılıyorsa, ince film tarafından üretilen gama ışınlarının ve gelen lityum ışınının enerji kayıplarının hesaba katılması gerekir.
LICORNE polipropilen hedefler kullanıyor ve hedef sistemi, tantal folyoyla kapatılmış hidrojen hücrelerine yükseltildi.7Li34 için ışın akımının 100 nA olduğu varsayıldığında, her iki hedef sistem de 107 n/s/sr'ye kadar üretebilir.Bu iddia edilen nötron verimi dönüşümünü önerilen nötron kaynağımıza uygularsak, her lazer darbesi için 7 x 10-8 C'lik lityum güdümlü bir ışın elde edilebilir.Bu, lazeri saniyede yalnızca iki kez ateşlemenin, LICORNE'un sürekli ışınla bir saniyede üretebileceğinden %40 daha fazla nötron ürettiği anlamına gelir.Lazerin uyarılma frekansı arttırılarak toplam akı kolaylıkla arttırılabilir.Piyasada 1 kHz'lik bir lazer sisteminin bulunduğunu varsayarsak, ortalama nötron akısı kolaylıkla yaklaşık 7 × 109 n/s/sr'ye kadar ölçeklendirilebilir.
Plastik hedeflere sahip yüksek tekrarlama oranlı sistemler kullandığımızda hedeflerdeki ısı oluşumunu kontrol etmek gerekir çünkü örneğin polipropilenin erime noktası 145–175 °C ve düşük ısı iletkenliği 0,1–0,22 W/'dir. m/K.14 MeV'lik bir lityum iyon ışın için, 7 µm kalınlığında bir polipropilen hedef, ışın enerjisini reaksiyon eşiğine (13.098 MeV) düşürmek için yeterlidir.Bir lazer atışının ürettiği iyonların hedef üzerindeki toplam etkisi dikkate alındığında, lityum iyonlarının polipropilen yoluyla salınan enerjinin 64 mJ/darbe olduğu tahmin edilmektedir.Tüm enerjinin çapı 10 mm olan bir daire içinde aktarıldığını varsayarsak, her darbe yaklaşık 18 K/atımlık bir sıcaklık artışına karşılık gelir.Polipropilen hedeflerde enerji salınımı, tüm enerji kayıplarının radyasyon veya diğer ısı kayıpları olmadan ısı olarak depolandığı basit varsayımına dayanmaktadır.Saniyedeki darbe sayısını artırmak, ısı birikiminin ortadan kaldırılmasını gerektirdiğinden, aynı noktada enerji salınımını önlemek için şerit hedefleri kullanabiliriz23.Lazer tekrarlama oranı 100 Hz olan bir hedef üzerinde 10 mm'lik bir ışın noktası varsayıldığında, polipropilen bandın tarama hızı 1 m/s olacaktır.Işın noktası örtüşmesine izin verilirse daha yüksek tekrarlama oranları mümkündür.
Hedefleri hidrojen bataryalarıyla da araştırdık çünkü daha güçlü ışınlar hedefe zarar vermeden kullanılabilirdi.Nötron ışını, gaz odasının uzunluğu ve içindeki hidrojen basıncı değiştirilerek kolayca ayarlanabiliyor.Hızlandırıcılarda hedefin gazlı bölgesini vakumdan ayırmak için sıklıkla ince metal folyolar kullanılır.Bu nedenle, folyodaki enerji kayıplarını telafi etmek için gelen lityum iyon ışınının enerjisinin arttırılması gerekmektedir.Rapor 35'te açıklanan hedef düzeneği, 1,5 atm H2 gaz basıncına sahip, 3,5 cm uzunluğunda bir alüminyum kaptan oluşuyordu.16,75 MeV lityum iyon ışını, hava soğutmalı 2,7 µm Ta folyo yoluyla pile girer ve pilin ucundaki lityum iyon ışınının enerjisi, reaksiyon eşiğine kadar yavaşlatılır.Lityum iyon pillerin ışın enerjisini 14,0 MeV'den 16,75 MeV'ye çıkarmak için IH linak'ın yaklaşık 30 cm uzatılması gerekiyordu.
Nötronların gaz hücresi hedeflerinden emisyonu da incelenmiştir.Yukarıda bahsedilen LICORNE gaz hedefleri için, GEANT436 simülasyonları, [37]'deki Şekil 1'de gösterildiği gibi, koninin içinde yüksek düzeyde yönlendirilmiş nötronların üretildiğini göstermektedir.Referans 35, ana ışının yayılma yönüne göre 19,5°'lik maksimum koni açıklığı ile 0,7 ila 3,0 MeV arasındaki enerji aralığını göstermektedir.Yüksek düzeyde yönlendirilmiş nötronlar, çoğu açıda koruyucu malzeme miktarını önemli ölçüde azaltabilir, yapının ağırlığını azaltabilir ve ölçüm ekipmanının kurulumunda daha fazla esneklik sağlayabilir.Radyasyondan korunma açısından bakıldığında, nötronlara ek olarak bu gazlı hedef, ağırlık merkezi koordinat sisteminde38 izotropik olarak 478 keV gama ışınları yayar.Bu γ-ışınları, birincil Li ışını Ta giriş penceresine çarptığında meydana gelen 7Be bozunması ve 7Li uyarımının giderilmesi sonucu üretilir.Ancak kalın bir 35 Pb/Cu silindirik kolimatör eklenerek arka plan önemli ölçüde azaltılabilir.
Alternatif bir hedef olarak, katı hedeflere göre daha düşük olmasına rağmen nispeten yüksek bir hidrojen basıncına ve küçük bir uzaysal nötron üretimi bölgesine ulaşmayı mümkün kılan bir plazma penceresi [39, 40] kullanılabilir.
GEANT4'ü kullanarak bir lityum iyon ışınının beklenen enerji dağılımı ve ışın boyutu için nötron dönüşümü hedefleme seçeneklerini araştırıyoruz.Simülasyonlarımız yukarıdaki literatürde nötron enerjisinin tutarlı bir dağılımını ve hidrojen hedefleri için açısal dağılımları göstermektedir.Herhangi bir hedef sistemde, hidrojen açısından zengin bir hedef üzerinde güçlü bir 7Li3+ ışınının yönlendirdiği ters kinematik reaksiyonla yüksek düzeyde yönlendirilmiş nötronlar üretilebilir.Bu nedenle mevcut teknolojilerin birleştirilmesiyle yeni nötron kaynakları hayata geçirilebilir.
Lazer ışınlama koşulları, hızlandırılmış gösteriden önce iyon ışını oluşturma deneylerini yeniden üretti.Lazer, 1012 W/cm2 lazer güç yoğunluğuna, 1064 nm temel dalga boyuna, 800 mJ spot enerjisine ve 6 ns darbe süresine sahip bir masaüstü nanosaniye Nd:YAG sistemidir.Hedefteki nokta çapının 100 µm olduğu tahmin edilmektedir.Lityum metali (Alfa Aesar, %99,9 saf) oldukça yumuşak olduğundan, hassas bir şekilde kesilen malzeme kalıba bastırılır.Folyo boyutları 25 mm × 25 mm, kalınlık 0,6 mm.Bir lazer ona çarptığında hedefin yüzeyinde krater benzeri hasar meydana gelir, bu nedenle hedef, her lazer atışında hedefin yüzeyinin yeni bir bölümünü sağlamak üzere motorlu bir platform tarafından hareket ettirilir.Artık gaz nedeniyle rekombinasyonu önlemek için bölmedeki basınç 10-4 Pa aralığının altında tutuldu.
Lazer plazmasının başlangıç ​​hacmi küçüktür, çünkü lazer noktasının boyutu 100 μm'dir ve oluşturulduktan sonraki 6 ns içindedir.Hacim kesin bir nokta olarak alınıp genişletilebilir.Dedektör hedef yüzeyden xm uzaklığa yerleştirilirse, alınan sinyal şu ​​ilişkiye uyar: iyon akımı I, iyon varış süresi t ve darbe genişliği τ.
Üretilen plazma, FC ile TOF yöntemi ve lazer hedefinden 2,4 m ve 3,85 m uzaklıkta bulunan bir enerji iyon analizörü (EIA) ile incelenmiştir.FC, elektronları önlemek için -5 kV'luk bir baskılayıcı ızgaraya sahiptir.EIA, aynı voltaja ancak zıt polariteye sahip, dışı pozitif ve içi negatif olan iki koaksiyel metal silindirik elektrottan oluşan 90 derecelik bir elektrostatik saptırıcıya sahiptir.Genişleyen plazma, yarığın arkasındaki deflektöre yönlendirilir ve silindirden geçen elektrik alanı tarafından saptırılır.E/z = eKU ilişkisini karşılayan iyonlar, İkincil Elektron Çarpanı (SEM) (Hamamatsu R2362) kullanılarak tespit edilir; burada E, z, e, K ve U iyon enerjisidir, yük durumu ve yük EIA geometrik faktörleridir .sırasıyla elektronlar ve elektrotlar arasındaki potansiyel fark.Saptırıcı üzerindeki voltajı değiştirerek plazmadaki iyonların enerji ve yük dağılımı elde edilebilir.U/2 EIA tarama voltajı 0,2 V ila 800 V aralığındadır; bu, şarj durumu başına 4 eV ila 16 keV aralığındaki bir iyon enerjisine karşılık gelir.
"Tamamen soyulmuş lityum ışınlarının oluşturulması" bölümünde açıklanan lazer ışınımı koşulları altında analiz edilen iyonların yük durumunun dağılımları, Şekil 2'de gösterilmektedir.8.
İyonların yük durumunun dağılımının analizi.İşte EIA ile analiz edilen ve denklem kullanılarak lityum folyodan 1 m uzaklıkta ölçeklenen iyon akım yoğunluğu zaman profili.(1) ve (2).“Tamamen Eksfoliye Edilmiş Lityum Işının Oluşturulması” bölümünde açıklanan lazer ışınlama koşullarını kullanın.Her bir akım yoğunluğunun entegre edilmesiyle plazmadaki iyonların oranı, Şekil 3'te gösterildiği gibi hesaplandı.
Lazer iyon kaynakları, yüksek şarjlı yoğun bir çoklu mA iyon ışını sağlayabilir.Bununla birlikte, uzay yükü itmesinden dolayı ışın iletimi çok zordur, bu nedenle yaygın olarak kullanılmamıştır.Geleneksel şemada, iyon ışınları plazmadan çıkarılır ve iyon ışınını hızlandırıcının toplama kapasitesine göre şekillendirmek için çeşitli odaklama mıknatıslarıyla birlikte bir ışın hattı boyunca birincil hızlandırıcıya taşınır.Uzay yükü kuvvet ışınlarında ışınlar doğrusal olmayan bir şekilde birbirinden uzaklaşmakta ve özellikle düşük hızların olduğu bölgede ciddi ışın kayıpları gözlemlenmektedir.Tıbbi karbon hızlandırıcıların geliştirilmesinde bu sorunun üstesinden gelmek için yeni bir DPIS41 ışın dağıtım şeması önerilmiştir.Bu tekniği, yeni bir nötron kaynağından gelen güçlü bir lityum iyon ışınını hızlandırmak için uyguladık.
Şekil 2'de gösterildiği gibi.Şekil 4'te plazmanın üretildiği ve genişletildiği alan metal bir kapla çevrelenmiştir.Kapalı alan, solenoid bobinin içindeki hacim de dahil olmak üzere RFQ rezonatörünün girişine kadar uzanır.Konteynere 52 kV voltaj uygulandı.RFQ rezonatöründe iyonlar, RFQ topraklanarak 6 mm çapındaki bir delikten potansiyel tarafından çekilir.İyonlar plazma halinde taşınırken ışın hattı üzerindeki doğrusal olmayan itici kuvvetler ortadan kaldırılır.Ek olarak yukarıda bahsedildiği gibi ekstraksiyon açıklığındaki iyonların yoğunluğunu kontrol etmek ve arttırmak için DPIS ile birlikte bir solenoid alanı uyguladık.
RFQ hızlandırıcı, şekil 2'de gösterildiği gibi silindirik bir vakum odasından oluşur.9a.İçerisinde, dört kutuplu, oksijensiz bakır çubuk, kiriş ekseni etrafında dört kutuplu simetrik olarak yerleştirilmiştir (Şekil 9b).4 çubuk ve bölme, rezonans RF devresi oluşturur.İndüklenen RF alanı, çubuk boyunca zamanla değişen bir voltaj yaratır.Eksen etrafında uzunlamasına implante edilen iyonlar, dört kutuplu alan tarafından yanal olarak tutulur.Aynı zamanda çubuğun ucu eksenel bir elektrik alanı oluşturacak şekilde modüle edilir.Eksenel alan, enjekte edilen sürekli ışını ışın adı verilen bir dizi ışın darbesine böler.Her ışın belirli bir RF döngü süresi (10 ns) içerisinde bulunur.Bitişik ışınlar radyo frekansı periyoduna göre aralıklıdır.RFQ linac'ta, bir lazer iyon kaynağından gelen 2 µs'lik ışın, 200 ışınlık bir diziye dönüştürülür.Daha sonra ışın hesaplanan enerjiye kadar hızlandırılır.
Doğrusal hızlandırıcı RFQ'su.(a) (sol) RFQ linac odasının dış görünümü.(b) (sağ) Haznedeki dört çubuklu elektrot.
RFQ linac'ın ana tasarım parametreleri çubuk voltajı, rezonans frekansı, ışın deliği yarıçapı ve elektrot modülasyonudur.Çubuk üzerindeki voltajı ± 29 kV olarak seçin, böylece elektrik alanı elektriksel bozulma eşiğinin altında olacaktır.Rezonans frekansı ne kadar düşük olursa, yanal odaklama kuvveti o kadar büyük ve ortalama hızlanma alanı da o kadar küçük olur.Büyük açıklık yarıçapları, ışın boyutunun arttırılmasını mümkün kılar ve sonuç olarak, daha küçük uzay yükü itmesi nedeniyle ışın akımını arttırır.Öte yandan, daha büyük açıklık yarıçapları, RFQ linak'a güç sağlamak için daha fazla RF gücü gerektirir.Ayrıca sitenin kalite gereklilikleri ile sınırlıdır.Bu dengelere dayanarak, yüksek akım ışın hızlandırması için rezonans frekansı (100 MHz) ve açıklık yarıçapı (4,5 mm) seçildi.Modülasyon, ışın kaybını en aza indirecek ve hızlanma verimliliğini en üst düzeye çıkaracak şekilde seçilir.Tasarım, 40 mA'da 7Li3+ iyonlarını 2 m içinde 22 keV/n'den 204 keV/n'ye hızlandırabilen bir RFQ linak tasarımı üretmek için birçok kez optimize edilmiştir.Deney sırasında ölçülen RF gücü 77 kW idi.
RFQ linac'lar iyonları belirli bir Q/A aralığıyla hızlandırabilir.Bu nedenle doğrusal hızlandırıcının ucuna beslenen bir ışın analiz edilirken izotopların ve diğer maddelerin dikkate alınması gerekir.Ek olarak, kısmen hızlandırılmış ancak hızlandırıcının ortasına ivme koşulları altında inen istenen iyonlar yine de yanal hapsolmayı karşılayabilir ve uca taşınabilir.Tasarlanmış 7Li3+ parçacıkları dışındaki istenmeyen ışınlara safsızlıklar denir.Lityum metal folyo havadaki oksijen ve nitrojenle reaksiyona girdiğinden, deneylerimizde 14N6+ ve 16O7+ safsızlıkları en büyük endişe kaynağıydı.Bu iyonların 7Li3+ ile hızlandırılabilen bir Q/A oranı vardır.RFQ linac sonrası ışın analizi için farklı kalite ve kalitedeki ışınları ayırmak için dipol mıknatıslar kullanıyoruz.
RFQ linac'tan sonraki ışın hattı, tamamen hızlandırılmış 7Li3+ ışınını dipol mıknatıstan sonra FC'ye iletmek üzere tasarlanmıştır.-400 V öngerilim elektrotları, iyon ışın akımını doğru bir şekilde ölçmek amacıyla kaptaki ikincil elektronları bastırmak için kullanılır.Bu optikle iyon yörüngeleri dipollere ayrılır ve Q/A'ya bağlı olarak farklı yerlere odaklanır.Momentum yayılımı ve uzay yükü itmesi gibi çeşitli faktörler nedeniyle odaktaki ışın belirli bir genişliğe sahiptir.Türler ancak iki iyon türünün odak konumları arasındaki mesafe ışın genişliğinden büyükse ayrılabilir.Mümkün olan en yüksek çözünürlüğü elde etmek için kirişin beline yakın, kirişin pratik olarak yoğunlaştığı yatay bir yarık yerleştirilir.Yarık ile PC arasına bir sintilasyon ekranı (Saint-Gobain'den CsI(Tl), 40 mm x 40 mm x 3 mm) yerleştirildi.Sintilatör, tasarlanan parçacıkların optimum çözünürlük için geçmesi gereken en küçük yarığı belirlemek ve yüksek akımlı ağır iyon ışınları için kabul edilebilir ışın boyutlarını göstermek için kullanıldı.Sintilatör üzerindeki ışın görüntüsü, bir vakum penceresi aracılığıyla bir CCD kamera tarafından kaydedilir.Işın darbe genişliğinin tamamını kapsayacak şekilde pozlama süresi penceresini ayarlayın.
Mevcut çalışmada kullanılan veya analiz edilen veri kümeleri, makul talep üzerine ilgili yazarlardan temin edilebilir.
Manke, I. ve ark.Manyetik alanların üç boyutlu görüntülenmesi.Ulusal komün.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS ve ark.Hızlandırıcılarda kompakt nötron kaynaklarını inceleme olanakları.fizik.Temsilci 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. ve diğerleri.Nötron tabanlı bilgisayarlı mikrotomografi: Test vakaları olarak Pliobates cataloniae ve Barberapithecus huerzeleri.Evet.J. Fizik.antropoloji.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).