Proveïdors de tubs enrotllats d'acer inoxidable 304L 6,35 * 1 mm, demostració d'un feix de liti intens per generar neutrons directes polsats

Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Controls lliscants que mostren tres articles per diapositiva.Utilitzeu els botons enrere i següent per moure's per les diapositives, o els botons del controlador de diapositives al final per moure's per cada diapositiva.

Com a alternativa a l'estudi dels reactors nuclears, un generador de neutrons compacte impulsat per accelerador que utilitza un controlador de feix d'ions de liti pot ser un candidat prometedor perquè produeix poca radiació no desitjada.Tanmateix, era difícil lliurar un feix intens d'ions de liti i l'aplicació pràctica d'aquests dispositius es considerava impossible.El problema més agut del flux d'ions insuficient es va resoldre aplicant un esquema d'implantació directa de plasma.En aquest esquema, un plasma polsat d'alta densitat generat per l'ablació làser d'una làmina de metall de liti s'injecta i accelera de manera eficient mitjançant un accelerador de quadripols d'alta freqüència (accelerador RFQ).Hem aconseguit un corrent de feix màxim de 35 mA accelerat a 1,43 MeV, que és dos ordres de magnitud superior al que poden proporcionar els sistemes d'injecció i accelerador convencionals.
A diferència dels raigs X o de les partícules carregades, els neutrons tenen una gran profunditat de penetració i una interacció única amb la matèria condensada, cosa que els converteix en sondes extremadament versàtils per estudiar les propietats dels materials1,2,3,4,5,6,7.En particular, les tècniques de dispersió de neutrons s'utilitzen habitualment per estudiar la composició, l'estructura i les tensions internes de la matèria condensada i poden proporcionar informació detallada sobre compostos traça en aliatges metàl·lics que són difícils de detectar mitjançant l'espectroscòpia de raigs X8.Aquest mètode es considera una eina poderosa en la ciència bàsica i és utilitzat pels fabricants de metalls i altres materials.Més recentment, la difracció de neutrons s'ha utilitzat per detectar tensions residuals en components mecànics com ara peces de ferrocarril i avions9,10,11,12.Els neutrons també s'utilitzen en pous de petroli i gas perquè són fàcilment capturats per materials rics en protons13.També s'utilitzen mètodes similars en enginyeria civil.Les proves de neutrons no destructius són una eina eficaç per detectar falles ocultes en edificis, túnels i ponts.L'ús de feixos de neutrons s'utilitza activament en la investigació científica i la indústria, molts dels quals s'han desenvolupat històricament amb reactors nuclears.
Tanmateix, amb el consens mundial sobre la no proliferació nuclear, la construcció de petits reactors amb finalitats d'investigació és cada cop més difícil.A més, el recent accident de Fukushima ha fet que la construcció de reactors nuclears sigui gairebé socialment acceptable.En relació amb aquesta tendència, la demanda de fonts de neutrons als acceleradors està creixent2.Com a alternativa als reactors nuclears, ja estan en funcionament diverses grans fonts de neutrons que divideixen l'accelerador14,15.Tanmateix, per a un ús més eficient de les propietats dels feixos de neutrons, és necessari ampliar l'ús de fonts compactes als acceleradors 16, que poden pertànyer a institucions de recerca industrials i universitàries.Les fonts de neutrons acceleradors han afegit noves capacitats i funcions, a més de servir com a reemplaçament dels reactors nuclears14.Per exemple, un generador impulsat per linac pot crear fàcilment un flux de neutrons manipulant el feix d'accionament.Un cop emesos, els neutrons són difícils de controlar i les mesures de radiació són difícils d'analitzar a causa del soroll creat pels neutrons de fons.Els neutrons polsats controlats per un accelerador eviten aquest problema.S'han proposat diversos projectes basats en la tecnologia de l'accelerador de protons arreu del món17,18,19.Les reaccions 7Li(p, n)7Be i 9Be(p, n)9B s'utilitzen amb més freqüència en generadors de neutrons compactes impulsats per protons perquè són reaccions endotèrmiques20.L'excés de radiació i residus radioactius es poden minimitzar si l'energia escollida per excitar el feix de protons és lleugerament per sobre del valor llindar.Tanmateix, la massa del nucli objectiu és molt més gran que la dels protons, i els neutrons resultants es dispersen en totes direccions.Aquesta emissió tan propera a la isotròpica d'un flux de neutrons impedeix el transport eficient de neutrons a l'objecte d'estudi.A més, per obtenir la dosi necessària de neutrons a la ubicació de l'objecte, cal augmentar significativament tant el nombre de protons en moviment com la seva energia.Com a resultat, grans dosis de raigs gamma i neutrons es propagaran per grans angles, destruint l'avantatge de les reaccions endotèrmiques.Un típic generador de neutrons compacte basat en protons impulsat per accelerador té un fort blindatge contra la radiació i és la part més voluminosa del sistema.La necessitat d'augmentar l'energia dels protons conduïts sol requerir un augment addicional de la mida de la instal·lació de l'accelerador.
Per superar les deficiències generals de les fonts de neutrons compactes convencionals als acceleradors, es va proposar un esquema de reacció cinemàtica d'inversió21.En aquest esquema, s'utilitza un feix d'ions de liti més pesat com a feix de guia en lloc d'un feix de protons, dirigint-se a materials rics en hidrogen com ara plàstics d'hidrocarburs, hidrurs, gas d'hidrogen o plasma d'hidrogen.S'han considerat alternatives, com ara els feixos impulsats per ions de beril·li, però, el beril·li és una substància tòxica que requereix una cura especial en la seva manipulació.Per tant, un feix de liti és el més adequat per als esquemes de reacció cinemàtica d'inversió.Com que l'impuls dels nuclis de liti és més gran que el dels protons, el centre de masses de les col·lisions nuclears avança constantment i també s'emeten neutrons cap endavant.Aquesta característica elimina en gran mesura els raigs gamma no desitjats i les emissions de neutrons d'angle elevat22.A la figura 1 es mostra una comparació del cas habitual d'un motor de protons i l'escenari de cinemàtica inversa.
Il·lustració dels angles de producció de neutrons per a feixos de protons i liti (dibuixat amb Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Els neutrons es poden expulsar en qualsevol direcció com a resultat de la reacció a causa del fet que els protons en moviment toquen els àtoms molt més pesats de l'objectiu de liti.(b) Per contra, si un controlador d'ions de liti bombardeja un objectiu ric en hidrogen, els neutrons es generen en un con estret en direcció cap endavant a causa de l'alta velocitat del centre de massa del sistema.
Tanmateix, només existeixen uns quants generadors de neutrons cinemàtics inversos a causa de la dificultat de generar el flux requerit d'ions pesants amb una càrrega elevada en comparació amb els protons.Totes aquestes plantes utilitzen fonts d'ions negatius en combinació amb acceleradors electrostàtics en tàndem.S'han proposat altres tipus de fonts d'ions per augmentar l'eficiència de l'acceleració del feix26.En qualsevol cas, el corrent del feix d'ions de liti disponible està limitat a 100 µA.S'ha proposat utilitzar 1 mA de Li3+27, però aquest corrent de feix iònic no s'ha confirmat amb aquest mètode.Pel que fa a la intensitat, els acceleradors de feix de liti no poden competir amb els acceleradors de feix de protons el corrent màxim de protons supera els 10 mA28.
Per implementar un pràctic generador de neutrons compacte basat en un feix d'ions de liti, és avantatjós generar alta intensitat completament desproveït d'ions.Els ions són accelerats i guiats per forces electromagnètiques, i un nivell de càrrega més alt es tradueix en una acceleració més eficient.Els controladors de feix d'ions de liti requereixen corrents de punta Li3+ superiors a 10 mA.
En aquest treball, demostrem l'acceleració dels feixos de Li3+ amb corrents màximes de fins a 35 mA, que és comparable als acceleradors de protons avançats.El feix d'ions de liti original es va crear mitjançant l'ablació làser i un esquema d'implantació directa de plasma (DPIS) desenvolupat originalment per accelerar C6+.Es va fabricar un linac quadripol de radiofreqüència dissenyat a mida (RFQ linac) mitjançant una estructura ressonant de quatre varetes.Hem verificat que el feix accelerador té l'energia del feix d'alta puresa calculada.Una vegada que el feix de Li3+ és capturat i accelerat eficaçment per l'accelerador de radiofreqüència (RF), la secció posterior de linac (accelerador) s'utilitza per proporcionar l'energia necessària per generar un fort flux de neutrons des de l'objectiu.
L'acceleració d'ions d'alt rendiment és una tecnologia ben establerta.La tasca restant de realitzar un nou generador de neutrons compactes altament eficient és generar un gran nombre d'ions de liti completament despullats i formar una estructura de clúster que consisteix en una sèrie de polsos iònics sincronitzats amb el cicle de RF a l'accelerador.Els resultats dels experiments dissenyats per assolir aquest objectiu es descriuen a les tres subseccions següents: (1) generació d'un feix completament desproveït de feix d'ions de liti, (2) acceleració del feix mitjançant un linac RFQ especialment dissenyat i (3) acceleració de l'anàlisi. del feix per comprovar-ne el contingut.Al Brookhaven National Laboratory (BNL), vam construir la configuració experimental que es mostra a la figura 2.
Visió general de la configuració experimental per a l'anàlisi accelerada de feixos de liti (il·lustrada per Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).De dreta a esquerra, el plasma ablatiu làser es genera a la cambra d'interacció làser-objectiu i es lliura al linac RFQ.En entrar a l'accelerador RFQ, els ions es separen del plasma i s'injecten a l'accelerador RFQ mitjançant un camp elèctric sobtat creat per una diferència de tensió de 52 kV entre l'elèctrode d'extracció i l'elèctrode RFQ a la regió de deriva.Els ions extrets s'acceleren de 22 keV/n a 204 keV/n mitjançant elèctrodes RFQ de 2 metres de llarg.Un transformador de corrent (TC) instal·lat a la sortida del linac RFQ proporciona una mesura no destructiva del corrent del feix d'ions.El feix està enfocat per tres imants quadrupols i dirigit a un imant dipol, que separa i dirigeix ​​el feix de Li3+ cap al detector.Darrere de l'escletxa, s'utilitzen un centelleador de plàstic retràctil i una copa de Faraday (FC) amb una polarització de fins a -400 V per detectar el feix d'acceleració.
Per generar ions de liti totalment ionitzats (Li3+), cal crear un plasma amb una temperatura superior a la seva tercera energia d'ionització (122,4 eV).Hem intentat utilitzar l'ablació làser per produir plasma d'alta temperatura.Aquest tipus de font d'ions làser no s'utilitza habitualment per generar feixos d'ions de liti perquè el metall de liti és reactiu i requereix un maneig especial.Hem desenvolupat un sistema de càrrega d'objectius per minimitzar la humitat i la contaminació de l'aire quan instal·lem paper de liti a la cambra d'interacció del làser al buit.Totes les preparacions dels materials es van dur a terme en un ambient controlat d'argó sec.Després d'instal·lar la làmina de liti a la cambra objectiu làser, la làmina es va irradiar amb radiació làser polsada Nd:YAG a una energia de 800 mJ per pols.En el focus de l'objectiu, s'estima que la densitat de potència del làser és d'uns 1012 W/cm2.El plasma es crea quan un làser polsat destrueix un objectiu al buit.Durant tot el pols làser de 6 ns, el plasma continua escalfant-se, principalment a causa del procés de bremsstrahlung invers.Com que no s'aplica cap camp extern de confinament durant la fase d'escalfament, el plasma comença a expandir-se en tres dimensions.Quan el plasma comença a expandir-se sobre la superfície diana, el centre de massa del plasma adquireix una velocitat perpendicular a la superfície diana amb una energia de 600 eV/n.Després de l'escalfament, el plasma continua movent-se en la direcció axial des de l'objectiu, expandint-se isotròpicament.
Com es mostra a la figura 2, el plasma d'ablació s'expandeix en un volum de buit envoltat d'un recipient metàl·lic amb el mateix potencial que l'objectiu.Així, el plasma deriva per la regió lliure de camp cap a l'accelerador RFQ.S'aplica un camp magnètic axial entre la cambra d'irradiació làser i el linac RFQ mitjançant una bobina de solenoide enrotllada al voltant de la cambra de buit.El camp magnètic del solenoide suprimeix l'expansió radial del plasma a la deriva per tal de mantenir una alta densitat de plasma durant el lliurament a l'obertura RFQ.D'altra banda, el plasma continua expandint-se en direcció axial durant la deriva, formant un plasma allargat.S'aplica un biaix d'alta tensió al recipient metàl·lic que conté el plasma davant del port de sortida a l'entrada de la RFQ.La tensió de polarització es va escollir per proporcionar la taxa d'injecció de 7Li3 + necessària per a una acceleració adequada per part del linac RFQ.
El plasma d'ablació resultant conté no només 7Li3+, sinó també liti en altres estats de càrrega i elements contaminants, que es transporten simultàniament a l'accelerador lineal RFQ.Abans dels experiments accelerats amb el linac RFQ, es va realitzar una anàlisi de temps de vol (TOF) fora de línia per estudiar la composició i la distribució d'energia dels ions al plasma.La configuració analítica detallada i les distribucions de l'estat de càrrega observades s'expliquen a la secció Mètodes.L'anàlisi va mostrar que els ions 7Li3+ eren les partícules principals, que representen al voltant del 54% de totes les partícules, tal com es mostra a la figura 3. Segons l'anàlisi, el corrent d'ions 7Li3+ al punt de sortida del feix d'ions s'estima en 1,87 mA.Durant les proves accelerades, s'aplica un camp de solenoide de 79 mT al plasma en expansió.Com a resultat, el corrent 7Li3+ extret del plasma i observat al detector va augmentar en un factor 30.
Fraccions d'ions en plasma generat amb làser obtingudes per anàlisi del temps de vol.Els ions 7Li1+ i 7Li2+ representen el 5% i el 25% del feix iònic, respectivament.La fracció detectada de partícules de 6Li coincideix amb el contingut natural de 6Li (7,6%) a l'objectiu de la làmina de liti dins de l'error experimental.Es va observar una lleu contaminació per oxigen (6,2%), principalment O1+ (2,1%) i O2+ (1,5%), que pot ser deguda a l'oxidació de la superfície de l'objectiu de la làmina de liti.
Com s'ha esmentat anteriorment, el plasma de liti deriva en una regió sense camp abans d'entrar al linac RFQ.L'entrada del linac RFQ té un forat de 6 mm de diàmetre en un contenidor metàl·lic i la tensió de polarització és de 52 kV.Tot i que la tensió de l'elèctrode RFQ canvia ràpidament ±29 kV a 100 MHz, la tensió provoca una acceleració axial perquè els elèctrodes acceleradors RFQ tenen un potencial mitjà de zero.A causa del fort camp elèctric generat a l'espai de 10 mm entre l'obertura i la vora de l'elèctrode RFQ, només s'extreuen ions de plasma positius del plasma a l'obertura.En els sistemes tradicionals de lliurament d'ions, els ions es separen del plasma mitjançant un camp elèctric a una distància considerable davant de l'accelerador RFQ i després es concentren a l'obertura RFQ mitjançant un element de focalització del feix.Tanmateix, per als intensos feixos d'ions pesats necessaris per a una font de neutrons intensa, les forces repulsives no lineals a causa dels efectes de la càrrega espacial poden provocar pèrdues significatives de corrent del feix en el sistema de transport d'ions, limitant el corrent màxim que es pot accelerar.Al nostre DPIS, els ions d'alta intensitat es transporten com a plasma a la deriva directament al punt de sortida de l'obertura RFQ, de manera que no hi ha pèrdua del feix iònic a causa de la càrrega espacial.Durant aquesta demostració, es va aplicar DPIS a un feix d'ions de liti per primera vegada.
L'estructura RFQ es va desenvolupar per enfocar i accelerar feixos d'ions d'alta corrent de baixa energia i s'ha convertit en l'estàndard per a l'acceleració de primer ordre.Hem utilitzat RFQ per accelerar ions 7Li3+ des d'una energia d'implant de 22 keV/n a 204 keV/n.Tot i que el liti i altres partícules amb una càrrega més baixa al plasma també s'extreuen del plasma i s'injecten a l'obertura RFQ, el linac RFQ només accelera els ions amb una relació càrrega-massa (Q/A) propera a 7Li3+.
A la fig.La figura 4 mostra les formes d'ona detectades pel transformador de corrent (CT) a la sortida del linac RFQ i la copa de Faraday (FC) després d'analitzar l'imant, tal com es mostra a la fig.2. El canvi de temps entre els senyals es pot interpretar com la diferència en el temps de vol a la ubicació del detector.El pic de corrent d'ions mesurat a CT va ser de 43 mA.En la posició RT, el feix registrat pot contenir no només ions accelerats a l'energia calculada, sinó també ions diferents de 7Li3+, que no estan prou accelerats.Tanmateix, la similitud de les formes de corrent iònic trobades mitjançant QD i PC indica que el corrent iònic consisteix principalment en 7Li3+ accelerat, i la disminució del valor màxim del corrent a PC és causada per pèrdues de feix durant la transferència d'ions entre QD i PC.Pèrdues Això també es confirma amb la simulació de l'embolcall.Per mesurar amb precisió el corrent del feix 7Li3+, el feix s'analitza amb un imant dipol tal com es descriu a la secció següent.
Oscil·logrames del feix accelerat registrats a les posicions del detector CT (corba negra) i FC (corba vermella).Aquestes mesures es desencadenen per la detecció de radiació làser per un fotodetector durant la generació de plasma làser.La corba negra mostra la forma d'ona mesurada en un TC connectat a la sortida linac RFQ.A causa de la seva proximitat al linac RFQ, el detector capta un soroll de RF de 100 MHz, de manera que es va aplicar un filtre FFT de pas baix de 98 MHz per eliminar el senyal de RF ressonant de 100 MHz superposat al senyal de detecció.La corba vermella mostra la forma d'ona a FC després que l'imant analític dirigeixi el feix d'ions 7Li3+.En aquest camp magnètic, a part de 7Li3+, es poden transportar N6+ i O7+.
El feix d'ions després del linac RFQ es focalitza mitjançant una sèrie de tres imants d'enfocament quadrupol i després s'analitza mitjançant imants dipols per aïllar les impureses del feix d'ions.Un camp magnètic de 0,268 T dirigeix ​​els feixos 7Li3+ cap al FC.La forma d'ona de detecció d'aquest camp magnètic es mostra com la corba vermella a la figura 4. El corrent del feix màxim arriba als 35 mA, que és més de 100 vegades més gran que un feix de Li3+ típic produït en acceleradors electrostàtics convencionals existents.L'amplada del pols del feix és de 2,0 µs a tota l'amplada a la meitat màxima.La detecció d'un feix 7Li3+ amb un camp magnètic dipolar indica l'èxit de l'agrupament i l'acceleració del feix.El corrent del feix d'ions detectat per FC en escanejar el camp magnètic del dipol es mostra a la figura 5. Es va observar un pic únic net, ben separat d'altres pics.Com que tots els ions accelerats a l'energia de disseny pel linac RFQ tenen la mateixa velocitat, els feixos iònics amb la mateixa Q/A són difícils de separar per camps magnètics dipols.Per tant, no podem distingir 7Li3+ de N6+ o O7+.Tanmateix, la quantitat d'impureses es pot estimar a partir dels estats de càrrega veïns.Per exemple, N7+ i N5+ es poden separar fàcilment, mentre que N6+ pot formar part de la impuresa i s'espera que estigui present en aproximadament la mateixa quantitat que N7+ i N5+.El nivell de contaminació estimat és d'un 2%.
Espectres de components del feix obtinguts explorant un camp magnètic dipolar.El pic a 0,268 T correspon a 7Li3+ i N6+.L'amplada del pic depèn de la mida del feix de l'escletxa.Malgrat els pics amplis, 7Li3+ es separa bé de 6Li3+, O6+ i N5+, però es separa malament d'O7+ i N6+.
A la ubicació del FC, el perfil del feix es va confirmar amb un centelleador endollable i es va gravar amb una càmera digital ràpida, tal com es mostra a la figura 6. Es mostra que el feix polsat 7Li3+ amb un corrent de 35 mA s'accelera fins a una RFQ calculada. energia de 204 keV/n, que correspon a 1,4 MeV, i transmesa al detector FC.
Perfil de feix observat en una pantalla de centelleig pre-FC (colorit per Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).El camp magnètic de l'imant dipol analític es va ajustar per dirigir l'acceleració del feix d'ions Li3+ a l'RFQ d'energia de disseny.Els punts blaus de la zona verda són causats per un material de centelleig defectuós.
Vam aconseguir la generació d'ions 7Li3+ mitjançant l'ablació làser de la superfície d'una làmina de liti sòlida i es va capturar i accelerar un feix d'ions d'alt corrent amb un linac RFQ especialment dissenyat mitjançant DPIS.A una energia del feix d'1,4 MeV, el corrent màxim de 7Li3+ assolit al FC després de l'anàlisi de l'imant va ser de 35 mA.Això confirma que la part més important de la implementació d'una font de neutrons amb cinemàtica inversa s'ha implementat experimentalment.En aquesta part del treball, es discutirà tot el disseny d'una font compacta de neutrons, inclosos acceleradors d'alta energia i estacions diana de neutrons.El disseny es basa en els resultats obtinguts amb els sistemes existents al nostre laboratori.Cal tenir en compte que el corrent màxim del feix d'ions es pot augmentar encara més escurçant la distància entre la làmina de liti i el linac RFQ.Arròs.La figura 7 il·lustra tot el concepte de la font de neutrons compactes proposada a l'accelerador.
Disseny conceptual de la font de neutrons compactes proposada a l'accelerador (dibuixat per Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).De dreta a esquerra: font d'ions làser, imant de solenoide, linac RFQ, transferència de feix d'energia mitjana (MEBT), linac IH i cambra d'interacció per a la generació de neutrons.La protecció contra la radiació es proporciona principalment en la direcció cap endavant a causa de la naturalesa estretament dirigida dels feixos de neutrons produïts.
Després del linac RFQ, es preveu una més acceleració de l'estructura H interdigital (IH linac)30 linac.Els linacs IH utilitzen una estructura de tub de deriva en mode π per proporcionar alts gradients de camp elèctric en un determinat rang de velocitats.L'estudi conceptual es va dur a terme a partir de la simulació de dinàmica longitudinal 1D i la simulació de carcassa 3D.Els càlculs mostren que un linac IH de 100 MHz amb una tensió de tub de deriva raonable (menys de 450 kV) i un imant d'enfocament fort pot accelerar un feix de 40 mA d'1,4 a 14 MeV a una distància d'1,8 m.La distribució d'energia al final de la cadena de l'accelerador s'estima en ± 0,4 MeV, la qual cosa no afecta significativament l'espectre d'energia dels neutrons produïts per l'objectiu de conversió de neutrons.A més, l'emissivitat del feix és prou baixa com per enfocar el feix en un punt de feix més petit del que es necessitaria normalment per a un imant de cuadripol de força i mida mitjana.En la transmissió de feix d'energia mitjana (MEBT) entre el linac RFQ i el linac IH, el ressonador de formació de feix s'utilitza per mantenir l'estructura de formació de feix.S'utilitzen tres imants quadrupols per controlar la mida del feix lateral.Aquesta estratègia de disseny s'ha utilitzat en molts acceleradors31,32,33.S'estima que la longitud total de tot el sistema des de la font d'ions fins a la cambra objectiu és inferior a 8 m, que pot cabre en un camió semiremolc estàndard.
L'objectiu de conversió de neutrons s'instal·larà directament després de l'accelerador lineal.Discutim els dissenys d'estacions objectiu basats en estudis anteriors utilitzant escenaris cinemàtics inversos23.Els objectius de conversió reportats inclouen materials sòlids (polipropilè (C3H6) i hidrur de titani (TiH2)) i sistemes d'objectius gasosos.Cada objectiu té avantatges i desavantatges.Els objectius sòlids permeten un control precís del gruix.Com més prim sigui l'objectiu, més precisa serà la disposició espacial de la producció de neutrons.Tanmateix, aquests objectius encara poden tenir algun grau de reaccions nuclears i radiacions no desitjades.D'altra banda, un objectiu d'hidrogen pot proporcionar un entorn més net eliminant la producció de 7Be, el principal producte de la reacció nuclear.Tanmateix, l'hidrogen té una capacitat de barrera feble i requereix una gran distància física per alliberar suficient energia.Això és una mica desavantatge per a les mesures TOF.A més, si s'utilitza una pel·lícula fina per segellar un objectiu d'hidrogen, cal tenir en compte les pèrdues d'energia dels raigs gamma generades per la pel·lícula fina i el feix de liti incident.
LICORNE utilitza objectius de polipropilè i el sistema d'objectius s'ha actualitzat a cèl·lules d'hidrogen segellades amb làmina de tàntal.Suposant un corrent de feix de 100 nA per a 7Li34, ambdós sistemes objectiu poden produir fins a 107 n/s/sr.Si apliquem aquesta conversió de rendiment de neutrons reclamada a la nostra font de neutrons proposada, es pot obtenir un feix impulsat per liti de 7 × 10–8 C per a cada pols làser.Això significa que disparar el làser només dues vegades per segon produeix un 40% més de neutrons dels que LICORNE pot produir en un segon amb un feix continu.El flux total es pot augmentar fàcilment augmentant la freqüència d'excitació del làser.Si suposem que hi ha un sistema làser d'1 kHz al mercat, el flux mitjà de neutrons es pot escalar fàcilment fins a uns 7 × 109 n/s/sr.
Quan utilitzem sistemes d'alta velocitat de repetició amb objectius de plàstic, és necessari controlar la generació de calor en els objectius perquè, per exemple, el polipropilè té un punt de fusió baix de 145–175 °C i una conductivitat tèrmica baixa de 0,1–0,22 W/ m/K.Per a un feix d'ions de liti de 14 MeV, un objectiu de polipropilè de 7 µm de gruix és suficient per reduir l'energia del feix fins al llindar de reacció (13,098 MeV).Tenint en compte l'efecte total dels ions generats per un tir làser sobre l'objectiu, l'alliberament d'energia dels ions de liti a través del polipropilè s'estima en 64 mJ/pols.Suposant que tota l'energia es transfereix en un cercle amb un diàmetre de 10 mm, cada pols correspon a un augment de temperatura d'aproximadament 18 K/pols.L'alliberament d'energia en objectius de polipropilè es basa en la simple suposició que totes les pèrdues d'energia s'emmagatzemen com a calor, sense radiació ni altres pèrdues de calor.Atès que augmentar el nombre de polsos per segon requereix l'eliminació de l'acumulació de calor, podem utilitzar objectius de tira per evitar l'alliberament d'energia en el mateix punt23.Suposant un punt de feix de 10 mm en un objectiu amb una velocitat de repetició làser de 100 Hz, la velocitat d'escaneig de la cinta de polipropilè seria d'1 m/s.Les taxes de repetició més altes són possibles si es permet la superposició de punts del feix.
També vam investigar objectius amb bateries d'hidrogen, perquè es podrien utilitzar feixos d'accionament més forts sense danyar l'objectiu.El feix de neutrons es pot ajustar fàcilment canviant la longitud de la cambra de gas i la pressió d'hidrogen a l'interior.Les làmines metàl·liques primes s'utilitzen sovint en acceleradors per separar la regió gasosa de l'objectiu del buit.Per tant, cal augmentar l'energia del feix de ions de liti incident per compensar les pèrdues d'energia a la làmina.El conjunt objectiu descrit a l'informe 35 consistia en un recipient d'alumini de 3,5 cm de llarg amb una pressió de gas H2 d'1,5 atm.El feix d'ions de liti de 16,75 MeV entra a la bateria a través de la làmina Ta de 2,7 µm refrigerada per aire i l'energia del feix d'ions de liti al final de la bateria es desaccelera fins al llindar de reacció.Per augmentar l'energia del feix de les bateries d'ions de liti de 14,0 MeV a 16,75 MeV, el linac IH s'ha hagut d'allargar uns 30 cm.
També es va estudiar l'emissió de neutrons dels objectius de cèl·lules de gas.Per als objectius de gas LICORNE esmentats anteriorment, les simulacions GEANT436 mostren que es generen neutrons altament orientats dins del con, tal com es mostra a la figura 1 a [37].La referència 35 mostra el rang d'energia de 0,7 a 3,0 MeV amb una obertura màxima del con de 19,5 ° en relació amb la direcció de propagació del feix principal.Els neutrons altament orientats poden reduir significativament la quantitat de material de blindatge en la majoria dels angles, reduint el pes de l'estructura i proporcionant una major flexibilitat en la instal·lació d'equips de mesura.Des del punt de vista de la radioprotecció, a més dels neutrons, aquest objectiu gasós emet raigs gamma de 478 keV de manera isotròpica en el sistema de coordenades del centroide38.Aquests raigs γ es produeixen com a resultat de la descomposició de 7Be i la desexcitació de 7Li, que es produeix quan el feix de Li primari colpeja la finestra d'entrada Ta.Tanmateix, afegint un col·limador cilíndric gruixut de 35 Pb/Cu, el fons es pot reduir significativament.
Com a objectiu alternatiu, es pot utilitzar una finestra de plasma [39, 40], que permet aconseguir una pressió d'hidrogen relativament alta i una petita regió espacial de generació de neutrons, tot i que és inferior als objectius sòlids.
Estem investigant les opcions d'orientació de conversió de neutrons per a la distribució d'energia esperada i la mida del feix d'un feix d'ions de liti mitjançant GEANT4.Les nostres simulacions mostren una distribució consistent de l'energia dels neutrons i les distribucions angulars per a objectius d'hidrogen a la literatura anterior.En qualsevol sistema objectiu, els neutrons altament orientats es poden produir mitjançant una reacció cinemàtica inversa impulsada per un feix fort de 7Li3+ en un objectiu ric en hidrogen.Per tant, es poden implementar noves fonts de neutrons combinant tecnologies ja existents.
Les condicions d'irradiació làser van reproduir experiments de generació de feix d'ions abans de la demostració accelerada.El làser és un sistema Nd:YAG de nanosegons d'escriptori amb una densitat de potència làser de 1012 W/cm2, una longitud d'ona fonamental de 1064 nm, una energia puntual de 800 mJ i una durada de pols de 6 ns.El diàmetre del punt a l'objectiu s'estima en 100 µm.Com que el metall de liti (Alfa Aesar, 99,9% pur) és bastant suau, el material tallat amb precisió es pressiona al motlle.Dimensions de la làmina 25 mm × 25 mm, gruix 0,6 mm.El dany semblant a un cràter es produeix a la superfície de l'objectiu quan un làser l'impacta, de manera que l'objectiu és mogut per una plataforma motoritzada per proporcionar una part nova de la superfície de l'objectiu amb cada tir làser.Per evitar la recombinació a causa del gas residual, la pressió a la cambra es va mantenir per sota del rang de 10-4 Pa.
El volum inicial del plasma làser és petit, ja que la mida del punt làser és de 100 μm i dins dels 6 ns després de la seva generació.El volum es pot prendre com un punt exacte i ampliar.Si el detector es col·loca a una distància xm de la superfície objectiu, aleshores el senyal rebut obeeix a la relació: corrent d'ions I, temps d'arribada d'ions t i amplada de pols τ.
El plasma generat es va estudiar pel mètode TOF amb FC i un analitzador d'ions d'energia (EIA) situat a una distància de 2,4 m i 3,85 m de l'objectiu làser.El FC té una xarxa supressora polaritzada per -5 kV per evitar electrons.L'EIA té un deflector electrostàtic de 90 graus format per dos elèctrodes cilíndrics metàl·lics coaxials amb la mateixa tensió però de polaritat oposada, positius a l'exterior i negatius a l'interior.El plasma en expansió es dirigeix ​​al deflector darrere de la ranura i es desvia pel camp elèctric que passa pel cilindre.Els ions que compleixen la relació E/z = eKU es detecten mitjançant un multiplicador d'electrons secundaris (SEM) (Hamamatsu R2362), on E, z, e, K i U són l'energia iònica, l'estat de càrrega i la càrrega són factors geomètrics EIA. .electrons, respectivament, i la diferència de potencial entre els elèctrodes.En canviar la tensió a través del deflector, es pot obtenir l'energia i la distribució de càrrega dels ions al plasma.El voltatge d'escombrat U/2 EIA es troba en el rang de 0,2 V a 800 V, que correspon a una energia iònica en el rang de 4 eV a 16 keV per estat de càrrega.
A les Figs.8.
Anàlisi de la distribució de l'estat de càrrega dels ions.Aquí hi ha el perfil de temps de densitat de corrent iònic analitzat amb EIA i escalat a 1 m de la làmina de liti mitjançant l'equació.(1) i (2).Utilitzeu les condicions d'irradiació làser descrites a la secció "Generació d'un feix de liti completament exfoliat".Integrant cada densitat de corrent, es va calcular la proporció d'ions al plasma, que es mostra a la figura 3.
Les fonts d'ions làser poden oferir un intens feix d'ions multi-mA amb una càrrega elevada.Tanmateix, el lliurament del feix és molt difícil a causa de la repulsió de la càrrega espacial, per la qual cosa no es va utilitzar àmpliament.En l'esquema tradicional, els feixos d'ions s'extreuen del plasma i es transporten a l'accelerador primari al llarg d'una línia de feix amb diversos imants d'enfocament per donar forma al feix d'ions segons la capacitat de captació de l'accelerador.En els feixos de força de càrrega espacial, els feixos divergeixen de manera no lineal i s'observen pèrdues greus de feix, especialment a la regió de baixes velocitats.Per superar aquest problema en el desenvolupament d'acceleradors de carboni mèdics, es proposa un nou esquema de lliurament de feix DPIS41.Hem aplicat aquesta tècnica per accelerar un potent feix d'ions de liti d'una nova font de neutrons.
Com es mostra a la fig.4, l'espai on es genera i s'expandeix el plasma està envoltat per un recipient metàl·lic.L'espai tancat s'estén fins a l'entrada del ressonador RFQ, inclòs el volum dins de la bobina del solenoide.S'ha aplicat una tensió de 52 kV al contenidor.Al ressonador RFQ, els ions són estirats pel potencial a través d'un forat de 6 mm de diàmetre posant a terra l'RFQ.Les forces de repulsió no lineals a la línia del feix s'eliminen a mesura que els ions es transporten en estat de plasma.A més, com s'ha esmentat anteriorment, hem aplicat un camp de solenoides en combinació amb DPIS per controlar i augmentar la densitat d'ions a l'obertura d'extracció.
L'accelerador RFQ consta d'una cambra de buit cilíndrica tal com es mostra a la fig.9a.A l'interior, quatre varetes de coure lliure d'oxigen es col·loquen de forma quadripol simètrica al voltant de l'eix del feix (Fig. 9b).4 barres i cambres formen un circuit de RF ressonant.El camp de RF induït crea una tensió variable en el temps a través de la vareta.Els ions implantats longitudinalment al voltant de l'eix es mantenen lateralment pel camp quadrupol.Al mateix temps, la punta de la vareta es modula per crear un camp elèctric axial.El camp axial divideix el feix continu injectat en una sèrie de polsos de feix anomenat feix.Cada feix està contingut dins d'un temps de cicle de RF determinat (10 ns).Els feixos adjacents estan espaiats segons el període de radiofreqüència.Al linac RFQ, un feix de 2 µs d'una font d'ions làser es converteix en una seqüència de 200 feixos.Aleshores, el feix s'accelera fins a l'energia calculada.
Accelerador lineal RFQ.(a) (esquerra) Vista externa de la cambra de linac RFQ.(b) (dreta) Elèctrode de quatre varetes a la cambra.
Els principals paràmetres de disseny del linac RFQ són la tensió de la barra, la freqüència de ressonància, el radi del forat del feix i la modulació de l'elèctrode.Seleccioneu la tensió a la vareta ± 29 kV de manera que el seu camp elèctric estigui per sota del llindar de ruptura elèctrica.Com més baixa sigui la freqüència de ressonància, més gran serà la força d'enfocament lateral i menor serà el camp d'acceleració mitjà.Els grans radis d'obertura permeten augmentar la mida del feix i, en conseqüència, augmentar el corrent del feix a causa de la menor repulsió de càrrega espacial.D'altra banda, els radis d'obertura més grans requereixen més potència de RF per alimentar el linac RFQ.A més, està limitat pels requisits de qualitat del lloc.A partir d'aquests equilibris, es van triar la freqüència de ressonància (100 MHz) i el radi d'obertura (4,5 mm) per a l'acceleració del feix d'alta corrent.La modulació es tria per minimitzar la pèrdua de feix i maximitzar l'eficiència de l'acceleració.El disseny s'ha optimitzat moltes vegades per produir un disseny linac RFQ que pot accelerar ions 7Li3+ a 40 mA de 22 keV/n a 204 keV/n en 2 m.La potència de RF mesurada durant l'experiment va ser de 77 kW.
Els linacs RFQ poden accelerar ions amb un interval de Q/A específic.Per tant, quan s'analitza un feix alimentat a l'extrem d'un accelerador lineal, cal tenir en compte els isòtops i altres substàncies.A més, els ions desitjats, parcialment accelerats, però baixats en condicions d'acceleració al mig de l'accelerador, encara poden complir el confinament lateral i es poden transportar fins al final.Els raigs no desitjats diferents de les partícules 7Li3+ dissenyades s'anomenen impureses.En els nostres experiments, les impureses 14N6+ i 16O7+ van ser la més preocupant, ja que la làmina de metall de liti reacciona amb l'oxigen i el nitrogen de l'aire.Aquests ions tenen una relació Q/A que es pot accelerar amb 7Li3+.Utilitzem imants dipols per separar feixos de diferent qualitat i qualitat per a l'anàlisi del feix després del linac RFQ.
La línia de feix després del linac RFQ està dissenyada per lliurar el feix 7Li3+ totalment accelerat al FC després de l'imant dipol.Els elèctrodes de polarització de -400 V s'utilitzen per suprimir els electrons secundaris a la tassa per mesurar amb precisió el corrent del feix d'ions.Amb aquesta òptica, les trajectòries d'ions es separen en dipols i se centren en diferents llocs en funció de la Q/A.A causa de diversos factors, com ara la difusió del moment i la repulsió de la càrrega espacial, el feix del focus té una certa amplada.Les espècies només es poden separar si la distància entre les posicions focals de les dues espècies d'ions és major que l'amplada del feix.Per obtenir la màxima resolució possible, s'instal·la una escletxa horitzontal prop de la cintura del feix, on el feix està pràcticament concentrat.Es va instal·lar una pantalla de centelleig (CsI(Tl) de Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) entre la ranura i el PC.El centelleador es va utilitzar per determinar la ranura més petita per la qual havien de passar les partícules dissenyades per obtenir una resolució òptima i per demostrar mides de feix acceptables per a feixos d'ions pesats d'alta corrent.La imatge del feix del centelleador és gravada per una càmera CCD a través d'una finestra de buit.Ajusteu la finestra de temps d'exposició per cobrir tota l'amplada del pols del feix.
Els conjunts de dades utilitzats o analitzats en l'estudi actual estan disponibles als autors respectius a petició raonable.
Manke, I. et al.Imatge tridimensional de dominis magnètics.Comuna Nacional.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Possibilitats d'estudiar fonts de neutrons compactes en acceleradors.física.Rep 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Microtomografia computada basada en neutrons: Pliobates cataloniae i Barberapithecus huerzeleri com a casos de prova.Sí.J. Física.antropologia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).