Leveranciers van 304L 6,35 * 1 mm roestvrijstalen spiraalbuizen, demonstratie van een intense lithiumstraal voor het genereren van gepulseerde directe neutronen

Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Sliders met drie artikelen per dia.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door de dia's te bladeren, of de knoppen op de schuifregelaar aan het einde om door elke dia te bladeren.

Als alternatief voor de studie van kernreactoren kan een compacte, door een versneller aangedreven neutronengenerator die gebruik maakt van een lithium-ion beam driver een veelbelovende kandidaat zijn, omdat deze weinig ongewenste straling produceert.Het was echter moeilijk om een ​​intense straal lithiumionen af ​​te leveren, en de praktische toepassing van dergelijke apparaten werd als onmogelijk beschouwd.Het meest acute probleem van onvoldoende ionenstroom werd opgelost door een direct plasma-implantatieschema toe te passen.In dit schema wordt een gepulseerd plasma met hoge dichtheid, gegenereerd door laserablatie van een lithiummetaalfolie, efficiënt geïnjecteerd en versneld door een hoogfrequente quadrupoolversneller (RFQ-versneller).We hebben een maximale bundelstroom van 35 mA bereikt, versneld tot 1,43 MeV, wat twee ordes van grootte hoger is dan conventionele injector- en acceleratorsystemen kunnen bieden.
In tegenstelling tot röntgenstraling of geladen deeltjes hebben neutronen een grote penetratiediepte en een unieke interactie met gecondenseerde materie, waardoor ze uiterst veelzijdige sondes zijn voor het bestuderen van de eigenschappen van materialen1,2,3,4,5,6,7.Met name neutronenverstrooiingstechnieken worden vaak gebruikt om de samenstelling, structuur en interne spanningen in gecondenseerde materie te bestuderen en kunnen gedetailleerde informatie verschaffen over sporenverbindingen in metaallegeringen die moeilijk te detecteren zijn met behulp van röntgenspectroscopie8.Deze methode wordt beschouwd als een krachtig hulpmiddel in de fundamentele wetenschap en wordt gebruikt door fabrikanten van metalen en andere materialen.Meer recentelijk is neutronendiffractie gebruikt om restspanningen in mechanische componenten zoals spoorweg- en vliegtuigonderdelen te detecteren9,10,11,12.Neutronen worden ook gebruikt in olie- en gasbronnen omdat ze gemakkelijk kunnen worden opgevangen door protonenrijke materialen13.Soortgelijke methoden worden ook gebruikt in de civiele techniek.Niet-destructieve neutronentests zijn een effectief hulpmiddel voor het opsporen van verborgen fouten in gebouwen, tunnels en bruggen.Het gebruik van neutronenbundels wordt actief gebruikt in wetenschappelijk onderzoek en de industrie, waarvan er vele historisch zijn ontwikkeld met behulp van kernreactoren.
Met de mondiale consensus over nucleaire non-proliferatie wordt het bouwen van kleine reactoren voor onderzoeksdoeleinden echter steeds moeilijker.Bovendien heeft het recente ongeval in Fukushima het bouwen van kernreactoren bijna sociaal aanvaardbaar gemaakt.In verband met deze trend groeit de vraag naar neutronenbronnen bij versnellers2.Als alternatief voor kernreactoren zijn er al verschillende grote versneller-splitsende neutronenbronnen in bedrijf14,15.Voor een efficiënter gebruik van de eigenschappen van neutronenbundels is het echter noodzakelijk om het gebruik van compacte bronnen bij versnellers 16 uit te breiden, die mogelijk toebehoren aan industriële en universitaire onderzoeksinstellingen.Versneller-neutronenbronnen hebben nieuwe mogelijkheden en functies toegevoegd en dienen niet alleen als vervanging voor kernreactoren14.Een door een lineaire versneller aangedreven generator kan bijvoorbeeld eenvoudig een stroom neutronen creëren door de aandrijfbundel te manipuleren.Eenmaal uitgezonden zijn neutronen moeilijk te controleren en zijn stralingsmetingen moeilijk te analyseren vanwege de ruis die wordt veroorzaakt door achtergrondneutronen.Gepulseerde neutronen bestuurd door een versneller vermijden dit probleem.Over de hele wereld zijn verschillende projecten voorgesteld op basis van protonenversnellertechnologie17,18,19.De reacties 7Li(p, n)7Be en 9Be(p, n)9B worden het meest gebruikt in protonenaangedreven compacte neutronengeneratoren omdat het endotherme reacties zijn20.Overtollige straling en radioactief afval kunnen worden geminimaliseerd als de gekozen energie om de protonenbundel te exciteren iets boven de drempelwaarde ligt.De massa van de doelkern is echter veel groter dan die van protonen, en de resulterende neutronen verspreiden zich in alle richtingen.Een dergelijke bijna isotrope emissie van een neutronenflux verhindert een efficiënt transport van neutronen naar het studieobject.Om de vereiste dosis neutronen op de locatie van het object te verkrijgen, is het bovendien noodzakelijk om zowel het aantal bewegende protonen als hun energie aanzienlijk te vergroten.Als gevolg hiervan zullen grote doses gammastraling en neutronen zich onder grote hoeken voortplanten, waardoor het voordeel van endotherme reacties teniet wordt gedaan.Een typische door een versneller aangedreven compacte, op protonen gebaseerde neutronengenerator heeft een sterke stralingsafscherming en is het grootste deel van het systeem.De noodzaak om de energie van het aandrijven van protonen te vergroten vereist gewoonlijk een extra vergroting van de versnellerfaciliteit.
Om de algemene tekortkomingen van conventionele compacte neutronenbronnen bij versnellers te ondervangen, werd een inversiekinematisch reactieschema voorgesteld21.In dit schema wordt een zwaardere lithium-ionstraal gebruikt als geleidestraal in plaats van een protonenstraal, gericht op waterstofrijke materialen zoals koolwaterstofkunststoffen, hydriden, waterstofgas of waterstofplasma.Er zijn alternatieven overwogen, zoals door berylliumionen aangedreven balken, maar beryllium is een giftige stof die speciale zorg vereist bij het hanteren.Daarom is een lithiumbundel het meest geschikt voor inversiekinematische reactieschema's.Omdat het momentum van lithiumkernen groter is dan dat van protonen, beweegt het massamiddelpunt van nucleaire botsingen voortdurend naar voren en worden ook neutronen naar voren uitgezonden.Deze functie elimineert in grote mate ongewenste gammastraling en neutronenemissies onder grote hoeken22.Een vergelijking van het gebruikelijke geval van een protonenmotor en het scenario van de inverse kinematica wordt getoond in Figuur 1.
Illustratie van neutronenproductiehoeken voor proton- en lithiumbundels (getekend met Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutronen kunnen als gevolg van de reactie in elke richting worden uitgestoten vanwege het feit dat bewegende protonen de veel zwaardere atomen van het lithiumdoel treffen.(b) Omgekeerd, als een lithium-ion-driver een waterstofrijk doel bombardeert, worden neutronen gegenereerd in een smalle kegel in de voorwaartse richting vanwege de hoge snelheid van het massamiddelpunt van het systeem.
Er bestaan ​​echter slechts enkele inverse kinematische neutronengeneratoren vanwege de moeilijkheid om de vereiste flux van zware ionen met een hoge lading te genereren in vergelijking met protonen.Al deze fabrieken maken gebruik van negatieve sputterionenbronnen in combinatie met tandem-elektrostatische versnellers.Er zijn andere typen ionenbronnen voorgesteld om de efficiëntie van de bundelversnelling te vergroten.In ieder geval is de beschikbare lithium-ionbundelstroom beperkt tot 100 µA.Er is voorgesteld om 1 mA Li3+27 te gebruiken, maar deze ionenbundelstroom is door deze methode niet bevestigd.In termen van intensiteit kunnen lithiumbundelversnellers niet concurreren met protonenbundelversnellers waarvan de piekprotonstroom groter is dan 10 mA28.
Om een ​​praktische compacte neutronengenerator op basis van een lithium-ionbundel te implementeren, is het voordelig om een ​​hoge intensiteit te genereren die volledig vrij is van ionen.De ionen worden versneld en geleid door elektromagnetische krachten, en een hoger ladingsniveau resulteert in een efficiëntere versnelling.Li-ion beam drivers vereisen Li3+ piekstromen van meer dan 10 mA.
In dit werk demonstreren we de versnelling van Li3+-bundels met piekstromen tot 35 mA, wat vergelijkbaar is met geavanceerde protonenversnellers.De originele lithiumionenbundel werd gecreëerd met behulp van laserablatie en een Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS), oorspronkelijk ontwikkeld om C6+ te versnellen.Er werd een op maat ontworpen radiofrequentie-quadrupool-linac (RFQ-linac) vervaardigd met behulp van een resonante structuur met vier staven.We hebben geverifieerd dat de versnellende straal de berekende, zeer zuivere straalenergie heeft.Zodra de Li3+-straal effectief is opgevangen en versneld door de radiofrequentie (RF) versneller, wordt het daaropvolgende linac (versneller) gedeelte gebruikt om de energie te leveren die nodig is om een ​​sterke neutronenflux uit het doel te genereren.
De versnelling van hoogwaardige ionen is een gevestigde technologie.De resterende taak van het realiseren van een nieuwe, zeer efficiënte compacte neutronengenerator is het genereren van een groot aantal volledig gestripte lithiumionen en het vormen van een clusterstructuur bestaande uit een reeks ionenpulsen gesynchroniseerd met de RF-cyclus in de versneller.De resultaten van experimenten die zijn ontworpen om dit doel te bereiken, worden beschreven in de volgende drie subsecties: (1) het genereren van een volledig verstoken lithium-ionbundel, (2) bundelversnelling met behulp van een speciaal ontworpen RFQ-linac, en (3) versnelling van de analyse van de straal om de inhoud ervan te controleren.Bij Brookhaven National Laboratory (BNL) hebben we de experimentele opstelling gebouwd die wordt weergegeven in figuur 2.
Overzicht van de experimentele opstelling voor versnelde analyse van lithiumbundels (geïllustreerd door Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Van rechts naar links wordt laserablatief plasma gegenereerd in de laser-doelinteractiekamer en afgeleverd aan de RFQ-linac.Bij binnenkomst in de RFQ-versneller worden de ionen gescheiden van het plasma en in de RFQ-versneller geïnjecteerd via een plotseling elektrisch veld dat wordt gecreëerd door een spanningsverschil van 52 kV tussen de extractie-elektrode en de RFQ-elektrode in het driftgebied.De geëxtraheerde ionen worden versneld van 22 keV/n naar 204 keV/n met behulp van 2 meter lange RFQ-elektroden.Een stroomtransformator (CT) die aan de uitgang van de RFQ-linac is geïnstalleerd, zorgt voor een niet-destructieve meting van de ionenbundelstroom.De straal wordt gefocusseerd door drie quadrupoolmagneten en naar een dipoolmagneet gericht, die de Li3+-straal scheidt en naar de detector richt.Achter de spleet worden een intrekbare plastic scintillator en een Faraday-beker (FC) met een voorspanning tot -400 V gebruikt om de versnellende straal te detecteren.
Om volledig geïoniseerde lithiumionen (Li3+) te genereren, is het noodzakelijk een plasma te creëren met een temperatuur boven de derde ionisatie-energie (122,4 eV).We probeerden laserablatie te gebruiken om plasma op hoge temperatuur te produceren.Dit type laserionenbron wordt niet vaak gebruikt om lithiumionenbundels te genereren, omdat lithiummetaal reactief is en een speciale behandeling vereist.We hebben een doellaadsysteem ontwikkeld om vocht- en luchtverontreiniging te minimaliseren bij het installeren van lithiumfolie in de vacuümlaserinteractiekamer.Alle bereidingen van materialen werden uitgevoerd in een gecontroleerde omgeving van droge argon.Nadat de lithiumfolie in de laserdoelkamer was geïnstalleerd, werd de folie bestraald met gepulseerde Nd:YAG-laserstraling met een energie van 800 mJ per puls.Bij de focus op het doel wordt de laservermogensdichtheid geschat op ongeveer 1012 W/cm2.Plasma ontstaat wanneer een gepulseerde laser een doelwit in een vacuüm vernietigt.Gedurende de gehele laserpuls van 6 ns blijft het plasma opwarmen, voornamelijk als gevolg van het omgekeerde remstralingsproces.Omdat er tijdens de verwarmingsfase geen beperkend extern veld wordt aangelegd, begint het plasma in drie dimensies uit te zetten.Wanneer het plasma zich over het doeloppervlak begint uit te breiden, verkrijgt het massamiddelpunt van het plasma een snelheid loodrecht op het doeloppervlak met een energie van 600 eV/n.Na verwarming blijft het plasma in axiale richting bewegen vanaf het doel, waarbij het zich isotroop uitbreidt.
Zoals weergegeven in figuur 2 expandeert het ablatieplasma naar een vacuümvolume omgeven door een metalen houder met hetzelfde potentieel als het doel.Het plasma drijft dus door het veldvrije gebied naar de RFQ-versneller.Er wordt een axiaal magnetisch veld aangelegd tussen de laserbestralingskamer en de RFQ lineaire versneller door middel van een solenoïdespoel die rond de vacuümkamer is gewikkeld.Het magnetische veld van de solenoïde onderdrukt de radiale uitzetting van het ronddrijvende plasma om een ​​hoge plasmadichtheid te behouden tijdens levering aan de RFQ-opening.Aan de andere kant blijft het plasma tijdens de drift in axiale richting uitzetten, waardoor een langwerpig plasma ontstaat.Er wordt een hoge spanningsvoorspanning toegepast op het metalen vat dat het plasma bevat, vóór de uitgangspoort bij de RFQ-inlaat.De biasspanning werd gekozen om de vereiste injectiesnelheid van 7Li3+ te leveren voor een juiste versnelling door de RFQ-linac.
Het resulterende ablatieplasma bevat niet alleen 7Li3+, maar ook lithium in andere ladingstoestanden en verontreinigende elementen, die tegelijkertijd naar de lineaire versneller van de RFQ worden getransporteerd.Voorafgaand aan versnelde experimenten met de RFQ lineaire versneller werd een offline time-of-flight (TOF)-analyse uitgevoerd om de samenstelling en energieverdeling van ionen in het plasma te bestuderen.De gedetailleerde analytische opzet en de waargenomen statusverdelingen worden uitgelegd in de sectie Methoden.Uit de analyse bleek dat 7Li3+-ionen de belangrijkste deeltjes waren, goed voor ongeveer 54% van alle deeltjes, zoals weergegeven in figuur 3. Volgens de analyse wordt de 7Li3+-ionenstroom op het uitgangspunt van de ionenbundel geschat op 1,87 mA.Tijdens versnelde tests wordt een elektromagnetisch veld van 79 mT op het uitzettende plasma aangelegd.Als gevolg hiervan nam de 7Li3+-stroom die uit het plasma werd gehaald en op de detector werd waargenomen met een factor 30 toe.
Fracties van ionen in door laser gegenereerd plasma verkregen door vluchttijdanalyse.De 7Li1+ en 7Li2+ ionen vormen respectievelijk 5% en 25% van de ionenbundel.De gedetecteerde fractie van 6Li-deeltjes komt overeen met het natuurlijke gehalte aan 6Li (7,6%) in het lithiumfoliedoel binnen de experimentele fout.Er werd een lichte zuurstofverontreiniging (6,2%) waargenomen, voornamelijk O1+ (2,1%) en O2+ (1,5%), wat te wijten kan zijn aan oxidatie van het oppervlak van het lithiumfoliedoel.
Zoals eerder vermeld, drijft het lithiumplasma in een veldloos gebied voordat het de RFQ-linac binnengaat.De ingang van de RFQ lineaire versneller heeft een gat met een diameter van 6 mm in een metalen houder en de voorspanning is 52 kV.Hoewel de spanning van de RFQ-elektrode snel verandert ±29 kV bij 100 MHz, veroorzaakt de spanning een axiale versnelling omdat de RFQ-versnellerelektroden een gemiddeld potentieel van nul hebben.Vanwege het sterke elektrische veld dat wordt gegenereerd in de opening van 10 mm tussen de opening en de rand van de RFQ-elektrode, worden alleen positieve plasma-ionen uit het plasma bij de opening geëxtraheerd.Bij traditionele ionenafgiftesystemen worden ionen op aanzienlijke afstand vóór de RFQ-versneller van het plasma gescheiden door een elektrisch veld en vervolgens door een bundelfocusseringselement in de RFQ-opening gefocusseerd.Voor de intense zware ionenbundels die nodig zijn voor een intense neutronenbron kunnen niet-lineaire afstotende krachten als gevolg van ruimteladingseffecten echter leiden tot aanzienlijke bundelstroomverliezen in het ionentransportsysteem, waardoor de piekstroom die kan worden versneld, wordt beperkt.In ons DPIS worden ionen met hoge intensiteit als een drijvend plasma rechtstreeks naar het uitgangspunt van de RFQ-opening getransporteerd, zodat er geen verlies van de ionenbundel optreedt als gevolg van ruimtelading.Tijdens deze demonstratie werd DPIS voor het eerst toegepast op een lithium-ionstraal.
De RFQ-structuur is ontwikkeld voor het focusseren en versnellen van ionenbundels met lage energie en hoge stroomsterkte en is de standaard geworden voor eerste orde versnelling.We hebben RFQ gebruikt om 7Li3+-ionen te versnellen van een implantaatenergie van 22 keV/n naar 204 keV/n.Hoewel lithium en andere deeltjes met een lagere lading in het plasma ook uit het plasma worden gehaald en in de RFQ-opening worden geïnjecteerd, versnelt de RFQ lineaire versneller alleen ionen met een lading-massaverhouding (Q/A) dichtbij 7Li3+.
Op afb.Figuur 4 toont de golfvormen die worden gedetecteerd door de stroomtransformator (CT) aan de uitgang van de RFQ lineaire versneller en de Faraday-beker (FC) na analyse van de magneet, zoals weergegeven in figuur 4.2. De tijdsverschuiving tussen de signalen kan worden geïnterpreteerd als het verschil in vluchttijd op de locatie van de detector.De piekionenstroom gemeten bij CT was 43 mA.In de RT-positie kan de geregistreerde straal niet alleen ionen bevatten die zijn versneld tot de berekende energie, maar ook andere ionen dan 7Li3+, die niet voldoende versneld zijn.De gelijkenis van de ionenstroomvormen gevonden met behulp van QD en PC geeft echter aan dat de ionenstroom voornamelijk bestaat uit versneld 7Li3+, en dat de afname van de piekwaarde van de stroom op PC wordt veroorzaakt door bundelverliezen tijdens ionenoverdracht tussen QD en PC. PC.Verliezen Dit wordt ook bevestigd door de envelopsimulatie.Om de 7Li3+-bundelstroom nauwkeurig te meten, wordt de bundel geanalyseerd met een dipoolmagneet, zoals beschreven in de volgende sectie.
Oscillogrammen van de versnelde straal opgenomen in de detectorposities CT (zwarte curve) en FC (rode curve).Deze metingen worden geactiveerd door de detectie van laserstraling door een fotodetector tijdens het genereren van laserplasma.De zwarte curve toont de golfvorm gemeten op een CT die is aangesloten op de output van de RFQ lineaire versneller.Vanwege de nabijheid van de RFQ-linac vangt de detector 100 MHz RF-ruis op, dus werd een 98 MHz laagdoorlaat-FFT-filter toegepast om het 100 MHz resonante RF-signaal te verwijderen dat op het detectiesignaal was gesuperponeerd.De rode curve toont de golfvorm bij FC nadat de analytische magneet de 7Li3+-ionenbundel heeft gericht.In dit magnetische veld kunnen naast 7Li3+ ook N6+ en O7+ getransporteerd worden.
De ionenbundel na de RFQ-linac wordt gefocusseerd door een reeks van drie quadrupoolfocusseringsmagneten en vervolgens geanalyseerd door dipoolmagneten om onzuiverheden in de ionenbundel te isoleren.Een magnetisch veld van 0,268 T stuurt de 7Li3+-stralen naar de FC.De detectiegolfvorm van dit magnetische veld wordt weergegeven als de rode curve in Figuur 4. De piekbundelstroom bereikt 35 mA, wat meer dan 100 keer hoger is dan een typische Li3+-bundel die wordt geproduceerd in bestaande conventionele elektrostatische versnellers.De bundelpulsbreedte is 2,0 µs bij volledige breedte en op half maximum.De detectie van een 7Li3+-straal met een dipoolmagneetveld duidt op een succesvolle bundeling en straalversnelling.De door FC gedetecteerde ionenbundelstroom bij het scannen van het magnetische veld van de dipool wordt getoond in figuur 5. Er werd een zuivere enkele piek waargenomen, goed gescheiden van andere pieken.Omdat alle ionen die door de RFQ-linac worden versneld tot de ontwerpenergie dezelfde snelheid hebben, zijn ionenbundels met dezelfde Q/A moeilijk te scheiden door dipoolmagnetische velden.Daarom kunnen we 7Li3+ niet onderscheiden van N6+ ​​of O7+.De hoeveelheid onzuiverheden kan echter worden geschat op basis van aangrenzende ladingstoestanden.N7+ en N5+ kunnen bijvoorbeeld gemakkelijk worden gescheiden, terwijl N6+ deel kan uitmaken van de onzuiverheid en naar verwachting in ongeveer dezelfde hoeveelheid aanwezig zal zijn als N7+ en N5+.Het geschatte vervuilingsniveau bedraagt ​​ongeveer 2%.
Bundelcomponentspectra verkregen door het scannen van een dipoolmagnetisch veld.De piek bij 0,268 T komt overeen met 7Li3+ en N6+.De piekbreedte is afhankelijk van de grootte van de straal op de spleet.Ondanks brede pieken scheidt 7Li3+ zich goed af van 6Li3+, O6+ en N5+, maar slecht van O7+ en N6+.
Op de locatie van de FC werd het bundelprofiel bevestigd met een plug-in scintillator en opgenomen met een snelle digitale camera, zoals weergegeven in figuur 6. Er wordt getoond dat de gepulseerde 7Li3+-bundel met een stroomsterkte van 35 mA wordt versneld tot een berekende offerteaanvraag. energie van 204 keV/n, wat overeenkomt met 1,4 MeV, en verzonden naar de FC-detector.
Straalprofiel waargenomen op een pre-FC-scintillatorscherm (gekleurd door Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Het magnetische veld van de analytische dipoolmagneet werd afgestemd om de versnelling van de Li3+-ionenbundel te richten op de ontwerpenergie-RFQ.De blauwe stippen in het groene gebied worden veroorzaakt door defect scintillatormateriaal.
We hebben de generatie van 7Li3+-ionen bereikt door laserablatie van het oppervlak van een vaste lithiumfolie, en een ionenbundel met hoge stroom werd opgevangen en versneld met een speciaal ontworpen RFQ-linac met behulp van DPIS.Bij een bundelenergie van 1,4 MeV bedroeg de piekstroom van 7Li3+ die op de FC werd bereikt na analyse van de magneet 35 mA.Dit bevestigt dat het belangrijkste deel van de implementatie van een neutronenbron met inverse kinematica experimenteel is geïmplementeerd.In dit deel van het artikel wordt het gehele ontwerp van een compacte neutronenbron besproken, inclusief hoogenergetische versnellers en neutronendoelstations.Het ontwerp is gebaseerd op resultaten verkregen met bestaande systemen in ons laboratorium.Opgemerkt moet worden dat de piekstroom van de ionenbundel verder kan worden vergroot door de afstand tussen de lithiumfolie en de RFQ-linac te verkleinen.Rijst.7 illustreert het gehele concept van de voorgestelde compacte neutronenbron bij de versneller.
Conceptueel ontwerp van de voorgestelde compacte neutronenbron bij de versneller (getekend door Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Van rechts naar links: laserionenbron, magneetmagneet, RFQ lineaire versneller, medium-energy beam transfer (MEBT), IH lineaire versneller en interactiekamer voor het genereren van neutronen.Stralingsbescherming wordt voornamelijk in voorwaartse richting geboden vanwege het nauw gerichte karakter van de geproduceerde neutronenbundels.
Na de RFQ-linac is een verdere versnelling van de interdigitale H-structuur (IH-linac)30-linac gepland.IH-linacs gebruiken een π-modus driftbuisstructuur om hoge elektrische veldgradiënten te bieden over een bepaald snelheidsbereik.De conceptuele studie werd uitgevoerd op basis van 1D longitudinale dynamica-simulatie en 3D-schaalsimulatie.Uit berekeningen blijkt dat een 100 MHz IH lineaire versneller met een redelijke driftbuisspanning (minder dan 450 kV) en een sterke focusseringsmagneet een straal van 40 mA kan versnellen van 1,4 naar 14 MeV op een afstand van 1,8 m.De energieverdeling aan het einde van de versnellerketen wordt geschat op ± 0,4 MeV, wat geen significante invloed heeft op het energiespectrum van neutronen geproduceerd door het neutronenconversiedoel.Bovendien is de straalemissiviteit laag genoeg om de straal te focusseren op een kleinere straalvlek dan normaal nodig zou zijn voor een quadrupoolmagneet met gemiddelde sterkte en grootte.Bij medium-energy beam (MEBT)-transmissie tussen de RFQ lineaire versneller en de IH lineaire versneller wordt de bundelvormende resonator gebruikt om de bundelvormende structuur in stand te houden.Er worden drie quadrupoolmagneten gebruikt om de grootte van de zijbalk te regelen.Deze ontwerpstrategie is in veel versnellers gebruikt31,32,33.De totale lengte van het gehele systeem, van de ionenbron tot de doelkamer, wordt geschat op minder dan 8 meter, wat in een standaard vrachtwagen met oplegger past.
Het neutronenconversiedoel zal direct na de lineaire versneller worden geïnstalleerd.We bespreken doelstationontwerpen op basis van eerdere onderzoeken met behulp van inverse kinematische scenario's .Gerapporteerde conversiedoelen omvatten vaste materialen (polypropyleen (C3H6) en titaniumhydride (TiH2)) en gasvormige doelsystemen.Elk doel heeft voor- en nadelen.Stevige doelen maken nauwkeurige diktecontrole mogelijk.Hoe dunner het doel, hoe nauwkeuriger de ruimtelijke ordening van de neutronenproductie.Dergelijke doelen kunnen echter nog steeds een zekere mate van ongewenste kernreacties en straling veroorzaken.Aan de andere kant kan een waterstofdoelstelling zorgen voor een schoner milieu door de productie van 7Be, het belangrijkste product van de kernreactie, te elimineren.Waterstof heeft echter een zwak barrièrevermogen en vereist een grote fysieke afstand voor voldoende energievrijgave.Dit is enigszins nadelig voor TOF-metingen.Als een dunne film wordt gebruikt om een ​​waterstofdoel af te dichten, moet bovendien rekening worden gehouden met de energieverliezen van gammastraling die wordt gegenereerd door de dunne film en de invallende lithiumbundel.
LICORNE maakt gebruik van polypropyleen doelen en het doelsysteem is geüpgraded naar waterstofcellen afgesloten met tantaalfolie.Uitgaande van een straalstroom van 100 nA voor 7Li34, kunnen beide doelsystemen maximaal 107 n/s/sr produceren.Als we deze geclaimde conversie van neutronenopbrengst toepassen op onze voorgestelde neutronenbron, kan voor elke laserpuls een door lithium aangedreven straal van 7 x 10–8 C worden verkregen.Dit betekent dat het afvuren van de laser slechts twee keer per seconde 40% meer neutronen produceert dan LICORNE in één seconde kan produceren met een continue straal.De totale flux kan eenvoudig worden vergroot door de excitatiefrequentie van de laser te verhogen.Als we aannemen dat er een 1 kHz lasersysteem op de markt is, kan de gemiddelde neutronenflux eenvoudig worden opgeschaald tot ongeveer 7 × 109 n/s/sr.
Wanneer we systemen met een hoge herhalingssnelheid gebruiken met plastic doelen, is het noodzakelijk om de warmteontwikkeling op de doelen te beheersen, omdat polypropyleen bijvoorbeeld een laag smeltpunt van 145–175 °C en een lage thermische geleidbaarheid van 0,1–0,22 W/ heeft. m/K.Voor een lithium-ionbundel van 14 MeV is een 7 µm dik polypropyleendoel voldoende om de bundelenergie terug te brengen tot de reactiedrempel (13,098 MeV).Rekening houdend met het totale effect van de ionen die door één laserschot op het doel worden gegenereerd, wordt de energieafgifte van lithiumionen door polypropyleen geschat op 64 mJ/puls.Ervan uitgaande dat alle energie wordt overgedragen in een cirkel met een diameter van 10 mm, komt elke puls overeen met een temperatuurstijging van ongeveer 18 K/puls.Het vrijkomen van energie op polypropyleendoelen is gebaseerd op de eenvoudige aanname dat alle energieverliezen worden opgeslagen als warmte, zonder straling of andere warmteverliezen.Omdat het verhogen van het aantal pulsen per seconde de eliminatie van de warmteopbouw vereist, kunnen we stripdoelen gebruiken om het vrijkomen van energie op hetzelfde punt te voorkomen23.Uitgaande van een straalvlek van 10 mm op een doel met een laserherhalingssnelheid van 100 Hz, zou de scansnelheid van de polypropyleentape 1 m/s zijn.Hogere herhalingsfrequenties zijn mogelijk als bundelvlekoverlapping is toegestaan.
We hebben ook doelen met waterstofbatterijen onderzocht, omdat er sterkere aandrijfbalken konden worden gebruikt zonder het doel te beschadigen.De neutronenbundel kan eenvoudig worden afgestemd door de lengte van de gaskamer en de waterstofdruk binnenin te veranderen.Dunne metaalfolies worden vaak gebruikt in versnellers om het gasvormige gebied van het doel te scheiden van het vacuüm.Daarom is het noodzakelijk om de energie van de invallende lithium-ionbundel te vergroten om de energieverliezen op de folie te compenseren.Het in rapport 35 beschreven doelsamenstel bestond uit een aluminium container van 3,5 cm lang met een H2-gasdruk van 1,5 atm.De lithiumionenbundel van 16,75 MeV komt de batterij binnen via de luchtgekoelde 2,7 µm Ta-folie, en de energie van de lithiumionenbundel aan het uiteinde van de batterij wordt vertraagd tot de reactiedrempel.Om de stralingsenergie van lithium-ionbatterijen te verhogen van 14,0 MeV naar 16,75 MeV, moest de IH-linac met ongeveer 30 cm worden verlengd.
De emissie van neutronen door gasceldoelen werd ook bestudeerd.Voor de bovengenoemde LICORNE-gasdoelen laten GEANT436-simulaties zien dat sterk georiënteerde neutronen binnen de kegel worden gegenereerd, zoals weergegeven in Figuur 1 in [37].Referentie 35 toont het energiebereik van 0,7 tot 3,0 MeV met een maximale kegelopening van 19,5° ten opzichte van de voortplantingsrichting van de hoofdbundel.Sterk georiënteerde neutronen kunnen de hoeveelheid afschermingsmateriaal onder de meeste hoeken aanzienlijk verminderen, waardoor het gewicht van de constructie wordt verminderd en een grotere flexibiliteit wordt geboden bij de installatie van meetapparatuur.Vanuit het oogpunt van stralingsbescherming zendt dit gasvormige doelwit, naast neutronen, 478 keV gammastraling isotroop uit in het zwaartepuntcoördinatensysteem38.Deze γ-stralen worden geproduceerd als gevolg van 7Be-verval en 7Li-deexcitatie, wat optreedt wanneer de primaire Li-straal het invoervenster Ta raakt.Door het toevoegen van een dikke cilindrische collimator van 35 Pb/Cu kan de achtergrond echter aanzienlijk worden verminderd.
Als alternatief doelwit kan men een plasmavenster [39, 40] gebruiken, dat het mogelijk maakt een relatief hoge waterstofdruk en een klein ruimtelijk gebied voor neutronengeneratie te bereiken, hoewel dit inferieur is aan vaste doelen.
We onderzoeken opties voor het targeten van neutronenconversie voor de verwachte energieverdeling en bundelgrootte van een lithiumionenbundel met behulp van GEANT4.Onze simulaties laten een consistente verdeling zien van neutronenenergie en hoekverdelingen voor waterstofdoelen in de bovenstaande literatuur.In elk doelsysteem kunnen hooggeoriënteerde neutronen worden geproduceerd door een inverse kinematische reactie, aangedreven door een sterke 7Li3+-straal op een waterstofrijk doel.Daarom kunnen nieuwe neutronenbronnen worden geïmplementeerd door reeds bestaande technologieën te combineren.
De laserbestralingsomstandigheden reproduceerden experimenten met het genereren van ionenbundels voorafgaand aan de versnelde demonstratie.De laser is een desktop nanoseconde Nd:YAG-systeem met een laservermogensdichtheid van 1012 W/cm2, een fundamentele golflengte van 1064 nm, een spotenergie van 800 mJ en een pulsduur van 6 ns.De vlekdiameter op het doel wordt geschat op 100 µm.Omdat lithiummetaal (Alfa Aesar, 99,9% puur) vrij zacht is, wordt het nauwkeurig gesneden materiaal in de mal geperst.Folieafmetingen 25 mm × 25 mm, dikte 0,6 mm.Kraterachtige schade treedt op op het oppervlak van het doelwit wanneer een laser het raakt, dus het doelwit wordt verplaatst door een gemotoriseerd platform om bij elke laserschot een nieuw deel van het oppervlak van het doelwit te voorzien.Om recombinatie als gevolg van restgas te voorkomen, werd de druk in de kamer onder het bereik van 10-4 Pa gehouden.
Het initiële volume van het laserplasma is klein, aangezien de grootte van de laservlek 100 μm bedraagt ​​en binnen 6 ns na de vorming ervan.Het volume kan als een exact punt worden genomen en worden uitgebreid.Als de detector op een afstand xm van het doeloppervlak wordt geplaatst, volgt het ontvangen signaal de relatie: ionenstroom I, ionenaankomsttijd t en pulsbreedte τ.
Het gegenereerde plasma werd bestudeerd met behulp van de TOF-methode met FC en een energie-ionanalysator (EIA) op een afstand van 2,4 m en 3,85 m van het laserdoel.De FC heeft een onderdrukkingsrooster met een bias van -5 kV om elektronen te voorkomen.De EIA heeft een elektrostatische deflector van 90 graden, bestaande uit twee coaxiale metalen cilindrische elektroden met dezelfde spanning maar tegengestelde polariteit, positief aan de buitenkant en negatief aan de binnenkant.Het uitzettende plasma wordt naar de deflector achter de sleuf geleid en afgebogen door het elektrische veld dat door de cilinder gaat.Ionen die voldoen aan de relatie E/z = eKU worden gedetecteerd met behulp van een secundaire elektronenvermenigvuldiger (SEM) (Hamamatsu R2362), waarbij E, z, e, K en U de ionenenergie zijn, de ladingstoestand en de lading geometrische EIA-factoren zijn .elektronen, respectievelijk, en het potentiaalverschil tussen de elektroden.Door de spanning over de deflector te veranderen, kan men de energie- en ladingsverdeling van ionen in het plasma verkrijgen.De sweepspanning U/2 EIA ligt in het bereik van 0,2 V tot 800 V, wat overeenkomt met een ionenenergie in het bereik van 4 eV tot 16 keV per laadtoestand.
De verdelingen van de ladingstoestand van de ionen geanalyseerd onder de omstandigheden van laserbestraling beschreven in de sectie "Generatie van volledig gestripte lithiumstralen" worden getoond in Fig.8.
Analyse van de verdeling van de ladingstoestand van ionen.Hier is het tijdsprofiel van de ionenstroomdichtheid geanalyseerd met EIA en geschaald op 1 m van de lithiumfolie met behulp van de vergelijking.(1) en (2).Gebruik de laserbestralingsomstandigheden die worden beschreven in het gedeelte ‘Generatie van een volledig geëxpandeerde lithiumstraal’.Door elke stroomdichtheid te integreren, werd het aandeel ionen in het plasma berekend, weergegeven in Figuur 3.
Laserionenbronnen kunnen een intense multi-mA-ionenbundel met een hoge lading afgeven.Het afgeven van de straal is echter erg moeilijk vanwege de afstoting van ruimtelading, dus het werd niet op grote schaal gebruikt.In het traditionele schema worden ionenbundels uit het plasma gehaald en langs een bundellijn met verschillende focusseringsmagneten naar de primaire versneller getransporteerd om de ionenbundel vorm te geven in overeenstemming met het opnamevermogen van de versneller.Bij ruimteladingskrachtbundels divergeren de bundels niet-lineair, en er worden ernstige bundelverliezen waargenomen, vooral in het gebied van lage snelheden.Om dit probleem bij de ontwikkeling van medische koolstofversnellers te ondervangen, wordt een nieuw DPIS41-straalafgifteschema voorgesteld.We hebben deze techniek toegepast om een ​​krachtige lithium-ionbundel van een nieuwe neutronenbron te versnellen.
Zoals weergegeven in afb.4 is de ruimte waarin het plasma wordt gegenereerd en geëxpandeerd omgeven door een metalen houder.De omsloten ruimte strekt zich uit tot de ingang van de RFQ-resonator, inclusief het volume in de elektromagnetische spoel.Op de container stond een spanning van 52 kV.In de RFQ-resonator worden ionen door potentiaal door een gat met een diameter van 6 mm getrokken door de RFQ te aarden.De niet-lineaire afstotende krachten op de bundellijn worden geëlimineerd wanneer de ionen in plasmatoestand worden getransporteerd.Bovendien hebben we, zoals hierboven vermeld, een elektromagnetisch veld toegepast in combinatie met DPIS om de dichtheid van ionen in de extractieopening te controleren en te vergroten.
De RFQ-versneller bestaat uit een cilindrische vacuümkamer, zoals weergegeven in afb.9a.Daarin zijn vier staven zuurstofvrij koper quadrupool-symmetrisch rond de straalas geplaatst (figuur 9b).4 staven en kamers vormen een resonant RF-circuit.Het geïnduceerde RF-veld creëert een in de tijd variërende spanning over de staaf.Ionen die longitudinaal rond de as zijn geïmplanteerd, worden lateraal vastgehouden door het quadrupoolveld.Tegelijkertijd wordt de punt van de staaf gemoduleerd om een ​​axiaal elektrisch veld te creëren.Het axiale veld splitst de geïnjecteerde continue straal in een reeks straalpulsen die een straal worden genoemd.Elke straal wordt binnen een bepaalde RF-cyclustijd (10 ns) gehouden.Aangrenzende bundels zijn op afstand van elkaar geplaatst overeenkomstig de radiofrequentieperiode.In de RFQ lineaire versneller wordt een straal van 2 µs van een laserionenbron omgezet in een reeks van 200 stralen.De straal wordt vervolgens versneld tot de berekende energie.
Offerteaanvraag voor lineaire versneller.(a) (links) Buitenaanzicht van de kamer van de RFQ-linac.(b) (rechts) Vierstaafelektrode in de kamer.
De belangrijkste ontwerpparameters van de RFQ lineaire versneller zijn de staafspanning, resonantiefrequentie, straal van het straalgat en elektrodemodulatie.Selecteer de spanning op de staaf ± 29 kV zodat het elektrische veld onder de elektrische doorslagdrempel ligt.Hoe lager de resonantiefrequentie, hoe groter de laterale focusseringskracht en hoe kleiner het gemiddelde versnellingsveld.Grote openingsstralen maken het mogelijk om de straalgrootte te vergroten en dientengevolge de straalstroom te vergroten vanwege de kleinere afstoting van ruimtelading.Aan de andere kant vereisen grotere openingsradii meer RF-vermogen om de RFQ lineaire versneller van stroom te voorzien.Bovendien wordt het beperkt door de kwaliteitseisen van de site.Op basis van deze balansen werden de resonantiefrequentie (100 MHz) en de openingsradius (4,5 mm) gekozen voor bundelversnelling met hoge stroomsterkte.De modulatie is gekozen om bundelverlies te minimaliseren en de versnellingsefficiëntie te maximaliseren.Het ontwerp is vele malen geoptimaliseerd om een ​​RFQ-linac-ontwerp te produceren dat 7Li3+-ionen bij 40 mA kan versnellen van 22 keV/n naar 204 keV/n binnen 2 m.Het tijdens het experiment gemeten RF-vermogen was 77 kW.
RFQ-linacs kunnen ionen versnellen met een specifiek Q/A-bereik.Daarom is het bij het analyseren van een straal die naar het uiteinde van een lineaire versneller wordt gevoerd, noodzakelijk om rekening te houden met isotopen en andere stoffen.Bovendien kunnen de gewenste ionen, gedeeltelijk versneld, maar onder versnellingsomstandigheden in het midden van de versneller neergedaald, nog steeds zijdelings worden opgesloten en naar het einde worden getransporteerd.Ongewenste stralen anders dan kunstmatige 7Li3+-deeltjes worden onzuiverheden genoemd.In onze experimenten waren de 14N6+ en 16O7+ onzuiverheden de grootste zorg, omdat de lithiummetaalfolie reageert met zuurstof en stikstof in de lucht.Deze ionen hebben een Q/A-verhouding die kan worden versneld met 7Li3+.We gebruiken dipoolmagneten om bundels van verschillende kwaliteit en kwaliteit te scheiden voor bundelanalyse na de RFQ-linac.
De bundellijn na de RFQ lineaire versneller is ontworpen om de volledig versnelde 7Li3+-bundel na de dipoolmagneet aan de FC te leveren.-400 V bias-elektroden worden gebruikt om secundaire elektronen in de cup te onderdrukken om de ionenbundelstroom nauwkeurig te meten.Met deze optiek worden de ionentrajecten gescheiden in dipolen en op verschillende plaatsen gefocust, afhankelijk van de vraag/antwoord.Als gevolg van verschillende factoren, zoals momentumdiffusie en afstoting van ruimtelading, heeft de straal in het brandpunt een bepaalde breedte.De soorten kunnen alleen worden gescheiden als de afstand tussen de brandpuntsposities van de twee ionensoorten groter is dan de bundelbreedte.Om de hoogst mogelijke resolutie te verkrijgen, wordt nabij de bundeltaille een horizontale spleet geïnstalleerd, waar de bundel praktisch geconcentreerd is.Een scintillatiescherm (CsI(Tl) van Saint-Gobain, 40 mm x 40 mm x 3 mm) werd tussen de spleet en de pc geïnstalleerd.De scintillator werd gebruikt om de kleinste spleet te bepalen waar de ontworpen deeltjes doorheen moesten voor een optimale resolutie en om aanvaardbare bundelgroottes aan te tonen voor zware ionenbundels met hoge stroomsterkte.Het straalbeeld op de scintillator wordt door een CCD-camera via een vacuümvenster opgenomen.Pas het belichtingstijdvenster aan om de gehele bundelpulsbreedte te bestrijken.
Datasets die in het huidige onderzoek zijn gebruikt of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de respectieve auteurs.
Manke, I. et al.Driedimensionale beeldvorming van magnetische domeinen.Nationale gemeente.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Mogelijkheden om compacte neutronenbronnen bij versnellers te bestuderen.natuurkunde.Rep.654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Op neutronen gebaseerde computermicrotomografie: Pliobates cataloniae en Barberapithecus huerzeleri als testgevallen.Ja.J. Natuurkunde.antropologie.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).