Provedores de tubos enrolados de aceiro inoxidable 304L 6,35 * 1 mm, demostración dun intenso feixe de litio para xerar neutróns directos pulsados

Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Control deslizante que mostra tres artigos por diapositiva.Usa os botóns atrás e seguinte para moverte polas diapositivas ou os botóns do controlador de diapositivas ao final para moverte por cada diapositiva.

Como alternativa ao estudo dos reactores nucleares, un xerador de neutróns compacto impulsado por un acelerador que utilice un controlador de feixe de ións de litio pode ser un candidato prometedor porque produce pouca radiación non desexada.Non obstante, era difícil entregar un feixe intenso de ións de litio, e a aplicación práctica destes dispositivos considerábase imposible.O problema máis agudo do fluxo iónico insuficiente resolveuse aplicando un esquema de implantación directa de plasma.Neste esquema, un plasma pulsado de alta densidade xerado pola ablación con láser dunha lámina de litio metálico inxéctase e acelera de forma eficiente mediante un acelerador cuadripolar de alta frecuencia (acelerador RFQ).Conseguimos un pico de corrente de feixe de 35 mA acelerado a 1,43 MeV, que é dous ordes de magnitude superior ao que poden proporcionar os sistemas convencionais de inxección e aceleración.
A diferenza dos raios X ou das partículas cargadas, os neutróns teñen unha gran profundidade de penetración e unha interacción única coa materia condensada, polo que son sondas extremadamente versátiles para estudar as propiedades dos materiais1,2,3,4,5,6,7.En particular, as técnicas de dispersión de neutróns utilízanse habitualmente para estudar a composición, a estrutura e as tensións internas na materia condensada e poden proporcionar información detallada sobre compostos traza en aliaxes metálicas que son difíciles de detectar mediante a espectroscopia de raios X8.Este método considérase unha ferramenta poderosa na ciencia básica e é usado polos fabricantes de metais e outros materiais.Máis recentemente, utilizouse a difracción de neutróns para detectar esforzos residuais en compoñentes mecánicos como pezas de ferrocarril e avión9,10,11,12.Os neutróns tamén se utilizan nos pozos de petróleo e gas porque son facilmente capturados por materiais ricos en protóns13.Métodos similares tamén se usan na enxeñaría civil.As probas non destrutivas de neutróns son unha ferramenta eficaz para detectar fallas ocultas en edificios, túneles e pontes.O uso de feixes de neutróns utilízase activamente na investigación científica e na industria, moitos dos cales foron desenvolvidos historicamente utilizando reactores nucleares.
Non obstante, co consenso mundial sobre a non proliferación nuclear, a construción de pequenos reactores con fins de investigación é cada vez máis difícil.Ademais, o recente accidente de Fukushima fixo que a construción de reactores nucleares sexa case socialmente aceptable.En relación con esta tendencia, a demanda de fontes de neutróns nos aceleradores está a crecer2.Como alternativa aos reactores nucleares, xa están en funcionamento varias grandes fontes de neutróns que dividen o acelerador14,15.Non obstante, para un uso máis eficiente das propiedades dos feixes de neutróns, é necesario ampliar o uso de fontes compactas nos aceleradores 16 , que poden pertencer a institucións de investigación industriais e universitarias.As fontes de neutróns aceleradores engadiron novas capacidades e funcións ademais de servir como substituto dos reactores nucleares14.Por exemplo, un xerador impulsado por linac pode crear facilmente un fluxo de neutróns manipulando o feixe impulsor.Unha vez emitidos, os neutróns son difíciles de controlar e as medicións da radiación son difíciles de analizar debido ao ruído creado polos neutróns de fondo.Os neutróns pulsados ​​controlados por un acelerador evitan este problema.En todo o mundo propuxéronse varios proxectos baseados na tecnoloxía do acelerador de protóns17,18,19.As reaccións 7Li(p, n)7Be e 9Be(p, n)9B úsanse con máis frecuencia nos xeradores de neutróns compactos impulsados ​​por protóns porque son reaccións endotérmicas20.O exceso de radiación e os residuos radioactivos pódense minimizar se a enerxía escollida para excitar o feixe de protóns está lixeiramente por riba do valor límite.Porén, a masa do núcleo obxectivo é moito maior que a dos protóns, e os neutróns resultantes espallanse en todas as direccións.A emisión tan próxima á isótropa dun fluxo de neutróns impide o transporte eficiente de neutróns ao obxecto de estudo.Ademais, para obter a dose necesaria de neutróns no lugar do obxecto, é necesario aumentar significativamente tanto o número de protóns en movemento como a súa enerxía.Como resultado, grandes doses de raios gamma e neutróns propagaranse a través de grandes ángulos, destruíndo a vantaxe das reaccións endotérmicas.Un xerador de neutróns compacto baseado en protóns impulsado por acelerador típico ten un forte blindaxe contra a radiación e é a parte máis voluminosa do sistema.A necesidade de aumentar a enerxía dos protóns que dirixan normalmente require un aumento adicional no tamaño da instalación do acelerador.
Para superar as deficiencias xerais das fontes convencionais de neutróns compactos nos aceleradores, propúxose un esquema de reacción cinemática de inversión21.Neste esquema, utilízase un feixe de ión-litio máis pesado como feixe guía en lugar dun feixe de protóns, dirixido a materiais ricos en hidróxeno como plásticos de hidrocarburos, hidruros, gas hidróxeno ou plasma de hidróxeno.Consideráronse alternativas, como os feixes impulsados ​​por ións de berilio, non obstante, o berilio é unha substancia tóxica que require coidados especiais no seu manexo.Polo tanto, un feixe de litio é o máis axeitado para os esquemas de reacción cinemática de inversión.Dado que o momento dos núcleos de litio é maior que o dos protóns, o centro de masa das colisións nucleares avanza constantemente e tamén se emiten neutróns cara adiante.Esta característica elimina en gran medida os raios gamma non desexados e as emisións de neutróns de alto ángulo22.Na figura 1 móstrase unha comparación do caso habitual dun motor de protóns e o escenario de cinemática inversa.
Ilustración de ángulos de produción de neutróns para feixes de protóns e litio (debuxado con Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Os neutróns poden ser expulsados ​​en calquera dirección como resultado da reacción debido ao feito de que os protóns en movemento golpean os átomos moito máis pesados ​​do obxectivo de litio.(b) Pola contra, se un controlador de iones de litio bombardea un obxectivo rico en hidróxeno, os neutróns xéranse nun cono estreito na dirección cara adiante debido á alta velocidade do centro de masa do sistema.
Porén, só existen algúns xeradores de neutróns cinemáticos inversos debido á dificultade de xerar o fluxo necesario de ións pesados ​​cunha alta carga en comparación cos protóns.Todas estas plantas usan fontes de ións negativos en combinación con aceleradores electrostáticos en tándem.Propuxéronse outros tipos de fontes iónicas para aumentar a eficiencia da aceleración do feixe26.En calquera caso, a corrente do feixe de iones de litio dispoñible está limitada a 100 µA.Propúxose empregar 1 mA de Li3+27, pero esta corrente de feixe iónico non foi confirmada por este método.En termos de intensidade, os aceleradores de feixe de litio non poden competir cos aceleradores de feixe de protóns cuxa corrente máxima de protóns supera os 10 mA28.
Para implementar un práctico xerador de neutróns compacto baseado nun feixe de ión-litio, é vantaxoso xerar de alta intensidade completamente desprovisto de ións.Os ións son acelerados e guiados por forzas electromagnéticas, e un nivel de carga máis elevado dá como resultado unha aceleración máis eficiente.Os controladores de feixe de ión-litio requiren correntes de pico Li3+ superiores a 10 mA.
Neste traballo, demostramos a aceleración dos feixes de Li3+ con correntes máximas de ata 35 mA, que é comparable aos aceleradores de protóns avanzados.O feixe de ións de litio orixinal foi creado mediante a ablación con láser e un esquema de implantación directa de plasma (DPIS) desenvolvido orixinalmente para acelerar o C6+.Un linac cuadrupolo de radiofrecuencia deseñado a medida (RFQ linac) foi fabricado utilizando unha estrutura resonante de catro varas.Verificamos que o feixe acelerador ten a enerxía calculada do feixe de alta pureza.Unha vez que o feixe de Li3+ é capturado e acelerado eficazmente polo acelerador de radiofrecuencia (RF), a sección posterior de linac (acelerador) utilízase para proporcionar a enerxía necesaria para xerar un forte fluxo de neutróns desde o obxectivo.
A aceleración de ións de alto rendemento é unha tecnoloxía ben establecida.A tarefa restante de realizar un novo xerador de neutróns compactos altamente eficiente é xerar un gran número de ións de litio completamente eliminados e formar unha estrutura de clúster que consiste nunha serie de pulsos iónicos sincronizados co ciclo de RF no acelerador.Os resultados dos experimentos deseñados para acadar este obxectivo descríbense nas seguintes tres subseccións: (1) xeración dun feixe completamente desprovista de ión-litio, (2) aceleración do feixe mediante un linac RFQ especialmente deseñado e (3) aceleración da análise. do feixe para comprobar o seu contido.No Brookhaven National Laboratory (BNL), construímos a configuración experimental que se mostra na Figura 2.
Visión xeral da configuración experimental para a análise acelerada de feixes de litio (ilustrado por Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).De dereita a esquerda, o plasma ablativo con láser xérase na cámara de interacción láser-obxectivo e entrégase ao linac RFQ.Ao entrar no acelerador RFQ, os ións sepáranse do plasma e inxéctanse no acelerador RFQ a través dun campo eléctrico repentino creado por unha diferenza de tensión de 52 kV entre o electrodo de extracción e o electrodo RFQ na rexión de deriva.Os ións extraídos son acelerados de 22 keV/n a 204 keV/n usando electrodos RFQ de 2 metros de lonxitude.Un transformador de corrente (TC) instalado na saída do linac RFQ proporciona unha medición non destrutiva da corrente do feixe iónico.O feixe está enfocado por tres imáns cuadrupolares e dirixido a un imán dipolar, que separa e dirixe o feixe de Li3+ cara ao detector.Detrás da fenda, utilízanse un escintilador de plástico retráctil e unha copa de Faraday (FC) cunha polarización de ata -400 V para detectar o feixe de aceleración.
Para xerar ións de litio totalmente ionizados (Li3+), é necesario crear un plasma cunha temperatura superior á súa terceira enerxía de ionización (122,4 eV).Tentamos utilizar a ablación con láser para producir plasma a alta temperatura.Este tipo de fonte de ións láser non se usa habitualmente para xerar feixes de ións de litio porque o metal de litio é reactivo e require un manexo especial.Desenvolvemos un sistema de carga de obxectivos para minimizar a humidade e a contaminación do aire ao instalar follas de litio na cámara de interacción do láser ao baleiro.Todas as preparacións dos materiais realizáronse nun ambiente controlado de argón seco.Despois de instalar a folla de litio na cámara de destino do láser, a folla foi irradiada con radiación láser Nd:YAG pulsada a unha enerxía de 800 mJ por pulso.No foco do obxectivo, a densidade de potencia do láser estímase nuns 1012 W/cm2.O plasma créase cando un láser pulsado destrúe un obxectivo no baleiro.Durante todo o pulso láser de 6 ns, o plasma segue quentándose, principalmente debido ao proceso de bremsstrahlung inverso.Dado que durante a fase de quecemento non se aplica ningún campo externo confinante, o plasma comeza a expandirse en tres dimensións.Cando o plasma comeza a expandirse sobre a superficie obxectivo, o centro de masa do plasma adquire unha velocidade perpendicular á superficie obxectivo cunha enerxía de 600 eV/n.Despois do quecemento, o plasma segue movéndose na dirección axial desde o obxectivo, expandíndose isotropamente.
Como se mostra na Figura 2, o plasma de ablación expándese nun volume de baleiro rodeado por un recipiente metálico co mesmo potencial que o obxectivo.Así, o plasma deriva pola rexión libre de campo cara ao acelerador RFQ.Un campo magnético axial aplícase entre a cámara de irradiación láser e o linac RFQ por medio dunha bobina de solenoide enrolada arredor da cámara de baleiro.O campo magnético do solenoide suprime a expansión radial do plasma á deriva para manter unha alta densidade de plasma durante a entrega á abertura RFQ.Por outra banda, o plasma segue a expandirse na dirección axial durante a deriva, formando un plasma alongado.Aplícase unha polarización de alta tensión ao recipiente metálico que contén o plasma diante do porto de saída na entrada da RFQ.Elixiuse a tensión de polarización para proporcionar a taxa de inxección de 7Li3+ necesaria para unha aceleración adecuada polo linac RFQ.
O plasma de ablación resultante contén non só 7Li3+, senón tamén litio noutros estados de carga e elementos contaminantes, que son transportados simultaneamente ao acelerador lineal RFQ.Antes dos experimentos acelerados utilizando o linac RFQ, realizouse unha análise de tempo de voo (TOF) fóra de liña para estudar a composición e a distribución de enerxía dos ións no plasma.A configuración analítica detallada e as distribucións de estado de carga observadas explícanse na sección de Métodos.A análise mostrou que os ións 7Li3+ eran as partículas principais, representando preto do 54% de todas as partículas, como se mostra na figura 3. Segundo a análise, a corrente de ións 7Li3+ no punto de saída do feixe iónico estímase en 1,87 mA.Durante as probas aceleradas, aplícase un campo de solenoide de 79 mT ao plasma en expansión.Como resultado, a corrente 7Li3+ extraída do plasma e observada no detector aumentou nun factor 30.
Fraccións de ións en plasma xerado con láser obtidas por análise do tempo de voo.Os ións 7Li1+ e 7Li2+ constitúen o 5% e o 25% do feixe iónico, respectivamente.A fracción detectada de partículas de 6Li concorda co contido natural de 6Li (7,6%) no obxectivo de folla de litio dentro do erro experimental.Observouse unha lixeira contaminación por osíxeno (6,2%), principalmente O1+ (2,1%) e O2+ (1,5%), que pode deberse á oxidación da superficie da diana de folla de litio.
Como se mencionou anteriormente, o plasma de litio deriva nunha rexión sen campo antes de entrar no linac RFQ.A entrada do linac RFQ ten un orificio de 6 mm de diámetro nun recipiente metálico e a tensión de polarización é de 52 kV.Aínda que a tensión do electrodo RFQ cambia rapidamente ±29 kV a 100 MHz, a tensión provoca aceleración axial porque os electrodos do acelerador RFQ teñen un potencial medio de cero.Debido ao forte campo eléctrico xerado no espazo de 10 mm entre a abertura e o bordo do electrodo RFQ, só se extraen do plasma os ións positivos do plasma na abertura.Nos sistemas tradicionais de entrega de ións, os ións son separados do plasma por un campo eléctrico a unha distancia considerable por diante do acelerador RFQ e despois enfocados na abertura RFQ por un elemento de enfoque do feixe.Porén, para os intensos feixes de ións pesados ​​necesarios para unha fonte intensa de neutróns, as forzas repulsivas non lineais debidas aos efectos da carga espacial poden provocar importantes perdas de corrente do feixe no sistema de transporte de ións, limitando a corrente de pico que se pode acelerar.No noso DPIS, os ións de alta intensidade son transportados como plasma á deriva directamente ao punto de saída da apertura RFQ, polo que non hai perda de feixe iónico debido á carga espacial.Durante esta demostración, aplicouse por primeira vez DPIS a un feixe de iones de litio.
A estrutura RFQ foi desenvolvida para enfocar e acelerar raios iónicos de alta corrente de baixa enerxía e converteuse no estándar para a aceleración de primeira orde.Usamos RFQ para acelerar ións 7Li3+ desde unha enerxía de implante de 22 keV/n ata 204 keV/n.Aínda que o litio e outras partículas cunha carga máis baixa no plasma tamén se extraen do plasma e se inxectan na abertura RFQ, o linac RFQ só acelera ións cunha relación carga-masa (Q/A) próxima a 7Li3+.
Sobre a fig.A figura 4 mostra as formas de onda detectadas polo transformador de corrente (CT) na saída do linac RFQ e a copa de Faraday (FC) despois de analizar o imán, como se mostra na fig.2. O cambio de tempo entre os sinais pode interpretarse como a diferenza no tempo de voo na localización do detector.O pico de corrente iónica medida en TC foi de 43 mA.Na posición RT, o feixe rexistrado pode conter non só ións acelerados ata a enerxía calculada, senón tamén ións distintos de 7Li3+, que non son suficientemente acelerados.Non obstante, a semellanza das formas de corrente iónica atopadas mediante QD e PC indica que a corrente iónica consiste principalmente en 7Li3+ acelerado, e a diminución do valor máximo da corrente en PC é causada polas perdas de feixe durante a transferencia de iones entre QD e PC. PC.Perdas Isto tamén o confirma a simulación do sobre.Para medir con precisión a corrente do feixe 7Li3+, o feixe analízase cun imán dipolo como se describe na seguinte sección.
Oscilogramas do feixe acelerado rexistrados nas posicións do detector CT (curva negra) e FC (curva vermella).Estas medicións son desencadeadas pola detección de radiación láser por un fotodetector durante a xeración de plasma láser.A curva negra mostra a forma de onda medida nun TC conectado á saída de linac RFQ.Debido á súa proximidade ao linac RFQ, o detector capta un ruído de RF de 100 MHz, polo que se aplicou un filtro FFT de paso baixo de 98 MHz para eliminar o sinal de RF resonante de 100 MHz superposto ao sinal de detección.A curva vermella mostra a forma de onda en FC despois de que o imán analítico dirixe o feixe de ións 7Li3+.Neste campo magnético, ademais de 7Li3+, pódense transportar N6+ e O7+.
O feixe iónico despois do linac RFQ é enfocado por unha serie de tres imáns de foco cuadrupolar e despois analizado por imáns dipolares para illar as impurezas no feixe iónico.Un campo magnético de 0,268 T dirixe os raios 7Li3+ cara ao FC.A forma de onda de detección deste campo magnético móstrase como a curva vermella na Figura 4. A corrente máxima do feixe alcanza os 35 mA, o que é máis de 100 veces maior que un feixe típico de Li3+ producido nos aceleradores electrostáticos convencionais existentes.O ancho do pulso do feixe é de 2,0 µs na anchura total á metade do máximo.A detección dun feixe 7Li3+ cun campo magnético dipolar indica un agrupamento e unha aceleración do feixe exitosos.A corrente do feixe iónico detectada polo FC ao escanear o campo magnético do dipolo móstrase na figura 5. Observouse un único pico limpo, ben separado doutros picos.Dado que todos os ións acelerados á enerxía de deseño polo linac RFQ teñen a mesma velocidade, os raios iónicos coa mesma Q/A son difíciles de separar mediante campos magnéticos dipolares.Polo tanto, non podemos distinguir 7Li3+ de N6+ ou O7+.Non obstante, a cantidade de impurezas pódese estimar a partir de estados de carga veciños.Por exemplo, N7+ e N5+ pódense separar facilmente, mentres que N6+ pode formar parte da impureza e espérase que estea presente aproximadamente na mesma cantidade que N7+ e N5+.O nivel de contaminación estimado é dun 2%.
Espectros de compoñentes do feixe obtidos mediante a exploración dun campo magnético dipolar.O pico a 0,268 T corresponde a 7Li3+ e N6+.O ancho do pico depende do tamaño do feixe na fenda.A pesar dos picos amplos, 7Li3+ sepárase ben de 6Li3+, O6+ e N5+, pero sepárase mal de O7+ e N6+.
Na localización do FC, o perfil do feixe confirmouse cun centelleo enchufable e gravouse cunha cámara dixital rápida como se mostra na Figura 6. O feixe pulsado 7Li3+ cunha corrente de 35 mA móstrase acelerado ata unha RFQ calculada. enerxía de 204 keV/n, que corresponde a 1,4 MeV, e transmitida ao detector FC.
Perfil do feixe observado nunha pantalla de centelleo pre-FC (coloreado por Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).O campo magnético do imán dipolo analítico axustouse para dirixir a aceleración do feixe de ións Li3+ á RFQ de enerxía de deseño.Os puntos azuis na zona verde son causados ​​por un material de escintilador defectuoso.
Conseguimos a xeración de ións 7Li3+ mediante a ablación con láser da superficie dunha folla de litio sólida e capturouse e acelerouse un feixe de ións de alta corrente cun linac RFQ especialmente deseñado mediante DPIS.A unha enerxía do feixe de 1,4 MeV, a corrente máxima de 7Li3+ alcanzada no FC despois da análise do imán foi de 35 mA.Isto confirma que a parte máis importante da implementación dunha fonte de neutróns con cinemática inversa foi implementada experimentalmente.Nesta parte do traballo, discutirase todo o deseño dunha fonte de neutróns compacta, incluíndo aceleradores de alta enerxía e estacións obxectivo de neutróns.O deseño baséase nos resultados obtidos cos sistemas existentes no noso laboratorio.Nótese que a corrente de pico do feixe iónico pódese aumentar aínda máis acurtando a distancia entre a folla de litio e o linac RFQ.Arroz.A figura 7 ilustra todo o concepto da fonte de neutróns compacta proposta no acelerador.
Deseño conceptual da fonte de neutróns compacta proposta no acelerador (debuxado por Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).De dereita a esquerda: fonte de ións láser, imán de solenoide, linac RFQ, transferencia de feixe de enerxía media (MEBT), linac IH e cámara de interacción para a xeración de neutróns.A protección contra a radiación prodúcese principalmente na dirección cara adiante debido á natureza estreitamente dirixida dos feixes de neutróns producidos.
Despois do linac RFQ, prevese unha maior aceleración do linac Inter-digital H-structure (IH linac)30.Os linacs IH usan unha estrutura de tubo de deriva en modo π para proporcionar altos gradientes de campo eléctrico nun determinado rango de velocidades.O estudo conceptual levouse a cabo baseándose na simulación de dinámica lonxitudinal 1D e na simulación de shell 3D.Os cálculos mostran que un linac IH de 100 MHz cunha tensión de tubo de deriva razoable (menos de 450 kV) e un imán de enfoque forte pode acelerar un feixe de 40 mA de 1,4 a 14 MeV a unha distancia de 1,8 m.A distribución de enerxía ao final da cadea do acelerador estímase en ± 0,4 MeV, o que non afecta significativamente o espectro de enerxía dos neutróns producidos polo obxectivo de conversión de neutróns.Ademais, a emisividade do feixe é o suficientemente baixa como para enfocar o feixe nun punto de feixe máis pequeno do que normalmente sería necesario para un imán cuadripolar de tamaño e forza media.Na transmisión de feixe de enerxía media (MEBT) entre o linac RFQ e o linac IH, o resonador de formación de feixes úsase para manter a estrutura de formación de feixes.Utilízanse tres imáns cuadrupolares para controlar o tamaño do feixe lateral.Esta estratexia de deseño utilizouse en moitos aceleradores31,32,33.Estímase que a lonxitude total de todo o sistema desde a fonte de ións ata a cámara de destino é inferior a 8 m, que poden caber nun camión semirremolque estándar.
O obxectivo de conversión de neutróns instalarase directamente despois do acelerador lineal.Discutimos os deseños de estacións obxectivo baseados en estudos previos utilizando escenarios cinemáticos inversos23.Os obxectivos de conversión informados inclúen materiais sólidos (polipropileno (C3H6) e hidruro de titanio (TiH2)) e sistemas de obxectivos gasosos.Cada obxectivo ten vantaxes e desvantaxes.Os obxectivos sólidos permiten un control preciso do espesor.Canto máis fino é o obxectivo, máis precisa será a disposición espacial da produción de neutróns.Non obstante, tales obxectivos aínda poden ter algún grao de reaccións nucleares e radiación non desexadas.Por outra banda, un obxectivo de hidróxeno pode proporcionar un ambiente máis limpo eliminando a produción de 7Be, o principal produto da reacción nuclear.Non obstante, o hidróxeno ten unha débil capacidade de barreira e require unha gran distancia física para liberar suficiente enerxía.Isto é un pouco desvantaxoso para as medicións TOF.Ademais, se se utiliza unha película delgada para selar un obxectivo de hidróxeno, é necesario ter en conta as perdas de enerxía dos raios gamma xeradas pola película delgada e o feixe de litio incidente.
LICORNE usa obxectivos de polipropileno e o sistema de obxectivos actualizouse a células de hidróxeno seladas con folla de tántalo.Asumindo unha corrente de feixe de 100 nA para 7Li34, ambos os sistemas obxectivo poden producir ata 107 n/s/sr.Se aplicamos esta conversión de rendemento de neutróns á nosa fonte de neutróns proposta, entón pódese obter un feixe de litio de 7 × 10–8 C para cada pulso láser.Isto significa que disparar o láser só dúas veces por segundo produce un 40% máis de neutróns dos que LICORNE pode producir nun segundo cun feixe continuo.O fluxo total pódese aumentar facilmente aumentando a frecuencia de excitación do láser.Se asumimos que hai un sistema láser de 1 kHz no mercado, o fluxo medio de neutróns pódese escalar facilmente ata uns 7 × 109 n/s/sr.
Cando usamos sistemas de alta taxa de repetición con obxectivos de plástico, é necesario controlar a xeración de calor nos obxectivos porque, por exemplo, o polipropileno ten un baixo punto de fusión de 145–175 °C e unha baixa condutividade térmica de 0,1–0,22 W/ m/K.Para un feixe de iones de litio de 14 MeV, un obxectivo de polipropileno de 7 µm de espesor é suficiente para reducir a enerxía do feixe ata o limiar de reacción (13,098 MeV).Tendo en conta o efecto total dos ións xerados por un disparo láser sobre o obxectivo, a liberación de enerxía dos ións de litio a través do polipropileno estímase en 64 mJ/pulso.Asumindo que toda a enerxía transfírese nun círculo cun diámetro de 10 mm, cada pulso corresponde a un aumento de temperatura de aproximadamente 18 K/pulso.A liberación de enerxía nos obxectivos de polipropileno baséase na simple suposición de que todas as perdas de enerxía almacénanse como calor, sen radiación nin outras perdas de calor.Dado que aumentar o número de pulsos por segundo require a eliminación da acumulación de calor, podemos utilizar obxectivos de tira para evitar a liberación de enerxía no mesmo punto23.Asumindo un punto de feixe de 10 mm nun obxectivo cunha taxa de repetición de láser de 100 Hz, a velocidade de exploración da cinta de polipropileno sería de 1 m/s.Son posibles taxas de repetición máis altas se se permite a superposición de puntos do feixe.
Tamén investigamos obxectivos con baterías de hidróxeno, porque poderían usarse feixes de transmisión máis fortes sen danar o obxectivo.O feixe de neutróns pódese sintonizar facilmente cambiando a lonxitude da cámara de gas e a presión de hidróxeno no interior.As láminas metálicas delgadas úsanse a miúdo nos aceleradores para separar a rexión gasosa do obxectivo do baleiro.Polo tanto, é necesario aumentar a enerxía do feixe de iones de litio incidente para compensar as perdas de enerxía na folla.O conxunto obxectivo descrito no informe 35 consistía nun recipiente de aluminio de 3,5 cm de lonxitude cunha presión de gas H2 de 1,5 atm.O feixe de ión-litio de 16,75 MeV entra na batería a través da lámina de Ta de 2,7 µm refrixerada por aire, e a enerxía do feixe de ión-litio ao final da batería desacelerase ata o limiar de reacción.Para aumentar a enerxía do feixe das baterías de ión-litio de 14,0 MeV a 16,75 MeV, o linac IH tivo que alongarse uns 30 cm.
Tamén se estudou a emisión de neutróns dos obxectivos das células de gas.Para os obxectivos de gas LICORNE mencionados anteriormente, as simulacións de GEANT436 mostran que se xeran neutróns altamente orientados dentro do cono, como se mostra na Figura 1 en [37].A referencia 35 mostra o rango de enerxía de 0,7 a 3,0 MeV cunha apertura máxima do cono de 19,5° en relación á dirección de propagación do feixe principal.Os neutróns moi orientados poden reducir significativamente a cantidade de material de blindaxe na maioría dos ángulos, reducindo o peso da estrutura e proporcionando unha maior flexibilidade na instalación dos equipos de medida.Desde o punto de vista da radioprotección, ademais dos neutróns, este obxectivo gasoso emite raios gamma de 478 keV isotrópicamente no sistema de coordenadas do centroide38.Estes raios γ prodúcense como resultado da desintegración de 7Be e da desexcitación de 7Li, que ocorre cando o feixe de Li primario incide na xanela de entrada Ta.Non obstante, engadindo un colimador cilíndrico groso de 35 Pb/Cu, o fondo pódese reducir significativamente.
Como obxectivo alternativo, pódese utilizar unha xanela de plasma [39, 40], que permite acadar unha presión de hidróxeno relativamente alta e unha pequena rexión espacial de xeración de neutróns, aínda que é inferior aos obxectivos sólidos.
Estamos investigando as opcións de orientación de conversión de neutróns para a distribución de enerxía esperada e o tamaño do feixe dun feixe de ións de litio mediante GEANT4.As nosas simulacións mostran unha distribución consistente de enerxía de neutróns e distribucións angulares para obxectivos de hidróxeno na literatura anterior.En calquera sistema obxectivo, os neutróns altamente orientados poden producirse mediante unha reacción cinemática inversa impulsada por un forte feixe de 7Li3+ nun obxectivo rico en hidróxeno.Polo tanto, pódense implementar novas fontes de neutróns combinando tecnoloxías xa existentes.
As condicións de irradiación con láser reproducían experimentos de xeración de feixe iónico antes da demostración acelerada.O láser é un sistema Nd:YAG de nanosegundos de escritorio cunha densidade de potencia láser de 1012 W/cm2, unha lonxitude de onda fundamental de 1064 nm, unha enerxía puntual de 800 mJ e unha duración do pulso de 6 ns.O diámetro do punto no obxectivo estímase en 100 µm.Debido a que o metal de litio (Alfa Aesar, 99,9% puro) é bastante brando, o material cortado con precisión presouse no molde.Dimensións da folla 25 mm × 25 mm, espesor 0,6 mm.O dano de tipo cráter prodúcese na superficie do obxectivo cando un láser o golpea, polo que o obxectivo é movido por unha plataforma motorizada para proporcionar unha parte fresca da superficie do obxectivo con cada disparo láser.Para evitar a recombinación debido ao gas residual, a presión na cámara mantívose por debaixo do intervalo de 10-4 Pa.
O volume inicial do plasma láser é pequeno, xa que o tamaño da mancha láser é de 100 μm e dentro de 6 ns despois da súa xeración.O volume pódese tomar como un punto exacto e ampliar.Se o detector está situado a unha distancia xm da superficie do obxectivo, entón o sinal recibido obedece á relación: corrente iónica I, tempo de chegada do ión t e ancho do pulso τ.
O plasma xerado estudouse polo método TOF con FC e un analizador de ións de enerxía (EIA) situado a unha distancia de 2,4 m e 3,85 m do obxectivo láser.O FC ten unha reixa supresora polarizada en -5 kV para evitar electróns.O EIA ten un deflector electrostático de 90 graos composto por dous electrodos cilíndricos metálicos coaxiais coa mesma tensión pero polaridade oposta, positivo por fóra e negativo por dentro.O plasma en expansión diríxese cara ao deflector detrás da ranura e desvíase polo campo eléctrico que atravesa o cilindro.Os ións que satisfacen a relación E/z = eKU detéctanse mediante un multiplicador de electróns secundarios (SEM) (Hamamatsu R2362), onde E, z, e, K e U son a enerxía do ión, o estado de carga e a carga son factores xeométricos EIA. .electróns, respectivamente, e a diferenza de potencial entre os electrodos.Cambiando a tensión no deflector, pódese obter a distribución de enerxía e carga dos ións no plasma.A tensión de varrido U/2 EIA está no intervalo de 0,2 V a 800 V, o que corresponde a unha enerxía iónica no intervalo de 4 eV a 16 keV por estado de carga.
As distribucións do estado de carga dos ións analizados nas condicións de irradiación con láser descritas na sección "Xeración de feixes de litio totalmente separados" móstranse nas Figs.8.
Análise da distribución do estado de carga dos ións.Aquí está o perfil de tempo de densidade de corrente iónica analizado con EIA e escalado a 1 m da folla de litio usando a ecuación.(1) e (2).Use as condicións de irradiación con láser descritas na sección "Xeración dun feixe de litio completamente exfoliado".Ao integrar cada densidade de corrente, calculouse a proporción de ións no plasma, mostrada na Figura 3.
As fontes de ións láser poden emitir un intenso feixe de ións multi-mA cunha alta carga.Non obstante, a entrega do feixe é moi difícil debido á repulsión da carga espacial, polo que non foi moi utilizada.No esquema tradicional, os feixes iónicos son extraídos do plasma e transportados ao acelerador primario ao longo dunha liña de feixe con varios imáns de enfoque para dar forma ao feixe iónico segundo a capacidade de captación do acelerador.Nos feixes de forza de carga espacial, os feixes diverxen de forma non lineal e obsérvanse graves perdas de feixes, especialmente na rexión de baixas velocidades.Para superar este problema no desenvolvemento de aceleradores de carbono médicos, proponse un novo esquema de entrega de feixe DPIS41.Aplicamos esta técnica para acelerar un poderoso feixe de ións de litio procedente dunha nova fonte de neutróns.
Como se mostra na fig.4, o espazo no que se xera e se expande o plasma está rodeado por un recipiente metálico.O espazo pechado esténdese ata a entrada do resonador RFQ, incluíndo o volume dentro da bobina de solenoide.Aplicouse ao recipiente unha tensión de 52 kV.No resonador RFQ, os ións son arrastrados polo potencial a través dun orificio de 6 mm de diámetro conectando a terra a RFQ.As forzas repulsivas non lineais na liña do feixe elimínanse a medida que os ións son transportados no estado de plasma.Ademais, como se mencionou anteriormente, aplicamos un campo de solenoide en combinación con DPIS para controlar e aumentar a densidade de ións na apertura de extracción.
O acelerador RFQ consiste nunha cámara de baleiro cilíndrica como se mostra na fig.9a.No seu interior sitúanse catro barras de cobre sen osíxeno de forma cuadrupolar simétricamente arredor do eixe do feixe (fig. 9b).4 varillas e cámaras forman un circuíto de RF resonante.O campo de RF inducido crea unha tensión variable no tempo a través da varilla.Os ións implantados lonxitudinalmente ao redor do eixe son mantidos lateralmente polo campo cuadrupolar.Ao mesmo tempo, a punta da varilla é modulada para crear un campo eléctrico axial.O campo axial divide o feixe continuo inxectado nunha serie de pulsos de feixe chamado feixe.Cada feixe está contido dentro dun tempo de ciclo de RF determinado (10 ns).Os feixes adxacentes están espazados segundo o período de radiofrecuencia.No linac RFQ, un feixe de 2 µs procedente dunha fonte de ións láser convértese nunha secuencia de 200 feixes.O feixe é entón acelerado ata a enerxía calculada.
Acelerador lineal RFQ.(a) (esquerda) Vista exterior da cámara de linac RFQ.(b) (dereita) Electrodo de catro varas na cámara.
Os principais parámetros de deseño do linac RFQ son a tensión da barra, a frecuencia de resonancia, o raio do burato do feixe e a modulación do electrodo.Seleccione a tensión na varilla ± 29 kV para que o seu campo eléctrico estea por debaixo do limiar de avaría eléctrica.Canto menor sexa a frecuencia de resonancia, maior será a forza de enfoque lateral e menor será o campo de aceleración medio.Os grandes raios de apertura permiten aumentar o tamaño do feixe e, en consecuencia, aumentar a corrente do feixe debido á menor repulsión da carga espacial.Por outra banda, os radios de apertura máis grandes requiren máis potencia de RF para alimentar o linac RFQ.Ademais, está limitado polos requisitos de calidade do sitio.En base a estes balances, escolléronse a frecuencia de resonancia (100 MHz) e o raio de apertura (4,5 mm) para a aceleración do feixe de alta corrente.A modulación elíxese para minimizar a perda de feixe e maximizar a eficiencia da aceleración.O deseño foi optimizado moitas veces para producir un deseño linac RFQ que pode acelerar ións 7Li3+ a 40 mA de 22 keV/n a 204 keV/n dentro de 2 m.A potencia de RF medida durante o experimento foi de 77 kW.
Os linacs RFQ poden acelerar ións cun intervalo de Q/A específico.Polo tanto, ao analizar un feixe alimentado ata o extremo dun acelerador lineal, é necesario ter en conta os isótopos e outras substancias.Ademais, os ións desexados, parcialmente acelerados, pero descendidos en condicións de aceleración no medio do acelerador, aínda poden cumprir o confinamento lateral e poden ser transportados ata o final.Os raios non desexados que non sexan partículas de 7Li3+ deseñados chámanse impurezas.Nos nosos experimentos, as impurezas 14N6+ e 16O7+ foron a maior preocupación, xa que a folla de metal de litio reacciona co osíxeno e o nitróxeno no aire.Estes ións teñen unha relación Q/A que se pode acelerar con 7Li3+.Usamos imáns dipolos para separar feixes de diferentes calidades e calidades para a análise do feixe despois do linac RFQ.
A liña de feixe despois do linac RFQ está deseñada para entregar o feixe 7Li3+ totalmente acelerado ao FC despois do imán dipolo.Os electrodos de polarización de -400 V úsanse para suprimir os electróns secundarios na copa para medir con precisión a corrente do feixe iónico.Con esta óptica, as traxectorias iónicas sepáranse en dipolos e céntranse en diferentes lugares dependendo da Q/A.Debido a varios factores como a difusión do momento e a repulsión da carga espacial, o feixe no foco ten unha certa anchura.As especies só poden separarse se a distancia entre as posicións focais das dúas especies iónicas é maior que o ancho do feixe.Para obter a maior resolución posible, instálase unha fenda horizontal preto da cintura do feixe, onde o feixe está practicamente concentrado.Instalouse unha pantalla de escintilación (CsI(Tl) de Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) entre a fenda e o PC.O escintilador utilizouse para determinar a fenda máis pequena pola que debían pasar as partículas deseñadas para obter unha resolución óptima e demostrar tamaños de feixe aceptables para raios de ións pesados ​​de alta corrente.A imaxe do feixe no escintilador é rexistrada por unha cámara CCD a través dunha ventá de baleiro.Axuste a xanela do tempo de exposición para cubrir todo o ancho do pulso do feixe.
Os conxuntos de datos utilizados ou analizados no estudo actual están dispoñibles dos respectivos autores previa solicitude razoable.
Manke, I. et al.Imaxe tridimensional de dominios magnéticos.Comuna Nacional.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Posibilidades de estudar fontes de neutróns compactos en aceleradores.física.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Microtomografía computarizada baseada en neutróns: Pliobates cataloniae e Barberapithecus huerzeleri como casos de proba.Si.J. Física.antropoloxía.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).