Προμηθευτές σωλήνων 304L 6,35*1mm από ανοξείδωτο χάλυβα, Επίδειξη έντονης δέσμης λιθίου για παραγωγή παλμικών άμεσων νετρονίων

Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Ρυθμιστικά που εμφανίζουν τρία άρθρα ανά διαφάνεια.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά πίσω και επόμενο για να μετακινηθείτε στις διαφάνειες ή τα κουμπιά του ελεγκτή ολίσθησης στο τέλος για να μετακινηθείτε σε κάθε διαφάνεια.

Ως εναλλακτική λύση στη μελέτη των πυρηνικών αντιδραστήρων, μια συμπαγής γεννήτρια νετρονίων που κινείται από επιταχυντή που χρησιμοποιεί έναν οδηγό δέσμης ιόντων λιθίου μπορεί να είναι ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος επειδή παράγει λίγη ανεπιθύμητη ακτινοβολία.Ωστόσο, ήταν δύσκολο να παραδοθεί μια έντονη δέσμη ιόντων λιθίου και η πρακτική εφαρμογή τέτοιων συσκευών θεωρήθηκε αδύνατη.Το πιο οξύ πρόβλημα της ανεπαρκούς ροής ιόντων επιλύθηκε με την εφαρμογή ενός σχήματος άμεσης εμφύτευσης πλάσματος.Σε αυτό το σχήμα, ένα παλμικό πλάσμα υψηλής πυκνότητας που δημιουργείται με αφαίρεση με λέιζερ ενός φύλλου μετάλλου λιθίου εγχέεται αποτελεσματικά και επιταχύνεται από έναν τετραπολικό επιταχυντή υψηλής συχνότητας (RFQ accelerator).Έχουμε επιτύχει ρεύμα αιχμής δέσμης 35 mA επιταχυνόμενο στα 1,43 MeV, που είναι δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερο από ό,τι μπορούν να παρέχουν τα συμβατικά συστήματα έγχυσης και επιταχυντή.
Σε αντίθεση με τις ακτίνες Χ ή τα φορτισμένα σωματίδια, τα νετρόνια έχουν μεγάλο βάθος διείσδυσης και μοναδική αλληλεπίδραση με τη συμπυκνωμένη ύλη, καθιστώντας τα εξαιρετικά ευέλικτους ανιχνευτές για τη μελέτη των ιδιοτήτων των υλικών1,2,3,4,5,6,7.Ειδικότερα, οι τεχνικές σκέδασης νετρονίων χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μελέτη της σύνθεσης, της δομής και των εσωτερικών τάσεων στη συμπυκνωμένη ύλη και μπορούν να παρέχουν λεπτομερείς πληροφορίες για ίχνη ενώσεων σε κράματα μετάλλων που είναι δύσκολο να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία ακτίνων Χ8.Αυτή η μέθοδος θεωρείται ισχυρό εργαλείο στη βασική επιστήμη και χρησιμοποιείται από κατασκευαστές μετάλλων και άλλων υλικών.Πιο πρόσφατα, η περίθλαση νετρονίων έχει χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση υπολειμματικών τάσεων σε μηχανικά εξαρτήματα όπως εξαρτήματα σιδηροτροχιών και αεροσκαφών9,10,11,12.Τα νετρόνια χρησιμοποιούνται επίσης σε πηγάδια πετρελαίου και φυσικού αερίου επειδή συλλαμβάνονται εύκολα από υλικά πλούσια σε πρωτόνια13.Παρόμοιες μέθοδοι χρησιμοποιούνται και στον πολιτικό μηχανικό.Η μη καταστροφική δοκιμή νετρονίων είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την ανίχνευση κρυφών σφαλμάτων σε κτίρια, σήραγγες και γέφυρες.Η χρήση δεσμών νετρονίων χρησιμοποιείται ενεργά στην επιστημονική έρευνα και τη βιομηχανία, πολλές από τις οποίες έχουν ιστορικά αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Ωστόσο, με την παγκόσμια συναίνεση για τη μη διάδοση των πυρηνικών όπλων, η κατασκευή μικρών αντιδραστήρων για ερευνητικούς σκοπούς γίνεται όλο και πιο δύσκολη.Επιπλέον, το πρόσφατο ατύχημα στη Φουκουσίμα έκανε την κατασκευή πυρηνικών αντιδραστήρων σχεδόν κοινωνικά αποδεκτή.Σε σχέση με αυτήν την τάση, η ζήτηση για πηγές νετρονίων στους επιταχυντές αυξάνεται2.Ως εναλλακτική λύση στους πυρηνικούς αντιδραστήρες, πολλές μεγάλες πηγές νετρονίων που διασπούν τον επιταχυντή βρίσκονται ήδη σε λειτουργία14,15.Ωστόσο, για πιο αποτελεσματική χρήση των ιδιοτήτων των δεσμών νετρονίων, είναι απαραίτητο να επεκταθεί η χρήση συμπαγών πηγών σε επιταχυντές, 16 που μπορεί να ανήκουν σε βιομηχανικά και πανεπιστημιακά ερευνητικά ιδρύματα.Οι πηγές νετρονίων επιταχυντών έχουν προσθέσει νέες δυνατότητες και λειτουργίες εκτός από το ότι χρησιμεύουν ως αντικαταστάτες για πυρηνικούς αντιδραστήρες14.Για παράδειγμα, μια γεννήτρια που κινείται με Linac μπορεί εύκολα να δημιουργήσει ένα ρεύμα νετρονίων χειρίζοντας τη δέσμη κίνησης.Από τη στιγμή που εκπέμπονται, τα νετρόνια είναι δύσκολο να ελεγχθούν και οι μετρήσεις ακτινοβολίας είναι δύσκολο να αναλυθούν λόγω του θορύβου που δημιουργείται από τα νετρόνια υποβάθρου.Τα παλμικά νετρόνια που ελέγχονται από έναν επιταχυντή αποφεύγουν αυτό το πρόβλημα.Πολλά έργα βασισμένα στην τεχνολογία επιταχυντή πρωτονίων έχουν προταθεί σε όλο τον κόσμο17,18,19.Οι αντιδράσεις 7Li(p, n)7Be και 9Be(p, n)9B χρησιμοποιούνται συχνότερα σε συμπαγείς γεννήτριες νετρονίων που οδηγούνται από πρωτόνια επειδή είναι ενδόθερμες αντιδράσεις20.Η υπερβολική ακτινοβολία και τα ραδιενεργά απόβλητα μπορούν να ελαχιστοποιηθούν εάν η ενέργεια που επιλέχθηκε για να διεγείρει τη δέσμη πρωτονίων είναι ελαφρώς πάνω από την τιμή κατωφλίου.Ωστόσο, η μάζα του πυρήνα στόχου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των πρωτονίων και τα νετρόνια που προκύπτουν διασκορπίζονται προς όλες τις κατευθύνσεις.Μια τέτοια κοντά στην ισοτροπική εκπομπή μιας ροής νετρονίων εμποδίζει την αποτελεσματική μεταφορά νετρονίων στο αντικείμενο μελέτης.Επιπλέον, για να ληφθεί η απαιτούμενη δόση νετρονίων στη θέση του αντικειμένου, είναι απαραίτητο να αυξηθεί σημαντικά τόσο ο αριθμός των κινούμενων πρωτονίων όσο και η ενέργειά τους.Ως αποτέλεσμα, μεγάλες δόσεις ακτίνων γάμμα και νετρονίων θα διαδοθούν μέσω μεγάλων γωνιών, καταστρέφοντας το πλεονέκτημα των ενδόθερμων αντιδράσεων.Μια τυπική συμπαγής γεννήτρια νετρονίων με βάση τον επιταχυντή έχει ισχυρή θωράκιση ακτινοβολίας και είναι το πιο ογκώδες μέρος του συστήματος.Η ανάγκη αύξησης της ενέργειας των κινητήριων πρωτονίων απαιτεί συνήθως μια πρόσθετη αύξηση του μεγέθους της εγκατάστασης του επιταχυντή.
Για να ξεπεραστούν τα γενικά μειονεκτήματα των συμβατικών πηγών συμπαγούς νετρονίων στους επιταχυντές, προτάθηκε ένα σχήμα αντίδρασης αναστροφής-κινηματικής21.Σε αυτό το σχήμα, μια βαρύτερη δέσμη ιόντων λιθίου χρησιμοποιείται ως δέσμη οδηγός αντί για δέσμη πρωτονίων, στοχεύοντας υλικά πλούσια σε υδρογόνο όπως πλαστικά υδρογονάνθρακα, υδρίδια, αέριο υδρογόνου ή πλάσμα υδρογόνου.Έχουν εξεταστεί εναλλακτικές λύσεις, όπως οι δέσμες ιόντων βηρυλλίου, ωστόσο, το βηρύλλιο είναι μια τοξική ουσία που απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή στο χειρισμό.Επομένως, μια δέσμη λιθίου είναι η πιο κατάλληλη για σχήματα αναστροφής-κινηματικής αντίδρασης.Δεδομένου ότι η ορμή των πυρήνων λιθίου είναι μεγαλύτερη από αυτή των πρωτονίων, το κέντρο μάζας των πυρηνικών συγκρούσεων κινείται συνεχώς προς τα εμπρός και τα νετρόνια εκπέμπονται επίσης προς τα εμπρός.Αυτό το χαρακτηριστικό εξαλείφει σε μεγάλο βαθμό τις ανεπιθύμητες ακτίνες γάμμα και τις εκπομπές νετρονίων υψηλής γωνίας22.Μια σύγκριση της συνήθους περίπτωσης μιας μηχανής πρωτονίων και του σεναρίου αντίστροφης κινηματικής φαίνεται στο Σχήμα 1.
Απεικόνιση γωνιών παραγωγής νετρονίων για δέσμες πρωτονίων και λιθίου (σχεδιασμένη με το Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(α) Τα νετρόνια μπορούν να εκτοξευθούν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ως αποτέλεσμα της αντίδρασης λόγω του γεγονότος ότι τα κινούμενα πρωτόνια χτυπούν τα πολύ βαρύτερα άτομα του στόχου λιθίου.(β) Αντίστροφα, εάν ένας οδηγός ιόντων λιθίου βομβαρδίσει έναν πλούσιο σε υδρογόνο στόχο, δημιουργούνται νετρόνια σε στενό κώνο προς τα εμπρός λόγω της υψηλής ταχύτητας του κέντρου μάζας του συστήματος.
Ωστόσο, υπάρχουν μόνο λίγες αντίστροφες κινηματικές γεννήτριες νετρονίων λόγω της δυσκολίας παραγωγής της απαιτούμενης ροής βαρέων ιόντων με υψηλό φορτίο σε σύγκριση με τα πρωτόνια.Όλες αυτές οι εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν πηγές αρνητικών ιόντων διασκορπισμού σε συνδυασμό με διαδοχικούς ηλεκτροστατικούς επιταχυντές.Άλλοι τύποι πηγών ιόντων έχουν προταθεί για την αύξηση της απόδοσης της επιτάχυνσης της δέσμης26.Σε κάθε περίπτωση, το διαθέσιμο ρεύμα δέσμης ιόντων λιθίου περιορίζεται στα 100 µA.Έχει προταθεί η χρήση 1 mA Li3+27, αλλά αυτό το ρεύμα δέσμης ιόντων δεν έχει επιβεβαιωθεί με αυτή τη μέθοδο.Όσον αφορά την ένταση, οι επιταχυντές δέσμης λιθίου δεν μπορούν να ανταγωνιστούν τους επιταχυντές δέσμης πρωτονίων των οποίων το μέγιστο ρεύμα πρωτονίων υπερβαίνει τα 10 mA28.
Για την εφαρμογή μιας πρακτικής συμπαγούς γεννήτριας νετρονίων που βασίζεται σε μια δέσμη ιόντων λιθίου, είναι πλεονεκτικό να δημιουργείται υψηλής έντασης εντελώς απαλλαγμένη από ιόντα.Τα ιόντα επιταχύνονται και καθοδηγούνται από ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και ένα υψηλότερο επίπεδο φόρτισης έχει ως αποτέλεσμα πιο αποτελεσματική επιτάχυνση.Οι οδηγοί δέσμης ιόντων λιθίου απαιτούν ρεύματα αιχμής Li3+ που υπερβαίνουν τα 10 mA.
Σε αυτή την εργασία, επιδεικνύουμε την επιτάχυνση των δεσμών Li3+ με ρεύματα αιχμής έως 35 mA, η οποία είναι συγκρίσιμη με τους προηγμένους επιταχυντές πρωτονίων.Η αρχική δέσμη ιόντων λιθίου δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας αφαίρεση με λέιζερ και ένα Σχέδιο Εμφύτευσης Άμεσης Πλάσματος (DPIS) που αρχικά αναπτύχθηκε για την επιτάχυνση του C6+.Ένας εξατομικευμένος σχεδιασμός τετραπολικής ράβδου ραδιοσυχνοτήτων (RFQ linac) κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια δομή συντονισμού τεσσάρων ράβδων.Επαληθεύσαμε ότι η δέσμη επιτάχυνσης έχει την υπολογισμένη ενέργεια δέσμης υψηλής καθαρότητας.Μόλις η δέσμη Li3+ συλληφθεί και επιταχυνθεί αποτελεσματικά από τον επιταχυντή ραδιοσυχνοτήτων (RF), το επόμενο τμήμα Linac (επιταχυντής) χρησιμοποιείται για να παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για τη δημιουργία μιας ισχυρής ροής νετρονίων από τον στόχο.
Η επιτάχυνση ιόντων υψηλής απόδοσης είναι μια καλά καθιερωμένη τεχνολογία.Το υπόλοιπο καθήκον της υλοποίησης μιας νέας εξαιρετικά αποδοτικής συμπαγούς γεννήτριας νετρονίων είναι η δημιουργία ενός μεγάλου αριθμού πλήρως απογυμνωμένων ιόντων λιθίου και ο σχηματισμός μιας δομής συστάδας που αποτελείται από μια σειρά παλμών ιόντων συγχρονισμένων με τον κύκλο ραδιοσυχνοτήτων στον επιταχυντή.Τα αποτελέσματα των πειραμάτων που σχεδιάστηκαν για την επίτευξη αυτού του στόχου περιγράφονται στις ακόλουθες τρεις υποενότητες: (1) δημιουργία μιας δέσμης χωρίς δέσμη ιόντων λιθίου, (2) επιτάχυνση δέσμης χρησιμοποιώντας ένα ειδικά σχεδιασμένο RFQ linac και (3) επιτάχυνση της ανάλυσης της δοκού για να ελέγξετε το περιεχόμενό της.Στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven (BNL), κατασκευάσαμε την πειραματική εγκατάσταση που φαίνεται στο Σχήμα 2.
Επισκόπηση της πειραματικής ρύθμισης για επιταχυνόμενη ανάλυση δεσμών λιθίου (που απεικονίζεται από το Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Από τα δεξιά προς τα αριστερά, δημιουργείται πλάσμα αφαίρεσης με λέιζερ στον θάλαμο αλληλεπίδρασης λέιζερ-στόχου και παραδίδεται στον σύνδεσμο RFQ.Κατά την είσοδο στον επιταχυντή RFQ, τα ιόντα διαχωρίζονται από το πλάσμα και εγχέονται στον επιταχυντή RFQ μέσω ενός ξαφνικού ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από μια διαφορά τάσης 52 kV μεταξύ του ηλεκτροδίου εξαγωγής και του ηλεκτροδίου RFQ στην περιοχή μετατόπισης.Τα εξαγόμενα ιόντα επιταχύνονται από 22 keV/n σε 204 keV/n χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια RFQ μήκους 2 μέτρων.Ένας μετασχηματιστής ρεύματος (CT) που είναι εγκατεστημένος στην έξοδο του συνδέσμου RFQ παρέχει μη καταστροφική μέτρηση του ρεύματος δέσμης ιόντων.Η δέσμη εστιάζεται από τρεις τετραπολικούς μαγνήτες και κατευθύνεται σε έναν διπολικό μαγνήτη, ο οποίος διαχωρίζει και κατευθύνει τη δέσμη Li3+ στον ανιχνευτή.Πίσω από τη σχισμή, ένας αναδιπλούμενος πλαστικός σπινθηριστής και ένα κύπελλο Faraday (FC) με προκατάληψη έως και -400 V χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της δέσμης επιτάχυνσης.
Για να δημιουργηθούν πλήρως ιονισμένα ιόντα λιθίου (Li3+), είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα πλάσμα με θερμοκρασία πάνω από την τρίτη ενέργεια ιονισμού του (122,4 eV).Προσπαθήσαμε να χρησιμοποιήσουμε αφαίρεση με λέιζερ για να παράγουμε πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας.Αυτός ο τύπος πηγής ιόντων λέιζερ δεν χρησιμοποιείται συνήθως για τη δημιουργία δεσμών ιόντων λιθίου επειδή το μέταλλο λίθιο είναι αντιδραστικό και απαιτεί ειδικό χειρισμό.Έχουμε αναπτύξει ένα σύστημα φόρτωσης στόχου για την ελαχιστοποίηση της υγρασίας και της μόλυνσης του αέρα κατά την εγκατάσταση φύλλου λιθίου στον θάλαμο αλληλεπίδρασης λέιζερ κενού.Όλες οι παρασκευές των υλικών πραγματοποιήθηκαν σε ελεγχόμενο περιβάλλον ξηρού αργού.Μετά την εγκατάσταση του φύλλου λιθίου στον θάλαμο στόχο λέιζερ, το φύλλο ακτινοβολήθηκε με παλμική ακτινοβολία λέιζερ Nd:YAG με ενέργεια 800 mJ ανά παλμό.Στην εστίαση στον στόχο, η πυκνότητα ισχύος λέιζερ εκτιμάται ότι είναι περίπου 1012 W/cm2.Το πλάσμα δημιουργείται όταν ένα παλμικό λέιζερ καταστρέφει έναν στόχο στο κενό.Κατά τη διάρκεια ολόκληρου του παλμού λέιζερ 6 ns, το πλάσμα συνεχίζει να θερμαίνεται, κυρίως λόγω της αντίστροφης διαδικασίας bremsstrahlung.Δεδομένου ότι δεν εφαρμόζεται περιοριστικό εξωτερικό πεδίο κατά τη φάση θέρμανσης, το πλάσμα αρχίζει να διαστέλλεται σε τρεις διαστάσεις.Όταν το πλάσμα αρχίζει να διαστέλλεται πάνω από την επιφάνεια στόχο, το κέντρο μάζας του πλάσματος αποκτά ταχύτητα κάθετη στην επιφάνεια στόχο με ενέργεια 600 eV/n.Μετά τη θέρμανση, το πλάσμα συνεχίζει να κινείται προς την αξονική κατεύθυνση από τον στόχο, επεκτείνοντας ισοτροπικά.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, το πλάσμα αφαίρεσης διαστέλλεται σε όγκο κενού που περιβάλλεται από μεταλλικό δοχείο με το ίδιο δυναμικό με τον στόχο.Έτσι, το πλάσμα παρασύρεται μέσω της περιοχής χωρίς πεδίο προς τον επιταχυντή RFQ.Ένα αξονικό μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται μεταξύ του θαλάμου ακτινοβολίας λέιζερ και του δεσμού RFQ μέσω ενός πηνίου σωληνοειδούς τυλιγμένο γύρω από τον θάλαμο κενού.Το μαγνητικό πεδίο της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας καταστέλλει την ακτινική διαστολή του παρασυρόμενου πλάσματος προκειμένου να διατηρήσει υψηλή πυκνότητα πλάσματος κατά την παράδοση στο άνοιγμα RFQ.Από την άλλη πλευρά, το πλάσμα συνεχίζει να διαστέλλεται προς την αξονική κατεύθυνση κατά τη διάρκεια της μετατόπισης, σχηματίζοντας ένα επίμηκες πλάσμα.Μια πόλωση υψηλής τάσης εφαρμόζεται στο μεταλλικό δοχείο που περιέχει το πλάσμα μπροστά από τη θύρα εξόδου στην είσοδο RFQ.Η τάση πόλωσης επιλέχθηκε για να παρέχει τον απαιτούμενο ρυθμό έγχυσης 7Li3+ για σωστή επιτάχυνση από το RFQ linac.
Το προκύπτον πλάσμα αφαίρεσης περιέχει όχι μόνο 7Li3+, αλλά και λίθιο σε άλλες καταστάσεις φορτίου και ρυπογόνα στοιχεία, τα οποία μεταφέρονται ταυτόχρονα στον γραμμικό επιταχυντή RFQ.Πριν από τα επιταχυνόμενα πειράματα χρησιμοποιώντας το RFQ linac, πραγματοποιήθηκε ανάλυση χρόνου πτήσης εκτός σύνδεσης (TOF) για τη μελέτη της σύνθεσης και της κατανομής ενέργειας των ιόντων στο πλάσμα.Η λεπτομερής αναλυτική ρύθμιση και οι παρατηρούμενες κατανομές κατάστασης χρέωσης εξηγούνται στην ενότητα Μέθοδοι.Η ανάλυση έδειξε ότι τα ιόντα 7Li3+ ήταν τα κύρια σωματίδια, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 54% όλων των σωματιδίων, όπως φαίνεται στο Σχ. 3. Σύμφωνα με την ανάλυση, το ρεύμα ιόντων 7Li3+ στο σημείο εξόδου δέσμης ιόντων εκτιμάται σε 1,87 mA.Κατά τη διάρκεια των επιταχυνόμενων δοκιμών, ένα σωληνοειδές πεδίο 79 mT εφαρμόζεται στο διαστελλόμενο πλάσμα.Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα 7Li3+ που εξήχθη από το πλάσμα και παρατηρήθηκε στον ανιχνευτή αυξήθηκε κατά 30.
Κλάσματα ιόντων στο πλάσμα που δημιουργείται με λέιζερ που λαμβάνονται με ανάλυση χρόνου πτήσης.Τα ιόντα 7Li1+ και 7Li2+ αποτελούν το 5% και το 25% της δέσμης ιόντων, αντίστοιχα.Το ανιχνευμένο κλάσμα των σωματιδίων 6Li συμφωνεί με τη φυσική περιεκτικότητα σε 6Li (7,6%) στον στόχο του φύλλου λιθίου εντός του πειραματικού σφάλματος.Παρατηρήθηκε ελαφρά μόλυνση με οξυγόνο (6,2%), κυρίως Ο1+ (2,1%) και Ο2+ (1,5%), που μπορεί να οφείλεται σε οξείδωση της επιφάνειας του στόχου του φύλλου λιθίου.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το πλάσμα του λιθίου παρασύρεται σε μια περιοχή χωρίς πεδίο πριν εισέλθει στον σύνδεσμο RFQ.Η είσοδος του linac RFQ έχει μια οπή διαμέτρου 6 mm σε μεταλλικό δοχείο και η τάση πόλωσης είναι 52 kV.Αν και η τάση του ηλεκτροδίου RFQ αλλάζει γρήγορα ±29 kV στα 100 MHz, η τάση προκαλεί αξονική επιτάχυνση επειδή τα ηλεκτρόδια επιταχυντή RFQ έχουν μέσο δυναμικό μηδέν.Λόγω του ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται στο διάκενο 10 mm μεταξύ του ανοίγματος και της άκρης του ηλεκτροδίου RFQ, μόνο θετικά ιόντα πλάσματος εξάγονται από το πλάσμα στο άνοιγμα.Στα παραδοσιακά συστήματα παροχής ιόντων, τα ιόντα διαχωρίζονται από το πλάσμα με ένα ηλεκτρικό πεδίο σε σημαντική απόσταση μπροστά από τον επιταχυντή RFQ και στη συνέχεια εστιάζονται στο άνοιγμα RFQ με ένα στοιχείο εστίασης δέσμης.Ωστόσο, για τις έντονες δέσμες βαρέων ιόντων που απαιτούνται για μια έντονη πηγή νετρονίων, οι μη γραμμικές δυνάμεις απώθησης λόγω των επιδράσεων του διαστημικού φορτίου μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές απώλειες ρεύματος δέσμης στο σύστημα μεταφοράς ιόντων, περιορίζοντας το ρεύμα αιχμής που μπορεί να επιταχυνθεί.Στο DPIS μας, τα ιόντα υψηλής έντασης μεταφέρονται ως παρασυρόμενο πλάσμα απευθείας στο σημείο εξόδου του ανοίγματος RFQ, επομένως δεν υπάρχει απώλεια της δέσμης ιόντων λόγω φορτίου χώρου.Κατά τη διάρκεια αυτής της επίδειξης, το DPIS εφαρμόστηκε σε μια δέσμη ιόντων λιθίου για πρώτη φορά.
Η δομή RFQ αναπτύχθηκε για την εστίαση και την επιτάχυνση δεσμών ιόντων χαμηλής ενέργειας υψηλού ρεύματος και έχει γίνει το πρότυπο για την επιτάχυνση πρώτης τάξης.Χρησιμοποιήσαμε RFQ για να επιταχύνουμε ιόντα 7Li3+ από ενέργεια εμφυτεύματος 22 keV/n σε 204 keV/n.Παρόλο που το λίθιο και άλλα σωματίδια με χαμηλότερο φορτίο στο πλάσμα εξάγονται επίσης από το πλάσμα και εγχέονται στο άνοιγμα RFQ, το linac RFQ επιταχύνει μόνο ιόντα με αναλογία φορτίου προς μάζα (Q/A) κοντά στο 7Li3+.
Στο σχ.Το Σχήμα 4 δείχνει τις κυματομορφές που ανιχνεύθηκαν από τον μετασχηματιστή ρεύματος (CT) στην έξοδο του συνδέσμου RFQ και του φλυτζανιού Faraday (FC) μετά την ανάλυση του μαγνήτη, όπως φαίνεται στο σχήμα.2. Η χρονική μετατόπιση μεταξύ των σημάτων μπορεί να ερμηνευθεί ως η διαφορά στο χρόνο πτήσης στη θέση του ανιχνευτή.Το μέγιστο ρεύμα ιόντων που μετρήθηκε σε CT ήταν 43 mA.Στη θέση RT, η καταγεγραμμένη δέσμη μπορεί να περιέχει όχι μόνο ιόντα επιταχυνόμενα στην υπολογιζόμενη ενέργεια, αλλά και ιόντα διαφορετικά από 7Li3+, τα οποία δεν επιταχύνονται επαρκώς.Ωστόσο, η ομοιότητα των μορφών ρεύματος ιόντων που βρέθηκε μέσω του QD και του PC υποδεικνύει ότι το ρεύμα ιόντων αποτελείται κυρίως από επιταχυνόμενο 7Li3+ και η μείωση της τιμής κορυφής του ρεύματος στον υπολογιστή προκαλείται από απώλειες δέσμης κατά τη μεταφορά ιόντων μεταξύ QD και Η/Υ.Απώλειες Αυτό επιβεβαιώνεται και από την προσομοίωση φακέλου.Για να μετρηθεί με ακρίβεια το ρεύμα δέσμης 7Li3+, η δέσμη αναλύεται με διπολικό μαγνήτη όπως περιγράφεται στην επόμενη ενότητα.
Ταλαντογράμματα της επιταχυνόμενης δέσμης καταγράφηκαν στις θέσεις ανιχνευτή CT (μαύρη καμπύλη) και FC (κόκκινη καμπύλη).Αυτές οι μετρήσεις ενεργοποιούνται από την ανίχνευση ακτινοβολίας λέιζερ από έναν φωτοανιχνευτή κατά τη διάρκεια της παραγωγής πλάσματος με λέιζερ.Η μαύρη καμπύλη δείχνει την κυματομορφή που μετρήθηκε σε CT συνδεδεμένο με την έξοδο Linac RFQ.Λόγω της εγγύτητάς του με το linac RFQ, ο ανιχνευτής λαμβάνει θόρυβο RF 100 MHz, έτσι εφαρμόστηκε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης FFT 98 MHz για την αφαίρεση του συντονιστικού σήματος RF των 100 MHz που υπερτίθεται στο σήμα ανίχνευσης.Η κόκκινη καμπύλη δείχνει την κυματομορφή στο FC αφού ο αναλυτικός μαγνήτης κατευθύνει τη δέσμη ιόντων 7Li3+.Σε αυτό το μαγνητικό πεδίο, εκτός από 7Li3+, μπορούν να μεταφερθούν N6+ και O7+.
Η δέσμη ιόντων μετά τον δεσμό RFQ εστιάζεται από μια σειρά τριών τετραπολικών μαγνητών εστίασης και στη συνέχεια αναλύεται με διπολικούς μαγνήτες για να απομονωθούν ακαθαρσίες στη δέσμη ιόντων.Ένα μαγνητικό πεδίο 0,268 T κατευθύνει τις ακτίνες 7Li3+ στο FC.Η κυματομορφή ανίχνευσης αυτού του μαγνητικού πεδίου φαίνεται ως η κόκκινη καμπύλη στο Σχήμα 4. Το ρεύμα αιχμής της δέσμης φτάνει τα 35 mA, το οποίο είναι περισσότερο από 100 φορές υψηλότερο από μια τυπική δέσμη Li3+ που παράγεται σε υπάρχοντες συμβατικούς ηλεκτροστατικούς επιταχυντές.Το πλάτος του παλμού της δέσμης είναι 2,0 µs σε πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο.Η ανίχνευση μιας δέσμης 7Li3+ με διπολικό μαγνητικό πεδίο υποδηλώνει επιτυχή συσσώρευση και επιτάχυνση δέσμης.Το ρεύμα δέσμης ιόντων που ανιχνεύεται από το FC κατά τη σάρωση του μαγνητικού πεδίου του διπόλου φαίνεται στο Σχ. 5. Παρατηρήθηκε μια καθαρή μονή κορυφή, καλά διαχωρισμένη από άλλες κορυφές.Δεδομένου ότι όλα τα ιόντα που επιταχύνονται στην ενέργεια σχεδιασμού από το RFQ linac έχουν την ίδια ταχύτητα, οι δέσμες ιόντων με το ίδιο Q/A είναι δύσκολο να διαχωριστούν από διπολικά μαγνητικά πεδία.Επομένως, δεν μπορούμε να διακρίνουμε το 7Li3+ από το N6+ ή το O7+.Ωστόσο, η ποσότητα των ακαθαρσιών μπορεί να εκτιμηθεί από γειτονικά κράτη φορτίου.Για παράδειγμα, τα N7+ και N5+ μπορούν εύκολα να διαχωριστούν, ενώ το N6+ μπορεί να είναι μέρος της ακαθαρσίας και αναμένεται να υπάρχει περίπου στην ίδια ποσότητα με τα N7+ και N5+.Το εκτιμώμενο επίπεδο ρύπανσης είναι περίπου 2%.
Φάσματα συνιστωσών δέσμης που λαμβάνονται με σάρωση διπολικού μαγνητικού πεδίου.Η κορυφή στα 0,268 T αντιστοιχεί σε 7Li3+ και N6+.Το πλάτος κορυφής εξαρτάται από το μέγεθος της δοκού στη σχισμή.Παρά τις ευρείες κορυφές, το 7Li3+ διαχωρίζεται καλά από τα 6Li3+, O6+ και N5+, αλλά ελάχιστα διαχωρίζεται από το O7+ και το N6+.
Στη θέση του FC, το προφίλ δέσμης επιβεβαιώθηκε με έναν σπινθηριστή βύσματος και καταγράφηκε με μια γρήγορη ψηφιακή κάμερα όπως φαίνεται στο Σχήμα 6. Η παλμική δέσμη 7Li3+ με ρεύμα 35 mA φαίνεται να επιταχύνεται σε υπολογισμένο RFQ ενέργειας 204 keV/n, που αντιστοιχεί σε 1,4 MeV, και μεταδίδεται στον ανιχνευτή FC.
Προφίλ δέσμης που παρατηρήθηκε σε οθόνη σπινθηριστή pre-FC (χρωματισμένη από Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Το μαγνητικό πεδίο του αναλυτικού διπολικού μαγνήτη ρυθμίστηκε για να κατευθύνει την επιτάχυνση της δέσμης ιόντων Li3+ στην ενεργειακή σχεδίαση RFQ.Οι μπλε κουκκίδες στην πράσινη περιοχή προκαλούνται από ελαττωματικό υλικό σπινθηριστή.
Πετύχαμε τη δημιουργία ιόντων 7Li3+ με αφαίρεση με λέιζερ της επιφάνειας ενός στερεού φύλλου λιθίου και μια δέσμη ιόντων υψηλού ρεύματος συλλήφθηκε και επιταχύνθηκε με έναν ειδικά σχεδιασμένο δεσμό RFQ χρησιμοποιώντας DPIS.Σε ενέργεια δέσμης 1,4 MeV, το μέγιστο ρεύμα 7Li3+ που επιτεύχθηκε στο FC μετά την ανάλυση του μαγνήτη ήταν 35 mA.Αυτό επιβεβαιώνει ότι το πιο σημαντικό μέρος της υλοποίησης μιας πηγής νετρονίων με αντίστροφη κινηματική έχει υλοποιηθεί πειραματικά.Σε αυτό το μέρος της εργασίας, θα συζητηθεί ολόκληρος ο σχεδιασμός μιας συμπαγούς πηγής νετρονίων, συμπεριλαμβανομένων των επιταχυντών υψηλής ενέργειας και των σταθμών στόχων νετρονίων.Ο σχεδιασμός βασίζεται σε αποτελέσματα που λαμβάνονται με τα υπάρχοντα συστήματα στο εργαστήριό μας.Πρέπει να σημειωθεί ότι το ρεύμα αιχμής της δέσμης ιόντων μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω με μείωση της απόστασης μεταξύ του φύλλου λιθίου και του δεσμού RFQ.Ρύζι.7 απεικονίζει ολόκληρη την ιδέα της προτεινόμενης συμπαγούς πηγής νετρονίων στον επιταχυντή.
Εννοιολογική σχεδίαση της προτεινόμενης συμπαγούς πηγής νετρονίων στον επιταχυντή (σχεδιασμένο από Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Από δεξιά προς τα αριστερά: πηγή ιόντων λέιζερ, μαγνήτης ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, RFQ linac, μεταφορά δέσμης μέσης ενέργειας (MEBT), IH linac και θάλαμος αλληλεπίδρασης για παραγωγή νετρονίων.Η προστασία από την ακτινοβολία παρέχεται κυρίως προς την εμπρός κατεύθυνση λόγω της στενά κατευθυνόμενης φύσης των παραγόμενων δεσμών νετρονίων.
Μετά το RFQ linac, σχεδιάζεται περαιτέρω επιτάχυνση του Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac.Τα linac IH χρησιμοποιούν μια δομή drift tube με λειτουργία π για να παρέχουν υψηλές κλίσεις ηλεκτρικού πεδίου σε ένα συγκεκριμένο εύρος ταχυτήτων.Η εννοιολογική μελέτη πραγματοποιήθηκε με βάση την προσομοίωση 1D διαμήκους δυναμικής και την προσομοίωση 3D κελύφους.Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ένας αγωγός IH 100 MHz με λογική τάση σωλήνα μετατόπισης (λιγότερο από 450 kV) και ισχυρό μαγνήτη εστίασης μπορεί να επιταχύνει μια δέσμη 40 mA από 1,4 σε 14 MeV σε απόσταση 1,8 m.Η κατανομή ενέργειας στο τέλος της αλυσίδας του επιταχυντή υπολογίζεται σε ± 0,4 MeV, το οποίο δεν επηρεάζει σημαντικά το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων που παράγεται από τον στόχο μετατροπής νετρονίων.Επιπλέον, η ικανότητα εκπομπής δέσμης είναι αρκετά χαμηλή ώστε να εστιάσει τη δέσμη σε ένα μικρότερο σημείο δέσμης από αυτό που θα απαιτούνταν κανονικά για έναν τετραπολικό μαγνήτη μεσαίας ισχύος και μεγέθους.Στη μετάδοση δέσμης μέσης ενέργειας (MEBT) μεταξύ του RFQ linac και του IH linac, ο συντονιστής δέσμης χρησιμοποιείται για τη διατήρηση της δομής διαμόρφωσης δέσμης.Τρεις τετραπολικοί μαγνήτες χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μεγέθους της πλευρικής δέσμης.Αυτή η στρατηγική σχεδίασης έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλούς επιταχυντές31,32,33.Το συνολικό μήκος ολόκληρου του συστήματος από την πηγή ιόντων έως τον θάλαμο στόχο εκτιμάται ότι είναι μικρότερο από 8 m, το οποίο μπορεί να χωρέσει σε ένα τυπικό ημιρυμουλκούμενο φορτηγό.
Ο στόχος μετατροπής νετρονίων θα εγκατασταθεί αμέσως μετά τον γραμμικό επιταχυντή.Συζητάμε σχέδια σταθμών-στόχων με βάση προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιώντας αντίστροφα κινηματικά σενάρια23.Οι αναφερόμενοι στόχοι μετατροπής περιλαμβάνουν στερεά υλικά (πολυπροπυλένιο (C3H6) και υδρίδιο του τιτανίου (TiH2)) και συστήματα αέριων στόχων.Κάθε στόχος έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.Οι συμπαγείς στόχοι επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο του πάχους.Όσο πιο λεπτός είναι ο στόχος, τόσο πιο ακριβής είναι η χωρική διάταξη της παραγωγής νετρονίων.Ωστόσο, τέτοιοι στόχοι μπορεί να έχουν ακόμη κάποιο βαθμό ανεπιθύμητων πυρηνικών αντιδράσεων και ακτινοβολίας.Από την άλλη πλευρά, ένας στόχος υδρογόνου μπορεί να προσφέρει ένα καθαρότερο περιβάλλον εξαλείφοντας την παραγωγή του 7Be, του κύριου προϊόντος της πυρηνικής αντίδρασης.Ωστόσο, το υδρογόνο έχει μια ασθενή ικανότητα φραγμού και απαιτεί μεγάλη φυσική απόσταση για επαρκή απελευθέρωση ενέργειας.Αυτό είναι ελαφρώς μειονέκτημα για τις μετρήσεις TOF.Επιπλέον, εάν χρησιμοποιείται ένα λεπτό φιλμ για τη σφράγιση ενός στόχου υδρογόνου, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι απώλειες ενέργειας των ακτίνων γάμμα που παράγονται από το λεπτό φιλμ και την προσπίπτουσα δέσμη λιθίου.
Το LICORNE χρησιμοποιεί στόχους πολυπροπυλενίου και το σύστημα στόχου έχει αναβαθμιστεί σε κύτταρα υδρογόνου σφραγισμένα με φύλλο τανταλίου.Υποθέτοντας ένα ρεύμα δέσμης 100 nA για το 7Li34, και τα δύο συστήματα στόχου μπορούν να παράγουν έως και 107 n/s/sr.Εάν εφαρμόσουμε αυτήν την ισχυριζόμενη μετατροπή απόδοσης νετρονίων στην προτεινόμενη πηγή νετρονίων, τότε μπορεί να ληφθεί μια δέσμη με λίθιο 7 × 10–8 C για κάθε παλμό λέιζερ.Αυτό σημαίνει ότι η εκτόξευση του λέιζερ μόλις δύο φορές το δευτερόλεπτο παράγει 40% περισσότερα νετρόνια από αυτά που μπορεί να παράγει το LICORNE σε ένα δευτερόλεπτο με συνεχή δέσμη.Η συνολική ροή μπορεί εύκολα να αυξηθεί αυξάνοντας τη συχνότητα διέγερσης του λέιζερ.Αν υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα σύστημα λέιζερ 1 kHz στην αγορά, η μέση ροή νετρονίων μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί σε περίπου 7 × 109 n/s/sr.
Όταν χρησιμοποιούμε συστήματα υψηλού ρυθμού επανάληψης με πλαστικούς στόχους, είναι απαραίτητο να ελέγχεται η παραγωγή θερμότητας στους στόχους επειδή, για παράδειγμα, το πολυπροπυλένιο έχει χαμηλό σημείο τήξης 145–175 °C και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα 0,1–0,22 W/ m/K.Για μια δέσμη ιόντων λιθίου 14 MeV, ένας στόχος πολυπροπυλενίου πάχους 7 μm είναι αρκετός για να μειώσει την ενέργεια της δέσμης στο κατώφλι αντίδρασης (13,098 MeV).Λαμβάνοντας υπόψη τη συνολική επίδραση των ιόντων που παράγονται από μια βολή λέιζερ στον στόχο, η απελευθέρωση ενέργειας των ιόντων λιθίου μέσω του πολυπροπυλενίου εκτιμάται σε 64 mJ/παλμό.Υποθέτοντας ότι όλη η ενέργεια μεταφέρεται σε κύκλο με διάμετρο 10 mm, κάθε παλμός αντιστοιχεί σε αύξηση θερμοκρασίας περίπου 18 K/παλμό.Η απελευθέρωση ενέργειας στους στόχους πολυπροπυλενίου βασίζεται στην απλή υπόθεση ότι όλες οι απώλειες ενέργειας αποθηκεύονται ως θερμότητα, χωρίς ακτινοβολία ή άλλες απώλειες θερμότητας.Εφόσον η αύξηση του αριθμού των παλμών ανά δευτερόλεπτο απαιτεί την εξάλειψη της συσσώρευσης θερμότητας, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε στόχους ταινίας για να αποφύγουμε την απελευθέρωση ενέργειας στο ίδιο σημείο23.Υποθέτοντας ένα σημείο δέσμης 10 mm σε έναν στόχο με ρυθμό επανάληψης λέιζερ 100 Hz, η ταχύτητα σάρωσης της ταινίας πολυπροπυλενίου θα είναι 1 m/s.Είναι δυνατοί υψηλότεροι ρυθμοί επανάληψης εάν επιτρέπεται η επικάλυψη κηλίδων δέσμης.
Ερευνήσαμε επίσης στόχους με μπαταρίες υδρογόνου, επειδή μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ισχυρότερες δέσμες κίνησης χωρίς να καταστραφεί ο στόχος.Η δέσμη νετρονίων μπορεί εύκολα να συντονιστεί αλλάζοντας το μήκος του θαλάμου αερίου και την πίεση του υδρογόνου μέσα.Τα λεπτά μεταλλικά φύλλα χρησιμοποιούνται συχνά σε επιταχυντές για να διαχωρίσουν την αέρια περιοχή του στόχου από το κενό.Επομένως, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ενέργεια της προσπίπτουσας δέσμης ιόντων λιθίου προκειμένου να αντισταθμιστούν οι απώλειες ενέργειας στο φύλλο.Το συγκρότημα στόχο που περιγράφεται στην αναφορά 35 αποτελούνταν από ένα δοχείο αλουμινίου μήκους 3,5 cm με πίεση αερίου Η2 1,5 atm.Η δέσμη ιόντων λιθίου των 16,75 MeV εισέρχεται στη μπαταρία μέσω του αερόψυκτου φύλλου Ta 2,7 μm και η ενέργεια της δέσμης ιόντων λιθίου στο τέλος της μπαταρίας επιβραδύνεται στο κατώφλι της αντίδρασης.Για να αυξηθεί η ενέργεια δέσμης των μπαταριών ιόντων λιθίου από 14,0 MeV σε 16,75 MeV, το IH linac έπρεπε να επιμηκυνθεί κατά περίπου 30 cm.
Μελετήθηκε επίσης η εκπομπή νετρονίων από στόχους αερίων κυττάρων.Για τους προαναφερθέντες στόχους αερίου LICORNE, οι προσομοιώσεις GEANT436 δείχνουν ότι δημιουργούνται υψηλά προσανατολισμένα νετρόνια μέσα στον κώνο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 στο [37].Η αναφορά 35 δείχνει το εύρος ενέργειας από 0,7 έως 3,0 MeV με μέγιστο άνοιγμα κώνου 19,5° σε σχέση με την κατεύθυνση διάδοσης της κύριας δέσμης.Τα υψηλά προσανατολισμένα νετρόνια μπορούν να μειώσουν σημαντικά την ποσότητα του προστατευτικού υλικού στις περισσότερες γωνίες, μειώνοντας το βάρος της δομής και παρέχοντας μεγαλύτερη ευελιξία στην εγκατάσταση του εξοπλισμού μέτρησης.Από την άποψη της ακτινοπροστασίας, εκτός από τα νετρόνια, αυτός ο αέριος στόχος εκπέμπει ακτίνες γάμμα 478 keV ισοτροπικά στο κεντροειδές σύστημα συντεταγμένων38.Αυτές οι ακτίνες γ παράγονται ως αποτέλεσμα της αποσύνθεσης 7Be και της αποδιέγερσης 7Li, η οποία συμβαίνει όταν η κύρια δέσμη Li χτυπά στο παράθυρο εισόδου Ta.Ωστόσο, με την προσθήκη ενός παχύ κυλινδρικού ρυθμιστή 35 Pb/Cu, το φόντο μπορεί να μειωθεί σημαντικά.
Ως εναλλακτικός στόχος, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει ένα παράθυρο πλάσματος [39, 40], το οποίο καθιστά δυνατή την επίτευξη μιας σχετικά υψηλής πίεσης υδρογόνου και μιας μικρής χωρικής περιοχής παραγωγής νετρονίων, αν και είναι κατώτερη από τους στερεούς στόχους.
Διερευνούμε τις επιλογές στόχευσης μετατροπής νετρονίων για την αναμενόμενη κατανομή ενέργειας και το μέγεθος δέσμης μιας δέσμης ιόντων λιθίου χρησιμοποιώντας το GEANT4.Οι προσομοιώσεις μας δείχνουν μια συνεπή κατανομή ενέργειας νετρονίων και γωνιακές κατανομές για στόχους υδρογόνου στην παραπάνω βιβλιογραφία.Σε οποιοδήποτε σύστημα στόχου, τα υψηλά προσανατολισμένα νετρόνια μπορούν να παραχθούν με μια αντίστροφη κινηματική αντίδραση που οδηγείται από μια ισχυρή δέσμη 7Li3+ σε έναν στόχο πλούσιο σε υδρογόνο.Επομένως, νέες πηγές νετρονίων μπορούν να εφαρμοστούν συνδυάζοντας ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες.
Οι συνθήκες ακτινοβολίας λέιζερ αναπαρήγαγαν πειράματα δημιουργίας δέσμης ιόντων πριν από την επιταχυνόμενη επίδειξη.Το λέιζερ είναι ένα επιτραπέζιο σύστημα Nd:YAG νανοδευτερολέπτων με πυκνότητα ισχύος λέιζερ 1012 W/cm2, βασικό μήκος κύματος 1064 nm, ενέργεια κηλίδας 800 mJ και διάρκεια παλμού 6 ns.Η διάμετρος κηλίδας στο στόχο υπολογίζεται στα 100 μm.Επειδή το μέταλλο λιθίου (Alfa Aesar, 99,9% καθαρό) είναι αρκετά μαλακό, το ακριβές κομμένο υλικό πιέζεται στο καλούπι.Διαστάσεις φύλλου 25 mm × 25 mm, πάχος 0,6 mm.Η ζημιά που μοιάζει με κρατήρα εμφανίζεται στην επιφάνεια του στόχου όταν τον χτυπά ένα λέιζερ, επομένως ο στόχος μετακινείται από μια μηχανοκίνητη πλατφόρμα για να παρέχει ένα νέο τμήμα της επιφάνειας του στόχου με κάθε βολή λέιζερ.Για να αποφευχθεί ο ανασυνδυασμός λόγω υπολειμματικού αερίου, η πίεση στον θάλαμο διατηρήθηκε κάτω από το εύρος των 10-4 Pa.
Ο αρχικός όγκος του πλάσματος λέιζερ είναι μικρός, αφού το μέγεθος της κηλίδας του λέιζερ είναι 100 μm και εντός 6 ns μετά τη δημιουργία του.Η ένταση μπορεί να ληφθεί ως ακριβές σημείο και να επεκταθεί.Εάν ο ανιχνευτής τοποθετηθεί σε απόσταση xm από την επιφάνεια στόχο, τότε το λαμβανόμενο σήμα υπακούει στη σχέση: ρεύμα ιόντων I, χρόνος άφιξης ιόντων t και πλάτος παλμού τ.
Το παραγόμενο πλάσμα μελετήθηκε με τη μέθοδο TOF με FC και αναλυτή ιόντων ενέργειας (EIA) που βρίσκεται σε απόσταση 2,4 m και 3,85 m από τον στόχο του λέιζερ.Το FC έχει ένα πλέγμα καταστολής πολωμένο κατά -5 kV για την αποτροπή ηλεκτρονίων.Το EIA διαθέτει ηλεκτροστατικό εκτροπέα 90 μοιρών που αποτελείται από δύο ομοαξονικά μεταλλικά κυλινδρικά ηλεκτρόδια με την ίδια τάση αλλά αντίθετη πολικότητα, θετικό στο εξωτερικό και αρνητικό στο εσωτερικό.Το διαστελλόμενο πλάσμα κατευθύνεται στον εκτροπέα πίσω από τη σχισμή και εκτρέπεται από το ηλεκτρικό πεδίο που διέρχεται από τον κύλινδρο.Τα ιόντα που ικανοποιούν τη σχέση E/z = eKU ανιχνεύονται χρησιμοποιώντας έναν δευτερεύοντα πολλαπλασιαστή ηλεκτρονίων (SEM) (Hamamatsu R2362), όπου τα E, z, e, K και U είναι η ενέργεια ιόντων, η κατάσταση φόρτισης και το φορτίο είναι γεωμετρικοί παράγοντες EIA .ηλεκτρόνια, αντίστοιχα, και τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων.Με την αλλαγή της τάσης στον εκτροπέα, μπορεί κανείς να αποκτήσει την κατανομή ενέργειας και φορτίου των ιόντων στο πλάσμα.Η τάση σάρωσης U/2 EIA είναι στην περιοχή από 0,2 V έως 800 V, που αντιστοιχεί σε ενέργεια ιόντων στην περιοχή από 4 eV έως 16 keV ανά κατάσταση φόρτισης.
Οι κατανομές της κατάστασης φορτίου των ιόντων που αναλύθηκαν υπό τις συνθήκες ακτινοβολίας λέιζερ που περιγράφονται στην ενότητα «Δημιουργία πλήρως απογυμνωμένων δεσμών λιθίου» φαίνονται στα Σχ.8.
Ανάλυση της κατανομής της κατάστασης φορτίου των ιόντων.Εδώ είναι το προφίλ χρόνου πυκνότητας ρεύματος ιόντων που αναλύθηκε με EIA και κλιμακώθηκε σε 1 m από το φύλλο λιθίου χρησιμοποιώντας την εξίσωση.(1) και (2).Χρησιμοποιήστε τις συνθήκες ακτινοβολίας λέιζερ που περιγράφονται στην ενότητα «Δημιουργία μιας πλήρως απολεπισμένης δέσμης λιθίου».Με την ενσωμάτωση κάθε πυκνότητας ρεύματος, υπολογίστηκε η αναλογία ιόντων στο πλάσμα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.
Οι πηγές ιόντων λέιζερ μπορούν να αποδώσουν μια έντονη δέσμη ιόντων πολλαπλών mA με υψηλή φόρτιση.Ωστόσο, η παράδοση δέσμης είναι πολύ δύσκολη λόγω της απώθησης του διαστημικού φορτίου, επομένως δεν χρησιμοποιήθηκε ευρέως.Στο παραδοσιακό σχήμα, οι δέσμες ιόντων εξάγονται από το πλάσμα και μεταφέρονται στον κύριο επιταχυντή κατά μήκος μιας γραμμής δέσμης με αρκετούς μαγνήτες εστίασης για τη διαμόρφωση της δέσμης ιόντων σύμφωνα με την ικανότητα λήψης του επιταχυντή.Στις δέσμες δύναμης διαστημικού φορτίου, οι δέσμες αποκλίνουν μη γραμμικά και παρατηρούνται σοβαρές απώλειες δέσμης, ειδικά στην περιοχή των χαμηλών ταχυτήτων.Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα στην ανάπτυξη ιατρικών επιταχυντών άνθρακα, προτείνεται ένα νέο σχήμα παράδοσης δέσμης DPIS41.Έχουμε εφαρμόσει αυτήν την τεχνική για να επιταχύνουμε μια ισχυρή δέσμη ιόντων λιθίου από μια νέα πηγή νετρονίων.
Όπως φαίνεται στο σχ.4, ο χώρος στον οποίο παράγεται και διαστέλλεται το πλάσμα περιβάλλεται από ένα μεταλλικό δοχείο.Ο κλειστός χώρος εκτείνεται μέχρι την είσοδο του συντονιστή RFQ, συμπεριλαμβανομένου του όγκου μέσα στο πηνίο σωληνοειδούς.Εφαρμόστηκε τάση 52 kV στο δοχείο.Στον συντονιστή RFQ, τα ιόντα έλκονται από το δυναμικό μέσω μιας οπής διαμέτρου 6 mm με γείωση του RFQ.Οι μη γραμμικές απωστικές δυνάμεις στη γραμμή δέσμης εξαλείφονται καθώς τα ιόντα μεταφέρονται στην κατάσταση πλάσματος.Επιπλέον, όπως προαναφέρθηκε, εφαρμόσαμε ένα σωληνοειδές πεδίο σε συνδυασμό με το DPIS για τον έλεγχο και την αύξηση της πυκνότητας των ιόντων στο άνοιγμα εξαγωγής.
Ο επιταχυντής RFQ αποτελείται από έναν κυλινδρικό θάλαμο κενού όπως φαίνεται στην εικ.9α.Μέσα σε αυτό, τέσσερις ράβδοι χαλκού χωρίς οξυγόνο τοποθετούνται τετραπολικά συμμετρικά γύρω από τον άξονα της δοκού (Εικ. 9β).4 ράβδοι και θάλαμοι σχηματίζουν ένα κύκλωμα συντονισμού RF.Το επαγόμενο πεδίο RF δημιουργεί μια χρονικά μεταβαλλόμενη τάση στη ράβδο.Τα ιόντα που εμφυτεύονται κατά μήκος γύρω από τον άξονα συγκρατούνται πλευρικά από το τετραπολικό πεδίο.Ταυτόχρονα, η άκρη της ράβδου διαμορφώνεται για να δημιουργήσει ένα αξονικό ηλεκτρικό πεδίο.Το αξονικό πεδίο χωρίζει την εγχυόμενη συνεχή δέσμη σε μια σειρά παλμών δέσμης που ονομάζονται δέσμη.Κάθε δέσμη περιέχεται εντός ενός συγκεκριμένου χρόνου κύκλου ραδιοσυχνοτήτων (10 ns).Οι παρακείμενες δέσμες απέχουν μεταξύ τους ανάλογα με την περίοδο ραδιοσυχνοτήτων.Στο RFQ linac, μια δέσμη 2 μs από μια πηγή ιόντων λέιζερ μετατρέπεται σε μια ακολουθία 200 ακτίνων.Στη συνέχεια, η δέσμη επιταχύνεται στην υπολογιζόμενη ενέργεια.
Γραμμικός επιταχυντής RFQ.(α) (αριστερά) Εξωτερική όψη του θαλάμου λινάκας RFQ.(β) (δεξιά) Ηλεκτρόδιο τεσσάρων ράβδων στο θάλαμο.
Οι κύριες παράμετροι σχεδιασμού του RFQ linac είναι η τάση της ράβδου, η συχνότητα συντονισμού, η ακτίνα οπής δέσμης και η διαμόρφωση ηλεκτροδίου.Επιλέξτε την τάση στη ράβδο ± 29 kV έτσι ώστε το ηλεκτρικό της πεδίο να είναι κάτω από το όριο ηλεκτρικής βλάβης.Όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα συντονισμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η πλευρική δύναμη εστίασης και τόσο μικρότερο είναι το μέσο πεδίο επιτάχυνσης.Οι μεγάλες ακτίνες διαφράγματος καθιστούν δυνατή την αύξηση του μεγέθους της δέσμης και, κατά συνέπεια, την αύξηση του ρεύματος της δέσμης λόγω της μικρότερης απώθησης του φορτίου χώρου.Από την άλλη πλευρά, οι μεγαλύτερες ακτίνες διαφράγματος απαιτούν περισσότερη ισχύ ραδιοσυχνοτήτων για να τροφοδοτήσουν τον αγωγό RFQ.Επιπλέον, περιορίζεται από τις ποιοτικές απαιτήσεις του ιστότοπου.Με βάση αυτές τις ισορροπίες, η συχνότητα συντονισμού (100 MHz) και η ακτίνα διαφράγματος (4,5 mm) επιλέχθηκαν για την επιτάχυνση δέσμης υψηλού ρεύματος.Η διαμόρφωση επιλέγεται για να ελαχιστοποιήσει την απώλεια δέσμης και να μεγιστοποιήσει την απόδοση της επιτάχυνσης.Η σχεδίαση έχει βελτιστοποιηθεί πολλές φορές για να παράγει ένα σχέδιο γραμμικής γραμμής RFQ που μπορεί να επιταχύνει ιόντα 7Li3+ στα 40 mA από 22 keV/n σε 204 keV/n εντός 2 m.Η ισχύς RF που μετρήθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος ήταν 77 kW.
Τα linacs RFQ μπορούν να επιταχύνουν ιόντα με ένα συγκεκριμένο εύρος Q/A.Επομένως, κατά την ανάλυση μιας δέσμης που τροφοδοτείται στο άκρο ενός γραμμικού επιταχυντή, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη τα ισότοπα και άλλες ουσίες.Επιπλέον, τα επιθυμητά ιόντα, μερικώς επιταχυνόμενα, αλλά κατεβαίνοντα υπό συνθήκες επιτάχυνσης στη μέση του επιταχυντή, μπορούν ακόμα να συναντήσουν πλευρικό περιορισμό και μπορούν να μεταφερθούν μέχρι το τέλος.Οι ανεπιθύμητες ακτίνες εκτός από τα κατασκευασμένα σωματίδια 7Li3+ ονομάζονται ακαθαρσίες.Στα πειράματά μας, οι ακαθαρσίες 14N6+ και 16O7+ προκάλεσαν τη μεγαλύτερη ανησυχία, καθώς το μεταλλικό φύλλο λιθίου αντιδρά με το οξυγόνο και το άζωτο στον αέρα.Αυτά τα ιόντα έχουν αναλογία Q/A που μπορεί να επιταχυνθεί με 7Li3+.Χρησιμοποιούμε διπολικούς μαγνήτες για να διαχωρίσουμε δοκούς διαφορετικής ποιότητας και ποιότητας για ανάλυση δέσμης μετά το RFQ linac.
Η γραμμή δέσμης μετά τη γραμμή RFQ έχει σχεδιαστεί για να παρέχει την πλήρως επιταχυνόμενη δέσμη 7Li3+ στο FC μετά τον διπολικό μαγνήτη.- Τα ηλεκτρόδια πόλωσης 400 V χρησιμοποιούνται για την καταστολή των δευτερευόντων ηλεκτρονίων στο κύπελλο για τη μέτρηση με ακρίβεια του ρεύματος της δέσμης ιόντων.Με αυτήν την οπτική, οι τροχιές ιόντων χωρίζονται σε δίπολα και εστιάζονται σε διαφορετικά σημεία ανάλογα με το Q/A.Λόγω διάφορων παραγόντων, όπως η διάχυση της ορμής και η απώθηση του διαστημικού φορτίου, η δέσμη στην εστίαση έχει ένα ορισμένο πλάτος.Το είδος μπορεί να διαχωριστεί μόνο εάν η απόσταση μεταξύ των εστιακών θέσεων των δύο ειδών ιόντων είναι μεγαλύτερη από το πλάτος της δέσμης.Για να επιτευχθεί η υψηλότερη δυνατή ανάλυση, τοποθετείται μια οριζόντια σχισμή κοντά στη μέση της δοκού, όπου η δοκός είναι πρακτικά συγκεντρωμένη.Μια οθόνη σπινθηρισμού (CsI(Tl) από την Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) τοποθετήθηκε μεταξύ της σχισμής και του υπολογιστή.Ο σπινθηριστής χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της μικρότερης σχισμής από την οποία έπρεπε να περάσουν τα σχεδιασμένα σωματίδια για βέλτιστη ανάλυση και για την επίδειξη αποδεκτών μεγεθών δέσμης για δέσμες βαρέων ιόντων υψηλού ρεύματος.Η εικόνα δέσμης στον σπινθηριστή καταγράφεται από μια κάμερα CCD μέσω ενός παραθύρου κενού.Προσαρμόστε το παράθυρο χρόνου έκθεσης ώστε να καλύπτει ολόκληρο το πλάτος παλμού δέσμης.
Τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιούνται ή αναλύονται στην τρέχουσα μελέτη είναι διαθέσιμα από τους αντίστοιχους συγγραφείς κατόπιν εύλογου αιτήματος.
Manke, Ι. et αϊ.Τρισδιάστατη απεικόνιση μαγνητικών περιοχών.Εθνική κοινότητα.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Δυνατότητες μελέτης συμπαγών πηγών νετρονίων σε επιταχυντές.η φυσικη.Απ. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, Α. et αϊ.Υπολογιστική μικροτομογραφία με βάση νετρόνια: Pliobates cataloniae και Barberapithecus huerzeleri ως δοκιμαστικές περιπτώσεις.Ναί.J. Φυσική.ανθρωπολογία.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).