304L 6.35 * 1mm pemasok tabung coiled stainless steel, Demonstrasi sinar lithium sing kuat kanggo ngasilake neutron langsung pulsed

Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.com.Sampeyan nggunakake versi browser kanthi dhukungan CSS winates.Kanggo pengalaman paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer).Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nuduhake situs kasebut tanpa gaya lan JavaScript.
Slider nuduhake telung artikel saben slide.Gunakake tombol mburi lan sabanjuré kanggo mindhah liwat minger, utawa tombol controller geser ing mburi kanggo mindhah liwat saben geser.

Minangka alternatif kanggo nyinaoni reaktor nuklir, generator neutron sing digerakake akselerator kompak nggunakake pembalap sinar lithium-ion bisa dadi calon sing apik amarga ngasilake radiasi sing ora dikarepake.Nanging, angel ngirim sinar ion lithium sing kuat, lan aplikasi praktis piranti kasebut dianggep ora mungkin.Masalah paling akut saka aliran ion sing ora cukup ditanggulangi kanthi nggunakake skema implantasi plasma langsung.Ing skema iki, plasma pulsed kapadhetan dhuwur sing digawe dening ablasi laser saka foil logam lithium disuntikake kanthi efisien lan dipercepat dening akselerator quadrupole frekuensi dhuwur (RFQ accelerator).Kita wis entuk arus beam puncak 35 mA kanthi cepet nganti 1,43 MeV, yaiku rong urutan gedhene sing luwih dhuwur tinimbang sistem injeksi lan akselerator konvensional.
Ora kaya sinar-X utawa partikel sing diisi, neutron nduweni ambane penetrasi sing gedhe lan interaksi unik karo materi sing dipadhetke, nggawe probe serbaguna kanggo nyinaoni sifat material1,2,3,4,5,6,7.Utamane, teknik panyebaran neutron umume digunakake kanggo nyinaoni komposisi, struktur, lan tekanan internal ing materi sing dipadhetke lan bisa menehi informasi rinci babagan senyawa jejak ing paduan logam sing angel dideteksi nggunakake spektroskopi sinar-X8.Cara iki dianggep minangka alat sing kuat ing ilmu dhasar lan digunakake dening manufaktur logam lan bahan liyane.Paling anyar, difraksi neutron wis digunakake kanggo ndeteksi tekanan residual ing komponen mekanik kayata rel lan bagean pesawat9,10,11,12.Neutron uga digunakake ing sumur minyak lan gas amarga gampang dicekel dening bahan sing sugih proton13.Cara sing padha uga digunakake ing teknik sipil.Pengujian neutron sing ora ngrusak minangka alat sing efektif kanggo ndeteksi kesalahan sing didhelikake ing bangunan, terowongan lan jembatan.Panggunaan sinar neutron aktif digunakake ing riset ilmiah lan industri, akeh sing wis dikembangake kanthi historis nggunakake reaktor nuklir.
Nanging, kanthi konsensus global babagan non-proliferasi nuklir, mbangun reaktor cilik kanggo tujuan riset dadi saya angel.Kajaba iku, kacilakan Fukushima sing bubar nggawe reaktor nuklir meh bisa ditampa kanthi sosial.Gegayutan karo tren iki, panjaluk sumber neutron ing akselerator saya tambah2.Minangka alternatif kanggo reaktor nuklir, sawetara sumber neutron pamisah akselerator gedhe wis ing operasi14,15.Nanging, kanggo panggunaan sing luwih efisien saka sifat sinar neutron, perlu kanggo nggedhekake panggunaan sumber kompak ing akselerator, 16 sing bisa dadi institusi riset industri lan universitas.Sumber neutron akselerator nambahake kapabilitas lan fungsi anyar saliyane dadi panggantos reaktor nuklir14.Contone, generator linac-driven bisa gampang nggawe stream saka neutron dening manipulating drive beam.Sawise dipancarake, neutron angel dikontrol lan pangukuran radiasi angel dianalisis amarga gangguan sing digawe dening neutron latar mburi.Neutron pulsa sing dikontrol dening akselerator nyegah masalah iki.Sawetara proyek adhedhasar teknologi akselerator proton wis diusulake ing saindenging jagad17,18,19.Reaksi 7Li(p, n)7Be lan 9Be(p, n)9B paling kerep digunakake ing generator neutron kompak sing digerakake proton amarga reaksi endotermik20.Radiasi keluwihan lan limbah radioaktif bisa diminimalisir yen energi sing dipilih kanggo stimulasi sinar proton rada ndhuwur nilai ambang.Nanging, massa inti target luwih gedhe tinimbang proton, lan neutron sing diasilake nyebar ing kabeh arah.Cedhak karo emisi isotropik saka fluks neutron nyegah transportasi neutron sing efisien menyang obyek sing diteliti.Kajaba iku, kanggo entuk dosis neutron sing dibutuhake ing lokasi obyek kasebut, perlu kanggo nambah jumlah proton lan energi kanthi signifikan.Akibaté, dosis gedhe saka sinar gamma lan neutron bakal propagate liwat amba amba, numpes kauntungan saka reaksi endothermic.Generator neutron basis proton kompak sing digerakake dening akselerator nduweni perisai radiasi sing kuwat lan minangka bagean paling gedhe saka sistem kasebut.Kebutuhan kanggo nambah energi nyopir proton biasane mbutuhake tambahan ukuran fasilitas akselerator.
Kanggo ngatasi kekurangan umum sumber neutron kompak konvensional ing akselerator, skema reaksi inversi-kinematik diusulake21.Ing skema iki, balok lithium-ion sing luwih abot digunakake minangka balok panuntun tinimbang balok proton, ngarahake bahan sing sugih hidrogen kayata plastik hidrokarbon, hidrida, gas hidrogen, utawa plasma hidrogen.Alternatif wis dianggep, kayata balok sing didorong ion berilium, nanging, berilium minangka zat beracun sing mbutuhake perawatan khusus.Mulane, sinar lithium paling cocok kanggo skema reaksi inversi-kinematik.Wiwit momentum inti lithium luwih gedhe tinimbang proton, pusat massa tabrakan nuklir terus maju, lan neutron uga dipancarake maju.Fitur iki ngilangi sinar gamma sing ora dikarepake lan emisi neutron sudut dhuwur22.Perbandingan kasus biasa saka mesin proton lan skenario kinematik terbalik ditampilake ing Gambar 1.
Ilustrasi sudut produksi neutron kanggo proton lan balok lithium (digambar nganggo Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutron bisa diuncalake ing sembarang arah minangka asil saka reaksi amarga kasunyatan sing proton obah nggebug atom luwih abot saka target lithium.(b) Kosok baline, yen pembalap lithium-ion ngebom target sing sugih hidrogen, neutron diasilake ing kerucut sing sempit ing arah maju amarga kecepatan dhuwur saka pusat massa sistem.
Nanging, mung sawetara generator neutron kinematik invers sing ana amarga angel ngasilake fluks ion abot sing dibutuhake kanthi muatan dhuwur dibandhingake karo proton.Kabeh tanduran iki nggunakake sumber ion sputter negatif ing kombinasi karo tandem akselerator elektrostatik.Jinis sumber ion liyane wis diusulake kanggo nambah efisiensi akselerasi sinar26.Ing kasus apa wae, arus sinar lithium-ion sing kasedhiya diwatesi nganti 100 µA.Wis diusulake nggunakake 1 mA Li3 + 27, nanging saiki sinar ion iki durung dikonfirmasi kanthi cara iki.Ing babagan intensitas, akselerator sinar lithium ora bisa bersaing karo akselerator sinar proton sing arus proton puncake ngluwihi 10 mA28.
Kanggo ngleksanakake generator neutron kompak praktis adhedhasar beam lithium-ion, iku mupangati kanggo generate dhuwur-intensitas rampung tanpa ion.Ion-ion kasebut dipercepat lan dipandu dening gaya elektromagnetik, lan tingkat pangisian daya sing luwih dhuwur nyebabake akselerasi sing luwih efisien.Pembalap sinar Li-ion mbutuhake arus puncak Li3+ luwih saka 10 mA.
Ing karya iki, kita nduduhake akselerasi balok Li3+ kanthi arus puncak nganti 35 mA, sing bisa dibandhingake karo akselerator proton maju.Beam lithium ion asli digawe nggunakake ablasi laser lan Skema Implantasi Plasma Langsung (DPIS) sing asline dikembangake kanggo nyepetake C6 +.Quadrupole linac frekuensi radio sing dirancang khusus (RFQ linac) digawe nggunakake struktur resonansi papat rod.Kita wis diverifikasi yen balok nyepetake nduweni energi sinar kemurnian dhuwur sing diitung.Sawise sinar Li3 + kanthi efektif dijupuk lan dipercepat dening akselerator frekuensi radio (RF), bagean linac (akselerator) sabanjure digunakake kanggo nyedhiyakake energi sing dibutuhake kanggo ngasilake fluks neutron sing kuwat saka target.
Akselerasi ion kinerja dhuwur minangka teknologi sing mapan.Tugas isih kanggo mujudake generator neutron kompak anyar sing efisien banget yaiku ngasilake akeh ion lithium sing diudani lan mbentuk struktur kluster sing kasusun saka seri pulsa ion sing disinkronake karo siklus RF ing akselerator.Asil eksperimen sing dirancang kanggo nggayuh tujuan kasebut diterangake ing telung bagean ing ngisor iki: (1) generasi balok lithium-ion sing ora ana, (2) akselerasi sinar nggunakake RFQ linac sing dirancang khusus, lan (3) akselerasi analisis. saka balok kanggo mriksa isine.Ing Brookhaven National Laboratory (BNL), kita mbangun persiyapan eksperimen sing ditampilake ing Gambar 2.
Ringkesan persiyapan eksperimen kanggo analisis akselerasi balok lithium (digambarake dening Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Saka tengen ngiwa, plasma ablatif laser digawe ing ruang interaksi target laser lan dikirim menyang RFQ linac.Nalika mlebu akselerator RFQ, ion dipisahake saka plasma lan disuntikake menyang akselerator RFQ liwat medan listrik dadakan sing digawe dening beda voltase 52 kV antarane elektroda ekstraksi lan elektroda RFQ ing wilayah drift.Ion sing diekstrak digawe cepet saka 22 keV/n dadi 204 keV/n nggunakake elektroda RFQ dawane 2 meter.Trafo saiki (CT) sing dipasang ing output RFQ linac nyedhiyakake pangukuran arus ion sing ora ngrusak.Beam fokus dening telung magnet quadrupole lan diarahake menyang magnet dipole, sing misahake lan ngarahake sinar Li3 + menyang detektor.Ing mburi irisan, scintillator plastik sing bisa ditarik lan cangkir Faraday (FC) kanthi bias nganti -400 V digunakake kanggo ndeteksi sinar sing nyepetake.
Kanggo ngasilake ion lithium terionisasi kanthi lengkap (Li3+), perlu kanggo nggawe plasma kanthi suhu ing ndhuwur energi ionisasi katelu (122,4 eV).Kita nyoba nggunakake ablasi laser kanggo ngasilake plasma suhu dhuwur.Sumber ion laser jinis iki ora umum digunakake kanggo ngasilake balok ion lithium amarga logam lithium reaktif lan mbutuhake penanganan khusus.Kita wis ngembangake sistem loading target kanggo nyilikake kontaminasi kelembapan lan udhara nalika nginstal foil lithium ing ruang interaksi laser vakum.Kabeh persiapan bahan ditindakake ing lingkungan sing dikontrol saka argon garing.Sawise foil lithium dipasang ing ruang target laser, foil kasebut disinari kanthi radiasi laser Nd:YAG kanthi energi 800 mJ saben pulsa.Ing fokus ing target, Kapadhetan daya laser kira-kira 1012 W/cm2.Plasma digawe nalika laser pulsed ngrusak target ing vakum.Sajrone kabeh pulsa laser 6 ns, plasma terus dadi panas, utamané amarga proses bremsstrahlung mbalikke.Amarga ora ana lapangan njaba sing ditrapake sajrone fase pemanasan, plasma wiwit nggedhekake telung dimensi.Nalika plasma wiwit nggedhekake permukaan target, pusat massa plasma entuk kecepatan tegak lurus menyang permukaan target kanthi energi 600 eV / n.Sawise dadi panas, plasma terus pindhah menyang arah aksial saka target, ngembangake isotropik.
Minangka ditampilake ing Figure 2, plasma ablasi ngembang dadi volume vakum sing diubengi dening wadhah logam kanthi potensial sing padha karo target.Mangkono, plasma mabur liwat wilayah bebas lapangan menyang akselerator RFQ.Medan magnet aksial ditrapake ing antarane ruang iradiasi laser lan linac RFQ kanthi tatu kumparan solenoid ing saubengé ruang vakum.Medan magnet saka solenoid nyuda ekspansi radial saka plasma sing mabur supaya bisa njaga kapadhetan plasma sing dhuwur sajrone pangiriman menyang aperture RFQ.Ing sisih liya, plasma terus berkembang ing arah aksial sajrone drift, mbentuk plasma sing elongated.Bias voltase dhuwur ditrapake ing wadhah logam sing ngemot plasma ing ngarepe port metu ing inlet RFQ.Tegangan bias dipilih kanggo nyedhiyakake tingkat injeksi 7Li3 + sing dibutuhake kanggo akselerasi sing tepat dening RFQ linac.
Plasma ablasi sing diasilake ora mung ngemot 7Li3+, nanging uga lithium ing negara muatan liyane lan unsur polutan, sing bebarengan diangkut menyang akselerator linier RFQ.Sadurunge eksperimen cepet nggunakake RFQ linac, analisis offline time-of-flight (TOF) ditindakake kanggo nyinaoni komposisi lan distribusi energi ion ing plasma.Persiyapan analitis rinci lan distribusi negara sing diamati diterangake ing bagean Metode.Analisis kasebut nuduhake yen ion 7Li3+ minangka partikel utama, kira-kira 54% saka kabeh partikel, kaya sing ditampilake ing Gambar 3. Miturut analisis, arus ion 7Li3+ ing titik output sinar ion kira-kira 1,87 mA.Sajrone tes kanthi cepet, lapangan solenoid 79 mT ditrapake ing plasma sing ngembangake.Akibaté, arus 7Li3+ sing diekstrak saka plasma lan diamati ing detektor mundhak kanthi faktor 30.
Fraksi ion ing plasma sing digawe laser dipikolehi kanthi analisis wektu penerbangan.Ion 7Li1+ lan 7Li2+ masing-masing dadi 5% lan 25% saka sinar ion.Fraksi partikel 6Li sing dideteksi sarujuk karo isi alami 6Li (7,6%) ing target foil lithium ing kesalahan eksperimen.Kontaminasi oksigen sing sithik (6,2%) diamati, utamane O1 + (2,1%) lan O2 + (1,5%), sing bisa uga amarga oksidasi permukaan target lithium foil.
Kaya sing wis kasebut sadurunge, plasma litium mabur ing wilayah tanpa lapangan sadurunge mlebu ing RFQ linac.Input saka RFQ linac duwe bolongan diameter 6 mm ing wadhah logam, lan tegangan bias 52 kV.Sanajan voltase elektroda RFQ owah kanthi cepet ± 29 kV ing 100 MHz, voltase kasebut nyebabake percepatan aksial amarga elektroda akselerator RFQ duwe potensial rata-rata nol.Amarga medan listrik kuwat sing diasilake ing celah 10 mm antarane aperture lan pinggir elektroda RFQ, mung ion plasma positif sing diekstrak saka plasma ing aperture.Ing sistem pangiriman ion tradisional, ion dipisahake saka plasma kanthi medan listrik kanthi jarak sing cukup adoh ing ngarep akselerator RFQ lan banjur fokus menyang aperture RFQ kanthi unsur fokus sinar.Nanging, kanggo balok ion abot sing dibutuhake kanggo sumber neutron sing kuat, gaya tolak ora linier amarga efek muatan ruang bisa nyebabake kerugian arus balok sing signifikan ing sistem transportasi ion, mbatesi arus puncak sing bisa dipercepat.Ing DPIS kita, ion intensitas dhuwur diangkut minangka plasma drifting langsung menyang titik metu saka aperture RFQ, supaya ora ana mundhut saka balok ion amarga biaya spasi.Sajrone demonstrasi iki, DPIS ditrapake kanggo sinar lithium-ion kanggo pisanan.
Struktur RFQ dikembangake kanggo fokus lan nyepetake sinar ion arus dhuwur energi rendah lan wis dadi standar kanggo akselerasi urutan pertama.Kita nggunakake RFQ kanggo nyepetake ion 7Li3+ saka energi implan 22 keV/n dadi 204 keV/n.Senajan litium lan partikel liyane kanthi muatan sing luwih murah ing plasma uga diekstrak saka plasma lan disuntikake menyang aperture RFQ, RFQ linac mung nyepetake ion kanthi rasio muatan-kanggo-massa (Q/A) cedhak karo 7Li3+.
Ing anjir.Figure 4 nuduhake waveforms dideteksi dening trafo saiki (CT) ing output saka RFQ linac lan Faraday tuwung (FC) sawise nganalisa magnet, minangka ditampilake ing anjir.2. Pergeseran wektu antarane sinyal bisa diinterpretasikake minangka prabédan ing wektu penerbangan ing lokasi detektor.Arus ion puncak sing diukur ing CT yaiku 43 mA.Ing posisi RT, balok kadhaptar bisa ngemot ora mung ion sing dipercepat menyang energi sing diwilang, nanging uga ion liyane saka 7Li3+, sing ora cukup cepet.Nanging, podho saka wangun saiki ion ditemokaké liwat QD lan PC nuduhake yen saiki ion utamané kasusun saka 7Li3+ digawe cepet, lan nyuda ing Nilai puncak saka saiki ing PC disebabake mundhut beam sak transfer ion antarane QD lan PC.Losses Iki uga dikonfirmasi dening simulasi amplop.Kanggo ngukur saiki beam 7Li3+ kanthi akurat, sinar kasebut dianalisis nganggo magnet dipole kaya sing diterangake ing bagean sabanjure.
Oscillograms saka balok sing digawe cepet direkam ing posisi detektor CT (kurva ireng) lan FC (kurva abang).Pangukuran kasebut dipicu dening deteksi radiasi laser dening photodetector sajrone generasi plasma laser.Kurva ireng nuduhake wangun gelombang sing diukur ing CT sing disambungake menyang output RFQ linac.Amarga jarak cedhak karo RFQ linac, detektor njupuk 100 MHz RF gangguan, supaya 98 MHz low pass FFT Filter iki Applied kanggo mbusak 100 MHz resonansi sinyal RF superimposed ing sinyal deteksi.Kurva abang nuduhake wujud gelombang ing FC sawise magnet analitik ngarahake sinar ion 7Li3+.Ing medan magnet iki, kajaba 7Li3+, N6+ lan O7+ bisa diangkut.
Beam ion sawise RFQ linac fokus dening seri telung quadrupole fokus wesi sembrani lan banjur analisa dening wesi sembrani dipole kanggo isolasi impurities ing Beam ion.Medan magnet 0,268 T ngarahake sinar 7Li3+ menyang FC.Gelombang deteksi medan magnet iki ditampilake minangka kurva abang ing Figure 4. Saiki beam puncak tekan 35 mA, sing luwih saka 100 kaping luwih dhuwur tinimbang balok Li3 + khas sing diprodhuksi ing akselerator elektrostatik konvensional sing ana.Jembar pulsa balok yaiku 2,0 µs kanthi jembar lengkap setengah maksimal.Deteksi sinar 7Li3+ kanthi medan magnet dipol nuduhake percepatan bunching lan balok sing sukses.Saiki sinar ion sing dideteksi dening FC nalika mindhai medan magnet saka dipole ditampilake ing Fig. 5. Pucuk siji sing resik diamati, uga dipisahake saka puncak liyane.Wiwit kabeh ion digawe cepet kanggo energi desain dening RFQ linac duwe kacepetan padha, ion rohé karo Q / A padha angel dipisahake dening kolom Magnetik dipole.Mulane, kita ora bisa mbedakake 7Li3+ saka N6+ utawa O7+.Nanging, jumlah impurities bisa kira-kira saka negara daya tetanggan.Contone, N7 + lan N5 + bisa gampang dipisahake, nalika N6 + bisa dadi bagéan saka impurity lan samesthine bakal ana ing babagan jumlah sing padha karo N7 + lan N5 +.Tingkat polusi kira-kira 2%.
Spektrum komponen beam dijupuk kanthi mindhai medan magnet dipol.Puncak ing 0,268 T cocog karo 7Li3+ lan N6+.Lebar puncak gumantung saka ukuran balok ing irisan.Senadyan puncak sing amba, 7Li3+ misahake kanthi apik saka 6Li3+, O6+, lan N5+, nanging ora bisa dipisahake saka O7+ lan N6+.
Ing lokasi FC, profil beam dikonfirmasi nganggo scintillator plug-in lan direkam nganggo kamera digital cepet kaya sing ditampilake ing Gambar 6. Beam pulsed 7Li3 + kanthi arus 35 mA ditampilake kanthi cepet menyang RFQ sing diwilang. energi 204 keV / n, kang cocog karo 1,4 MeV, lan ditularaké kanggo detektor FC.
Profil Beam diamati ing layar scintillator pra-FC (diwarnai dening Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Medan magnet saka magnet dipole analitik disetel kanggo ngarahake percepatan sinar ion Li3 + menyang RFQ energi desain.Titik biru ing wilayah ijo disebabake materi scintillator sing rusak.
Kita entuk generasi ion 7Li3+ kanthi ablasi laser saka permukaan foil lithium sing padhet, lan sinar ion saiki sing dhuwur dijupuk lan dipercepat kanthi linac RFQ sing dirancang khusus nggunakake DPIS.Ing energi sinar 1.4 MeV, arus puncak 7Li3+ tekan ing FC sawise analisis magnet yaiku 35 mA.Iki negesake manawa bagean paling penting saka implementasine sumber neutron kanthi kinematik terbalik wis dileksanakake kanthi eksperimen.Ing bagean kertas iki, kabeh desain sumber neutron kompak bakal dibahas, kalebu akselerator energi dhuwur lan stasiun target neutron.Desain kasebut adhedhasar asil sing dipikolehi karo sistem sing ana ing laboratorium kita.Perlu dicathet yen arus puncak sinar ion bisa luwih tambah kanthi nyepetake jarak antarane foil lithium lan linac RFQ.Gabah.7 nggambarake kabeh konsep sumber neutron kompak sing diusulake ing akselerator.
Desain konsep sumber neutron kompak sing diusulake ing akselerator (digambar dening Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Saka tengen ngiwa: sumber ion laser, magnet solenoid, RFQ linac, transfer sinar energi medium (MEBT), IH linac, lan ruang interaksi kanggo generasi neutron.Proteksi radiasi diwenehake utamane ing arah maju amarga sifat sinar neutron sing diarahake kanthi sempit.
Sawise RFQ linac, akselerasi luwih saka Inter-digital H-struktur (IH linac)30 linac direncanakake.IH linac nggunakake struktur tabung drift mode π kanggo nyedhiyakake gradien medan listrik sing dhuwur ing sawetara kacepetan tartamtu.Panliten konseptual ditindakake adhedhasar simulasi dinamika longitudinal 1D lan simulasi cangkang 3D.Petungan nuduhake yen 100 MHz IH linac karo voltase drift tabung cukup (kurang saka 450 kV) lan sembrani fokus kuwat bisa akselerasi beam 40 mA saka 1,4 kanggo 14 MeV ing kadohan saka 1,8 m.Distribusi energi ing pungkasan rantai akselerator kira-kira ± 0,4 MeV, sing ora mengaruhi spektrum energi neutron sing diasilake dening target konversi neutron.Kajaba iku, emisivitas balok cukup sithik kanggo fokus sinar menyang titik sinar sing luwih cilik tinimbang sing biasane dibutuhake kanggo magnet quadrupole ukuran medium lan kekuatan.Ing transmisi sinar energi medium (MEBT) antarane RFQ linac lan IH linac, resonator beamforming digunakake kanggo njaga struktur beamforming.Telung sembrani quadrupole digunakake kanggo ngontrol ukuran balok sisih.Strategi desain iki wis digunakake ing akeh akselerator31,32,33.Dawa total kabeh sistem saka sumber ion menyang kamar target kira-kira kurang saka 8 m, sing bisa pas ing truk semi-trailer standar.
Target konversi neutron bakal diinstal langsung sawise akselerator linear.Kita ngrembug desain stasiun target adhedhasar panaliten sadurunge nggunakake skenario kinematik terbalik23.Target konversi sing dilaporake kalebu bahan padhet (polipropilena (C3H6) lan titanium hidrida (TiH2)) lan sistem target gas.Saben gol nduweni kaluwihan lan kekurangan.Sasaran padhet ngidini kontrol ketebalan sing tepat.Sing luwih tipis target, luwih akurat susunan spasial produksi neutron.Nanging, target kasebut bisa uga duwe reaksi nuklir lan radiasi sing ora dikarepake.Ing sisih liya, target hidrogen bisa nyedhiyakake lingkungan sing luwih resik kanthi ngilangi produksi 7Be, produk utama reaksi nuklir.Nanging, hidrogen nduweni kemampuan penghalang sing lemah lan mbutuhake jarak fisik sing gedhe kanggo ngeculake energi sing cukup.Iki rada ngrugekake kanggo pangukuran TOF.Kajaba iku, yen film tipis digunakake kanggo segel target hidrogen, iku perlu kanggo njupuk menyang akun mundhut energi saka sinar gamma kui dening film tipis lan balok lithium kedadean.
LICORNE nggunakake target polipropilena lan sistem target wis ditingkatake dadi sel hidrogen sing disegel nganggo foil tantalum.Kanthi asumsi arus sinar 100 nA kanggo 7Li34, loro sistem target bisa ngasilake nganti 107 n / s / sr.Yen kita ngetrapake konversi asil neutron sing diklaim iki menyang sumber neutron sing diusulake, banjur sinar sing didorong lithium 7 × 10-8 C bisa dipikolehi kanggo saben pulsa laser.Iki tegese murub laser mung kaping pindho saben detik ngasilake neutron 40% luwih akeh tinimbang LICORNE sing bisa diasilake sajrone sedetik kanthi sinar sing terus-terusan.Fluks total bisa gampang ditambah kanthi nambah frekuensi eksitasi laser.Yen kita nganggep manawa ana sistem laser 1 kHz ing pasar, fluks neutron rata-rata bisa kanthi gampang ditambah nganti kira-kira 7 × 109 n / s / sr.
Nalika kita nggunakake sistem tingkat pengulangan dhuwur karo target plastik, perlu kanggo ngontrol generasi panas ing target amarga, contone, polypropylene duwe titik leleh kurang saka 145-175 ° C lan konduktivitas termal kurang saka 0,1-0,22 W / m/K.Kanggo sinar lithium-ion 14 MeV, target polipropilena sing kandel 7 µm cukup kanggo nyuda energi sinar menyang ambang reaksi (13.098 MeV).Nganggep efek total ion sing diasilake dening siji tembakan laser ing target, pelepasan energi ion lithium liwat polipropilena kira-kira 64 mJ / pulsa.Kanthi asumsi yen kabeh energi ditransfer ing bunder kanthi diameter 10 mm, saben pulsa cocog karo kenaikan suhu kira-kira 18 K / pulsa.Pelepasan energi ing target polypropylene adhedhasar asumsi prasaja yen kabeh mundhut energi disimpen minangka panas, tanpa radiasi utawa mundhut panas liyane.Wiwit nambah nomer pulses per detik mbutuhake eliminasi panas buildup, kita bisa nggunakake target Strip supaya release energi ing titik padha23.Kanthi asumsi titik sinar 10 mm ing target kanthi tingkat pengulangan laser 100 Hz, kacepetan scan tape polypropylene bakal dadi 1 m / s.Tingkat pengulangan sing luwih dhuwur bisa ditindakake yen tumpang tindih balok diidini.
Kita uga nyelidiki target nganggo baterei hidrogen, amarga balok drive sing luwih kuat bisa digunakake tanpa ngrusak target.Sinar neutron bisa gampang disetel kanthi ngganti dawa ruang gas lan tekanan hidrogen ing njero.Foil logam tipis asring digunakake ing akselerator kanggo misahake wilayah gas saka target saka vakum.Mulane, perlu kanggo nambah energi saka balok lithium-ion kedadeyan kanggo ngimbangi kerugian energi ing foil.Déwan target diterangake ing laporan 35 kasusun saka wadhah aluminium dawane 3,5 cm kanthi tekanan gas H2 1,5 atm.Sinar ion lithium 16,75 MeV mlebu ing baterei liwat foil Ta 2,7 µm sing digawe adhem hawa, lan energi sinar ion litium ing mburi baterei dikurangi nganti ambang reaksi.Kanggo nambah energi sinar baterei lithium-ion saka 14.0 MeV dadi 16.75 MeV, IH linac kudu dipanjangake kira-kira 30 cm.
Emisi neutron saka target sel gas uga diteliti.Kanggo target gas LICORNE sing kasebut ing ndhuwur, simulasi GEANT436 nuduhake yen neutron sing berorientasi banget digawe ing njero kerucut, kaya sing ditampilake ing Gambar 1 ing [37].Referensi 35 nuduhake kisaran energi saka 0,7 nganti 3,0 MeV kanthi bukaan kerucut maksimum 19,5 ° relatif marang arah panyebaran sinar utama.neutron Highly oriented bisa Ngartekno nyuda jumlah materi shielding ing paling ngarepke, ngurangi bobot saka struktur lan nyediakake keluwesan luwih ing instalasi saka peralatan pangukuran.Saka sudut pandang proteksi radiasi, saliyane neutron, target gas iki ngetokake sinar gamma 478 keV sacara isotropik ing sistem koordinat centroid38.Sinar-γ iki diasilake minangka asil saka 7Be lan deexcitation 7Li, sing dumadi nalika sinar Li primer tekan jendela input Ta.Nanging, kanthi nambahake collimator silinder 35 Pb / Cu, latar mburi bisa dikurangi kanthi signifikan.
Minangka target alternatif, siji bisa nggunakake jendhela plasma [39, 40], sing ndadekake bisa nggayuh tekanan hidrogen sing relatif dhuwur lan wilayah spasial cilik generasi neutron, sanajan luwih murah tinimbang target padhet.
Kita nyelidiki opsi nargetake konversi neutron kanggo distribusi energi sing dikarepake lan ukuran sinar saka sinar ion lithium nggunakake GEANT4.Simulasi kita nuduhake distribusi energi neutron lan distribusi sudut sing konsisten kanggo target hidrogen ing literatur ing ndhuwur.Ing sistem target apa wae, neutron sing berorientasi banget bisa diprodhuksi dening reaksi kinematik terbalik sing didorong dening sinar 7Li3+ sing kuwat ing target sing sugih hidrogen.Mulane, sumber neutron anyar bisa dileksanakake kanthi nggabungake teknologi sing wis ana.
Kondisi iradiasi laser ngasilake eksperimen generasi sinar ion sadurunge demonstrasi sing dipercepat.Laser minangka sistem Nd:YAG nanodetik desktop kanthi kapadhetan daya laser 1012 W/cm2, dawa gelombang dhasar 1064 nm, energi titik 800 mJ, lan durasi pulsa 6 ns.Dhiameter titik ing target kira-kira 100 µm.Amarga logam lithium (Alfa Aesar, 99,9% murni) cukup alus, bahan sing dipotong kanthi tepat ditekan ing cetakan.Ukuran foil 25 mm × 25 mm, ketebalan 0,6 mm.Kerusakan kaya kawah dumadi ing permukaan target nalika laser kena, mula target kasebut dipindhah nganggo platform bermotor kanggo nyedhiyakake bagean anyar saka permukaan target kanthi saben tembakan laser.Kanggo ngindhari rekombinasi amarga sisa gas, tekanan ing kamar ditahan ing ngisor kisaran 10-4 Pa.
Volume awal plasma laser cilik, amarga ukuran titik laser 100 μm lan ing 6 ns sawise generasi.Volume bisa dijupuk minangka titik pas lan ditambahi.Yen detektor dilebokake ing jarak xm saka permukaan target, sinyal sing ditampa manut hubungan kasebut: arus ion I, wektu tekan ion t, lan lebar pulsa τ.
Plasma sing diasilake ditliti kanthi metode TOF kanthi FC lan penganalisa ion energi (EIA) sing ana ing jarak 2,4 m lan 3,85 m saka target laser.FC nduweni jaringan suppressor bias -5 kV kanggo nyegah elektron.EIA nduweni deflektor elektrostatik 90 derajat sing kasusun saka rong elektroda silinder logam coaxial kanthi voltase sing padha nanging polaritas ngelawan, positif ing njaba lan negatif ing njero.Plasma ngembangaken diarahake menyang deflector konco slot lan deflected dening kolom listrik liwat silinder.Ion sing nyukupi hubungan E/z = eKU dideteksi nggunakake Secondary Electron Multiplier (SEM) (Hamamatsu R2362), ing ngendi E, z, e, K, lan U minangka energi ion, status muatan, lan muatan minangka faktor geometris EIA. .elektron, lan beda potensial antarane elektroda.Kanthi ngganti voltase ngliwati deflektor, siji bisa entuk distribusi energi lan muatan ion ing plasma.Tegangan sapuan U/2 EIA ana ing kisaran saka 0,2 V nganti 800 V, sing cocog karo energi ion ing kisaran saka 4 eV nganti 16 keV saben negara pangisian daya.
Distribusi saka negara pangisian daya saka ion analisa ing kondisi iradiasi laser diterangake ing bagean "Generasi balok lithium kebak diudani" ditampilake ing Fig.8.
Analisis distribusi status muatan ion.Punika profil wektu Kapadhetan saiki ion analisa karo EIA lan scaled ing 1 m saka lithium foil nggunakake persamaan.(1) lan (2).Gunakake kahanan iradiasi laser sing diterangake ing bagean "Generasi Lithium Beam sing Dieksfoliasi kanthi Rampung".Kanthi nggabungake saben kapadhetan saiki, proporsi ion ing plasma diitung, ditampilake ing Gambar 3.
Sumber ion laser bisa ngirim sinar ion multi-mA sing kuat kanthi daya dhuwur.Nanging, pangiriman balok angel banget amarga tolak daya ruang, mula ora digunakake kanthi akeh.Ing skema tradisional, sinar ion diekstrak saka plasma lan diangkut menyang akselerator utama ing sadawane garis sinar kanthi sawetara magnet fokus kanggo mbentuk sinar ion miturut kemampuan akselerator.Ing balok gaya muatan ruang, balok kasebut beda-beda sacara non-linear, lan kerugian balok serius diamati, utamane ing wilayah kanthi kecepatan rendah.Kanggo ngatasi masalah iki ing pangembangan akselerator karbon medis, skema pangiriman balok DPIS41 anyar diusulake.Kita wis ngetrapake teknik iki kanggo nyepetake sinar lithium-ion sing kuat saka sumber neutron anyar.
Kaya sing dituduhake ing anjir.4, papan ing ngendi plasma digawe lan ditambahi diubengi wadhah logam.Ruang terlampir ngluwihi menyang ngleboke menyang resonator RFQ, kalebu volume nang kumparan solenoid.Tegangan 52 kV ditrapake ing wadhah kasebut.Ing resonator RFQ, ion ditarik kanthi potensial liwat bolongan diameter 6 mm kanthi grounding RFQ.Pasukan tolak non-linear ing garis balok diilangi nalika ion diangkut ing negara plasma.Kajaba iku, kaya kasebut ing ndhuwur, kita aplikasi lapangan solenoid ing kombinasi karo DPIS kanggo ngontrol lan nambah Kapadhetan ion ing aperture extraction.
Akselerator RFQ kasusun saka kamar vakum silinder minangka ditampilake ing anjir.9a.Ing njerone, papat rod tembaga tanpa oksigen diselehake quadrupole-simetris ing saubengé sumbu balok (Gambar 9b).4 rod lan kamar mbentuk sirkuit RF resonant.Lapangan RF sing diakibatake nggawe voltase beda-beda ing rod.Ion sing ditanem sacara longitudinal ngubengi sumbu ditahan lateral dening lapangan quadrupole.Ing wektu sing padha, ujung rod dimodulasi kanggo nggawe medan listrik aksial.Bidang aksial misahake sinar kontinyu sing disuntikake dadi seri pulsa sinar sing diarani sinar.Saben balok ana ing wektu siklus RF tartamtu (10 ns).Balok jejer diwenehi jarak miturut periode frekuensi radio.Ing RFQ linac, sinar 2 µs saka sumber ion laser diowahi dadi urutan 200 sinar.Beam kasebut banjur dipercepat menyang energi sing diwilang.
Akselerator linear RFQ.(a) (kiwa) Tampilan njaba saka RFQ linac chamber.(b) (tengen) Elektroda papat-rod ing kamar.
Parameter desain utama RFQ linac yaiku voltase rod, frekuensi resonansi, radius bolongan beam, lan modulasi elektroda.Pilih voltase ing rod ± 29 kV supaya medan listrik ing ngisor batesan breakdown listrik.Sing luwih murah frekuensi resonansi, luwih gedhe gaya fokus lateral lan luwih cilik lapangan akselerasi rata-rata.Radii aperture gedhe ndadekake bisa nambah ukuran balok lan, akibate, nambah arus balok amarga tolak daya spasi sing luwih cilik.Ing sisih liya, radii aperture luwih gedhe mbutuhake daya RF luwih akeh kanggo nguwasani RFQ linac.Kajaba iku, diwatesi dening syarat kualitas situs kasebut.Adhedhasar imbangan kasebut, frekuensi resonansi (100 MHz) lan radius aperture (4,5 mm) dipilih kanggo akselerasi sinar dhuwur.Modulasi dipilih kanggo nyuda mundhut balok lan nggedhekake efisiensi akselerasi.Desain wis dioptimalake kaping pirang-pirang kanggo ngasilake desain RFQ linac sing bisa nyepetake ion 7Li3+ ing 40 mA saka 22 keV / n dadi 204 keV / n sajrone 2 m.Daya RF sing diukur sajrone eksperimen yaiku 77 kW.
Linacs RFQ bisa nyepetake ion kanthi sawetara Q / A tartamtu.Mulane, nalika nganalisa balok panganan menyang mburi akselerator linear, iku perlu kanggo njupuk menyang akun isotop lan zat liyane.Kajaba iku, ion sing dikarepake, sebagian dipercepat, nanging mudhun ing kondisi akselerasi ing tengah akselerator, isih bisa ketemu kurungan lateral lan bisa diangkut menyang pungkasan.Sinar sing ora dikarepake kajaba partikel 7Li3+ sing direkayasa diarani impurities.Ing eksperimen kita, impurities 14N6+ lan 16O7+ dadi perhatian paling gedhe, amarga foil logam lithium bereaksi karo oksigen lan nitrogen ing udara.Ion iki nduweni rasio Q/A sing bisa dicepetake kanthi 7Li3+.Kita nggunakake wesi sembrani dipole kanggo misahake balok saka kualitas lan kualitas beda kanggo analisis beam sawise RFQ linac.
Garis beam sawise RFQ linac dirancang kanggo ngirim balok 7Li3+ kanthi cepet menyang FC sawise magnet dipole.-400 V elektroda bias digunakake kanggo nyuda elektron sekunder ing cangkir kanthi akurat ngukur arus sinar ion.Kanthi optik iki, lintasan ion dipisahake dadi dipol lan fokus ing macem-macem papan gumantung saka Q / A.Amarga macem-macem faktor kayata difusi momentum lan tolak muatan spasi, balok ing fokus nduweni jembar tartamtu.Spesies kasebut mung bisa dipisahake yen jarak antarane posisi fokus saka rong spesies ion luwih gedhe tinimbang jembar balok.Kanggo entuk resolusi sing paling dhuwur, celah horisontal dipasang ing cedhak pinggul balok, ing endi balok praktis konsentrasi.Layar scintillation (CsI(Tl) saka Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) dipasang ing antarane irisan lan PC.Scintillator digunakake kanggo nemtokake celah paling cilik sing kudu dilewati partikel sing dirancang kanggo resolusi optimal lan kanggo nduduhake ukuran balok sing bisa ditampa kanggo balok ion abot saiki.Gambar sinar ing scintillator direkam dening kamera CCD liwat jendhela vakum.Setel jendhela wektu cahya kanggo nutupi kabeh jembar pulsa sinar.
Dataset sing digunakake utawa dianalisa ing panliten saiki kasedhiya saka panulis masing-masing kanthi panyuwunan sing cukup.
Manke, I. et al.Pencitraan telung dimensi saka domain magnetik.Komune nasional.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Kamungkinan nyinaoni sumber neutron kompak ing akselerator.fisika.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Mikrotomografi komputasi adhedhasar neutron: Pliobates cataloniae lan Barberapithecus huerzeleri minangka kasus uji.ya wis.J. Fisika.antropologi.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).