304L 6.35 * 1mm Fornitori di tubi spiralati in acciaio inossidabile, Dimostrazione di un intensu fasciu di litiu per a generazione di neutroni diretti pulsati

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Cum'è una alternativa à u studiu di i reattori nucleari, un generatore di neutroni compactu guidatu da l'acceleratore chì utilizeghja un driver di fasciu di lithium-ion pò esse un candidatu promettente perchè pruduce poca radiazione indesiderata.In ogni casu, era difficiule di furnisce un fasciu intensu di ioni di lithium, è l'applicazione pratica di tali dispusitivi era cunsiderata impussibile.U prublema più agutu di u flussu di ioni insufficiente hè stata risolta cù l'applicazione di un schema di implantazione diretta di plasma.In questu schema, un plasma pulsatu d'alta densità generatu da l'ablazione laser di una foglia di metallo di lithium hè injectatu in modu efficiente è acceleratu da un acceleratore quadrupole à alta frequenza (acceleratore RFQ).Avemu ottenutu un piccu di corrente di fasciu di 35 mA acceleratu à 1.43 MeV, chì hè dui ordini di grandezza più altu di i sistemi di iniettore è acceleratore convenzionali ponu furnisce.
A cuntrariu di i raghji X o di e particelle caricate, i neutroni anu una grande prufundità di penetrazione è una interazzione unica cù a materia cundensata, facendu sonde estremamente versatili per studià e proprietà di i materiali1,2,3,4,5,6,7.In particulare, i tecnichi di scattering di neutroni sò cumunimenti usati per studià a cumpusizioni, a struttura è l'estressi internu in a materia condensata è ponu furnisce infurmazioni detallate nantu à i composti di traccia in leghe metalliche chì sò difficiuli di detectà cù spettroscopia di raghji X8.Stu metudu hè cunsideratu un strumentu putente in a scienza basica è hè utilizatu da i pruduttori di metalli è altri materiali.Più recentemente, a diffrazione di neutroni hè stata aduprata per detectà e tensioni residuali in cumpunenti meccanichi cum'è parti di ferrovia è aereo9,10,11,12.I neutroni sò ancu usati in i pozzi di petroliu è di gasu perchè sò facilmente catturati da materiali ricchi di protoni13.Metudi simili sò ancu usati in l'ingegneria civile.A prova di neutroni non distruttiva hè un strumentu efficace per a rilevazione di difetti nascosti in edifici, tunnel è ponti.L'usu di i fasci di neutroni hè attivamente utilizatu in a ricerca scientifica è l'industria, assai di quali sò storicamente sviluppati cù reattori nucleari.
Tuttavia, cù u cunsensu glubale nantu à a non-proliferazione nucleare, custruì picculi reattori per scopi di ricerca hè diventatu sempre più difficiule.Inoltre, l'accidente recente di Fukushima hà fattu a custruzzione di reattori nucleari quasi suciali accettabili.In cunnessione cù sta tendenza, a dumanda di fonti di neutroni à l'acceleratori hè in crescita2.In alternativa à i reattori nucleari, parechji grandi fonti di neutroni di split acceleratori sò digià in opera14,15.Tuttavia, per un usu più efficaci di e pruprietà di i fasci di neutroni, hè necessariu di espansione l'usu di fonti compacti à l'acceleratori, 16 chì ponu appartene à l'istituzioni di ricerca industriale è universitarie.E fonti di neutroni acceleratori anu aghjustatu novi capacità è funzioni in più di serve cum'è sustitutu per i reattori nucleari14.Per esempiu, un generatore di linac-driven pò facilmente creà un flussu di neutroni manipulendu u fasciu di u drive.Una volta emessi, i neutroni sò difficiuli di cuntrullà è e misurazioni di a radiazione sò difficiuli di analizà per via di u rumore creatu da i neutroni di fondo.Neutroni pulsati cuntrullati da un acceleratore evitanu stu prublema.Parechji prughjetti basati nantu à a tecnulugia di l'acceleratore di protoni sò stati pruposti in u mondu17,18,19.E reazzioni 7Li (p, n) 7Be è 9Be (p, n) 9B sò più spessu usate in generatori di neutroni compatti guidati da protoni perchè sò reazzioni endotermiche20.A radiazione eccessiva è i residui radiuattivi ponu esse minimizzati se l'energia scelta per eccità u fasciu di protoni hè ligeramente sopra à u valore di soglia.In ogni casu, a massa di u nucleu di destinazione hè assai più grande di quella di i protoni, è i neutroni resultanti si sparghjenu in tutte e direzzione.Tali vicinu à l'emissione isotropica di un flussu di neutroni impedisce u trasportu efficiente di neutroni à l'ughjettu di studiu.Inoltre, per ottene a dosa necessaria di neutroni in u locu di l'ughjettu, hè necessariu di aumentà significativamente u numeru di protoni in muvimentu è a so energia.In u risultatu, e grande dosi di raghji gamma è neutroni si propaganu attraversu anguli grandi, distrughjendu u vantaghju di e reazzioni endotermichi.Un tipicu generatore di neutroni compactu basatu in protoni guidatu da acceleratore hà una forte schermatura di radiazione è hè a parte più voluminosa di u sistema.A necessità di aumentà l'energia di i protoni di guida di solitu richiede un aumentu supplementu di a dimensione di a facilità di l'acceleratore.
Per superà i difetti generali di e fonti di neutroni compacti cunvinziunali à l'acceleratori, hè statu prupostu un schema di reazione inversione-cinematica21.In questu schema, un fasciu di lithium-ion più pesante hè utilizatu cum'è un fasciu di guida invece di un fasciu di protoni, destinatu à materiali ricchi d'idrogenu, cum'è plastichi d'idrocarburi, idruri, gas d'idrogenu o plasma d'idrogenu.L'alternattivi sò stati cunsiderati, cum'è i raghji guidati da ioni di berilliu, in ogni modu, u berilliu hè una sustanza tossica chì necessita una cura speciale in a manipulazione.Dunque, un fasciu di lithium hè u più adattatu per i schemi di reazzione inversione-cinematica.Siccomu l'impulsu di i nuclei di lithium hè più grande di quellu di i protoni, u centru di massa di i scontri nucleari avanza in permanenza, è i neutroni sò ancu emessi in avanti.Questa funzione elimina assai i raghji gamma indesiderati è l'emissioni di neutroni d'altru angulu22.Un paragone di u casu abituale di un mutore di protoni è u scenariu di cinematica inversa hè mostratu in Figura 1.
Illustrazione di l'anguli di pruduzzione di neutroni per i fasci di protoni è di litiu (dissegnu cù Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) I neutroni ponu esse espulsi in ogni direzzione per via di a reazione per u fattu chì i protoni in movimentu chjappà l'atomi assai più pesanti di u mira di lithium.(b) À u cuntrariu, se un cunduttore di lithium-ion bombarda un mira riccu d'idrogenu, i neutroni sò generati in un conu strettu in a direzzione avanti per via di l'alta velocità di u centru di massa di u sistema.
Tuttavia, solu uni pochi generatori di neutroni cinematichi inversi esistenu per via di a difficultà di generà u flussu necessariu di ioni pesanti cù una carica alta paragunata à i protoni.Tutte queste piante utilizanu fonti di ioni sputter negativi in ​​cumminazione cù acceleratori elettrostatici tandem.Altri tipi di fonti di ioni sò stati pruposti per aumentà l'efficienza di l'accelerazione di u fasciu26.In ogni casu, a corrente di fasciu di lithium-ion dispunibule hè limitata à 100 µA.Hè stata pruposta d'utilizà 1 mA di Li3 + 27, ma questa corrente di fasciu di ioni ùn hè micca stata cunfirmata da stu metudu.In termini di intensità, l'acceleratori di fasciu di litiu ùn ponu micca cumpete cù l'acceleratori di fasciu di protoni chì u piccu di corrente di protoni supera 10 mA28.
Per implementà un generatore di neutroni compactu praticu basatu annantu à un fasciu di lithium-ion, hè vantaghju di generà alta intensità completamente priva di ioni.I ioni sò accelerati è guidati da e forze elettromagnetiche, è un livellu di carica più altu risultatu in una accelerazione più efficaci.I driver di fasciu Li-ion necessitanu correnti di punta Li3+ in più di 10 mA.
In questu travagliu, dimustramu l'accelerazione di i fasci di Li3 + cù currenti di piccu finu à 35 mA, chì hè paragunabile à l'acceleratori di protoni avanzati.U fasciu originale di lithium ion hè statu creatu cù l'ablazione laser è un Schema di Implantazione Diretta di Plasma (DPIS) sviluppatu inizialmente per accelerà C6+.Un linac quadrupole di frequenze radio (RFQ linac) cuncepitu apposta hè statu fabbricatu cù una struttura di risonanza di quattru bastone.Avemu verificatu chì u fasciu d'accelerazione hà l'energia di u fasciu d'alta purezza calculata.Una volta chì u fasciu Li3 + hè effettivamente catturatu è acceleratu da l'acceleratore di freccia radio (RF), a sezione di linac (acceleratore) successiva hè aduprata per furnisce l'energia necessaria per generà un forte flussu di neutroni da u mira.
L'accelerazione di ioni di altu rendiment hè una tecnulugia ben stabilita.U compitu restante di rializà un novu generatore di neutroni compatti altamente efficiente hè di generà un gran numaru di ioni di litiu completamente spogliati è di furmà una struttura di cluster custituita da una serie di impulsi di ioni sincronizzati cù u ciculu RF in l'acceleratore.I risultati di l'esperimenti pensati per ottene stu scopu sò descritti in i seguenti trè subsezzioni: (1) generazione di un fasciu completamente privo di lithium-ion, (2) accelerazione di fasciu utilizendu un linac RFQ apposta, è (3) accelerazione di l'analisi. di u fasciu per verificà u so cuntenutu.In u Laboratoriu Naziunale di Brookhaven (BNL), avemu custruitu a configurazione sperimentale mostrata in Figura 2.
Panoramica di a configurazione sperimentale per l'analisi accelerata di i fasci di litiu (illustrata da Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Da diritta à manca, u plasma ablativu laser hè generatu in a camera d'interazione laser-target è consegnatu à u linac RFQ.À l'ingressu à l'acceleratore RFQ, i ioni sò separati da u plasma è injected in l'acceleratore RFQ attraversu un campu elettricu bruscu creatu da una differenza di tensione di 52 kV trà l'elettrodu di estrazione è l'elettrodu RFQ in a regione di deriva.L'ioni estratti sò accelerati da 22 keV/n à 204 keV/n utilizendu elettrodi RFQ di 2 metri di lunghezza.Un transformatore di corrente (CT) installatu à l'output di u linac RFQ furnisce una misurazione non distruttiva di a corrente di fasciu di ioni.U fasciu hè focalizatu da trè magneti quadrupoli è diretta à un magnetu dipolu, chì separa è dirige u fasciu Li3 + in u detector.Daretu à a fessura, un scintillator plasticu retractable è una tazza di Faraday (FC) cù un bias di sin'à -400 V sò usati per detectà u fasciu acceleratu.
Per generà ioni di lithium cumplettamente ionizzati (Li3+), hè necessariu di creà un plasma cù una temperatura sopra à a so terza energia di ionizazione (122,4 eV).Avemu pruvatu à utilizà l'ablation laser per pruduce plasma à alta temperatura.Stu tipu di fonte di ioni laser ùn hè micca cumunimenti utilizatu per generà fasci di ioni di lithium perchè u metale di litiu hè reattivu è necessita una manipulazione speciale.Avemu sviluppatu un sistema di carica di destinazione per minimizzà l'umidità è a contaminazione di l'aria quandu si stallanu fogli di litiu in a camera d'interazione laser di vacuum.Tutte e preparazione di materiali sò stati realizati in un ambiente cuntrullatu di argon seccu.Dopu chì a foglia di lithium hè stata installata in a camera di destinazione laser, a foglia hè stata irradiata cù a radiazione laser Nd: YAG pulsata à una energia di 800 mJ per impulsu.À u focu annantu à u mira, a densità di putenza laser hè stimata à circa 1012 W / cm2.U plasma hè creatu quandu un laser pulsatu distrugge un mira in un vacuum.Duranti l'intera impulsu laser 6 ns, u plasma cuntinueghja à scaldà, soprattuttu per via di u prucessu di bremsstrahlung inversu.Siccomu ùn hè micca applicatu un campu esternu cunfinatu durante a fase di riscaldamentu, u plasma cumencia à espansione in trè dimensioni.Quandu u plasma cumencia à espansione nantu à a superficia di destinazione, u centru di massa di u plasma acquista una velocità perpendiculare à a superficia di destinazione cù una energia di 600 eV / n.Dopu u riscaldamentu, u plasma cuntinueghja a mossa in a direzzione assiale da u mira, espansione isotropicamente.
Cum'è mostra in a Figura 2, u plasma di ablazione si espande in un voluminu di vacu circundatu da un cuntainer metallicu cù u listessu potenziale cum'è u target.Cusì, u plasma si move à traversu a regione senza campu versu l'acceleratore RFQ.Un campu magneticu assiale hè appiicatu trà a camera di irradiazione laser è u linac RFQ per mezu di una bobina di solenoide avvolta intornu à a camera di vacuum.U campu magneticu di u solenoide supprime l'espansione radiale di u plasma in deriva per mantene una alta densità di plasma durante a consegna à l'apertura RFQ.Per d 'altra banda, u plasma cuntinueghja à espansione in a direzzione assiale durante a deriva, furmendu un plasma allungatu.Un bias d'alta tensione hè appiicata à u vasu metallicu chì cuntene u plasma davanti à u portu di uscita à l'ingressu RFQ.A tensione di bias hè stata scelta per furnisce a tarifa d'iniezione 7Li3 + necessaria per l'accelerazione propria da u linac RFQ.
U plasma di ablazione resultanti cuntene micca solu 7Li3 +, ma ancu lithium in altri stati di carica è elementi contaminanti, chì sò trasportati simultaneamente à l'acceleratore lineale RFQ.Prima di l'esperimenti accelerati chì utilizanu u linac RFQ, una analisi offline time-of-flight (TOF) hè stata realizata per studià a cumpusizioni è a distribuzione energetica di ioni in u plasma.A cunfigurazione analitica dettagliata è e distribuzioni di u statu di carica osservatu sò spiegati in a sezione Metodi.L'analisi hà dimustratu chì i 7Li3 + ioni eranu i particeddi principali, chì rapprisentanu circa 54% di tutti i particeddi, cum'è mostra in a figura 3. Sicondu l'analisi, l'attuali ioni 7Li3 + in u puntu di output di u fasciu di ioni hè stimatu à 1,87 mA.Durante e teste accelerate, un campu di solenoide di 79 mT hè appiicatu à u plasma in espansione.In u risultatu, a corrente 7Li3+ estratta da u plasma è osservata nantu à u detector hà aumentatu da un fattore di 30.
Frazioni di ioni in plasma generatu da laser ottenute da l'analisi di u tempu di volu.I ioni 7Li1 + è 7Li2 + custituiscenu 5% è 25% di u fasciu di ioni, rispettivamente.A frazione rilevata di particeddi 6Li accunsenu cù u cuntenutu naturali di 6Li (7.6%) in u mira di foglia di litiu in l'errore sperimentale.Una ligera contaminazione di l'ossigenu (6,2%) hè stata osservata, principarmenti O1 + (2,1%) è O2 + (1,5%), chì pò esse dovutu à l'ossidazione di a superficia di u focu di lithium.
Cum'è diciatu prima, u plasma di lithium si stende in una regione senza campu prima di entre in u linac RFQ.L'input di u linac RFQ hà un pirtusu di diametru di 6 mm in un cuntinuu metallicu, è a tensione di bias hè 52 kV.Ancu se a tensione di l'elettrodu RFQ cambia rapidamente ± 29 kV à 100 MHz, a tensione provoca accelerazione assiale perchè l'elettrodi di l'acceleratore RFQ anu un putenziale mediu di zero.A causa di u forte campu elettricu generatu in a distanza di 10 mm trà l'apertura è u bordu di l'elettrodu RFQ, solu ioni di plasma pusitivi sò estratti da u plasma à l'apertura.In i sistemi tradiziunali di consegna di ioni, l'ioni sò separati da u plasma da un campu elettricu à una distanza considerableu davanti à l'acceleratore RFQ è dopu focalizati in l'apertura RFQ da un elementu di focusing di fasciu.Tuttavia, per i fasci di ioni pesanti intensi necessarii per una fonte intensa di neutroni, e forze repulsive non lineari dovute à l'effetti di a carica spaziale ponu purtà à perdite significative di corrente di fasciu in u sistema di trasportu di ioni, limitendu a corrente di punta chì pò esse accelerata.In u nostru DPIS, ioni d'alta intensità sò trasportati cum'è un plasma in deriva direttamente à u puntu di uscita di l'apertura RFQ, cusì ùn ci hè micca perdita di u fasciu di ioni per via di a carica spaziale.Duranti sta dimostrazione, DPIS hè stata appiicata à un fasciu di lithium-ion per a prima volta.
A struttura RFQ hè stata sviluppata per fucalizza è accelerà i fasci di ioni di alta energia di bassa energia è hè diventatu u standard per l'accelerazione di primu ordine.Avemu usatu RFQ per accelerà l'ioni 7Li3+ da una energia di implantazione di 22 keV/n à 204 keV/n.Ancu se lithium è altre particeddi cù una carica più bassa in u plasma sò ancu estratti da u plasma è injected in l'apertura RFQ, u linac RFQ accelera solu ioni cù un rapportu di carica à massa (Q / A) vicinu à 7Li3 +.
Nantu à fig.A figura 4 mostra e forme d'onda rilevate da u trasformatore di corrente (CT) à l'output di u linac RFQ è a tazza di Faraday (FC) dopu l'analisi di u magnetu, cum'è mostra in a fig.2. U cambiamentu di u tempu trà i signali pò esse interpretatu cum'è a diferenza in u tempu di volu à u locu di u detector.U piccu di corrente di ioni misurata à CT era 43 mA.In a pusizioni RT, u fasciu arregistratu pò cuntene micca solu ioni accelerati à l'energia calculata, ma ancu ioni altri chì 7Li3 +, chì ùn sò micca abbastanza accelerati.Tuttavia, a similitudine di e forme di corrente ionica truvata per mezu di QD è PC indica chì u currente ionicu hè principalmente custituitu da 7Li3 + acceleratu, è a diminuzione di u valore di punta di u currente in PC hè causata da perdite di fasciu durante u trasferimentu di ioni trà QD è QD. PC.Perdite Questu hè ancu cunfirmatu da a simulazione di l'envelope.Per misurà accuratamente u currente di fasciu 7Li3 +, u fasciu hè analizatu cù un magnetu dipolu cum'è deskrittu in a sezione dopu.
Oscillogrammi di u fasciu acceleratu registratu in e pusizioni di detector CT (curva nera) è FC (curva rossa).Queste misurazioni sò attivate da a rilevazione di a radiazione laser da un fotodetettore durante a generazione di plasma laser.A curva nera mostra a forma d'onda misurata nantu à un CT cunnessu à l'output linac RFQ.A causa di a so vicinanza à u linac RFQ, u detector coglie u rumore RF 100 MHz, cusì un filtru FFT passaghju 98 MHz hè statu appiicatu per sguassà u signale RF risonante 100 MHz sovrapposto à u signale di rilevazione.A curva rossa mostra a forma d'onda in FC dopu chì u magnetu analiticu dirige u fasciu di ioni 7Li3+.In questu campu magneticu, fora di 7Li3+, N6+ è O7+ ponu esse trasportati.
U fasciu di ioni dopu à u linac RFQ hè cuncentratu da una seria di trè magneti di focu quadrupole è dopu analizatu da magneti dipole per isolà impurità in u fasciu di ioni.Un campu magneticu di 0.268 T dirige i fasci 7Li3+ in u FC.A forma d'onda di deteczione di stu campu magneticu hè mostrata cum'è a curva rossa in a Figura 4. A corrente di u fasciu piccu righjunghji 35 mA, chì hè più di 100 volte più altu ch'è un fasciu tipicu Li3 + pruduttu in acceleratori elettrostatici convenzionali esistenti.A larghezza di l'impulsu di fasciu hè di 2,0 µs à a larghezza piena à a mità massima.A rilevazione di un fasciu 7Li3+ cù un campu magneticu dipolu indica un accoppiamentu successu è l'accelerazione di u fasciu.U currente di fasciu di ioni rilevatu da FC quandu scanning u campu magneticu di u dipolu hè mostratu in a Fig. 5. Un piccu unicu limpiu hè statu osservatu, ben separatu da altri cimi.Siccomu tutti l'ioni accelerati à l'energia di disignu da u linac RFQ anu a listessa vitezza, i fasci di ioni cù u listessu Q / A sò difficiuli di separà da campi magnetichi dipole.Dunque, ùn pudemu micca distingue 7Li3+ da N6+ o O7+.Tuttavia, a quantità di impurità pò esse stimata da i stati di carica vicini.Per esempiu, N7 + è N5 + ponu esse facilmente siparati, mentri N6 + pò esse parti di l'impurità è hè prevista à esse prisenti in circa a stessa quantità di N7 + è N5 +.U livellu di contaminazione stimatu hè di circa 2%.
Spettri di cumpunenti di fasciu ottenuti scannendu un campu magneticu dipolu.U piccu à 0.268 T currisponde à 7Li3 + è N6 +.A larghezza di u piccu dipende da a dimensione di u fasciu nantu à a slit.Malgradu i picchi larghi, 7Li3+ si separa bè da 6Li3+, O6+ è N5+, ma si separa pocu da O7+ è N6+.
À u locu di u FC, u prufilu di fasciu hè statu cunfirmatu cù un scintillatore plug-in è arregistratu cù una camera digitale veloce cum'è mostra in a Figura 6. U fasciu pulsatu 7Li3 + cù una corrente di 35 mA hè indicatu per esse acceleratu à un RFQ calculatu. energia di 204 keV/n, chì currisponde à 1,4 MeV, è trasmessa à u detector FC.
U prufilu di fasciu osservatu nantu à una schermu di scintillatore pre-FC (culurata da Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).U campu magneticu di u magnetu dipolu analiticu hè statu sintonizatu per dirige l'accelerazione di u fasciu di ioni Li3 + à l'RFQ di energia di design.I punti blu in l'area verde sò causati da materiale di scintillator difettu.
Avemu ottinutu a generazione di ioni 7Li3 + per ablazione laser di a superficia di una foglia di lithium solidu, è un fasciu di ioni d'alta corrente hè stata catturata è accelerata cù un linac RFQ apposta cù DPIS.À una energia di fasciu di 1.4 MeV, u piccu currente di 7Li3+ righjuntu nantu à u FC dopu l'analisi di u magnetu era 35 mA.Questu cunferma chì a parte più impurtante di l'implementazione di una fonte di neutroni cù cinematica inversa hè stata implementata sperimentalmente.In questa parte di u paper, u disignu tutale di una fonte di neutroni compacti serà discututu, cumprese acceleratori d'alta energia è stazioni di destinazione di neutroni.U disignu hè basatu annantu à i risultati ottenuti cù i sistemi esistenti in u nostru laboratoriu.Hè devi esse nutatu chì u piccu currente di u fasciu di ioni pò esse più aumentatu da accurtà a distanza trà u fogliu di lithium è u linac RFQ.Risu.7 illustra tuttu u cuncettu di a fonte di neutroni compacti pruposta à l'acceleratore.
Disegnu cuncettuale di a fonte di neutroni compacti pruposta à l'acceleratore (dissegnu da Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Da destra à manca: fonte di ioni laser, magnete di solenoide, linac RFQ, trasferimentu di fasciu di energia media (MEBT), linac IH, è camera d'interazione per a generazione di neutroni.A prutezzione di radiazzioni hè furnita principarmenti in a direzzione avanti per via di a natura strettamente diretta di i fasci di neutroni pruduciuti.
Dopu à u linac RFQ, hè prevista una più accelerazione di l'H-struttura Inter-digitale (IH linac) 30 linac.I linac IH utilizanu una struttura di tubu di deriva in modu π per furnisce un gradiente di campu elettricu elevatu in una certa gamma di velocità.U studiu cuncettuale hè statu realizatu basatu annantu à a simulazione di dinamica longitudinale 1D è a simulazione di cunchiglia 3D.I calculi dimustranu chì un linac 100 MHz IH cù una tensione di tubu di deriva raghjone (menu di 450 kV) è un magnetu focu forte pò accelerà un fasciu di 40 mA da 1,4 à 14 MeV à una distanza di 1,8 m.A distribuzione di l'energia à a fine di a catena di l'acceleratore hè stimata à ± 0,4 MeV, chì ùn affetta micca significativamente u spettru energeticu di neutroni pruduciutu da u scopu di cunversione di neutroni.Inoltre, l'emissività di u fasciu hè abbastanza bassu per fucalizza u fasciu in un spot di fasciu più chjucu di quellu chì normalmente serà necessariu per un magnete quadrupole di forza è di dimensione media.In a trasmissione di fasciu d'energia media (MEBT) trà u linac RFQ è u linac IH, u resonatore beamforming hè adupratu per mantene a struttura di beamforming.Trè magneti quadrupole sò usati per cuntrullà a dimensione di u fasciu laterale.Sta strategia di disignu hè stata aduprata in parechji acceleratori31,32,33.A lunghezza tutale di u sistema sanu da a fonte di ioni à a camera di destinazione hè stimata à esse menu di 8 m, chì ponu esse in un camion semi-trailer standard.
U scopu di cunversione di neutroni serà stallatu direttamente dopu à l'acceleratore lineale.Discutemu i disinni di stazioni di destinazione basati nantu à studii precedenti utilizendu scenari cinematici inversi23.L'obiettivi di cunversione riportati includenu materiali solidi (polipropilene (C3H6) è idruru di titaniu (TiH2)) è sistemi di destinazione gassosa.Ogni scopu hà vantaghji è svantaghji.Obiettivi solidi permettenu un cuntrollu precisu di spessore.U più sottile u mira, u più precisu l'arrangiamentu spaziale di a produzzione di neutroni.Tuttavia, tali miri ponu ancu avè un certu gradu di reazzioni nucleari indesiderati è radiazioni.Per d 'altra banda, un scopu di l'idrogenu pò furnisce un ambiente più pulitu eliminendu a produzzione di 7Be, u pruduttu principale di a reazzione nucleare.Tuttavia, l'idrogenu hà una capacità di barriera debule è esige una grande distanza fisica per una liberazione d'energia sufficiente.Questu hè un pocu svantaghju per e misurazioni TOF.Inoltre, se una film fina hè aduprata per segellà un mira di l'idrogenu, hè necessariu di piglià in contu e perdite d'energia di i raghji gamma generati da a film fina è u fasciu di lithium incidente.
LICORNE usa obiettivi di polipropilene è u sistema di destinazione hè statu aghjurnatu à cellule d'idrogenu sigillate cù foglia di tantalu.Assumindu una corrente di fasciu di 100 nA per 7Li34, i dui sistemi di destinazione ponu pruduce finu à 107 n/s/sr.Se applichemu sta cunversione di rendimentu di neutroni dichjarata à a nostra fonte di neutroni pruposta, allora un fasciu di litiu di 7 × 10–8 C pò esse ottenutu per ogni impulsu laser.Questu significa chì u focu di u laser solu duie volte per seconda produce 40% di più neutroni chì LICORNE pò pruduce in una seconda cù un fasciu cuntinuu.U flussu tutale pò esse facilmente aumentatu aumentendu a frequenza di eccitazione di u laser.Se assumemu chì ci hè un sistema laser 1 kHz in u mercatu, u flussu mediu di neutroni pò esse facilmente scalatu à circa 7 × 109 n/s/sr.
Quandu usemu sistemi di alta rata di ripetizione cù target di plastica, hè necessariu di cuntrullà a generazione di calore nantu à i miri perchè, per esempiu, u polipropilene hà un puntu di fusione bassu di 145-175 ° C è una bassa conductività termale di 0,1-0,22 W /. m/K.Per un fasciu di lithium-ion di 14 MeV, un target di polipropilene di 7 µm di spessore hè abbastanza per riduce l'energia di u fasciu à u sogliu di reazione (13,098 MeV).In cunsiderà l'effettu tutale di ioni generati da un laser shot nantu à u mira, a liberazione energetica di ioni di litiu attraversu u polipropilene hè stimata à 64 mJ / impulsu.Assumindu chì tutta l'energia hè trasferita in un circhiu cù un diametru di 10 mm, ogni impulsu currisponde à una crescita di temperatura di circa 18 K / impulsu.A liberazione di l'energia nantu à i miri di polipropilene hè basatu annantu à l'assunzione simplice chì tutte e perdite di energia sò almacenate cum'è calore, senza radiazione o altre pèrdite di calore.Siccomu l'aumentu di u numeru di impulsi per seconda richiede l'eliminazione di l'accumulazione di calore, pudemu usà miri di striscia per evità a liberazione di energia in u stessu puntu23.Assumindu un spot di fasciu di 10 mm nantu à una mira cù una freccia di ripetizione laser di 100 Hz, a velocità di scansione di a cinta di polipropilene seria 1 m/s.I tassi di ripetizione più alti sò pussibuli se a sovrapposizione di spot di fasciu hè permessa.
Avemu ancu investigatu i miri cù batterie di l'idrogenu, perchè e travi di trasmissione più forti puderanu esse aduprati senza dannu u mira.U fasciu di neutroni pò esse facilmente sintonizatu cambiendu a lunghezza di a camera di gas è a pressione di l'idrogenu in l'internu.Fogli di metalli sottili sò spessu usati in acceleratori per separà a regione gasosa di u mira da u vacuum.Per quessa, hè necessariu di aumentà l'energia di u fasciu di lithium-ion incidente per cumpensà a perdita di energia nantu à u fogliu.L'assemblea di destinazione descritta in u rapportu 35 consistia di un cuntinuu d'aluminiu longu 3,5 cm cù una pressione di gas H2 di 1,5 atm.U fasciu di ioni di litiu 16.75 MeV entra in a batteria attraversu a foglia di 2.7 µm Ta raffreddata à l'aria, è l'energia di u fasciu di ioni di litiu à a fine di a bateria hè rallentata à u sogliu di reazione.À cresce l 'energia fasciu di batterie lithium-ion da 14,0 MeV à 16,75 MeV, u linac IH avia da esse allungatu da circa 30 cm.
L'emissione di neutroni da i miri di cellule di gas hè stata ancu studiata.Per i miri di gas LICORNE sopra citati, simulazioni GEANT436 mostranu chì i neutroni altamente orientati sò generati in u conu, cum'è mostra in Figura 1 in [37].A Referenza 35 mostra a gamma di energia da 0,7 à 3,0 MeV cù una apertura massima di cune di 19,5 ° relative à a direzzione di propagazione di u fasciu principale.I neutroni altamente orientati ponu riduce significativamente a quantità di materiale di schermatura à a maiò parte di l'anguli, riducendu u pesu di a struttura è furnisce una flessibilità più grande in a stallazione di l'equipaggiu di misurazione.Da u puntu di vista di a prutezzione di a radiazione, in più di i neutroni, stu scopu gasuoso emette 478 keV raghji gamma isotropicamente in u sistema di coordenate centroide38.Ces rayons γ sont produits à la suite de la décroissance 7Be et de la désexcitation 7Li, qui se produit lorsque le faisceau de Li primaire frappe la fenêtre d'entrée Ta.In ogni casu, aghjunghjendu un collimatore cilindrico 35 Pb/Cu grossu, u fondu pò esse ridutta significativamente.
Cum'è un scopu alternativu, si pò aduprà una finestra di plasma [39, 40], chì permette di ottene una pressione di l'idrogenu relativamente alta è una piccula regione spaziale di generazione di neutroni, ancu s'ellu hè inferjuri à i miri solidi.
Avemu investigatu l'opzioni di destinazione di cunversione di neutroni per a distribuzione di energia prevista è a dimensione di u fasciu di un fasciu di ioni di litiu cù GEANT4.E nostre simulazioni mostranu una distribuzione coherente di l'energia di neutroni è e distribuzioni angulari per i miri di l'idrogenu in a literatura sopra.In ogni sistema di destinazione, i neutroni altamente orientati ponu esse pruduciuti da una reazione cinematica inversa guidata da un forte fasciu 7Li3 + nantu à un mira riccu d'idrogenu.Dunque, novi fonti di neutroni ponu esse implementati cumminendu tecnulugii digià esistenti.
E cundizioni di irradiazione laser riproducevanu esperimenti di generazione di fasci di ioni prima di a dimostrazione accelerata.U laser hè un sistema di nanosecondi desktop Nd:YAG cù una densità di putenza laser di 1012 W / cm2, una lunghezza d'onda fundamentale di 1064 nm, una energia spot di 800 mJ, è una durata di impulsu di 6 ns.U diametru spot nantu à u target hè stimatu à 100 µm.Perchè u metale di lithium (Alfa Aesar, 99,9% puro) hè abbastanza suave, u materiale tagliatu precisamente hè pressatu in u moldu.Foil dimensioni 25 mm × 25 mm, spessore 0,6 mm.U dannu di u cratere si trova nantu à a superficia di u mira quandu un laser colpisce, cusì u mira hè mossa da una piattaforma motorizzata per furnisce una parte fresca di a superficia di u mira cù ogni colpu laser.Per evitari a recombinazione per via di u gasu residuale, a pressione in a camera hè stata mantenuta sottu à a gamma di 10-4 Pa.
U voluminu iniziale di u plasma laser hè chjucu, postu chì a dimensione di u spot laser hè 100 μm è in 6 ns dopu a so generazione.U voluminu pò esse pigliatu cum'è un puntu esatta è allargatu.Si le détecteur est placé à une distance xm de la surface cible, alors le signal reçu obéit à la relation : courant ionique I, temps d'arrivée des ioniques t et largeur d'impulsion τ.
U plasma generatu hè statu studiatu da u metudu TOF cù FC è un analizzatore di ioni di energia (EIA) situatu à una distanza di 2,4 m è 3,85 m da u mira laser.U FC hà una griglia di suppressore biased da -5 kV per impediscenu l'elettroni.L'EIA hà un deflettore elettrostaticu di 90 gradi custituitu da dui elettrodi cilindrichi di metalli coassiali cù a listessa tensione ma polarità opposta, pusitivu à l'esternu è negativu à l'internu.U plasma in espansione hè diretta in u deflector daretu à a slot è deviatu da u campu elettricu chì passa per u cilindru.Ioni chì satisfacenu a relazione E/z = eKU sò rilevati cù un multiplicatore elettronicu secundariu (SEM) (Hamamatsu R2362), induve E, z, e, K, è U sò l'energia ionica, u statu di carica è a carica sò fattori geometrichi EIA. .l'elettroni, rispettivamente, è a diferenza di putenziale trà l'elettrodi.Cambiendu a tensione à traversu u deflettore, si pò ottene l'energia è a distribuzione di carica di ioni in u plasma.A tensione di sweep U/2 EIA hè in a gamma da 0,2 V à 800 V, chì currisponde à una energia ionica in a gamma da 4 eV à 16 keV per statu di carica.
I distribuzioni di u statu di carica di l'ioni analizati in e cundizioni di l'irradiazione laser descritte in a sezione "Generazione di fasci di lithium completamente spogliati" sò mostrati in Figs.8.
Analisi di a distribuzione di u statu di carica di ioni.Eccu u prufilu di u tempu di densità di corrente ionica analizatu cù EIA è scalatu à 1 m da u fogliu di litiu utilizendu l'equazioni.(1) è (2).Aduprate e cundizioni di irradiazione laser descritte in a sezione "Generazione di un fasciu di Lithium Completely Exfoliated".Integrando ogni densità di corrente, a proporzione di ioni in u plasma hè stata calculata, mostrata in Figura 3.
I fonti di ioni laser ponu furnisce un intensu fasciu di ioni multi-mA cù una carica alta.In ogni casu, a consegna di u fasciu hè assai difficiule per via di a repulsione di a carica spaziale, per quessa ùn era micca largamente utilizata.In u schema tradiziunale, i fasci di ioni sò estratti da u plasma è trasportati à l'acceleratore primariu longu una linea di fasciu cù parechji magneti di focus per furmà u fasciu di ioni secondu a capacità di pickup di l'acceleratore.In i raghji di forza di carica spaziale, i raghji divergenu non-linearly, è si osservanu perditi serii di fasciu, soprattuttu in a regione di bassa velocità.Per superà stu prublema in u sviluppu di l'acceleratori di carbone medichi, hè prupostu un novu schema di consegna di fasciu DPIS41.Avemu applicatu sta tecnica per accelerà un putente fasciu di lithium-ion da una nova fonte di neutroni.
Comu mostra in fig.4, u spaziu in u quale u plasma hè generatu è allargatu hè circundatu da un cuntinuu metallicu.U spaziu chjusu si estende à l'entrata di u resonatore RFQ, cumpresu u voluminu in a bobina di solenoide.Una tensione di 52 kV hè stata appiicata à u containeru.In u risonatore RFQ, i ioni sò tirati da u putenziale attraversu un foru di diametru di 6 mm mettendu a terra l'RFQ.E forze repulsive non lineari nantu à a linea di fasciu sò eliminate cum'è i ioni sò trasportati in u statu di plasma.Inoltre, cum'è l'esitatu sopra, avemu applicatu un campu di solenoide in cumbinazione cù DPIS per cuntrullà è aumentà a densità di ioni in l'apertura di estrazione.
L'acceleratore RFQ hè custituitu da una camera di vacuum cilindrica cum'è mostra in a fig.9a.Dentru, quattru bastoni di ramu senza ossigenu sò posti quadrupole-symmetrically intornu à l'assi fasciu (Fig. 9b).4 aste è camere formanu un circuitu RF risonante.U campu RF indottu crea una tensione chì varia in u tempu à traversu u bastone.Ioni implantati longitudinalmente intornu à l'assi sò tenuti lateralmente da u campu quadrupole.À u listessu tempu, a punta di u bastone hè modulata per creà un campu elettricu assiale.U campu assiale divide u fasciu cuntinuu injected in una seria di impulsi di fasciu chjamatu fasciu.Ogni fasciu hè cuntenutu in un certu tempu di ciclu RF (10 ns).I fasci adiacenti sò spaziati secondu u periodu di freccia radio.In u linac RFQ, un fasciu di 2 µs da una fonte di ioni laser hè cunvertitu in una sequenza di 200 fasci.U fasciu hè allora acceleratu à l'energia calculata.
Acceleratore lineare RFQ.(a) (left) Vista esterna di a camera linac RFQ.(b) (diritta) Elettrodu di quattru bastone in a camera.
I paràmetri principali di u disignu di u linac RFQ sò a tensione di l'asta, a frequenza di risonanza, u raghju di u foru di fasciu è a modulazione di l'elettrodu.Selezziunate a tensione nantu à a verra ± 29 kV in modu chì u so campu elettricu hè sottu à u limitu di rottura elettrica.A più bassa a frequenza di risonanza, più grande hè a forza di focalizazione laterale è u più chjucu u campu di accelerazione mediu.Grandi raghji di apertura facenu pussibule aumentà a dimensione di u fasciu è, in cunseguenza, aumentanu u currente di u fasciu per via di a repulsione di carica spaziale più chjuca.Per d 'altra banda, radii di apertura più grande necessitanu più putenza RF per alimentà u linac RFQ.Inoltre, hè limitatu da i requisiti di qualità di u situ.Basatu nantu à questi equilibri, a freccia di risonanza (100 MHz) è u raghju di l'apertura (4,5 mm) sò stati scelti per l'accelerazione di fasciu d'alta corrente.A modulazione hè scelta per minimizzà a perdita di fasciu è maximizà l'efficienza di accelerazione.U disignu hè statu ottimisatu parechje volte per pruduce un disignu di linac RFQ chì pò accelerà ioni 7Li3+ à 40 mA da 22 keV/n à 204 keV/n in 2 m.A putenza RF misurata durante l'esperimentu era 77 kW.
Linacs RFQ ponu accelerà ioni cù una gamma Q / A specifica.Dunque, quandu analizà un fasciu alimentatu à a fine di un acceleratore lineale, hè necessariu di piglià in contu isotopi è altre sustanzi.Inoltre, i ioni desiderati, parzialmente accelerati, ma scendinu in cundizioni d'accelerazione in u mità di l'acceleratore, ponu sempre scuntrà u cunfinamentu laterale è pò esse trasportatu à a fine.I raghji indesiderati altri ch'è particeddi ingegneriati 7Li3 + sò chjamati impurità.In i nostri esperimenti, l'impurità 14N6 + è 16O7 + eranu di a più grande preoccupazione, postu chì a foglia di lithium metal reagisce cù l'ossigenu è u nitrogenu in l'aria.Questi ioni anu un rapportu Q / A chì pò esse acceleratu cù 7Li3 +.Avemu aduprà magnets dipole à separà fasci di qualità differente è qualità per analisi fasciu dopu à u linac RFQ.
A linea di fasciu dopu à u linac RFQ hè cuncepitu per furnisce u fasciu 7Li3+ cumplettamente acceleratu à u FC dopu à u magnetu dipole.L'elettrodi bias -400 V sò usati per suppressione l'elettroni secondari in a tazza per misurà accuratamente a corrente di u fasciu di ioni.Cù sta ottica, e traiettorie di ioni sò siparati in dipoli è focalizati in diversi lochi sicondu u Q / A.A causa di parechji fatturi, cum'è a diffusione di u momentu è a repulsione di carica spaziale, u fasciu à u focu hà una certa larghezza.A spezia pò esse separata solu se a distanza trà e pusizioni focali di e duie spezie di ioni hè più grande di a larghezza di u fasciu.Per ottene a risuluzione più altu pussibule, una slit horizontale hè stallata vicinu à a cintura di u fasciu, induve u fasciu hè praticamente cuncentratu.Un schermu di scintillazione (CsI(Tl) da Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) hè stata installata trà a slit è u PC.U scintillatore hè stata utilizata per determinà a più chjuca fessura chì e particelle cuncepite anu da passà per una risoluzione ottima è per dimustrà dimensioni di fasciu accettabili per i fasci di ioni pesanti di corrente alta.L'imaghjini di u fasciu nantu à u scintillatore hè registratu da una camera CCD attraversu una finestra di vacuum.Aghjustate a finestra di u tempu di esposizione per copre tutta a larghezza di l'impulsu di fasciu.
I datasets utilizati o analizati in u studiu attuale sò dispunibuli da i rispettivi autori nantu à una dumanda ragionevule.
Manke, I. et al.Imaghjini tridimensionali di domini magnetichi.Cumuna naziunale.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Possibilità di studià fonti di neutroni compacti à l'acceleratori.fisica.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Microtomografia computerizzata basata su neutroni: Pliobates cataloniae e Barberapithecus huerzeleri come casi di prova.Iè.J. Fisica.antropologia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).