304L 6,35*1 мм пастаўшчыкі спіральных труб з нержавеючай сталі, Дэманстрацыя інтэнсіўнага літыевага пучка для генерацыі імпульсных прамых нейтронаў

Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Паўзункі, якія паказваюць тры артыкулы на слайдзе.Для перамяшчэння па слайдах выкарыстоўвайце кнопкі "Назад" і "Далей" або кнопкі кантролера слайдаў у канцы для перамяшчэння па кожным слайдзе.

У якасці альтэрнатывы вывучэнню ядзерных рэактараў перспектыўным кандыдатам можа быць кампактны генератар нейтронаў з паскаральнікам, які выкарыстоўвае літый-іённы драйвер пучка, таму што ён стварае мала непажаданага выпраменьвання.Аднак даставіць інтэнсіўны пучок іёнаў літыя было складана, і практычнае прымяненне такіх прылад лічылася немагчымым.Найбольш вострую праблему недастатковага іённага патоку ўдалося вырашыць шляхам прымянення схемы прамой плазменнай імплантацыі.У гэтай схеме імпульсная плазма высокай шчыльнасці, якая ствараецца лазернай абляцыяй металічнай літыевай фальгі, эфектыўна ўводзіцца і паскараецца высокачашчынным чатырохполюсным паскаральнікам (RFQ паскаральнікам).Мы дасягнулі пікавага току пучка 35 мА, паскоранага да 1,43 МэВ, што на два парадкі вышэй, чым могуць забяспечыць звычайныя інжэктарныя і паскаральныя сістэмы.
У адрозненне ад рэнтгенаўскіх прамянёў або зараджаных часціц, нейтроны маюць вялікую глыбіню пранікнення і унікальнае ўзаемадзеянне з кандэнсаваным рэчывам, што робіць іх надзвычай універсальнымі зондамі для вывучэння ўласцівасцей матэрыялаў1,2,3,4,5,6,7.У прыватнасці, метады рассейвання нейтронаў звычайна выкарыстоўваюцца для вывучэння складу, структуры і ўнутраных напружанняў у кандэнсаваных рэчывах і могуць даць падрабязную інфармацыю аб слядах злучэнняў у металічных сплавах, якія цяжка выявіць з дапамогай рэнтгенаўскай спектраскапіі8.Гэты метад лічыцца магутным інструментам у фундаментальнай навуцы і выкарыстоўваецца вытворцамі металаў і іншых матэрыялаў.Зусім нядаўна дыфракцыя нейтронаў выкарыстоўвалася для выяўлення рэшткавых напружанняў у такіх механічных кампанентах, як чыгуначныя і авіяцыйныя часткі9,10,11,12.Нейтроны таксама выкарыстоўваюцца ў нафтавых і газавых свідравінах, таму што яны лёгка захопліваюцца багатымі пратонамі матэрыяламі13.Падобныя метады выкарыстоўваюцца і ў грамадзянскім будаўніцтве.Неразбуральны нейтронны кантроль з'яўляецца эфектыўным інструментам для выяўлення схаваных дэфектаў у будынках, тунэлях і мастах.Выкарыстанне нейтронных пучкоў актыўна выкарыстоўваецца ў навуковых даследаваннях і прамысловасці, многія з якіх гістарычна распрацоўваліся з выкарыстаннем ядзерных рэактараў.
Аднак з глабальным кансенсусам адносна нераспаўсюджвання ядзернай зброі будаўніцтва невялікіх рэактараў для даследчых мэт становіцца ўсё больш складаным.Больш за тое, нядаўняя аварыя ў Фукусіме зрабіла будаўніцтва ядзерных рэактараў амаль сацыяльна прымальным.У сувязі з гэтай тэндэнцыяй расце попыт на крыніцы нейтронаў на паскаральніках2.У якасці альтэрнатывы ядзерным рэактарам ужо дзейнічае некалькі буйных крыніц нейтронаў на паскаральніках14,15.Аднак для больш эфектыўнага выкарыстання ўласцівасцей нейтронных пучкоў неабходна пашыраць выкарыстанне кампактных крыніц на паскаральніках 16 , якія могуць належаць прамысловым і ўніверсітэцкім навуковым установам.Паскаральныя крыніцы нейтронаў дадалі новыя магчымасці і функцыі ў дадатак да таго, каб замяніць ядзерныя рэактары14.Напрыклад, лінак-генератар можа лёгка ствараць паток нейтронаў, маніпулюючы прывадным пучком.Пасля выпраменьвання нейтронаў цяжка кантраляваць, а вымярэнні радыяцыі цяжка аналізаваць з-за шуму, які ствараецца фонавымі нейтронамі.Імпульсныя нейтроны, кіраваныя паскаральнікам, дазваляюць пазбегнуць гэтай праблемы.Некалькі праектаў, заснаваных на тэхналогіі пратонных паскаральнікаў, былі прапанаваны па ўсім свеце17,18,19.Рэакцыі 7Li(p, n)7Be і 9Be(p, n)9B часцей за ўсё выкарыстоўваюцца ў кампактных генератарах нейтронаў з пратонным прывадам, таму што яны з'яўляюцца эндатэрмічнымі рэакцыямі20.Лішак радыяцыі і радыеактыўных адходаў можна звесці да мінімуму, калі энергія, абраная для ўзбуджэння пучка пратонаў, крыху перавышае парогавае значэнне.Аднак маса ядра-мішэні значна большая, чым у пратонаў, і атрыманыя нейтроны разлятаюцца ва ўсе бакі.Такое блізкае да ізатропнага выпраменьванне патоку нейтронаў перашкаджае эфектыўнаму транспарту нейтронаў да аб'екта даследавання.Акрамя таго, для атрымання неабходнай дозы нейтронаў у месцы размяшчэння аб'екта неабходна значна павялічыць як колькасць якія рухаюцца пратонаў, так і іх энергію.У выніку вялікія дозы гама-прамянёў і нейтронаў будуць распаўсюджвацца праз вялікія вуглы, знішчаючы перавагі эндатэрмічных рэакцый.Звычайны кампактны генератар нейтронаў на пратоннай аснове з прывадам паскаральніка мае моцнае экранаванне ад выпраменьвання і з'яўляецца самай грувасткай часткай сістэмы.Неабходнасць павелічэння энергіі рухаючых пратонаў звычайна патрабуе дадатковага павелічэння памераў паскаральніка.
Для пераадолення агульных недахопаў звычайных кампактных крыніц нейтронаў на паскаральніках была прапанавана схема інверсійна-кінематычнай рэакцыі21.У гэтай схеме больш цяжкі літый-іённы пучок выкарыстоўваецца ў якасці накіроўвалага пучка замест пучка пратонаў, накіраваны на багатыя вадародам матэрыялы, такія як вуглевадародныя пластмасы, гидриды, газападобны вадарод або вадародная плазма.Былі разгледжаны альтэрнатывы, такія як пучкі, якія кіруюцца іёнамі берылію, аднак берылій з'яўляецца таксічным рэчывам, якое патрабуе асаблівай асцярожнасці ў звароце.Такім чынам, для інверсійна-кінематычных схем рэакцыі найбольш прыдатны пучок літыя.Паколькі імпульс ядраў літыя большы, чым у пратонаў, цэнтр мас ядзерных сутыкненняў пастаянна рухаецца наперад, і нейтроны таксама выпраменьваюцца наперад.Гэтая асаблівасць значна пазбаўляе ад непажаданага гама-выпраменьвання і выпраменьвання нейтронаў пад вялікім вуглом22.Параўнанне звычайнага выпадку пратоннага рухавіка і адваротнага кінематычнага сцэнарыя паказана на малюнку 1.
Ілюстрацыя вуглоў адукацыі нейтронаў для пучкоў пратонаў і літыя (намалявана ў Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Нейтроны могуць выкідвацца ў любым кірунку ў выніку рэакцыі з-за таго, што рухомыя пратоны трапляюць у значна больш цяжкія атамы літыевай мішэні.(b) І наадварот, калі літый-іённы драйвер бамбіць багатую вадародам мішэнь, нейтроны генеруюцца ў вузкім конусе ў напрамку наперад з-за высокай хуткасці цэнтра мас сістэмы.
Аднак існуе толькі некалькі зваротных кінематычных генератараў нейтронаў з-за цяжкасці генерацыі неабходнага патоку цяжкіх іёнаў з вялікім зарадам у параўнанні з пратонамі.Усе гэтыя заводы выкарыстоўваюць крыніцы адмоўнага распылення іёнаў у спалучэнні з тандэмнымі электрастатычнымі паскаральнікамі.Для павышэння эфектыўнасці паскарэння пучка былі прапанаваны іншыя тыпы крыніц іёнаў26.У любым выпадку, даступны ток літый-іённага пучка абмежаваны 100 мкА.Было прапанавана выкарыстоўваць 1 мА Li3+27, але гэты ток іённага пучка не быў пацверджаны гэтым метадам.З пункту гледжання інтэнсіўнасці літыевыя пучковыя паскаральнікі не могуць канкураваць з пратоннымі паскаральнікамі, пікавы пратонны ток якіх перавышае 10 мА28.
Для рэалізацыі практычнага кампактнага генератара нейтронаў на аснове літый-іённага пучка выгадна генераваць высокаінтэнсіўныя, цалкам пазбаўленыя іёнаў.Іёны паскараюцца і накіроўваюцца электрамагнітнымі сіламі, і больш высокі ўзровень зарада прыводзіць да больш эфектыўнага паскарэння.Літый-іённыя драйверы прамяня патрабуюць пікавага току Li3+, які перавышае 10 мА.
У гэтай працы мы дэманструем паскарэнне пучкоў Li3+ з пікавымі токамі да 35 мА, што параўнальна з удасканаленымі паскаральнікамі пратонаў.Арыгінальны прамень іёнаў літыя быў створаны з дапамогай лазернай абляцыі і схемы прамой плазменнай імплантацыі (DPIS), першапачаткова распрацаванай для паскарэння C6+.Спецыяльна распрацаваны радыёчастотны квадрупольны лінак (RFQ лінак) быў выраблены з выкарыстаннем рэзананснай структуры з чатырма стрыжнямі.Мы пацвердзілі, што паскаральны прамень мае разліковую энергію прамяня высокай чысціні.Пасля таго, як прамень Li3+ эфектыўна захопліваецца і паскараецца радыёчастотным (РЧ) паскаральнікам, наступная секцыя лінак (паскаральніка) выкарыстоўваецца для забеспячэння энергіяй, неабходнай для стварэння моцнага патоку нейтронаў ад мішэні.
Паскарэнне высокапрадукцыйных іёнаў - добра адпрацаваная тэхналогія.Астатняй задачай рэалізацыі новага высокаэфектыўнага кампактнага генератара нейтронаў з'яўляецца генерацыя вялікай колькасці цалкам пазбаўленых іёнаў літыя і фарміраванне кластарнай структуры, якая складаецца з серыі іонных імпульсаў, сінхранізаваных з ВЧ-цыклам у паскаральніку.Вынікі эксперыментаў, прызначаных для дасягнення гэтай мэты, апісаны ў наступных трох падраздзелах: (1) генерацыя пучка, цалкам пазбаўленага літый-іёнаў, (2) паскарэнне пучка з выкарыстаннем спецыяльна распрацаванага лінакавіка RFQ і (3) паскарэнне аналізу прамяня, каб праверыць яго змесціва.У Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыі (BNL) мы пабудавалі эксперыментальную ўстаноўку, паказаную на малюнку 2.
Агляд эксперыментальнай устаноўкі для паскоранага аналізу пучкоў літыя (ілюстравана Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Справа налева лазерна-абляцыйная плазма генеруецца ў камеры ўзаемадзеяння лазера і мішэні і дастаўляецца ў лінак RFQ.Пасля ўваходу ў паскаральнік RFQ іёны аддзяляюцца ад плазмы і ўпырскваюцца ў паскаральнік RFQ праз раптоўнае электрычнае поле, створанае розніцай напружання ў 52 кВ паміж экстракцыйным электродам і электродам RFQ у вобласці дрэйфу.Вынятыя іёны паскараюцца ад 22 кэВ/н да 204 кэВ/н з дапамогай 2-метровых электродаў RFQ.Трансфарматар току (КТ), усталяваны на выхадзе лінак RFQ, забяспечвае неразбуральнае вымярэнне току іённага пучка.Прамень факусуецца трыма квадрупольнымі магнітамі і накіроўваецца на дыпольны магніт, які аддзяляе і накіроўвае прамень Li3+ у дэтэктар.За шчылінай для выяўлення паскараючага пучка выкарыстоўваюцца высоўны пластыкавы сцынцілятар і кубак Фарадэя (ФК) з ухілам да -400 В.
Для атрымання цалкам іянізаваных іёнаў літыя (Li3+) неабходна стварыць плазму з тэмпературай вышэй за трэцюю энергію іянізацыі (122,4 эВ).Мы спрабавалі выкарыстоўваць лазерную абляцыю для атрымання высокатэмпературнай плазмы.Гэты тып лазернай крыніцы іёнаў звычайна не выкарыстоўваецца для генерацыі пучкоў іёнаў літыя, таму што металічны літый рэактыўны і патрабуе спецыяльнага абыходжання.Мы распрацавалі сістэму мэтавай загрузкі, каб мінімізаваць вільгаць і забруджванне паветра пры ўсталёўцы літыевай фальгі ў камеру ўзаемадзеяння з вакуумным лазерам.Усе падрыхтоўкі матэрыялаў праводзіліся ў кантраляванай асяроддзі сухога аргону.Пасля ўстаноўкі літыевай фальгі ў камеру лазернай мішэні фальга апраменьвалася імпульсным выпраменьваннем Nd:YAG лазера з энергіяй 800 мДж на імпульс.Пры фокусе на мішэні шчыльнасць магутнасці лазера ацэньваецца прыкладна ў 1012 Вт/см2.Плазма ствараецца, калі імпульсны лазер разбурае мішэнь у вакууме.На працягу ўсяго лазернага імпульсу працягласцю 6 нс плазма працягвае награвацца, галоўным чынам за кошт працэсу зваротнага тармазнога выпраменьвання.Паколькі падчас фазы нагрэву не дзейнічае абмежавальнае вонкавае поле, плазма пачынае пашырацца ў трох вымярэннях.Калі плазма пачынае пашырацца над паверхняй мішэні, цэнтр мас плазмы набывае хуткасць, перпендыкулярную паверхні мішэні з энергіяй 600 эВ/н.Пасля нагрэву плазма працягвае рухацца ў восевым кірунку ад мішэні, ізатропна пашыраючыся.
Як паказана на малюнку 2, абляцыйная плазма пашыраецца ў вакуумны аб'ём, акружаны металічным кантэйнерам з такім жа патэнцыялам, як і мішэнь.Такім чынам, плазма дрэйфуе праз вобласць без поля да паскаральніка RFQ.Восевае магнітнае поле прыкладваецца паміж камерай лазернага апрамянення і лінак RFQ з дапамогай электрамагнітнай шпулькі, наматанай вакол вакуумнай камеры.Магнітнае поле саленоіда душыць радыяльнае пашырэнне дрэйфуючай плазмы, каб падтрымліваць высокую шчыльнасць плазмы падчас дастаўкі да апертуры RFQ.З іншага боку, плазма працягвае пашырацца ў восевым кірунку падчас дрэйфу, утвараючы выцягнутую плазму.Высокае зрушэнне напружання падаецца на металічную ёмістасць, якая змяшчае плазму, перад выхадным портам на ўваходзе RFQ.Напружанне зрушэння было выбрана так, каб забяспечыць неабходную хуткасць упырску 7Li3+ для належнага паскарэння лінакавым узмацняльнікам RFQ.
Атрыманая ў выніку абляцыі плазма змяшчае не толькі 7Li3+, але і літый у іншых зарадавых станах і забруджвальныя элементы, якія адначасова транспартуюцца да лінейнага паскаральніка RFQ.Перад паскоранымі эксперыментамі з выкарыстаннем лінак RFQ быў праведзены аўтаномны аналіз часу пралёта (TOF) для вывучэння складу і размеркавання энергіі іёнаў у плазме.Падрабязная аналітычная ўстаноўка і назіраныя размеркаванні стану зарада тлумачацца ў раздзеле Метады.Аналіз паказаў, што іёны 7Li3+ былі асноўнымі часціцамі, якія складалі каля 54% усіх часціц, як паказана на мал. 3. Згодна з аналізам, ток іёнаў 7Li3+ у кропцы выхаду пучка іёнаў ацэньваецца ў 1,87 мА.Падчас паскораных выпрабаванняў да плазмы, якая пашыраецца, прыкладваецца электрамагнітнае поле 79 мТл.У выніку ток 7Li3+, які вылучаецца з плазмы і назіраецца на дэтэктары, павялічваецца ў 30 разоў.
Долі іёнаў у генераванай лазерам плазме, атрыманыя з дапамогай часпралётнага аналізу.Іёны 7Li1+ і 7Li2+ складаюць 5% і 25% пучка іёнаў адпаведна.Выяўленая доля часціц 6Li супадае з натуральным утрыманнем 6Li (7,6%) у мішэні з літыевай фальгі ў межах хібнасці эксперыменту.Назіралася нязначнае забруджванне кіслародам (6,2%), у асноўным O1+ (2,1%) і O2+ (1,5%), што можа быць звязана з акісленнем паверхні мішэні з літыевай фальгі.
Як згадвалася раней, перад уваходам у лінак RFQ літыевая плазма дрэйфуе ў вобласці без палёў.Уваход лінак RFQ мае адтуліну дыяметрам 6 мм у металічным кантэйнеры, а напружанне зрушэння складае 52 кВ.Хоць напружанне электрода RFQ хутка змяняецца ±29 кВ пры 100 МГц, напружанне выклікае восевае паскарэнне, таму што электроды паскаральніка RFQ маюць сярэдні патэнцыял, роўны нулю.З-за моцнага электрычнага поля, якое ствараецца ў 10-міліметровым зазоры паміж адтулінай і краем электрода RFQ, толькі станоўчыя іёны плазмы здабываюцца з плазмы ў адтуліне.У традыцыйных сістэмах дастаўкі іёнаў іёны аддзяляюцца ад плазмы электрычным полем на значнай адлегласці перад паскаральнікам RFQ, а затым факусуюцца ў апертуру RFQ элементам факусіроўкі прамяня.Аднак для інтэнсіўных пучкоў цяжкіх іёнаў, неабходных для інтэнсіўнай крыніцы нейтронаў, нелінейныя сілы адштурхвання з-за эфектаў прасторавага зарада могуць прывесці да значных страт току пучка ў сістэме транспарту іёнаў, абмяжоўваючы пікавы ток, які можна паскорыць.У нашым DPIS іёны высокай інтэнсіўнасці транспартуюцца ў выглядзе дрэйфуючай плазмы непасрэдна да кропкі выхаду з апертуры RFQ, таму няма страты пучка іёнаў з-за прасторавага зарада.Падчас гэтай дэманстрацыі DPIS упершыню быў ужыты да літый-іённага пучка.
Структура RFQ была распрацавана для факусіроўкі і паскарэння пучкоў іёнаў нізкай энергіі і моцнага току і стала стандартам паскарэння першага парадку.Мы выкарыстоўвалі RFQ для паскарэння іёнаў 7Li3+ ад энергіі імплантата 22 кэВ/н да 204 кэВ/н.Хоць літый і іншыя часціцы з меншым зарадам у плазме таксама здабываюцца з плазмы і ўпырскваюцца ў апертуру RFQ, лінак RFQ паскарае толькі іёны з суадносінамі зарада да масы (Q/A), блізкімі да 7Li3+.
На мал.На малюнку 4 паказаны формы сігналаў, выяўленыя трансфарматарам току (CT) на выхадзе лінакавага ўстройства RFQ і шклянкі Фарадэя (FC) пасля аналізу магніта, як паказана на мал.2. Зрух у часе паміж сігналамі можна інтэрпрэтаваць як розніцу ў часе пралёта ў месцы размяшчэння дэтэктара.Пікавы іённы ток, вымераны пры КТ, складаў 43 мА.У становішчы RT зарэгістраваны пучок можа ўтрымліваць не толькі іёны, паскораныя да разлічанай энергіі, але таксама іёны, акрамя 7Li3+, якія недастаткова паскораныя.Аднак падабенства форм іоннага току, выяўленае з дапамогай КТ і ФК, паказвае на тое, што іонны ток у асноўным складаецца з паскоранага 7Li3+, а памяншэнне пікавага значэння току на ФК выклікана стратамі пучка падчас пераносу іёнаў паміж КТ і ПК.Страты Гэта таксама пацвярджаецца мадэляваннем канверта.Каб дакладна вымераць ток пучка 7Li3+, прамень аналізуецца з дапамогай дыпольнага магніта, як апісана ў наступным раздзеле.
Асцылаграмы паскоранага пучка, запісаныя ў пазіцыях дэтэктара CT (чорная крывая) і FC (чырвоная крывая).Гэтыя вымярэнні выклікаюцца выяўленнем лазернага выпраменьвання фотадэтэктарам падчас генерацыі лазернай плазмы.Чорная крывая паказвае форму хвалі, вымераную на CT, падлучаным да выхаду RFQ linac.З-за сваёй блізкасці да лінак RFQ дэтэктар улоўлівае радыёчастотны шум 100 МГц, таму для выдалення рэзананснага радыёчастотнага сігналу 100 МГц, накладзенага на сігнал выяўлення, быў ужыты фільтр БПФ нізкіх частот 98 МГц.Чырвоная крывая паказвае форму хвалі пры FC пасля таго, як аналітычны магніт накіроўвае пучок іёнаў 7Li3+.У гэтым магнітным полі, акрамя 7Li3+, могуць пераносіцца N6+ і O7+.
Іённы пучок пасля лінак RFQ факусуецца серыяй з трох квадрупольных факусуючых магнітаў, а затым аналізуецца дыпольнымі магнітамі для ізаляцыі прымешак у іённым пучку.Магнітнае поле 0,268 Тл накіроўвае пучкі 7Li3+ у ФЭ.Форма сігналу выяўлення гэтага магнітнага поля паказана ў выглядзе чырвонай крывой на малюнку 4. Пікавы ток пучка дасягае 35 мА, што больш чым у 100 разоў перавышае тыповы пучок Li3+, які ствараецца ў існуючых звычайных электрастатычных паскаральніках.Шырыня імпульсу прамяня складае 2,0 мкс пры поўнай шырыні на палове максімуму.Выяўленне пучка 7Li3+ дыпольным магнітным полем сведчыць аб паспяховай групаванні і паскарэнні пучка.Ток іённага пучка, выяўлены FC пры сканаванні магнітнага поля дыполя, паказаны на мал. 5. Назіраўся чысты адзіночны пік, добра аддзелены ад іншых пікаў.Паколькі ўсе іёны, паскораныя да праектнай энергіі з дапамогай лінак RFQ, маюць аднолькавую хуткасць, пучкі іёнаў з аднолькавым Q/A цяжка падзяліць дыпольнымі магнітнымі палямі.Такім чынам, мы не можам адрозніць 7Li3+ ад N6+ або O7+.Аднак колькасць прымешак можна ацаніць па суседніх станах зарада.Напрыклад, N7+ і N5+ могуць быць лёгка падзеленыя, у той час як N6+ можа быць часткай прымешкі і, як чакаецца, будзе прысутнічаць прыкладна ў такой жа колькасці, як N7+ і N5+.Арыенціровачны ўзровень забруджвання - каля 2%.
Спектры кампанентаў пучка, атрыманыя сканаваннем дыпольнага магнітнага поля.Пік пры 0,268 Тл адпавядае 7Li3+ і N6+.Шырыня піка залежыць ад памеру пучка на прарэзе.Нягледзячы на ​​шырокія пікі, 7Li3+ добра аддзяляецца ад 6Li3+, O6+ і N5+, але дрэнна аддзяляецца ад O7+ і N6+.
У месцы размяшчэння FC профіль прамяня быў пацверджаны з дапамогай падключанага сцынцілятара і запісаны хуткаснай лічбавай камерай, як паказана на малюнку 6. Паказана, што імпульсны прамень 7Li3+ з токам 35 мА паскараецца да разліковага RFQ энергіяй 204 кэВ/н, што адпавядае 1,4 МэВ, і перадаецца на дэтэктар FC.
Профіль прамяня, які назіраўся на экране сцынтылятара да FC (афарбаваны Фіджы, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Магнітнае поле аналітычнага дыпольнага магніта было настроена так, каб накіраваць паскарэнне пучка іёнаў Li3+ да праектнай энергіі RFQ.Сінія кропкі ў зялёнай вобласці выкліканы дэфектным матэрыялам сцынтылятара.
Мы дасягнулі генерацыі іёнаў 7Li3+ з дапамогай лазернай абляцыі паверхні цвёрдай літыевай фальгі, а пучок іёнаў з моцным токам быў захоплены і паскораны спецыяльна распрацаваным лінакавым узмацняльнікам RFQ з выкарыстаннем DPIS.Пры энергіі пучка 1,4 МэВ пік току 7Li3+, дасягнуты на ФК пасля аналізу магніта, складаў 35 мА.Гэта пацвярджае, што важнейшая частка рэалізацыі крыніцы нейтронаў з адваротнай кінематыкай рэалізавана эксперыментальна.У гэтай частцы артыкула будзе разгледжана ўся канструкцыя кампактнай крыніцы нейтронаў, уключаючы паскаральнікі высокай энергіі і нейтронныя мішэні.Дызайн заснаваны на выніках, атрыманых з дапамогай існуючых сістэм у нашай лабараторыі.Варта адзначыць, што пікавы ток іённага пучка можна дадаткова павялічыць, скараціўшы адлегласць паміж літыевай фальгой і лінак RFQ.Рыс.7 ілюструе ўсю канцэпцыю прапанаванага кампактнага крыніцы нейтронаў на паскаральніку.
Канцэптуальны праект прапанаванай кампактнай крыніцы нейтронаў на паскаральніку (намаляваны Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Справа налева: лазерная крыніца іёнаў, электрамагніт, лінак RFQ, перадача пучка сярэдняй энергіі (MEBT), лінак IH і камера ўзаемадзеяння для генерацыі нейтронаў.Радыяцыйная абарона забяспечваецца пераважна ў прамым напрамку за кошт вузканакіраванага характару ствараемых нейтронных пучкоў.
Пасля RFQ Linac плануецца далейшае паскарэнне Inter-digital H-structure (IH linac)30 Linac.Лінакавыя машыны IH выкарыстоўваюць структуру трубкі дрэйфу ў рэжыме π для забеспячэння высокіх градыентаў электрычнага поля ў пэўным дыяпазоне хуткасцей.Канцэптуальнае даследаванне было праведзена на аснове 1D-мадэлявання падоўжнай дынамікі і 3D-мадэлявання абалонкі.Разлікі паказваюць, што лінак IH з частатой 100 МГц з разумным напругай дрэйфавай трубкі (менш за 450 кВ) і моцным факусуючым магнітам можа паскорыць пучок 40 мА ад 1,4 да 14 МэВ на адлегласці 1,8 м.Размеркаванне энергіі ў канцы ланцуга паскаральніка ацэньваецца ў ± 0,4 МэВ, што істотна не ўплывае на энергетычны спектр нейтронаў, якія ўтвараюцца мішэнню для пераўтварэння нейтронаў.Акрамя таго, каэфіцыент выпраменьвання прамяня дастаткова нізкі, каб сфакусаваць прамень у меншую пляму прамяня, чым гэта звычайна патрабуецца для чатырохпалярнага магніта сярэдняй сілы і памеру.Пры перадачы пучка сярэдняй энергіі (MEBT) паміж лінакавым узмацняльнікам RFQ і лінячным узмацняльнікам IH рэзанатар фарміравання прамяня выкарыстоўваецца для падтрымання структуры фарміравання прамяня.Для кантролю памеру бакавога прамяня выкарыстоўваюцца тры квадрупольных магніта.Гэтая стратэгія праектавання выкарыстоўвалася ў многіх паскаральніках31,32,33.Агульная даўжыня ўсёй сістэмы ад крыніцы іёнаў да камеры-мішэні ацэньваецца ў менш за 8 м, што можа змясціцца ў стандартны паўпрычэп.
Непасрэдна пасля лінейнага паскаральніка будзе ўстаноўлена мішэнь канверсіі нейтронаў.Мы абмяркоўваем праекты мэтавых станцый на аснове папярэдніх даследаванняў з выкарыстаннем зваротных кінематычных сцэнарыяў23.Паведамленыя мэты пераўтварэння ўключаюць цвёрдыя матэрыялы (поліпрапілен (C3H6) і гідрыд тытана (TiH2)) і газападобныя сістэмы мэтаў.У кожнай мэты ёсць перавагі і недахопы.Цвёрдыя мішэні дазваляюць дакладна кантраляваць таўшчыню.Чым танчэй мішэнь, тым больш дакладнае прасторавае размяшчэнне нейтронаў.Аднак такія мішэні ўсё яшчэ могуць мець некаторую ступень непажаданых ядзерных рэакцый і радыяцыі.З іншага боку, вадародная мішэнь можа забяспечыць больш чыстае навакольнае асяроддзе, выключыўшы выпрацоўку 7Be, асноўнага прадукту ядзернай рэакцыі.Аднак вадарод мае слабую бар'ерную здольнасць і патрабуе вялікай фізічнай адлегласці для дастатковага вызвалення энергіі.Гэта крыху нявыгадна для вымярэнняў TOF.Акрамя таго, калі тонкая плёнка выкарыстоўваецца для герметызацыі вадароднай мішэні, неабходна ўлічваць страты энергіі гама-прамянёў, якія ствараюцца тонкай плёнкай і падаючым пучком літыя.
У LICORNE выкарыстоўваюцца поліпрапіленавыя мішэні, а сістэма мішэняў была мадэрнізавана да вадародных элементаў, запячатаных танталавай фальгой.Калі выказаць здагадку, што ток прамяня складае 100 нА для 7Li34, абедзве сістэмы мішэняў могуць вырабляць да 107 н/с/ср.Калі мы прымянім гэта заяўленае пераўтварэнне выхаду нейтронаў да прапанаванай намі крыніцы нейтронаў, то для кожнага лазернага імпульсу можна атрымаць кіраваны літыем пучок 7 × 10–8 Кл.Гэта азначае, што запуск лазера ўсяго два разы на секунду вырабляе на 40% больш нейтронаў, чым LICORNE можа вырабіць за адну секунду з бесперапынным пучком.Агульны паток можна лёгка павялічыць, павялічыўшы частату ўзбуджэння лазера.Калі выказаць здагадку, што на рынку ёсць лазерная сістэма з частатой 1 кГц, сярэдні паток нейтронаў можа быць лёгка павялічаны прыкладна да 7 × 109 н/с/ср.
Калі мы выкарыстоўваем сістэмы з высокай частатой паўтарэння з пластыкавымі мішэнямі, неабходна кантраляваць выпрацоўку цяпла на мішэнях, таму што, напрыклад, поліпрапілен мае нізкую тэмпературу плаўлення 145–175 °C і нізкую цеплаправоднасць 0,1–0,22 Вт/ м/к.Для літый-іённага пучка 14 МэВ поліпрапіленавай мішэні таўшчынёй 7 мкм дастаткова, каб паменшыць энергію пучка да парога рэакцыі (13,098 МэВ).З улікам сумарнага ўздзеяння іёнаў, генераваных адным лазерным стрэлам на цэль, энергавыдзяленне іёнаў літыя праз поліпрапілен ацэньваецца ў 64 мДж/імпульс.Мяркуючы, што ўся энергія перадаецца па крузе дыяметрам 10 мм, кожны імпульс адпавядае павышэнню тэмпературы прыкладна на 18 К/імпульс.Вылучэнне энергіі на поліпрапіленавых мішэнях заснавана на простым здагадцы, што ўсе страты энергіі захоўваюцца ў выглядзе цяпла без выпраменьвання або іншых страт цяпла.Паколькі для павелічэння колькасці імпульсаў у секунду патрабуецца ліквідацыя назапашвання цяпла, мы можам выкарыстоўваць мішэні-паласы, каб пазбегнуць выдзялення энергіі ў адной і той жа кропцы23.Калі выказаць здагадку, што пляма прамяня 10 мм на мішэні з частатой паўтарэння лазера 100 Гц, хуткасць сканавання поліпрапіленавай стужкі складзе 1 м/с.Больш высокая частата паўтарэння магчымая, калі дазволена перакрыцце плямы прамяня.
Мы таксама даследавалі мішэні з вадароднымі батарэямі, таму што можна было выкарыстоўваць больш моцныя прывадныя прамяні без пашкоджання мэты.Пучок нейтронаў можна лёгка наладзіць, змяняючы даўжыню газавай камеры і ціск вадароду ўнутры.Тонкая металічная фальга часта выкарыстоўваецца ў паскаральніках для аддзялення газападобнай вобласці мішэні ад вакууму.Такім чынам, неабходна павялічыць энергію падальнага літый-іённага пучка, каб кампенсаваць страты энергіі на фальзе.Мішэнь, апісаная ў справаздачы 35, складалася з алюмініевага кантэйнера даўжынёй 3,5 см з ціскам газу H2 1,5 атм.Літый-іённы прамень 16,75 МэВ трапляе ў акумулятар праз Та-фальгу з паветраным астуджэннем памерам 2,7 мкм, і энергія літый-іённага прамяня ў канцы батарэі запавольваецца да парога рэакцыі.Каб павялічыць энергію пучка літый-іённых акумулятараў з 14,0 МэВ да 16,75 МэВ, лінак IH прыйшлося падоўжыць прыкладна на 30 см.
Таксама вывучалася выпраменьванне нейтронаў з газавых мішэняў.Для вышэйзгаданых газавых мішэняў LICORNE мадэляванне GEANT436 паказвае, што высокаарыентаваныя нейтроны генеруюцца ўнутры конусу, як паказана на малюнку 1 у [37].Спасылка 35 паказвае дыяпазон энергіі ад 0,7 да 3,0 МэВ з максімальным адкрыццём конусу 19,5° адносна напрамку распаўсюджвання галоўнага пучка.Высокаарыентаваныя нейтроны могуць значна паменшыць колькасць экрануючага матэрыялу пад большасцю вуглоў, памяншаючы вагу канструкцыі і забяспечваючы большую гнуткасць пры ўсталёўцы вымяральнага абсталявання.З пункту гледжання абароны ад радыяцыі, у дадатак да нейтронаў, гэтая газавая мішэнь выпраменьвае гама-прамяні 478 кэВ ізатропна ў цэнтры сістэме каардынат38.Гэтыя γ-прамяні ўтвараюцца ў выніку распаду 7Be і дэўзбуджэння 7Li, якое адбываецца, калі першасны прамень Li трапляе ва ўваходнае акно Ta.Аднак, дадаўшы тоўсты 35 Pb/Cu цыліндрычны каліматар, можна значна паменшыць фон.
У якасці альтэрнатыўнай мішэні можна выкарыстоўваць плазменнае акно [39, 40], якое дазваляе дасягнуць адносна высокага ціску вадароду і малой прасторавай вобласці генерацыі нейтронаў, хоць і саступае цвёрдым мішэням.
Мы даследуем варыянты пераўтварэння нейтронаў для чаканага размеркавання энергіі і памеру пучка літый-іённага пучка з выкарыстаннем GEANT4.Наша мадэляванне паказвае паслядоўнае размеркаванне энергіі нейтронаў і вуглавых размеркаванняў для вадародных мішэняў у прыведзенай вышэй літаратуры.У любой сістэме-мішэні высокаарыентаваныя нейтроны могуць утварацца з дапамогай зваротнай кінематычнай рэакцыі, якая кіруецца моцным пучком 7Li3+ на мішэні, багатай вадародам.Такім чынам, новыя крыніцы нейтронаў могуць быць рэалізаваны шляхам камбінавання ўжо існуючых тэхналогій.
Умовы лазернага апрамянення прайгравалі эксперыменты па генерацыі іённага пучка да паскоранай дэманстрацыі.Лазер уяўляе сабой настольную нанасекундную сістэму Nd:YAG з шчыльнасцю магутнасці лазера 1012 Вт/см2, асноўнай даўжынёй хвалі 1064 нм, энергіяй плямы 800 мДж і працягласцю імпульсу 6 нс.Дыяметр плямы на мішэні ацэньваецца ў 100 мкм.Паколькі металічны літый (Alfa Aesar, чысціня 99,9%) даволі мяккі, дакладна нарэзаны матэрыял уціскаецца ў форму.Памеры фальгі 25 мм × 25 мм, таўшчыня 0,6 мм.Пры трапленні лазера на паверхню мішэні ўзнікаюць кратэрападобныя пашкоджанні, таму мішэнь перамяшчаецца з дапамогай матарызаванай платформы, каб забяспечыць свежую частку паверхні мішэні пры кожным лазерным стрэле.Каб пазбегнуць рэкамбінацыі з-за рэшткавага газу, ціск у камеры падтрымлівалі ніжэй дыяпазону 10-4 Па.
Пачатковы аб'ём лазернай плазмы невялікі, так як памер лазернага плямы складае 100 мкм і на працягу 6 нс пасля яго генерацыі.Аб'ём можна прыняць за дакладную кропку і пашырыць.Калі дэтэктар размешчаны на адлегласці xm ад паверхні мішэні, то атрыманы сігнал падпарадкоўваецца залежнасці: іённы ток I, час прыбыцця іёнаў t і працягласць імпульсу τ.
Генераваная плазма даследавалася метадам TOF з ФЦ і аналізатарам іёнаў энергіі (ЭІА), размешчаным на адлегласці 2,4 м і 3,85 м ад лазернай мішэні.FC мае супрэсарную сетку са зрушэннем -5 кВ для прадухілення электронаў.EIA мае 90-градусны электрастатычны дэфлектар, які складаецца з двух кааксіяльных металічных цыліндрычных электродаў з аднолькавым напружаннем, але супрацьлеглай палярнасцю, станоўчых звонку і адмоўных унутры.Плазма, якая пашыраецца, накіроўваецца ў дэфлектар за шчылінай і адхіляецца электрычным полем, якое праходзіць праз цыліндр.Іёны, якія задавальняюць суадносінам E/z = eKU, выяўляюцца з дапамогай умножальніка другасных электронаў (SEM) (Hamamatsu R2362), дзе E, z, e, K і U з'яўляюцца энергіяй іёна, стан зарада і зарад з'яўляюцца геаметрычнымі фактарамі EIA .электронаў, адпаведна, і рознасць патэнцыялаў паміж электродамі.Змяняючы напружанне на дэфлектары, можна атрымаць размеркаванне энергіі і зарада іёнаў у плазме.Напружанне разгорткі U/2 EIA знаходзіцца ў дыяпазоне ад 0,2 В да 800 В, што адпавядае энергіі іёнаў у дыяпазоне ад 4 эВ да 16 кэВ на стан зарада.
На мал.8.
Аналіз размеркавання зараднага стану іонаў.Вось профіль шчыльнасці іённага току ў часе, прааналізаваны з дапамогай EIA і маштабаваны на адлегласці 1 м ад літыевай фальгі з дапамогай ураўнення.(1) і (2).Выкарыстоўвайце ўмовы лазернага апрамянення, апісаныя ў раздзеле «Генерацыя цалкам адслоенага пучка літыя».Шляхам інтэгравання кожнай шчыльнасці току была вылічана доля іёнаў у плазме, як паказана на малюнку 3.
Лазерныя крыніцы іёнаў могуць дастаўляць інтэнсіўны іённы пучок з некалькімі мА з высокім зарадам.Аднак дастаўка прамяня вельмі складаная з-за адштурхвання касмічнага зарада, таму яна не атрымала шырокага прымянення.У традыцыйнай схеме пучкі іёнаў здабываюцца з плазмы і транспартуюцца да першаснага паскаральніка па лініі прамяня з некалькімі факусуючымі магнітамі для фарміравання пучка іёнаў у адпаведнасці са здольнасцю паскаральніка.У пучках сілавых прасторавых зарадаў пучкі разыходзяцца нелінейна, і назіраюцца сур'ёзныя страты пучка, асабліва ў вобласці малых хуткасцей.Для пераадолення гэтай праблемы пры распрацоўцы паскаральнікаў медыцынскага вугляроду прапануецца новая схема падачы прамяня DPIS41.Мы ўжылі гэты метад для паскарэння магутнага літый-іённага пучка з новай крыніцы нейтронаў.
Як паказана на мал.4, прастора, у якой генеруецца і пашыраецца плазма, акружана металічным кантэйнерам.Закрытая прастора распасціраецца да ўваходу ў рэзанатар RFQ, уключаючы аб'ём унутры шпулькі саленоіда.На кантэйнер падавалася напружанне 52 кВ.У рэзанатары RFQ іёны ўцягваюцца патэнцыялам праз адтуліну дыяметрам 6 мм шляхам зазямлення RFQ.Нелінейныя сілы адштурхвання на лініі пучка ліквідуюцца, калі іёны транспартуюцца ў стане плазмы.Акрамя таго, як згадвалася вышэй, мы ўжылі поле саленоіда ў спалучэнні з DPIS для кантролю і павелічэння шчыльнасці іёнаў у апертуры экстракцыі.
Паскаральнік RFQ складаецца з цыліндрычнай вакуумнай камеры, як паказана на мал.9а.Унутры яго квадрупольна сіметрычна вакол восі пучка размешчаны чатыры стрыжня з бескіслароднай медзі (мал. 9б).4 стрыжня і камеры ўтвараюць рэзанансны радыёчастотны контур.Індукаванае радыёчастотнае поле стварае змяняецца ў часе напружанне на стрыжні.Іёны, імплантаваныя падоўжна вакол восі, утрымліваюцца збоку квадрупольным полем.У той жа час, кончык стрыжня мадулюецца для стварэння восевага электрычнага поля.Восевае поле разбівае ўведзены бесперапынны прамень на серыю імпульсаў прамяня, якія называюцца пучком.Кожны прамень знаходзіцца ў межах пэўнага часу радыёчастотнага цыклу (10 нс).Суседнія пучкі разнесены ў адпаведнасці з перыядам радыёчастот.У RFQ linac прамень працягласцю 2 мкс ад лазернай крыніцы іёнаў пераўтворыцца ў паслядоўнасць з 200 прамянёў.Затым прамень паскараецца да разлічанай энергіі.
RFQ лінейнага паскаральніка.(a) (злева) Знешні выгляд камеры лінактара RFQ.(b) (справа) Чатырохстрыжневы электрод у камеры.
Асноўнымі канструктыўнымі параметрамі лінак RFQ з'яўляюцца напружанне стрыжня, ​​рэзанансная частата, радыус адтуліны прамяня і мадуляцыя электрода.Падбярыце напружанне на стрыжні ± 29 кВ, каб яго электрычнае поле было ніжэй парога электрычнага прабоя.Чым ніжэй рэзанансная частата, тым большая сіла бакавой факусіроўкі і меншае сярэдняе поле паскарэння.Вялікія радыусы апертуры дазваляюць павялічыць памер пучка і, адпаведна, павялічыць ток пучка за кошт меншага адштурхвання прасторавага зарада.З іншага боку, большыя радыусы апертуры патрабуюць большай радыёчастотнай магутнасці для сілкавання RFQ linac.Акрамя таго, гэта абмежавана патрабаваннямі да якасці сайта.На аснове гэтых балансаў былі выбраны рэзанансная частата (100 МГц) і радыус апертуры (4,5 мм) для моцнаточнага паскарэння пучка.Мадуляцыя выбрана так, каб мінімізаваць страты прамяня і максымізаваць эфектыўнасць паскарэння.Канструкцыя была шмат разоў аптымізавана для стварэння канструкцыі лінакроўнага ўстройства RFQ, які можа паскараць іёны 7Li3+ пры 40 мА ад 22 кэВ/н да 204 кэВ/н на працягу 2 м.Магутнасць РЧ, вымераная падчас эксперыменту, склала 77 кВт.
RFQ Linacs можа паскараць іёны з пэўным дыяпазонам Q/A.Таму пры аналізе пучка, які падаецца на канец лінейнага паскаральніка, неабходна ўлічваць ізатопы і іншыя рэчывы.Акрамя таго, жаданыя іёны, часткова паскораныя, але спушчаныя ва ўмовах паскарэння ў сярэдзіне паскаральніка, усё яшчэ могуць сустрэць бакавое абмежаванне і могуць быць перанесены да канца.Непажаданыя прамяні, акрамя сканструяваных часціц 7Li3+, называюцца прымешкамі.У нашых эксперыментах найбольшую занепакоенасць выклікалі прымешкі 14N6+ і 16O7+, паколькі металічная фальга літыя рэагуе з кіслародам і азотам у паветры.Гэтыя іёны маюць стаўленне Q/A, якое можна паскорыць з дапамогай 7Li3+.Мы выкарыстоўваем дыпольныя магніты для падзелу пучкоў рознай якасці і якасці для аналізу прамянёў пасля RFQ linac.
Лінія прамяня пасля лінактара RFQ прызначана для дастаўкі цалкам паскоранага прамяня 7Li3+ да FC пасля дыпольнага магніта.Электроды зрушэння -400 В выкарыстоўваюцца для падаўлення другасных электронаў у кубку для дакладнага вымярэння току іённага пучка.З дапамогай гэтай оптыкі траекторыі іёнаў раздзяляюцца на дыполі і факусуюцца ў розных месцах у залежнасці ад Q/A.З-за розных фактараў, такіх як дыфузія імпульсу і адштурхванне прасторавага зарада, прамень у фокусе мае пэўную шырыню.Віды можна падзяліць толькі ў тым выпадку, калі адлегласць паміж факальнымі палажэннямі двух відаў іёнаў большая за шырыню пучка.Для атрымання максімальна магчымага дазволу каля перацяжкі прамяня ўсталёўваецца гарызантальная шчыліна, дзе прамень практычна сканцэнтраваны.Паміж шчылінай і ПК усталёўваўся сцынтыляцыйны экран (CsI(Tl) ад Saint-Gobain, 40 мм × 40 мм × 3 мм).Сцынтылятар выкарыстоўваўся для вызначэння найменшай шчыліны, праз якую павінны былі прайсці распрацаваныя часціцы для аптымальнага раздзялення, і для дэманстрацыі прымальных памераў пучка для пучкоў цяжкіх іёнаў з моцным токам.Малюнак прамяня на сцинтилляторе фіксуецца ПЗС-камерай праз вакуумнае акно.Адрэгулюйце акно часу экспазіцыі, каб ахапіць усю шырыню імпульсу прамяня.
Наборы дадзеных, выкарыстаныя або прааналізаваныя ў бягучым даследаванні, даступныя ў адпаведных аўтараў па абгрунтаваным запыце.
Манке, І. і інш.Трохмернае адлюстраванне магнітных даменаў.Нацыянальная камуна.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Андэрсан І. С. і інш.Магчымасці вывучэння кампактных крыніц нейтронаў на паскаральніках.фізіка.Рэсп. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Урчуолі, А. і інш.Кампутарная мікратамаграфія на аснове нейтронаў: Pliobates cataloniae і Barberapithecus huerzeleri як тэставыя выпадкі.так.Ж. Фізіка.антрапалогіі.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).