Furnizuesit e tubave me mbështjellje prej çeliku inox 304L 6,35*1mm, Demonstrimi i një rrezeje intensive litiumi për gjenerimin e neutroneve direkte me pulsim

Faleminderit që vizituat Nature.com.Ju jeni duke përdorur një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne e shfaqim sajtin pa stile dhe JavaScript.
Rrëshqitës që tregojnë tre artikuj për rrëshqitje.Përdorni butonat e pasëm dhe të ardhshëm për të lëvizur nëpër rrëshqitje, ose butonat e kontrolluesit të rrëshqitjes në fund për të lëvizur nëpër secilën rrëshqitje.

Si një alternativë ndaj studimit të reaktorëve bërthamorë, një gjenerator kompakt neutron i drejtuar nga përshpejtuesi që përdor një shtytës rreze litium-jon mund të jetë një kandidat premtues sepse prodhon pak rrezatim të padëshiruar.Megjithatë, ishte e vështirë për të dhënë një rreze intensive jonesh litium, dhe aplikimi praktik i pajisjeve të tilla konsiderohej i pamundur.Problemi më i mprehtë i rrjedhjes së pamjaftueshme të joneve u zgjidh duke aplikuar një skemë të drejtpërdrejtë të implantimit të plazmës.Në këtë skemë, një plazmë pulsuese me densitet të lartë e krijuar nga ablacioni me lazer i një fletë metalike litium injektohet dhe përshpejtohet në mënyrë efikase nga një përshpejtues katërpolësh me frekuencë të lartë (përshpejtuesi RFQ).Ne kemi arritur një rrymë kulmore të rrezes prej 35 mA të përshpejtuar në 1.43 MeV, që është dy rend magnitudë më e lartë se sa mund të ofrojnë sistemet konvencionale të injektuesve dhe përshpejtuesve.
Ndryshe nga rrezet X ose grimcat e ngarkuara, neutronet kanë një thellësi të madhe depërtimi dhe ndërveprim unik me lëndën e kondensuar, duke i bërë ato sonda jashtëzakonisht të gjithanshme për studimin e vetive të materialeve1,2,3,4,5,6,7.Në veçanti, teknikat e shpërndarjes së neutroneve përdoren zakonisht për të studiuar përbërjen, strukturën dhe sforcimet e brendshme në lëndën e kondensuar dhe mund të ofrojnë informacion të detajuar mbi përbërësit gjurmë në lidhjet metalike që janë të vështira për t'u zbuluar duke përdorur spektroskopinë me rreze X8.Kjo metodë konsiderohet një mjet i fuqishëm në shkencën bazë dhe përdoret nga prodhuesit e metaleve dhe materialeve të tjera.Kohët e fundit, difraksioni i neutronit është përdorur për të zbuluar sforcimet e mbetura në komponentët mekanikë të tillë si pjesët hekurudhore dhe të avionëve9,10,11,12.Neutronet përdoren gjithashtu në puset e naftës dhe gazit, sepse ato kapen lehtësisht nga materiale të pasura me proton13.Metoda të ngjashme përdoren edhe në inxhinierinë civile.Testimi i neutronit jo-shkatërrues është një mjet efektiv për zbulimin e gabimeve të fshehura në ndërtesa, tunele dhe ura.Përdorimi i rrezeve të neutroneve përdoret në mënyrë aktive në kërkimin shkencor dhe industrinë, shumë prej të cilave historikisht janë zhvilluar duke përdorur reaktorë bërthamorë.
Megjithatë, me konsensusin global për mospërhapjen bërthamore, ndërtimi i reaktorëve të vegjël për qëllime kërkimore po bëhet gjithnjë e më i vështirë.Për më tepër, aksidenti i fundit i Fukushimës e ka bërë ndërtimin e reaktorëve bërthamorë pothuajse të pranueshëm nga ana sociale.Në lidhje me këtë prirje, kërkesa për burime neutron në përshpejtuesit është në rritje2.Si një alternativë ndaj reaktorëve bërthamorë, disa burime të mëdha neutronike që ndajnë përshpejtuesit janë tashmë në funksion14,15.Megjithatë, për një përdorim më efikas të vetive të rrezeve neutronike, është e nevojshme të zgjerohet përdorimi i burimeve kompakte në përshpejtuesit, 16 që mund t'i përkasin institucioneve kërkimore industriale dhe universitare.Burimet e neutroneve të përshpejtuesit kanë shtuar aftësi dhe funksione të reja përveç që shërbejnë si zëvendësim për reaktorët bërthamorë14.Për shembull, një gjenerator i drejtuar nga linac mund të krijojë lehtësisht një rrymë neutronesh duke manipuluar rrezen e lëvizjes.Pasi të emetohen, neutronet janë të vështira për t'u kontrolluar dhe matjet e rrezatimit janë të vështira për t'u analizuar për shkak të zhurmës së krijuar nga neutronet e sfondit.Neutronet pulsuese të kontrolluara nga një përshpejtues e shmangin këtë problem.Disa projekte të bazuara në teknologjinë e përshpejtuesit të protonit janë propozuar në mbarë botën17,18,19.Reaksionet 7Li(p, n)7Be dhe 9Be(p, n)9B përdoren më shpesh në gjeneratorët kompakt të neutroneve të drejtuar nga protonet, sepse ato janë reaksione endotermike20.Rrezatimi i tepërt dhe mbetjet radioaktive mund të minimizohen nëse energjia e zgjedhur për të ngacmuar rrezen e protonit është pak mbi vlerën e pragut.Megjithatë, masa e bërthamës së synuar është shumë më e madhe se ajo e protoneve, dhe neutronet që rezultojnë shpërndahen në të gjitha drejtimet.Një emetim i tillë afër izotropik i një fluksi neutron parandalon transportin efikas të neutroneve në objektin e studimit.Përveç kësaj, për të marrë dozën e kërkuar të neutroneve në vendndodhjen e objektit, është e nevojshme të rritet ndjeshëm numri i protoneve lëvizëse dhe energjia e tyre.Si rezultat, doza të mëdha të rrezeve gama dhe neutroneve do të përhapen nëpër kënde të mëdha, duke shkatërruar avantazhin e reaksioneve endotermike.Një gjenerator tipik i neutronit kompakt i bazuar në proton, i drejtuar nga përshpejtuesi, ka mbrojtje të fortë rrezatimi dhe është pjesa më e madhe e sistemit.Nevoja për të rritur energjinë e protoneve lëvizëse zakonisht kërkon një rritje shtesë në madhësinë e strukturës së përshpejtuesit.
Për të kapërcyer mangësitë e përgjithshme të burimeve konvencionale kompakte të neutronit në përshpejtuesit, u propozua një skemë reagimi inversion-kinematik21.Në këtë skemë, një rreze më e rëndë litium-jon përdoret si një rreze udhëzuese në vend të një rreze protoni, duke synuar materiale të pasura me hidrogjen si plastika hidrokarbure, hidridet, gazi hidrogjen ose plazma e hidrogjenit.Janë marrë në konsideratë alternativa, të tilla si trarët e drejtuar nga joni i beriliumit, megjithatë, beriliumi është një substancë toksike që kërkon kujdes të veçantë në trajtim.Prandaj, një rreze litiumi është më e përshtatshme për skemat e reagimit inversion-kinematik.Meqenëse momenti i bërthamave të litiumit është më i madh se ai i protoneve, qendra e masës së përplasjeve bërthamore lëviz vazhdimisht përpara, dhe neutronet gjithashtu emetohen përpara.Kjo veçori eliminon në masë të madhe rrezet gama të padëshiruara dhe emetimet e neutroneve me kënd të lartë22.Një krahasim i rastit të zakonshëm të një motori protonik dhe skenarit të anasjelltë të kinematikës është paraqitur në Figurën 1.
Ilustrimi i këndeve të prodhimit të neutroneve për rrezet e protonit dhe litiumit (vizatuar me Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutronet mund të hidhen në çdo drejtim si rezultat i reaksionit për shkak të faktit se protonet në lëvizje godasin atomet shumë më të rënda të objektivit të litiumit.(b) Anasjelltas, nëse një drejtues litium-jon bombardon një objektiv të pasur me hidrogjen, neutronet krijohen në një kon të ngushtë në drejtimin përpara për shkak të shpejtësisë së lartë të qendrës së masës së sistemit.
Sidoqoftë, ekzistojnë vetëm disa gjeneratorë të neutroneve kinematike të anasjellta për shkak të vështirësisë së gjenerimit të fluksit të kërkuar të joneve të rënda me një ngarkesë të lartë në krahasim me protonet.Të gjitha këto impiante përdorin burime të joneve negative të spërkatjes në kombinim me përshpejtuesit elektrostatikë të njëpasnjëshëm.Lloje të tjera burimesh jonike janë propozuar për të rritur efikasitetin e nxitimit të rrezes26.Në çdo rast, rryma e disponueshme e rrezes së litium-jonit është e kufizuar në 100 µA.Është propozuar të përdoret 1 mA e Li3+27, por kjo rrymë e rrezes jonike nuk është konfirmuar me këtë metodë.Për sa i përket intensitetit, përshpejtuesit e rrezeve të litiumit nuk mund të konkurrojnë me përshpejtuesit e rrezeve të protonit, rryma maksimale e protoneve të të cilëve kalon 10 mA28.
Për të zbatuar një gjenerator praktik kompakt neutron të bazuar në një rreze litium-jon, është e dobishme të gjenerohet intensitet i lartë plotësisht pa jone.Jonet përshpejtohen dhe udhëhiqen nga forcat elektromagnetike, dhe një nivel më i lartë i ngarkesës rezulton në përshpejtim më efikas.Drejtuesit e rrezeve Li-jon kërkojnë rryma maksimale Li3+ mbi 10 mA.
Në këtë punë, ne demonstrojmë përshpejtimin e rrezeve Li3+ me rryma maksimale deri në 35 mA, e cila është e krahasueshme me përshpejtuesit e avancuar të protonit.Rrezja origjinale e joneve të litiumit u krijua duke përdorur ablacionin me lazer dhe një Skemë të Implantimit të Plazmës Direkte (DPIS) e zhvilluar fillimisht për të përshpejtuar C6+.Një linac katërpolësh i frekuencave radiofonike të dizajnuara me porosi (RFQ linac) u fabrikua duke përdorur një strukturë rezonante me katër shufra.Ne kemi verifikuar që rreze përshpejtuese ka energjinë e llogaritur të rrezes me pastërti të lartë.Pasi rrezja Li3+ kapet dhe përshpejtohet në mënyrë efektive nga përshpejtuesi i radiofrekuencës (RF), seksioni vijues i linakut (përshpejtuesi) përdoret për të siguruar energjinë e nevojshme për të gjeneruar një fluks të fortë neutron nga objektivi.
Përshpejtimi i joneve me performancë të lartë është një teknologji e vendosur mirë.Detyra e mbetur e realizimit të një gjeneratori të ri kompakt shumë efikas të neutronit është të gjenerojë një numër të madh jonesh litiumi të zhveshur plotësisht dhe të formojë një strukturë grupi të përbërë nga një seri pulsesh jonike të sinkronizuara me ciklin RF në përshpejtues.Rezultatet e eksperimenteve të krijuara për të arritur këtë qëllim përshkruhen në tre nënseksionet e mëposhtme: (1) gjenerimi i një rrezeje litium-jonike, (2) nxitimi i rrezes duke përdorur një linac të projektuar posaçërisht RFQ dhe (3) nxitimi i analizës të traut për të kontrolluar përmbajtjen e tij.Në Laboratorin Kombëtar të Brookhaven (BNL), ne ndërtuam konfigurimin eksperimental të paraqitur në Figurën 2.
Përmbledhje e konfigurimit eksperimental për analizën e përshpejtuar të trarëve të litiumit (ilustruar nga Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Nga e djathta në të majtë, plazma ablative lazer gjenerohet në dhomën e ndërveprimit lazer-shënjestër dhe i dorëzohet linakut RFQ.Me hyrjen në përshpejtuesin RFQ, jonet ndahen nga plazma dhe injektohen në përshpejtuesin RFQ përmes një fushe elektrike të papritur të krijuar nga një diferencë e tensionit 52 kV midis elektrodës së nxjerrjes dhe elektrodës RFQ në rajonin e driftit.Jonet e nxjerra përshpejtohen nga 22 keV/n në 204 keV/n duke përdorur elektroda RFQ 2 metra të gjata.Një transformator i rrymës (CT) i instaluar në daljen e linacit RFQ siguron matje jo shkatërruese të rrymës së rrezes jonike.Rrezja fokusohet nga tre magnet katërpolësh dhe drejtohet në një magnet dipol, i cili ndan dhe drejton rrezen Li3+ në detektor.Pas të çarës, për të zbuluar rrezen e përshpejtimit, përdoret një scintilator plastik i tërheqshëm dhe një filxhan Faraday (FC) me paragjykim deri në -400 V.
Për të gjeneruar jone litiumi plotësisht të jonizuar (Li3+), është e nevojshme të krijohet një plazmë me një temperaturë mbi energjinë e tretë të jonizimit (122.4 eV).Ne u përpoqëm të përdornim ablacionin me lazer për të prodhuar plazmë me temperaturë të lartë.Ky lloj burimi i joneve lazer nuk përdoret zakonisht për të gjeneruar rreze jonesh litium sepse metali litium është reaktiv dhe kërkon trajtim të veçantë.Ne kemi zhvilluar një sistem ngarkimi të synuar për të minimizuar lagështinë dhe ndotjen e ajrit kur instalojmë fletë litiumi në dhomën e ndërveprimit të lazerit vakum.Të gjitha përgatitjet e materialeve u kryen në një mjedis të kontrolluar me argon të thatë.Pasi folia e litiumit u instalua në dhomën e synuar me lazer, folia u rrezatua me rrezatim lazer pulsues Nd:YAG me një energji prej 800 mJ për impuls.Në fokusin në objektiv, densiteti i fuqisë lazer vlerësohet të jetë rreth 1012 W/cm2.Plazma krijohet kur një lazer pulsues shkatërron një objektiv në vakum.Gjatë gjithë pulsit lazer 6 ns, plazma vazhdon të nxehet, kryesisht për shkak të procesit të kundërt bremsstrahlung.Meqenëse asnjë fushë e jashtme e kufizuar nuk aplikohet gjatë fazës së ngrohjes, plazma fillon të zgjerohet në tre dimensione.Kur plazma fillon të zgjerohet mbi sipërfaqen e synuar, qendra e masës së plazmës fiton një shpejtësi pingul me sipërfaqen e synuar me një energji prej 600 eV/n.Pas ngrohjes, plazma vazhdon të lëvizë në drejtim aksial nga objektivi, duke u zgjeruar në mënyrë izotropike.
Siç tregohet në figurën 2, plazma e ablacionit zgjerohet në një vëllim vakum të rrethuar nga një enë metalike me të njëjtin potencial si objektivi.Kështu, plazma lëviz nëpër rajonin pa fushë drejt përshpejtuesit RFQ.Një fushë magnetike boshtore aplikohet midis dhomës së rrezatimit me lazer dhe linakut RFQ me anë të një spiraleje solenoide të mbështjellë rreth dhomës së vakumit.Fusha magnetike e solenoidit shtyp zgjerimin radial të plazmës lëvizëse në mënyrë që të mbajë një densitet të lartë të plazmës gjatë dërgimit në hapjen RFQ.Nga ana tjetër, plazma vazhdon të zgjerohet në drejtim aksial gjatë lëvizjes, duke formuar një plazmë të zgjatur.Një paragjykim i tensionit të lartë aplikohet në enën metalike që përmban plazmën përpara portës së daljes në hyrjen RFQ.Tensioni i paragjykimit u zgjodh për të siguruar shkallën e kërkuar të injektimit 7Li3+ për përshpejtimin e duhur nga linaku RFQ.
Plazma e ablacionit që rezulton përmban jo vetëm 7Li3+, por edhe litium në gjendje të tjera ngarkese dhe elementë ndotës, të cilët transportohen njëkohësisht në përshpejtuesin linear RFQ.Përpara eksperimenteve të përshpejtuara duke përdorur linac RFQ, u krye një analizë offline e kohës së fluturimit (TOF) për të studiuar përbërjen dhe shpërndarjen e energjisë së joneve në plazmë.Konfigurimi i detajuar analitik dhe shpërndarjet e vëzhguara të gjendjes së tarifave shpjegohen në seksionin Metodat.Analiza tregoi se jonet 7Li3+ ishin grimcat kryesore, që përbënin rreth 54% të të gjitha grimcave, siç tregohet në figurën 3. Sipas analizës, rryma e joneve 7Li3+ në pikën e daljes së rrezes jonike vlerësohet në 1.87 mA.Gjatë testeve të përshpejtuara, një fushë solenoid 79 mT aplikohet në plazmën në zgjerim.Si rezultat, rryma 7Li3+ e nxjerrë nga plazma dhe e vërejtur në detektor u rrit me një faktor prej 30.
Fraksionet e joneve në plazmën e gjeneruar me lazer të marra nga analiza e kohës së fluturimit.Jonet 7Li1+ dhe 7Li2+ përbëjnë përkatësisht 5% dhe 25% të rrezes jonike.Pjesa e zbuluar e grimcave 6Li pajtohet me përmbajtjen natyrale të 6Li (7.6%) në objektivin e fletës së litiumit brenda gabimit eksperimental.Është vërejtur një kontaminim i lehtë me oksigjen (6.2%), kryesisht O1+ (2.1%) dhe O2+ (1.5%), që mund të jetë për shkak të oksidimit të sipërfaqes së objektivit të fletës së litiumit.
Siç u përmend më parë, plazma e litiumit lëviz në një rajon pa fushë përpara se të hyjë në linac RFQ.Hyrja e linacit RFQ ka një vrimë me diametër 6 mm në një enë metalike dhe tensioni i paragjykimit është 52 kV.Megjithëse tensioni i elektrodës RFQ ndryshon me shpejtësi ±29 kV në 100 MHz, voltazhi shkakton nxitim boshtor sepse elektrodat e përshpejtuesit RFQ kanë një potencial mesatar prej zero.Për shkak të fushës së fortë elektrike të krijuar në hendekun 10 mm midis hapjes dhe skajit të elektrodës RFQ, vetëm jonet pozitive të plazmës nxirren nga plazma në hapje.Në sistemet tradicionale të shpërndarjes së joneve, jonet ndahen nga plazma nga një fushë elektrike në një distancë të konsiderueshme përpara përshpejtuesit RFQ dhe më pas përqendrohen në hapjen RFQ nga një element përqendrues i rrezes.Megjithatë, për rrezet intensive të joneve të rënda që kërkohen për një burim intensiv neutron, forcat refuzuese jolineare për shkak të efekteve të ngarkesës hapësinore mund të çojnë në humbje të konsiderueshme të rrymës së rrezes në sistemin e transportit të joneve, duke kufizuar rrymën e pikut që mund të përshpejtohet.Në DPIS tonë, jonet me intensitet të lartë transportohen si një plazmë lëvizëse direkt në pikën e daljes së hapjes RFQ, kështu që nuk ka humbje të rrezes jonike për shkak të ngarkesës hapësinore.Gjatë këtij demonstrimi, DPIS u aplikua për herë të parë në një rreze litium-jon.
Struktura RFQ u zhvillua për fokusimin dhe përshpejtimin e rrezeve të joneve me rrymë të lartë me energji të ulët dhe është bërë standardi për përshpejtimin e rendit të parë.Ne përdorëm RFQ për të përshpejtuar jonet 7Li3+ nga një energji implant prej 22 keV/n në 204 keV/n.Megjithëse litiumi dhe grimcat e tjera me ngarkesë më të ulët në plazmë nxirren gjithashtu nga plazma dhe injektohen në hapjen RFQ, linaku RFQ përshpejton vetëm jonet me një raport ngarkese ndaj masës (Q/A) afër 7Li3+.
Në fig.Figura 4 tregon format valore të zbuluara nga transformatori aktual (CT) në daljen e linakut RFQ dhe kupës Faraday (FC) pas analizimit të magnetit, siç tregohet në fig.2. Zhvendosja e kohës ndërmjet sinjaleve mund të interpretohet si ndryshim në kohën e fluturimit në vendndodhjen e detektorit.Rryma maksimale e joneve e matur në CT ishte 43 mA.Në pozicionin RT, rrezja e regjistruar mund të përmbajë jo vetëm jone të përshpejtuar në energjinë e llogaritur, por edhe jone të ndryshëm nga 7Li3+, të cilët nuk janë mjaftueshëm të përshpejtuar.Megjithatë, ngjashmëria e formave të rrymës jonike e gjetur me anë të QD dhe PC tregon se rryma joni përbëhet kryesisht nga 7Li3+ i përshpejtuar, dhe ulja e vlerës së pikut të rrymës në PC është shkaktuar nga humbjet e rrezeve gjatë transferimit të joneve midis QD dhe QD dhe PC.Humbjet Kjo konfirmohet edhe nga simulimi i zarfit.Për të matur me saktësi rrymën e rrezes 7Li3+, rrezja analizohet me një magnet dipolësh siç përshkruhet në seksionin vijues.
Oshilogramet e rrezes së përshpejtuar regjistrohen në pozicionet e detektorit CT (lakore e zezë) dhe FC (lakore e kuqe).Këto matje nxiten nga zbulimi i rrezatimit lazer nga një fotodetektor gjatë gjenerimit të plazmës me lazer.Kurba e zezë tregon formën e valës së matur në një CT të lidhur me daljen linac RFQ.Për shkak të afërsisë me linac RFQ, detektori kap zhurmën RF 100 MHz, kështu që një filtër FFT me kalim të ulët 98 MHz u aplikua për të hequr sinjalin rezonant RF 100 MHz të mbivendosur mbi sinjalin e zbulimit.Kurba e kuqe tregon formën e valës në FC pasi magneti analitik drejton rrezen jonike 7Li3+.Në këtë fushë magnetike, përveç 7Li3+, mund të transportohen edhe N6+ dhe O7+.
Rrezja e joneve pas linakut RFQ fokusohet nga një seri e tre magneteve me fokus katërpolësh dhe më pas analizohet nga magnet dipolësh për të izoluar papastërtitë në rrezen e joneve.Një fushë magnetike prej 0,268 T drejton rrezet 7Li3+ në FC.Forma e valës së zbulimit të kësaj fushe magnetike tregohet si kurba e kuqe në Figurën 4. Rryma e pikut të rrezes arrin 35 mA, që është më shumë se 100 herë më e lartë se një rreze tipike Li3+ e prodhuar në përshpejtuesit elektrostatikë konvencionalë ekzistues.Gjerësia e impulsit të rrezes është 2,0 µs në gjerësinë e plotë në gjysmën e maksimumit.Zbulimi i një rreze 7Li3+ me një fushë magnetike dipole tregon grumbullim të suksesshëm dhe përshpejtim të rrezes.Rryma e rrezes jonike e zbuluar nga FC gjatë skanimit të fushës magnetike të dipolit është paraqitur në Fig. 5. U vu re një kulm i pastër i vetëm, i ndarë mirë nga majat e tjera.Meqenëse të gjithë jonet e përshpejtuara në energjinë e projektimit nga linaku RFQ kanë të njëjtën shpejtësi, rrezet jonike me të njëjtën Q/A janë të vështira për t'u ndarë nga fusha magnetike dipole.Prandaj, ne nuk mund të dallojmë 7Li3+ nga N6+ ose O7+.Megjithatë, sasia e papastërtive mund të vlerësohet nga shtetet fqinje me ngarkesë.Për shembull, N7+ dhe N5+ mund të ndahen lehtësisht, ndërsa N6+ mund të jetë pjesë e papastërtisë dhe pritet të jetë e pranishme në të njëjtën sasi si N7+ dhe N5+.Niveli i vlerësuar i ndotjes është rreth 2%.
Spektrat e komponentëve të rrezeve të marra nga skanimi i një fushe magnetike dipole.Pika në 0.268 T korrespondon me 7Li3+ dhe N6+.Gjerësia e pikut varet nga madhësia e rrezes në të çarë.Pavarësisht majave të gjera, 7Li3+ ndahet mirë nga 6Li3+, O6+ dhe N5+, por ndahet dobët nga O7+ dhe N6+.
Në vendndodhjen e FC, profili i rrezes u konfirmua me një scintilator plug-in dhe u regjistrua me një aparat fotografik dixhital të shpejtë siç tregohet në Figurën 6. Rrezja pulsuese 7Li3+ me një rrymë prej 35 mA tregohet se është e përshpejtuar në një RFQ të llogaritur energji prej 204 keV/n, që korrespondon me 1.4 MeV, dhe transmetohet në detektorin FC.
Profili i rrezes i vëzhguar në një ekran scintilatori para-FC (i ngjyrosur nga Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Fusha magnetike e magnetit të dipolit analitik u akordua për të drejtuar nxitimin e rrezes jonike Li3+ në energjinë e projektimit RFQ.Pikat blu në zonën e gjelbër shkaktohen nga materiali i dëmtuar i scintilatorit.
Ne arritëm gjenerimin e joneve 7Li3+ me anë të heqjes me lazer të sipërfaqes së një petë të ngurtë litiumi dhe një rreze jonike me rrymë të lartë u kap dhe u përshpejtua me një linac RFQ të projektuar posaçërisht duke përdorur DPIS.Në një energji rrezeje prej 1.4 MeV, rryma maksimale prej 7Li3+ e arritur në FC pas analizës së magnetit ishte 35 mA.Kjo konfirmon se pjesa më e rëndësishme e zbatimit të një burimi neutron me kinematikë inverse është zbatuar në mënyrë eksperimentale.Në këtë pjesë të punimit, do të diskutohet i gjithë dizajni i një burimi kompakt neutron, duke përfshirë përshpejtuesit me energji të lartë dhe stacionet e synuara neutronike.Dizajni bazohet në rezultatet e marra me sistemet ekzistuese në laboratorin tonë.Duhet të theksohet se rryma e pikut të rrezes jonike mund të rritet më tej duke shkurtuar distancën midis fletës së litiumit dhe linakut RFQ.Oriz.7 ilustron të gjithë konceptin e burimit kompakt të neutronit të propozuar në përshpejtues.
Dizajni konceptual i burimit kompakt të neutronit të propozuar në përshpejtues (vizatuar nga Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Nga e djathta në të majtë: burimi i joneve lazer, magneti solenoid, linaku RFQ, transferimi i rrezeve të energjisë mesatare (MEBT), linaku IH dhe dhoma e ndërveprimit për gjenerimin e neutroneve.Mbrojtja nga rrezatimi sigurohet kryesisht në drejtimin përpara për shkak të natyrës së drejtuar ngushtë të rrezeve të neutroneve të prodhuara.
Pas linacit të RFQ, është planifikuar përshpejtimi i mëtejshëm i strukturës H inter-dixhitale (IH linac)30.Linacët IH përdorin një strukturë tub drift-mode π për të siguruar gradient të lartë të fushës elektrike mbi një gamë të caktuar shpejtësish.Studimi konceptual është kryer bazuar në simulimin e dinamikës gjatësore 1D dhe simulimin e guaskës 3D.Llogaritjet tregojnë se një linac 100 MHz IH me një tension të arsyeshëm të tubit drift (më pak se 450 kV) dhe një magnet të fortë fokusues mund të përshpejtojë një rreze 40 mA nga 1.4 në 14 MeV në një distancë prej 1.8 m.Shpërndarja e energjisë në fund të zinxhirit të përshpejtuesit vlerësohet në ± 0,4 MeV, e cila nuk ndikon ndjeshëm në spektrin energjetik të neutroneve të prodhuar nga objektivi i konvertimit të neutronit.Për më tepër, emetimi i rrezes është mjaft i ulët për ta përqendruar rrezen në një pikë më të vogël të rrezes sesa do të kërkohej normalisht për një magnet katërpolësh me forcë dhe madhësi mesatare.Në transmetimin e rrezeve të energjisë së mesme (MEBT) midis linakut RFQ dhe linakut IH, rezonatori i rrezes përdoret për të ruajtur strukturën e formimit të rrezes.Tre magnet katërpolësh përdoren për të kontrolluar madhësinë e rrezes anësore.Kjo strategji e projektimit është përdorur në shumë përshpejtues31,32,33.Gjatësia totale e të gjithë sistemit nga burimi i joneve në dhomën e synuar vlerësohet të jetë më pak se 8 m, e cila mund të përshtatet në një kamion standard gjysmë rimorkio.
Objektivi i konvertimit të neutronit do të instalohet direkt pas përshpejtuesit linear.Ne diskutojmë planet e stacioneve të synuara bazuar në studimet e mëparshme duke përdorur skenarë kinematikë invers23.Objektivat e raportuara të konvertimit përfshijnë materialet e ngurta (polipropileni (C3H6) dhe hidridi i titanit (TiH2)) dhe sistemet e synuara të gazta.Çdo qëllim ka avantazhe dhe disavantazhe.Objektivat e ngurta lejojnë kontroll të saktë të trashësisë.Sa më i hollë të jetë objektivi, aq më i saktë është rregullimi hapësinor i prodhimit të neutronit.Megjithatë, objektiva të tillë mund të kenë ende një shkallë të reaksioneve të padëshiruara bërthamore dhe rrezatimit.Nga ana tjetër, një objektiv hidrogjeni mund të sigurojë një mjedis më të pastër duke eliminuar prodhimin e 7Be, produkti kryesor i reaksionit bërthamor.Megjithatë, hidrogjeni ka një aftësi të dobët penguese dhe kërkon një distancë të madhe fizike për çlirimin e mjaftueshëm të energjisë.Kjo është paksa e pafavorshme për matjet TOF.Përveç kësaj, nëse një film i hollë përdoret për të vulosur një objektiv hidrogjeni, është e nevojshme të merren parasysh humbjet e energjisë të rrezeve gama të krijuara nga filmi i hollë dhe rrezja e litiumit e rënë.
LICORNE përdor objektiva polipropileni dhe sistemi i synuar është përmirësuar në qeliza hidrogjeni të mbyllura me fletë tantal.Duke supozuar një rrymë rreze prej 100 nA për 7Li34, të dy sistemet e synuara mund të prodhojnë deri në 107 n/s/sr.Nëse e zbatojmë këtë konvertim të pretenduar të rendimentit të neutronit në burimin tonë të propozuar të neutronit, atëherë një rreze e drejtuar nga litiumi prej 7 × 10-8 C mund të merret për çdo impuls lazer.Kjo do të thotë se shkrepja e lazerit vetëm dy herë në sekondë prodhon 40% më shumë neutrone sesa mund të prodhojë LICORNE në një sekondë me një rreze të vazhdueshme.Fluksi total mund të rritet lehtësisht duke rritur frekuencën e ngacmimit të lazerit.Nëse supozojmë se ekziston një sistem lazer 1 kHz në treg, fluksi mesatar i neutronit mund të shkallëzohet lehtësisht deri në rreth 7 × 109 n/s/sr.
Kur përdorim sisteme me shkallë të lartë përsëritjeje me objektiva plastike, është e nevojshme të kontrollohet gjenerimi i nxehtësisë në objektiva sepse, për shembull, polipropileni ka një pikë shkrirjeje të ulët prej 145-175 °C dhe një përçueshmëri të ulët termike prej 0,1-0,22 W/ m/K.Për një rreze litium-jon 14 MeV, një objektiv polipropileni me trashësi 7 µm është i mjaftueshëm për të reduktuar energjinë e rrezes në pragun e reagimit (13,098 MeV).Duke marrë parasysh efektin total të joneve të krijuara nga një goditje lazer në objektiv, çlirimi i energjisë i joneve të litiumit përmes polipropilenit vlerësohet në 64 mJ/puls.Duke supozuar se e gjithë energjia transferohet në një rreth me një diametër prej 10 mm, çdo puls korrespondon me një rritje të temperaturës prej afërsisht 18 K/puls.Lëshimi i energjisë në objektivat e polipropilenit bazohet në supozimin e thjeshtë se të gjitha humbjet e energjisë ruhen si nxehtësi, pa rrezatim ose humbje të tjera të nxehtësisë.Meqenëse rritja e numrit të pulseve për sekondë kërkon eliminimin e grumbullimit të nxehtësisë, ne mund të përdorim objektivat e shiritit për të shmangur çlirimin e energjisë në të njëjtën pikë23.Duke supozuar një pikë rreze 10 mm në një objektiv me një shkallë përsëritjeje lazer prej 100 Hz, shpejtësia e skanimit të shiritit të polipropilenit do të ishte 1 m/s.Shkalla më të larta të përsëritjes janë të mundshme nëse lejohet mbivendosja e pikave të rrezes.
Ne hetuam gjithashtu objektiva me bateri hidrogjeni, sepse trarët më të fortë lëvizës mund të përdoren pa dëmtuar objektivin.Rrezja e neutronit mund të akordohet lehtësisht duke ndryshuar gjatësinë e dhomës së gazit dhe presionin e hidrogjenit brenda.Fleta të holla metalike përdoren shpesh në përshpejtues për të ndarë rajonin e gaztë të objektivit nga vakum.Prandaj, është e nevojshme të rritet energjia e rrezes së incidentit të litium-jonit në mënyrë që të kompensohen humbjet e energjisë në fletë metalike.Asambleja e synuar e përshkruar në raportin 35 përbëhej nga një enë alumini 3,5 cm e gjatë me një presion gazi H2 prej 1,5 atm.Rrezja e joneve të litiumit 16,75 MeV hyn në bateri përmes fletës Ta 2,7 µm të ftohur me ajër dhe energjia e rrezes së joneve të litiumit në fund të baterisë ngadalësohet deri në pragun e reagimit.Për të rritur energjinë e rrezes së baterive litium-jon nga 14.0 MeV në 16.75 MeV, linaku IH duhej të zgjatej me rreth 30 cm.
U studiua gjithashtu emetimi i neutroneve nga objektivat e qelizave të gazit.Për objektivat e lartpërmendura të gazit LICORNE, simulimet e GEANT436 tregojnë se neutronet me orientim të lartë krijohen brenda konit, siç tregohet në Figurën 1 në [37].Referenca 35 tregon diapazonin e energjisë nga 0,7 në 3,0 MeV me një hapje maksimale të konit prej 19,5° në lidhje me drejtimin e përhapjes së rrezes kryesore.Neutronet me orientim të lartë mund të zvogëlojnë ndjeshëm sasinë e materialit mbrojtës në shumicën e këndeve, duke zvogëluar peshën e strukturës dhe duke siguruar fleksibilitet më të madh në instalimin e pajisjeve matëse.Nga pikëpamja e mbrojtjes nga rrezatimi, përveç neutroneve, ky objektiv i gaztë lëshon rreze gama 478 keV në mënyrë izotropike në sistemin koordinativ qendror38.Këto rreze γ prodhohen si rezultat i prishjes 7Be dhe deeksitimit 7Li, i cili ndodh kur rrezja primare Li godet dritaren hyrëse Ta.Megjithatë, duke shtuar një kolimator cilindrik të trashë 35 Pb/Cu, sfondi mund të reduktohet ndjeshëm.
Si një objektiv alternativ, mund të përdoret një dritare plazma [39, 40], e cila bën të mundur arritjen e një presioni relativisht të lartë të hidrogjenit dhe një rajon të vogël hapësinor të gjenerimit të neutroneve, megjithëse është inferior ndaj objektivave të ngurtë.
Ne po hetojmë opsionet e shënjestrimit të konvertimit të neutroneve për shpërndarjen e pritshme të energjisë dhe madhësinë e rrezes së një rreze jon litium duke përdorur GEANT4.Simulimet tona tregojnë një shpërndarje të qëndrueshme të energjisë së neutroneve dhe shpërndarjeve këndore për objektivat e hidrogjenit në literaturën e mësipërme.Në çdo sistem të synuar, neutronet me orientim të lartë mund të prodhohen nga një reaksion kinematik i anasjelltë i drejtuar nga një rreze e fortë 7Li3+ në një objektiv të pasur me hidrogjen.Prandaj, burimet e reja të neutroneve mund të zbatohen duke kombinuar teknologjitë ekzistuese.
Kushtet e rrezatimit lazer riprodhuan eksperimentet e gjenerimit të rrezeve jonike përpara demonstrimit të përshpejtuar.Lazeri është një sistem desktopi nanosekonda Nd:YAG me një densitet të fuqisë lazer prej 1012 W/cm2, një gjatësi vale themelore prej 1064 nm, një energji pikësore prej 800 mJ dhe një kohëzgjatje pulsi prej 6 ns.Diametri i pikës në objektiv është vlerësuar në 100 μm.Për shkak se metali litium (Alfa Aesar, 99,9% i pastër) është mjaft i butë, materiali i prerë saktësisht shtypet në kallëp.Dimensionet e folesë 25 mm × 25 mm, trashësia 0.6 mm.Dëmtimi i ngjashëm me kraterin ndodh në sipërfaqen e objektivit kur një lazer e godet atë, kështu që objektivi lëvizet nga një platformë e motorizuar për të siguruar një pjesë të freskët të sipërfaqes së objektivit me çdo goditje lazer.Për të shmangur rikombinimin për shkak të gazit të mbetur, presioni në dhomë mbahej nën intervalin 10-4 Pa.
Vëllimi fillestar i plazmës lazer është i vogël, pasi madhësia e pikës lazer është 100 μm dhe brenda 6 ns pas gjenerimit të tij.Vëllimi mund të merret si një pikë e saktë dhe të zgjerohet.Nëse detektori vendoset në një distancë xm nga sipërfaqja e synuar, atëherë sinjali i marrë i bindet marrëdhënies: rryma e joneve I, koha e mbërritjes së joneve t dhe gjerësia e pulsit τ.
Plazma e krijuar u studiua me metodën TOF me FC dhe një analizues të joneve të energjisë (EIA) i vendosur në një distancë prej 2.4 m dhe 3.85 m nga objektivi lazer.FC ka një rrjet shtypës të anuar nga -5 kV për të parandaluar elektronet.EIA ka një deflektor elektrostatik 90 gradë i përbërë nga dy elektroda cilindrike metalike koaksiale me të njëjtin tension, por polaritet të kundërt, pozitiv nga jashtë dhe negativ nga brenda.Plazma që zgjerohet drejtohet në deflektorin prapa slotit dhe devijohet nga fusha elektrike që kalon nëpër cilindër.Jonet që plotësojnë marrëdhënien E/z = eKU zbulohen duke përdorur një shumëzues elektronik sekondar (SEM) (Hamamatsu R2362), ku E, z, e, K dhe U janë energjia e joneve, gjendja e ngarkesës dhe ngarkesa janë faktorë gjeometrikë të EIA .elektronet, përkatësisht, dhe ndryshimi i potencialit ndërmjet elektrodave.Duke ndryshuar tensionin nëpër deflektor, mund të merret shpërndarjen e energjisë dhe ngarkesës së joneve në plazmë.Tensioni i fshirjes U/2 EIA është në intervalin nga 0,2 V deri në 800 V, që korrespondon me një energji jonike në intervalin nga 4 eV deri në 16 keV për gjendje ngarkese.
Në Fig.8.
Analiza e shpërndarjes së gjendjes së ngarkesës së joneve.Këtu është profili i kohës së densitetit të rrymës së joneve i analizuar me EIA dhe i shkallëzuar në 1 m nga fleta e litiumit duke përdorur ekuacionin.(1) dhe (2).Përdorni kushtet e rrezatimit me lazer të përshkruara në seksionin "Gjenerimi i një rreze litiumi plotësisht të eksfoluar".Duke integruar çdo densitet të rrymës, u llogarit proporcioni i joneve në plazmë, i paraqitur në figurën 3.
Burimet e joneve lazer mund të japin një rreze jonike intensive me shumë mA me një ngarkesë të lartë.Sidoqoftë, shpërndarja e rrezeve është shumë e vështirë për shkak të zmbrapsjes së ngarkesës në hapësirë, kështu që nuk u përdor gjerësisht.Në skemën tradicionale, rrezet jonike nxirren nga plazma dhe transportohen në përshpejtuesin primar përgjatë një linje rreze me disa magnet fokusues për të formuar rrezen jonike sipas aftësisë së përshpejtuesit.Në trarët e forcës së ngarkesës hapësinore, rrezet ndryshojnë në mënyrë jolineare dhe vërehen humbje serioze të rrezeve, veçanërisht në rajonin e shpejtësive të ulëta.Për të kapërcyer këtë problem në zhvillimin e përshpejtuesve mjekësorë të karbonit, propozohet një skemë e re e shpërndarjes së rrezeve DPIS41.Ne kemi aplikuar këtë teknikë për të përshpejtuar një rreze të fuqishme litium-jon nga një burim i ri neutron.
Siç tregohet në fig.4, hapësira në të cilën plazma gjenerohet dhe zgjerohet është e rrethuar nga një enë metalike.Hapësira e mbyllur shtrihet deri në hyrje të rezonatorit RFQ, duke përfshirë volumin brenda spirales solenoid.Në kontejner është aplikuar një tension prej 52 kV.Në rezonatorin RFQ, jonet tërhiqen nga potenciali përmes një vrime me diametër 6 mm duke e tokëzuar RFQ.Forcat refuzuese jolineare në vijën e rrezes eliminohen ndërsa jonet transportohen në gjendjen e plazmës.Përveç kësaj, siç u përmend më lart, ne aplikuam një fushë solenoid në kombinim me DPIS për të kontrolluar dhe rritur densitetin e joneve në hapjen e nxjerrjes.
Përshpejtuesi RFQ përbëhet nga një dhomë cilindrike vakum siç tregohet në fig.9a.Brenda tij, katër shufra bakri pa oksigjen janë vendosur në mënyrë katërpolëshe-simetrike rreth boshtit të rrezes (Fig. 9b).4 shufra dhe dhoma formojnë një qark RF rezonant.Fusha RF e induktuar krijon një tension të ndryshueshëm nga koha në të gjithë shufrën.Jonet e implantuara gjatësore rreth boshtit mbahen anash nga fusha katërpolëshe.Në të njëjtën kohë, maja e shufrës modulohet për të krijuar një fushë elektrike boshtore.Fusha boshtore e ndan rrezen e vazhdueshme të injektuar në një seri pulsesh rrezesh të quajtura rreze.Çdo rreze përfshihet brenda një kohe të caktuar të ciklit RF (10 ns).Trarët ngjitur janë të ndarë sipas periudhës së radiofrekuencës.Në linac RFQ, një rreze 2 µs nga një burim joni lazer konvertohet në një sekuencë prej 200 rrezesh.Rrezja më pas përshpejtohet në energjinë e llogaritur.
Përshpejtuesi linear RFQ.(a) (majtas) Pamje e jashtme e dhomës së linakut RFQ.(b) (djathtas) Elektroda me katër shufra në dhomë.
Parametrat kryesorë të projektimit të linakut RFQ janë tensioni i shufrës, frekuenca rezonante, rrezja e vrimës së rrezes dhe modulimi i elektrodës.Zgjidhni tensionin në shufër ± 29 kV në mënyrë që fusha elektrike e saj të jetë nën pragun e prishjes elektrike.Sa më e ulët të jetë frekuenca rezonante, aq më e madhe është forca anësore e fokusimit dhe aq më e vogël është fusha mesatare e nxitimit.Rrezet e mëdha të hapjes bëjnë të mundur rritjen e madhësisë së rrezes dhe, rrjedhimisht, rritjen e rrymës së rrezes për shkak të zmbrapsjes më të vogël të ngarkesës hapësinore.Nga ana tjetër, rrezet më të mëdha të hapjes kërkojnë më shumë fuqi RF për të fuqizuar linakun RFQ.Për më tepër, ai kufizohet nga kërkesat e cilësisë së faqes.Bazuar në këto ekuilibra, frekuenca rezonante (100 MHz) dhe rrezja e hapjes (4.5 mm) u zgjodhën për përshpejtimin e rrezes me rrymë të lartë.Modulimi është zgjedhur për të minimizuar humbjen e rrezes dhe për të maksimizuar efikasitetin e përshpejtimit.Dizajni është optimizuar shumë herë për të prodhuar një dizajn linac RFQ që mund të përshpejtojë jonet 7Li3+ në 40 mA nga 22 keV/n në 204 keV/n brenda 2 m.Fuqia RF e matur gjatë eksperimentit ishte 77 kW.
Linacët RFQ mund të përshpejtojnë jonet me një gamë specifike Q/A.Prandaj, kur analizohet një rreze e ushqyer në fund të një përshpejtuesi linear, është e nevojshme të merren parasysh izotopet dhe substancat e tjera.Për më tepër, jonet e dëshiruara, pjesërisht të përshpejtuara, por të zbritura në kushte nxitimi në mes të përshpejtuesit, mund të përballen ende me kufizimin anësor dhe mund të transportohen deri në fund.Rrezet e padëshiruara, përveç grimcave të projektuara 7Li3+ quhen papastërti.Në eksperimentet tona, papastërtitë 14N6+ dhe 16O7+ ishin shqetësimi më i madh, pasi petë metalike e litiumit reagon me oksigjenin dhe azotin në ajër.Këta jone kanë një raport Q/A që mund të përshpejtohet me 7Li3+.Ne përdorim magnet dipole për të ndarë trarët me cilësi dhe cilësi të ndryshme për analizën e rrezeve pas linacit RFQ.
Linja e rrezes pas linacit RFQ është projektuar për të dhënë rrezen 7Li3+ plotësisht të përshpejtuar në FC pas magnetit dipol.-Elektrodat e paragjykimit 400 V përdoren për të shtypur elektronet dytësore në kupë për të matur me saktësi rrymën e rrezes jonike.Me këtë optikë, trajektoret e joneve ndahen në dipole dhe fokusohen në vende të ndryshme në varësi të Q/A.Për shkak të faktorëve të ndryshëm si difuzioni i momentit dhe zmbrapsja e ngarkesës hapësinore, rrezja në fokus ka një gjerësi të caktuar.Llojet mund të ndahen vetëm nëse distanca midis pozicioneve fokale të dy specieve jonike është më e madhe se gjerësia e rrezes.Për të marrë rezolucionin më të lartë të mundshëm, një çarje horizontale është instaluar pranë belit të rrezes, ku trau është praktikisht i përqendruar.Një ekran shintilimi (CsI(Tl) nga Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) u instalua midis çarjes dhe PC-së.Scintilatori u përdor për të përcaktuar çarjen më të vogël nëpër të cilën duhej të kalonin grimcat e projektuara për rezolucion optimal dhe për të demonstruar madhësi të pranueshme të rrezeve për rrezet e joneve të rënda me rrymë të lartë.Imazhi i rrezes në shintilator regjistrohet nga një kamerë CCD përmes një dritareje vakumi.Rregulloni dritaren e kohës së ekspozimit për të mbuluar të gjithë gjerësinë e impulsit të rrezes.
Të dhënat e përdorura ose të analizuara në studimin aktual janë në dispozicion nga autorët përkatës me kërkesë të arsyeshme.
Manke, I. et al.Imazhe tre-dimensionale e fushave magnetike.Komuna kombëtare.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Mundësitë e studimit të burimeve kompakte të neutroneve në përshpejtuesit.fizikës.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Mikrotomografia e llogaritur e bazuar në neutron: Pliobates cataloniae dhe Barberapithecus huerzeleri si raste testimi.Po.J. Fizikë.antropologji.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).