Поставщики колтюбинговых труб из нержавеющей стали 304L 6,35 * 1 мм, Демонстрация интенсивного литиевого луча для генерации импульсных прямых нейтронов

Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Слайдеры, показывающие по три статьи на слайде.Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перемещения по слайдам или кнопки контроллера слайдов в конце для перемещения по каждому слайду.

В качестве альтернативы изучению ядерных реакторов многообещающим кандидатом может стать компактный нейтронный генератор с приводом от ускорителя и литий-ионным драйвером луча, поскольку он производит мало нежелательного излучения.Однако доставить интенсивный пучок ионов лития было сложно, а практическое применение таких устройств считалось невозможным.Наиболее острая проблема недостаточного потока ионов была решена применением схемы прямой плазменной имплантации.В этой схеме импульсная плазма высокой плотности, генерируемая лазерной абляцией фольги из металлического лития, эффективно инжектируется и ускоряется с помощью высокочастотного квадрупольного ускорителя (ускорителя RFQ).Мы достигли пикового тока пучка 35 мА, ускоренного до 1,43 МэВ, что на два порядка выше, чем могут обеспечить традиционные инжекторно-ускорительные системы.
В отличие от рентгеновских лучей или заряженных частиц, нейтроны обладают большой глубиной проникновения и уникальным взаимодействием с конденсированным веществом, что делает их чрезвычайно универсальными зондами для изучения свойств материалов1,2,3,4,5,6,7.В частности, методы рассеяния нейтронов широко используются для изучения состава, структуры и внутренних напряжений в конденсированных средах и могут предоставить подробную информацию о следовых соединениях в металлических сплавах, которые трудно обнаружить с помощью рентгеновской спектроскопии8.Этот метод считается мощным инструментом фундаментальной науки и используется производителями металлов и других материалов.Совсем недавно дифракция нейтронов стала использоваться для обнаружения остаточных напряжений в механических компонентах, таких как детали железных дорог и самолетов9,10,11,12.Нейтроны также используются в нефтяных и газовых скважинах, поскольку они легко захватываются материалами, богатыми протонами13.Подобные методы также используются в гражданском строительстве.Неразрушающий нейтронный контроль — эффективный инструмент обнаружения скрытых неисправностей в зданиях, тоннелях и мостах.Использование нейтронных пучков активно применяется в научных исследованиях и промышленности, многие из которых исторически разрабатывались с использованием ядерных реакторов.
Однако, учитывая глобальный консенсус по вопросам нераспространения ядерного оружия, строительство небольших реакторов для исследовательских целей становится все более трудным.Более того, недавняя авария на Фукусиме сделала строительство ядерных реакторов почти социально приемлемым.В связи с этой тенденцией растет спрос на источники нейтронов на ускорителях2.В качестве альтернативы ядерным реакторам уже эксплуатируются несколько крупных источников нейтронов, расщепляющихся на ускорителях14,15.Однако для более эффективного использования свойств нейтронных пучков необходимо расширить использование компактных источников на ускорителях 16, которые могут принадлежать промышленным и университетским научно-исследовательским учреждениям.Ускорительные источники нейтронов добавили новые возможности и функции в дополнение к тому, что они служат заменой ядерным реакторам14.Например, генератор на линейном ускорителе может легко создать поток нейтронов, манипулируя лучом возбуждения.После испускания нейтронов трудно контролировать, а измерения радиации трудно анализировать из-за шума, создаваемого фоновыми нейтронами.Импульсные нейтроны, управляемые ускорителем, позволяют избежать этой проблемы.Во всем мире было предложено несколько проектов, основанных на технологии протонных ускорителей17,18,19.Реакции 7Li(p, n)7Be и 9Be(p, n)9B чаще всего используются в компактных протонных генераторах нейтронов, поскольку они являются эндотермическими реакциями20.Избыточное излучение и радиоактивные отходы можно свести к минимуму, если энергия, выбранная для возбуждения пучка протонов, немного превышает пороговое значение.Однако масса ядра-мишени гораздо больше, чем у протонов, и образующиеся нейтроны разлетаются во все стороны.Столь близкая к изотропной эмиссия нейтронного потока препятствует эффективной транспортировке нейтронов к объекту исследования.Кроме того, для получения необходимой дозы нейтронов в месте нахождения объекта необходимо существенно увеличить как количество движущихся протонов, так и их энергию.В результате большие дозы гамма-лучей и нейтронов будут распространяться под большими углами, сводя на нет преимущества эндотермических реакций.Типичный компактный генератор нейтронов на основе протонов с ускорительным приводом имеет сильную радиационную защиту и является самой громоздкой частью системы.Необходимость увеличения энергии гонимых протонов обычно требует дополнительного увеличения размеров ускорительной установки.
Для преодоления общих недостатков традиционных компактных источников нейтронов на ускорителях была предложена инверсионно-кинематическая схема реакции21.В этой схеме в качестве направляющего пучка вместо протонного пучка используется более тяжелый литий-ионный пучок, нацеленный на богатые водородом материалы, такие как углеводородные пластики, гидриды, газообразный водород или водородная плазма.Рассматривались альтернативы, такие как пучки, управляемые ионами бериллия, однако бериллий является токсичным веществом, требующим особой осторожности при обращении.Поэтому литиевый пучок является наиболее подходящим для инверсионно-кинематических схем реакций.Поскольку импульс ядер лития больше, чем у протонов, центр масс ядерных столкновений постоянно движется вперед, и нейтроны также вылетают вперед.Эта функция значительно устраняет нежелательные гамма-лучи и излучение нейтронов под большим углом22.Сравнение обычного случая протонного двигателя и сценария обратной кинематики показано на рисунке 1.
Иллюстрация углов образования нейтронов для пучков протонов и лития (нарисовано в Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(а) Нейтроны могут быть выброшены в любом направлении в результате реакции из-за того, что движущиеся протоны сталкиваются с гораздо более тяжелыми атомами литиевой мишени.(б) И наоборот, если литий-ионный драйвер бомбардирует мишень, богатую водородом, нейтроны генерируются в узком конусе в прямом направлении из-за высокой скорости центра масс системы.
Однако существует лишь несколько инверсно-кинематических генераторов нейтронов из-за трудности создания необходимого потока тяжелых ионов с большим зарядом по сравнению с протонами.На всех этих установках используются источники отрицательных ионов распыления в сочетании с тандемными электростатическими ускорителями.Для повышения эффективности ускорения пучка были предложены другие типы источников ионов26.В любом случае доступный ток литий-ионного пучка ограничен 100 мкА.Было предложено использовать Li3+27 с силой тока 1 мА, но этот ток ионного пучка не был подтвержден этим методом.По интенсивности литиевые ускорители не могут конкурировать с ускорителями протонных пучков, пиковый ток протонов которых превышает 10 мА28.
Для практической реализации компактного нейтронного генератора на основе литий-ионного пучка выгодно генерировать высокоинтенсивный источник, полностью лишенный ионов.Ионы ускоряются и направляются электромагнитными силами, а более высокий уровень заряда приводит к более эффективному ускорению.Для литий-ионных излучателей требуются пиковые токи Li3+, превышающие 10 мА.
В этой работе мы демонстрируем ускорение пучков Li3+ с пиковыми токами до 35 мА, что сопоставимо с современными ускорителями протонов.Оригинальный луч ионов лития был создан с помощью лазерной абляции и схемы прямой плазменной имплантации (DPIS), первоначально разработанной для ускорения C6+.Специально разработанный радиочастотный квадрупольный линейный ускоритель (RFQ) был изготовлен с использованием четырехстержневой резонансной структуры.Мы проверили, что ускоряющий пучок имеет расчетную энергию пучка высокой чистоты.Как только луч Li3+ эффективно захватывается и ускоряется радиочастотным (РЧ) ускорителем, последующая секция линейного ускорителя (ускорителя) используется для обеспечения энергии, необходимой для генерации сильного потока нейтронов от мишени.
Ускорение высокопроизводительных ионов — хорошо зарекомендовавшая себя технология.Оставшейся задачей реализации нового высокоэффективного компактного генератора нейтронов является генерация большого количества полностью одетых ионов лития и формирование кластерной структуры, состоящей из серии ионных импульсов, синхронизированных с ВЧ-циклом в ускорителе.Результаты экспериментов, направленных на достижение этой цели, описаны в следующих трех подразделах: (1) генерация полностью лишенного литий-ионного пучка, (2) ускорение пучка с использованием специально разработанного линейного ускорителя RFQ и (3) ускорение анализа. луча, чтобы проверить его содержимое.В Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) мы построили экспериментальную установку, показанную на рисунке 2.
Обзор экспериментальной установки для ускоренного анализа литиевых пучков (иллюстрировано Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Справа налево лазерно-абляционная плазма генерируется в камере взаимодействия лазера с мишенью и доставляется в линейный ускоритель RFQ.При входе в ускоритель RFQ ионы отделяются от плазмы и вводятся в ускоритель RFQ посредством внезапного электрического поля, создаваемого разницей напряжений 52 кВ между экстракционным электродом и электродом RFQ в области дрейфа.Извлеченные ионы ускоряются с 22 кэВ/н до 204 кэВ/н с помощью RFQ-электродов длиной 2 метра.Трансформатор тока (ТТ), установленный на выходе линейного ускорителя RFQ, обеспечивает неразрушающее измерение тока ионного пучка.Луч фокусируется тремя квадрупольными магнитами и направляется на дипольный магнит, который отделяет и направляет пучок Li3+ в детектор.За щелью для регистрации ускоряющего пучка расположены выдвижной пластиковый сцинтиллятор и чашка Фарадея (ЧФ) со смещением до -400 В.
Для генерации полностью ионизованных ионов лития (Li3+) необходимо создать плазму с температурой выше третьей энергии ионизации (122,4 эВ).Мы попытались использовать лазерную абляцию для получения высокотемпературной плазмы.Этот тип лазерного источника ионов обычно не используется для генерации пучков ионов лития, поскольку металлический литий является химически активным и требует специального обращения.Мы разработали систему загрузки мишени, позволяющую минимизировать влажность и загрязнение воздуха при установке литиевой фольги в камеру вакуумного лазерного взаимодействия.Все приготовления материалов проводились в контролируемой среде сухого аргона.После установки литиевой фольги в камеру лазерной мишени фольгу облучали импульсным излучением Nd:YAG-лазера с энергией 800 мДж в импульсе.В фокусе на мишени плотность мощности лазера оценивается примерно в 1012 Вт/см2.Плазма создается, когда импульсный лазер уничтожает цель в вакууме.В течение всего лазерного импульса длительностью 6 нс плазма продолжает нагреваться, главным образом за счет процесса обратного тормозного излучения.Поскольку во время фазы нагрева не применяется удерживающее внешнее поле, плазма начинает расширяться в трех измерениях.Когда плазма начинает расширяться по поверхности мишени, центр масс плазмы приобретает скорость, перпендикулярную поверхности мишени, с энергией 600 эВ/н.После нагрева плазма продолжает двигаться в осевом направлении от мишени, расширяясь изотропно.
Как показано на рисунке 2, абляционная плазма расширяется в вакуумный объем, окруженный металлическим контейнером с тем же потенциалом, что и мишень.Таким образом, плазма дрейфует через свободную от поля область в сторону RFQ-ускорителя.Осевое магнитное поле прикладывается между камерой лазерного облучения и линейным ускорителем RFQ с помощью соленоидной катушки, намотанной вокруг вакуумной камеры.Магнитное поле соленоида подавляет радиальное расширение дрейфующей плазмы, чтобы поддерживать высокую плотность плазмы при доставке к апертуре RFQ.С другой стороны, во время дрейфа плазма продолжает расширяться в осевом направлении, образуя вытянутую плазму.Смещение высокого напряжения прикладывается к металлическому сосуду, содержащему плазму, перед выходным отверстием на входе RFQ.Напряжение смещения было выбрано таким образом, чтобы обеспечить необходимую скорость инжекции 7Li3+ для надлежащего ускорения линейным ускорителем RFQ.
Образующаяся абляционная плазма содержит не только 7Li3+, но также литий в других зарядовых состояниях и элементы-загрязнители, которые одновременно транспортируются в линейный ускоритель RFQ.Перед ускоренными экспериментами с использованием линейного ускорителя RFQ был проведен автономный времяпролетный анализ (TOF) для изучения состава и энергетического распределения ионов в плазме.Подробная аналитическая установка и наблюдаемые распределения заряда описаны в разделе «Методы».Анализ показал, что основными частицами являются ионы 7Li3+, на долю которых приходится около 54% ​​всех частиц, как показано на рис. 3. Согласно анализу ток ионов 7Li3+ в точке вывода ионного пучка оценивается в 1,87 мА.Во время ускоренных испытаний к расширяющейся плазме прикладывается поле соленоида мощностью 79 мТл.В результате ток 7Li3+, извлекаемый из плазмы и наблюдаемый на детекторе, увеличился в 30 раз.
Доли ионов в лазерно-генерируемой плазме, полученные методом времяпролетного анализа.Ионы 7Li1+ и 7Li2+ составляют 5% и 25% ионного пучка соответственно.Обнаруженная доля частиц 6Li в пределах погрешности эксперимента согласуется с естественным содержанием 6Li (7,6%) в мишени из литиевой фольги.Наблюдалось незначительное загрязнение кислородом (6,2%), в основном O1+ (2,1%) и O2+ (1,5%), что может быть связано с окислением поверхности мишени из литиевой фольги.
Как упоминалось ранее, литиевая плазма дрейфует в области без поля перед входом в линейный ускоритель RFQ.Вход линейного ускорителя RFQ имеет отверстие диаметром 6 мм в металлическом контейнере, напряжение смещения составляет 52 кВ.Хотя напряжение электрода RFQ быстро меняется на ±29 кВ при частоте 100 МГц, это напряжение вызывает осевое ускорение, поскольку электроды ускорителя RFQ имеют средний потенциал, равный нулю.Благодаря сильному электрическому полю, создаваемому в зазоре 10 мм между апертурой и краем RFQ-электрода, из плазмы у апертуры извлекаются только положительные ионы плазмы.В традиционных системах доставки ионов ионы отделяются от плазмы электрическим полем на значительном расстоянии перед ускорителем RFQ, а затем фокусируются в апертуру RFQ с помощью элемента фокусировки луча.Однако для интенсивных пучков тяжелых ионов, необходимых для интенсивного источника нейтронов, нелинейные силы отталкивания, возникающие из-за эффектов объемного заряда, могут привести к значительным потерям тока пучка в системе переноса ионов, ограничивая пиковый ток, который можно ускорить.В нашем DPIS ионы высокой интенсивности передаются в виде дрейфующей плазмы непосредственно к точке выхода апертуры RFQ, поэтому потери ионного пучка из-за пространственного заряда не происходит.Во время этой демонстрации DPIS впервые был применен к литий-ионному пучку.
Структура RFQ была разработана для фокусировки и ускорения низкоэнергетических сильноточных ионных пучков и стала стандартом для ускорения первого порядка.Мы использовали RFQ для ускорения ионов 7Li3+ от энергии имплантата 22 кэВ/н до 204 кэВ/н.Хотя литий и другие частицы с меньшим зарядом в плазме также извлекаются из плазмы и вводятся в апертуру RFQ, линейный ускоритель RFQ ускоряет только ионы с отношением заряда к массе (Q/A), близким к 7Li3+.
На рис.На рис. 4 показаны формы сигналов, обнаруженные трансформатором тока (ТТ) на выходе линейного ускорителя RFQ и чаши Фарадея (FC) после анализа магнита, как показано на рис.2. Временной сдвиг между сигналами можно интерпретировать как разницу во времени пролета в месте расположения детектора.Пиковый ионный ток, измеренный на КТ, составил 43 мА.В положении RT регистрируемый пучок может содержать не только ионы, ускоренные до расчетной энергии, но и ионы, отличные от 7Li3+, которые недостаточно ускорены.Однако сходство форм ионного тока, обнаруженных с помощью КТ и ПК, указывает на то, что ионный ток в основном состоит из ускоренного 7Li3+, а уменьшение пикового значения тока на ПК обусловлено потерями пучка при переносе ионов между КТ и ПК. ПК.Потери Это также подтверждается моделированием конверта.Для точного измерения тока пучка 7Li3+ пучок анализируется с помощью дипольного магнита, как описано в следующем разделе.
Осциллограммы ускоренного пучка, записанные в положениях детектора CT (черная кривая) и FC (красная кривая).Эти измерения инициируются регистрацией лазерного излучения фотодетектором во время генерации лазерной плазмы.Черная кривая показывает форму сигнала, измеренную на трансформаторе тока, подключенном к выходу линейного ускорителя RFQ.Из-за близости к линейному ускорителю RFQ детектор улавливает радиочастотный шум частотой 100 МГц, поэтому для удаления резонансного радиочастотного сигнала частотой 100 МГц, наложенного на сигнал обнаружения, был применен фильтр нижних частот БПФ 98 МГц.Красная кривая показывает форму сигнала на FC после направления аналитическим магнитом пучка ионов 7Li3+.В этом магнитном поле, кроме 7Li3+, могут транспортироваться N6+ и O7+.
Ионный пучок после линейного ускорителя RFQ фокусируется серией из трех квадрупольных фокусирующих магнитов, а затем анализируется дипольными магнитами для изоляции примесей в ионном пучке.Магнитное поле напряженностью 0,268 Тл направляет пучки 7Li3+ в ТЭ.Форма волны обнаружения этого магнитного поля показана красной кривой на рисунке 4. Пиковый ток пучка достигает 35 мА, что более чем в 100 раз выше, чем типичный луч Li3+, создаваемый в существующих традиционных электростатических ускорителях.Ширина импульса луча составляет 2,0 мкс на полной ширине на половине максимума.Обнаружение пучка 7Li3+ в дипольном магнитном поле указывает на успешную группировку и ускорение пучка.Ток ионного пучка, регистрируемый ФЭ при сканировании магнитного поля диполя, показан на рис. 5. Наблюдался чистый одиночный пик, хорошо отделенный от других пиков.Поскольку все ионы, ускоренные с помощью линейного ускорителя RFQ до расчетной энергии, имеют одинаковую скорость, пучки ионов с одинаковым Q/A трудно разделить дипольными магнитными полями.Поэтому мы не можем отличить 7Li3+ от N6+ или O7+.Однако количество примесей можно оценить по соседним зарядовым состояниям.Например, N7+ и N5+ можно легко разделить, тогда как N6+ может быть частью примеси и, как ожидается, будет присутствовать примерно в том же количестве, что и N7+ и N5+.Предполагаемый уровень загрязнения составляет около 2%.
Спектры компонентов пучка, полученные при сканировании дипольного магнитного поля.Пик при 0,268 Тл соответствует 7Li3+ и N6+.Ширина пика зависит от размера луча на щели.Несмотря на широкие пики, 7Li3+ хорошо отделяется от 6Li3+, O6+ и N5+, но плохо отделяется от O7+ и N6+.
В месте расположения ФЭ профиль луча был подтвержден с помощью подключаемого сцинтиллятора и записан быстрой цифровой камерой, как показано на рисунке 6. Показано, что импульсный пучок 7Li3+ с током 35 мА ускоряется до расчетного RFQ. энергия 204 кэВ/н, что соответствует 1,4 МэВ, и передается на FC-детектор.
Профиль луча, наблюдаемый на экране сцинтиллятора до FC (в цвете Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Магнитное поле аналитического дипольного магнита было настроено на направление ускорения пучка ионов Li3+ до расчетной энергии RFQ.Синие точки в зеленой области вызваны дефектом материала сцинтиллятора.
Мы добились генерации ионов 7Li3+ путем лазерной абляции поверхности твердой литиевой фольги, а сильноточный пучок ионов был захвачен и ускорен с помощью специально разработанного линейного ускорителя RFQ с использованием DPIS.При энергии пучка 1,4 МэВ пиковый ток 7Li3+, достигнутый на ТЭ после анализа магнита, составил 35 мА.Это подтверждает, что важнейшая часть реализации источника нейтронов с инверсной кинематикой реализована экспериментально.В этой части статьи будет обсуждаться вся конструкция компактного источника нейтронов, включая ускорители высоких энергий и нейтронные мишенные станции.Конструкция основана на результатах, полученных с использованием существующих систем в нашей лаборатории.Следует отметить, что пиковый ток ионного пучка можно дополнительно увеличить за счет сокращения расстояния между литиевой фольгой и линейным ускорителем RFQ.Рис.7 иллюстрирует всю концепцию предлагаемого компактного источника нейтронов на ускорителе.
Концептуальный проект предлагаемого компактного источника нейтронов на ускорителе (рисовано Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Справа налево: лазерный источник ионов, соленоидный магнит, линейный ускоритель RFQ, перенос пучка средней энергии (MEBT), линейный ускоритель IH и камера взаимодействия для генерации нейтронов.Радиационная защита обеспечивается преимущественно в прямом направлении из-за узконаправленного характера образующихся нейтронных пучков.
После запроса цен на линейный ускоритель планируется дальнейшее ускорение линейного ускорителя с межцифровой H-структурой (IH linac)30.В линейных ускорителях IH используется структура дрейфовой трубки с π-режимом для обеспечения высоких градиентов электрического поля в определенном диапазоне скоростей.Концептуальное исследование было проведено на основе 1D моделирования продольной динамики и 3D моделирования оболочки.Расчеты показывают, что линейный ускоритель IH с частотой 100 МГц при приемлемом напряжении дрейфовой трубки (менее 450 кВ) и сильном фокусирующем магните может ускорить пучок с током 40 мА с 1,4 до 14 МэВ на расстоянии 1,8 м.Распределение энергии в конце ускорительной цепочки оценивается в ±0,4 МэВ, что не оказывает существенного влияния на энергетический спектр нейтронов, образуемых мишенью нейтронной конверсии.Кроме того, излучательная способность луча достаточно низка, чтобы сфокусировать луч в пятно меньшего размера, чем обычно требуется для квадрупольного магнита средней силы и размера.При передаче луча средней энергии (MEBT) между линейным ускорителем RFQ и линейным ускорителем IH резонатор формирования луча используется для поддержания структуры формирования луча.Для управления размером бокового луча используются три квадрупольных магнита.Эта стратегия проектирования использовалась во многих ускорителях31,32,33.Общая длина всей системы от источника ионов до мишенной камеры оценивается менее 8 м, что позволяет уместить ее в стандартном полуприцепе.
Мишень конверсии нейтронов будет установлена ​​непосредственно после линейного ускорителя.Мы обсуждаем конструкции целевой станции на основе предыдущих исследований с использованием инверсных кинематических сценариев23.Сообщаемые цели конверсии включают твердые материалы (полипропилен (C3H6) и гидрид титана (TiH2)) и газообразные целевые системы.У каждой цели есть преимущества и недостатки.Твердые мишени позволяют точно контролировать толщину.Чем тоньше мишень, тем точнее пространственная организация образования нейтронов.Однако такие цели все же могут иметь некоторую степень нежелательных ядерных реакций и радиации.С другой стороны, водородная мишень может обеспечить более чистую окружающую среду, исключив образование 7Be, основного продукта ядерной реакции.Однако водород обладает слабой барьерной способностью и требует большого физического расстояния для выделения достаточной энергии.Это немного невыгодно для измерений TOF.Кроме того, если для герметизации водородной мишени используется тонкая пленка, необходимо учитывать потери энергии гамма-лучей, генерируемых тонкой пленкой и падающим пучком лития.
LICORNE использует полипропиленовые мишени, а мишенная система была модернизирована до водородных ячеек, запечатанных танталовой фольгой.Если предположить, что ток пучка для 7Li34 равен 100 нА, обе мишенные системы могут производить до 107 н/с/ср.Если мы применим заявленное преобразование выхода нейтронов к предлагаемому нами источнику нейтронов, то для каждого лазерного импульса можно получить литий-пучок с энергией 7 × 10–8 Кл.Это означает, что запуск лазера всего два раза в секунду производит на 40% больше нейтронов, чем LICORNE может произвести за одну секунду при непрерывном луче.Общий поток можно легко увеличить за счет увеличения частоты возбуждения лазера.Если предположить, что на рынке имеется лазерная система с частотой 1 кГц, средний поток нейтронов можно легко увеличить примерно до 7 × 109 н/с/ср.
При использовании высокочастотных систем с пластиковыми мишенями необходимо контролировать тепловыделение на мишенях, поскольку, например, полипропилен имеет низкую температуру плавления 145–175 °С и низкую теплопроводность 0,1–0,22 Вт/ч. м/к.Для литий-ионного пучка с энергией 14 МэВ достаточно полипропиленовой мишени толщиной 7 мкм, чтобы снизить энергию пучка до порога реакции (13,098 МэВ).С учетом суммарного воздействия на мишень ионов, генерируемых одним лазерным выстрелом, энерговыделение ионов лития через полипропилен оценивается в 64 мДж/импульс.Если предположить, что вся энергия передается по кругу диаметром 10 мм, то каждый импульс соответствует повышению температуры примерно на 18 К/импульс.Выделение энергии на полипропиленовых мишенях основано на простом предположении, что все потери энергии сохраняются в виде тепла, без излучения или других тепловых потерь.Поскольку увеличение количества импульсов в секунду требует устранения тепловыделения, мы можем использовать полосовые мишени, чтобы избежать выделения энергии в той же точке23.Если предположить, что пятно луча диаметром 10 мм находится на мишени с частотой повторения лазера 100 Гц, скорость сканирования полипропиленовой ленты составит 1 м/с.Более высокие частоты повторения возможны, если разрешено перекрытие пятен луча.
Мы также исследовали цели с водородными батареями, поскольку можно было использовать более сильные лучи привода, не повреждая цель.Нейтронный пучок можно легко настроить, изменяя длину газовой камеры и давление водорода внутри.Тонкая металлическая фольга часто используется в ускорителях для отделения газовой области мишени от вакуума.Поэтому необходимо увеличивать энергию падающего литий-ионного пучка, чтобы компенсировать потери энергии на фольге.Мишенная сборка, описанная в отчете 35, представляла собой алюминиевый контейнер длиной 3,5 см с давлением газа H2 1,5 атм.Пучок ионов лития с энергией 16,75 МэВ попадает в батарею через та-фольгу толщиной 2,7 мкм с воздушным охлаждением, а энергия пучка ионов лития на конце батареи замедляется до порога реакции.Для увеличения энергии пучка литий-ионных батарей с 14,0 МэВ до 16,75 МэВ пришлось удлинить линейный ускоритель ИГ примерно на 30 см.
Также изучалось излучение нейтронов из мишеней газовых ячеек.Для вышеупомянутых газовых мишеней LICORNE моделирование GEANT436 показывает, что внутри конуса генерируются высокоориентированные нейтроны, как показано на рисунке 1 в [37].В ссылке 35 показан диапазон энергий от 0,7 до 3,0 МэВ с максимальным раскрытием конуса 19,5° относительно направления распространения главного луча.Высокоориентированные нейтроны позволяют значительно уменьшить количество защитного материала под большинством углов, уменьшая вес конструкции и обеспечивая большую гибкость при установке измерительного оборудования.С точки зрения радиационной защиты, помимо нейтронов, эта газовая мишень излучает гамма-лучи с энергией 478 кэВ изотропно в центроидной системе координат38.Эти γ-кванты рождаются в результате распада 7Be и девозбуждения 7Li, которое происходит при попадании первичного пучка Li во входное окно Ta.Однако, добавив толстый цилиндрический коллиматор из 35 Pb/Cu, фон можно существенно уменьшить.
В качестве альтернативной мишени можно использовать плазменное окно [39, 40], позволяющее достичь относительно высокого давления водорода и малой пространственной области генерации нейтронов, хотя и уступающее твердым мишеням.
Мы изучаем варианты таргетинга нейтронной конверсии для ожидаемого распределения энергии и размера пучка ионов лития с использованием GEANT4.Наше моделирование показывает согласованное распределение энергии нейтронов и угловых распределений для водородных мишеней в приведенной выше литературе.В любой системе мишеней высокоориентированные нейтроны могут быть получены в результате обратной кинематической реакции, возбуждаемой сильным пучком 7Li3+ на мишени, богатой водородом.Следовательно, новые источники нейтронов могут быть реализованы путем объединения уже существующих технологий.
Условия лазерного облучения воспроизводили эксперименты по генерации ионного пучка до ускоренной демонстрации.Лазер представляет собой настольную наносекундную систему Nd:YAG с плотностью мощности лазера 1012 Вт/см2, основной длиной волны 1064 нм, энергией пятна 800 мДж и длительностью импульса 6 нс.Диаметр пятна на мишени оценивается в 100 мкм.Поскольку металлический литий (Alfa Aesar, чистота 99,9%) довольно мягкий, в форму прессуется точно нарезанный материал.Размеры фольги 25×25 мм, толщина 0,6 мм.Повреждения в виде кратера возникают на поверхности цели при попадании в нее лазера, поэтому цель перемещается с помощью моторизованной платформы, чтобы обеспечить свежий участок поверхности цели при каждом лазерном выстреле.Во избежание рекомбинации из-за остаточного газа давление в камере поддерживалось ниже 10-4 Па.
Начальный объем лазерной плазмы невелик, так как размер лазерного пятна составляет 100 мкм и в течение 6 нс после его генерации.Объем можно принять за точную точку и расширить.Если детектор расположен на расстоянии xm от поверхности мишени, то принимаемый сигнал подчиняется соотношению: ток ионов I, время прибытия ионов t и ширина импульса τ.
Генерируемая плазма изучалась времяпролетным методом с использованием ФК и анализатора энергетических ионов (ИЭА), расположенных на расстоянии 2,4 м и 3,85 м от лазерной мишени.ПЧ имеет супрессорную сетку, смещенную на -5 кВ для предотвращения попадания электронов.EIA имеет электростатический дефлектор на 90 градусов, состоящий из двух коаксиальных металлических цилиндрических электродов с одинаковым напряжением, но противоположной полярностью: положительным снаружи и отрицательным внутри.Расширяющаяся плазма направляется в дефлектор за щелью и отклоняется электрическим полем, проходящим через цилиндр.Ионы, удовлетворяющие соотношению E/z = eKU, обнаруживаются с помощью вторичного электронного умножителя (SEM) (Hamamatsu R2362), где E, z, e, K и U — энергия иона, состояние заряда, а заряд — геометрические факторы EIA. .электроны соответственно и разность потенциалов между электродами.Изменяя напряжение на дефлекторе, можно получить распределение энергии и заряда ионов в плазме.Напряжение развертки U/2 EIA находится в диапазоне от 0,2 В до 800 В, что соответствует энергии ионов в диапазоне от 4 эВ до 16 кэВ на одно зарядовое состояние.
Распределения зарядового состояния анализируемых ионов в условиях лазерного облучения, описанных в разделе «Генерация полностью обдетых литиевых пучков», показаны на рис.8.
Анализ распределения зарядового состояния ионов.Вот временной профиль плотности ионного тока, проанализированный с помощью EIA и масштабированный на расстоянии 1 м от литиевой фольги с использованием уравнения.(1) и (2).Используйте условия лазерного облучения, описанные в разделе «Генерация полностью расслоенного литиевого луча».Путем интегрирования каждой плотности тока была рассчитана доля ионов в плазме, как показано на рисунке 3.
Лазерные источники ионов могут создавать интенсивный многоамперный ионный пучок с высоким зарядом.Однако доставка луча очень затруднена из-за отталкивания объемного заряда, поэтому он не получил широкого распространения.В традиционной схеме пучки ионов извлекаются из плазмы и транспортируются к первичному ускорителю по лучевой линии с несколькими фокусирующими магнитами для формирования пучка ионов в соответствии с возможностями захвата ускорителя.В пучках сил пространственного заряда пучки расходятся нелинейно и наблюдаются серьезные потери пучка, особенно в области малых скоростей.Для преодоления этой проблемы при разработке медицинских углеродных ускорителей предлагается новая схема доставки пучка DPIS41.Мы применили эту технику для ускорения мощного литий-ионного пучка из нового источника нейтронов.
Как показано на рис.4, пространство, в котором генерируется и расширяется плазма, окружено металлическим контейнером.Закрытое пространство простирается до входа в резонатор RFQ, включая объем внутри соленоидной катушки.На контейнер подавалось напряжение 52 кВ.В резонаторе RFQ ионы под действием потенциала вытягиваются через отверстие диаметром 6 мм при заземлении RFQ.Нелинейные силы отталкивания на линии пучка устраняются, поскольку ионы транспортируются в плазменном состоянии.Кроме того, как упоминалось выше, мы применили соленоидное поле в сочетании с DPIS для контроля и увеличения плотности ионов в экстракционном отверстии.
Ускоритель RFQ состоит из цилиндрической вакуумной камеры, как показано на рис.9а.Внутри него квадрупольно симметрично вокруг оси пучка размещены четыре стержня из бескислородной меди (рис. 9б).4 стержня и камеры образуют резонансный ВЧ контур.Индуцированное радиочастотное поле создает на стержне изменяющееся во времени напряжение.Ионы, имплантированные продольно вокруг оси, удерживаются латерально квадрупольным полем.В то же время кончик стержня модулируется для создания осевого электрического поля.Осевое поле расщепляет введенный непрерывный луч на серию импульсов луча, называемых лучом.Каждый луч удерживается в течение определенного времени радиочастотного цикла (10 нс).Соседние лучи разнесены в соответствии с периодом радиочастоты.В линейном ускорителе RFQ луч лазерного источника ионов длительностью 2 мкс преобразуется в последовательность из 200 лучей.Затем луч ускоряется до расчетной энергии.
Запрос предложений на линейный ускоритель.(а) (слева) Внешний вид камеры линейного ускорителя RFQ.(б) (справа) Четырехстержневой электрод в камере.
Основными параметрами конструкции линейного ускорителя RFQ являются напряжение на стержне, резонансная частота, радиус отверстия для пучка и модуляция электрода.Напряжение на стержне выбирают ±29 кВ так, чтобы его электрическое поле было ниже порога электрического пробоя.Чем ниже резонансная частота, тем больше боковая фокусирующая сила и тем меньше среднее поле ускорений.Большие радиусы апертуры позволяют увеличить размер пучка и, следовательно, увеличить ток пучка за счет меньшего отталкивания объемного заряда.С другой стороны, больший радиус апертуры требует большей радиочастотной мощности для питания линейного ускорителя RFQ.Кроме того, оно ограничено требованиями к качеству сайта.На основе этих балансов были выбраны резонансная частота (100 МГц) и радиус апертуры (4,5 мм) для сильноточного ускорения пучка.Модуляция выбрана таким образом, чтобы минимизировать потери луча и максимизировать эффективность ускорения.Конструкция неоднократно оптимизировалась для создания линейного ускорителя RFQ, который может ускорять ионы 7Li3+ при токе 40 мА от 22 кэВ/н до 204 кэВ/н на расстоянии 2 м.Измеренная в ходе эксперимента ВЧ-мощность составила 77 кВт.
Линейные ускорители RFQ могут ускорять ионы в определенном диапазоне Q/A.Поэтому при анализе пучка, поступающего на конец линейного ускорителя, необходимо учитывать изотопы и другие вещества.Кроме того, желаемые ионы, частично ускоренные, но спустившиеся в условиях ускорения в середину ускорителя, все еще могут встречать боковое удержание и транспортироваться до конца.Нежелательные лучи, отличные от искусственных частиц 7Li3+, называются примесями.В наших экспериментах наибольшую опасность представляли примеси 14N6+ и 16O7+, поскольку металлическая литиевая фольга реагирует с кислородом и азотом воздуха.Эти ионы имеют соотношение Q/A, которое можно ускорить с помощью 7Li3+.Мы используем дипольные магниты для разделения лучей различного качества и качества для анализа луча после линейного ускорителя запроса цен.
Линия луча после линейного ускорителя RFQ предназначена для доставки полностью ускоренного пучка 7Li3+ к ФК после дипольного магнита.Электроды смещения -400 В используются для подавления вторичных электронов в чашке для точного измерения тока ионного пучка.В этой оптике траектории ионов разделяются на диполи и фокусируются в разных местах в зависимости от Q/A.Из-за различных факторов, таких как диффузия импульса и отталкивание пространственного заряда, луч в фокусе имеет определенную ширину.Виды можно разделить только в том случае, если расстояние между фокальными положениями двух видов ионов больше ширины луча.Для получения максимально возможного разрешения возле перетяжки пучка устанавливается горизонтальная щель, где луч практически концентрируется.Между щелью и ПК устанавливался сцинтилляционный экран (CsI(Tl) от Saint-Gobain, 40×40×3 мм).Сцинтиллятор использовался для определения наименьшей щели, через которую должны были пройти спроектированные частицы для достижения оптимального разрешения, и для демонстрации приемлемых размеров пучков для сильноточных пучков тяжелых ионов.Изображение луча на сцинтилляторе регистрируется ПЗС-камерой через вакуумное окно.Отрегулируйте окно времени экспозиции, чтобы охватить всю ширину импульса луча.
Наборы данных, использованные или проанализированные в текущем исследовании, можно получить у соответствующих авторов по обоснованному запросу.
Манке И. и др.Трехмерное изображение магнитных доменов.Национальная коммуна.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Андерсон, И.С. и др.Возможности исследования компактных источников нейтронов на ускорителях.физика.Реп. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Урчуоли А. и др.Нейтронная компьютерная микротомография: Pliobates cataloniae и Barberapithecus huerzeleri в качестве тестовых примеров.Да.Дж. Физика.антропология.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).