304L 6,35*1мм тот баспайтын болаттан жасалған ширатылған түтік жеткізушілері, импульстік тікелей нейтрондарды генерациялауға арналған қарқынды литий сәулесін көрсету

Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз шектеулі CSS қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Оған қоса, тұрақты қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Әр слайдта үш мақаланы көрсететін слайдерлер.Слайдтар арқылы жылжу үшін артқа және келесі түймелерді немесе әр слайд бойынша жылжу үшін соңында слайд контроллері түймелерін пайдаланыңыз.

Ядролық реакторларды зерттеуге балама ретінде литий-ионды сәуленің драйверін пайдаланатын ықшам үдеткішпен басқарылатын нейтрондық генератор перспективалы үміткер болуы мүмкін, өйткені ол қажетсіз сәулеленуді аз шығарады.Дегенмен, литий иондарының қарқынды сәулесін жеткізу қиын болды және мұндай құрылғыларды іс жүзінде қолдану мүмкін емес деп саналды.Иондық ағынның жеткіліксіздігінің ең өткір мәселесі тікелей плазмалық имплантация схемасын қолдану арқылы шешілді.Бұл схемада литий металды фольганың лазерлік абляциясы арқылы жасалған жоғары тығыздықтағы импульстік плазма жоғары жиілікті төрт полюсті үдеткіш (RFQ үдеткіш) арқылы тиімді түрде енгізіледі және жеделдетіледі.Біз 1,43 МэВ-қа дейін жеделдетілген 35 мА ең жоғары сәулелік токқа қол жеткіздік, бұл әдеттегі инжекторлық және үдеткіш жүйелер қамтамасыз ете алатындан екі рет жоғары.
Рентген сәулелерінен немесе зарядталған бөлшектерден айырмашылығы, нейтрондардың үлкен ену тереңдігі және конденсацияланған заттармен ерекше әрекеттесуі бар, бұл оларды материалдардың қасиеттерін зерттеуге арналған өте жан-жақты зондтарға айналдырады1,2,3,4,5,6,7.Атап айтқанда, конденсацияланған заттардың құрамын, құрылымын және ішкі кернеулерін зерттеу үшін нейтронды шашырау әдістері әдетте қолданылады және рентгендік спектроскопияны қолдану арқылы анықтау қиын болатын металл қорытпаларындағы микроэлементтік қосылыстар туралы толық ақпарат бере алады8.Бұл әдіс іргелі ғылымда қуатты құрал болып саналады және оны металдар мен басқа да материалдарды өндірушілер пайдаланады.Жақында нейтрондық дифракция теміржол және ұшақ бөліктері сияқты механикалық компоненттердегі қалдық кернеулерді анықтау үшін қолданылды9,10,11,12.Нейтрондар мұнай және газ ұңғымаларында да қолданылады, өйткені оларды протонға бай материалдар оңай ұстайды13.Осындай әдістер құрылыс құрылысында да қолданылады.Бұзбайтын нейтронды сынау ғимараттардағы, туннельдердегі және көпірлердегі жасырын ақауларды анықтаудың тиімді құралы болып табылады.Нейтрондық сәулелерді пайдалану ғылыми зерттеулер мен өнеркәсіпте белсенді түрде қолданылады, олардың көпшілігі тарихи түрде ядролық реакторларды қолдану арқылы әзірленген.
Дегенмен, ядролық қаруды таратпау жөніндегі жаһандық консенсус жағдайында зерттеу мақсатында шағын реакторлар салу қиындай түсуде.Оның үстіне, жақында болған Фукусима апаты ядролық реакторларды салуды қоғам үшін қолайлы етті.Осы тенденцияға байланысты үдеткіштердегі нейтрон көздеріне сұраныс өсуде2.Ядролық реакторларға балама ретінде бірнеше ірі үдеткіш-бөлгіш нейтрон көздері жұмыс істеп тұр14,15.Дегенмен, нейтрондық сәулелердің қасиеттерін тиімдірек пайдалану үшін өнеркәсіптік және университеттік ғылыми мекемелерге тиесілі болуы мүмкін 16 үдеткіштердегі жинақы көздерді пайдалануды кеңейту қажет.Үдеткіш нейтрон көздері ядролық реакторларды алмастыру ретінде қызмет етуден басқа жаңа мүмкіндіктер мен функцияларды қосты14.Мысалы, линакпен басқарылатын генератор жетек сәулесін басқару арқылы нейтрондар ағынын оңай жасай алады.Шығарылғаннан кейін нейтрондарды бақылау қиын, ал фондық нейтрондар тудыратын шуға байланысты радиациялық өлшемдерді талдау қиын.Үдеткішпен басқарылатын импульстік нейтрондар бұл мәселені болдырмайды.Дүние жүзінде протонды үдеткіш технологиясына негізделген бірнеше жобалар ұсынылды17,18,19.7Li(p, n)7Be және 9Be(p, n)9B реакциялары протонмен басқарылатын ықшам нейтрондық генераторларда жиі қолданылады, өйткені олар эндотермиялық реакциялар20.Протон сәулесін қоздыру үшін таңдалған энергия шекті мәннен сәл жоғары болса, артық радиация мен радиоактивті қалдықтарды азайтуға болады.Дегенмен, нысана ядросының массасы протондарға қарағанда әлдеқайда үлкен, нәтижесінде пайда болған нейтрондар барлық бағытта шашыраңқы болады.Нейтрон ағынының осындай изотропты эмиссияға жақын болуы нейтрондардың зерттеу объектісіне тиімді тасымалдануын болдырмайды.Сонымен қатар, объект орналасқан жерде нейтрондардың қажетті дозасын алу үшін қозғалатын протондардың санын да, олардың энергиясын да айтарлықтай арттыру қажет.Нәтижесінде гамма сәулелері мен нейтрондардың үлкен дозалары үлкен бұрыштар арқылы таралып, эндотермиялық реакциялардың артықшылығын жояды.Әдеттегі үдеткішпен басқарылатын ықшам протон негізіндегі нейтрондық генератор күшті радиациялық қорғанысқа ие және жүйенің ең үлкен бөлігі болып табылады.Қозғалтқыш протондардың энергиясын арттыру қажеттілігі әдетте үдеткіш қондырғысының көлемін қосымша ұлғайтуды талап етеді.
Үдеткіштердегі кәдімгі жинақы нейтрон көздерінің жалпы кемшіліктерін жою үшін инверсия-кинематикалық реакция схемасы ұсынылды21.Бұл схемада көмірсутекті пластмассалар, гидридтер, сутегі газы немесе сутегі плазмасы сияқты сутегіге бай материалдарға бағытталған протондық сәуленің орнына бағыттаушы сәуле ретінде ауыр литий-ионды сәуле қолданылады.Бериллий иондарымен басқарылатын арқалықтар сияқты баламалар қарастырылды, дегенмен бериллий өңдеу кезінде ерекше күтімді қажет ететін улы зат болып табылады.Сондықтан литий шоғы инверсия-кинематикалық реакция схемалары үшін ең қолайлы болып табылады.Литий ядроларының импульсі протондардан үлкен болғандықтан, ядролық соқтығыстардың массалар центрі үнемі алға жылжиды, ал нейтрондар да алға шығады.Бұл мүмкіндік қажетсіз гамма-сәулелерді және жоғары бұрышты нейтрондық эмиссияларды22 айтарлықтай жояды.Протон қозғалтқышының әдеттегі жағдайын және кері кинематикалық сценарийді салыстыру 1-суретте көрсетілген.
Протон және литий сәулелері үшін нейтронды өндіру бұрыштарының иллюстрациясы (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html көмегімен сызылған).(а) Қозғалыстағы протондар литий нысанасының әлдеқайда ауыр атомдарына соқтығысатындықтан, реакция нәтижесінде нейтрондар кез келген бағытта лақтырылуы мүмкін.(b) Керісінше, егер литий-ионды драйвер сутегіге бай нысананы бомбаласа, жүйенің масса центрінің жоғары жылдамдығына байланысты нейтрондар алға бағытта тар конуста пайда болады.
Дегенмен, протондармен салыстырғанда жоғары зарядты ауыр иондардың қажетті ағынын генерациялаудың қиындығына байланысты тек бірнеше кері кинематикалық нейтрондық генераторлар бар.Бұл қондырғылардың барлығы электростатикалық үдеткіштермен бірге теріс шашыратқыш ион көздерін пайдаланады.Сәулелік жеделдету тиімділігін арттыру үшін ион көздерінің басқа түрлері ұсынылды26.Кез келген жағдайда қол жетімді литий-ионды сәулелік ток 100 мкА-мен шектеледі.1 мА Li3+27 пайдалану ұсынылды, бірақ бұл иондық сәулелік ток бұл әдіспен расталмады.Қарқындылық бойынша литий шоғырының үдеткіштері протондық токтың шыңы 10 мА28-ден асатын протон сәулесінің үдеткіштерімен бәсекелесе алмайды.
Литий-иондық сәулеге негізделген практикалық ықшам нейтрондық генераторды жүзеге асыру үшін иондардан мүлдем айырылған жоғары қарқындылықты генерациялау тиімді.Иондар электромагниттік күштердің әсерінен жеделдетіледі және басқарылады, ал жоғары заряд деңгейі тиімдірек жеделдетуге әкеледі.Ли-ионды сәулелердің драйверлері 10 мА-ден асатын Li3+ ең жоғары токтарды қажет етеді.
Бұл жұмыста біз Li3+ сәулелерінің 35 мА-ға дейінгі пик токтары бар үдеуін көрсетеміз, бұл прогрессивті протондық үдеткіштермен салыстыруға болады.Түпнұсқа литий-ион сәулесі лазерлік абляция және C6+ жылдамдығын жеделдету үшін бастапқыда әзірленген тікелей плазмалық имплантация схемасы (DPIS) арқылы жасалған.Арнайы жобаланған радиожиілік төрт полюсті линак (RFQ linac) төрт таяқшалы резонанстық құрылымды пайдалана отырып жасалды.Біз үдеткіш сәуленің есептелген жоғары тазалық сәулесінің энергиясы бар екенін тексердік.Li3+ сәулесі радиожиілік (РЖ) үдеткішімен тиімді түрде түсіріліп, жеделдетілгеннен кейін, кейінгі линак (үдеткіш) бөлімі нысанадан күшті нейтрон ағынын генерациялау үшін қажетті энергияны қамтамасыз ету үшін пайдаланылады.
Жоғары өнімді иондарды жеделдету жақсы қалыптасқан технология болып табылады.Жаңа жоғары тиімді ықшам нейтрондық генераторды жүзеге асырудың қалған міндеті - толық тазартылған литий иондарының үлкен санын генерациялау және үдеткіштегі РЖ циклімен синхрондалған иондық импульстар сериясынан тұратын кластерлік құрылымды қалыптастыру.Осы мақсатқа жету үшін әзірленген эксперименттердің нәтижелері келесі үш бөлімшеде сипатталған: (1) литий-ионды сәуледен мүлдем айырылған сәулені құру, (2) арнайы әзірленген RFQ linac көмегімен сәулені жеделдету және (3) талдауды жеделдету. оның мазмұнын тексеру үшін арқалықтың.Брукхавен ұлттық зертханасында (BNL) біз 2-суретте көрсетілген эксперименттік қондырғыны құрастырдық.
Литий сәулелерін жеделдетілген талдауға арналған эксперименттік қондырғыға шолу (Inkscape арқылы суреттелген, 1.0.2, https://inkscape.org/).Оңнан солға қарай лазерлік-аблятивтік плазма лазермен мақсатты әрекеттесу камерасында жасалады және RFQ linacқа жеткізіледі.RFQ үдеткішіне кіргеннен кейін иондар плазмадан бөлініп, дрейф аймағындағы экстракция электроды мен RFQ электроды арасындағы 52 кВ кернеу айырмашылығынан туындаған кенет электр өрісі арқылы RFQ үдеткішіне айдалады.Алынған иондар ұзындығы 2 метрлік RFQ электродтары арқылы 22 кВ/н-ден 204 кэВ/н-ге дейін жеделдетіледі.RFQ linac шығысында орнатылған ток трансформаторы (КТ) иондық сәуленің тогын бұзбай өлшеуді қамтамасыз етеді.Сәуле үш төрт полюсті магнитпен фокусталады және Li3+ сәулесін бөлетін және детекторға бағыттайтын дипольді магнитке бағытталған.Тесіктің артында жылдамдатушы сәулені анықтау үшін тартылатын пластикалық сцинтиллятор және қисаюы -400 В дейінгі Фарадей шыныаяқ (FC) қолданылады.
Толық иондалған литий иондарын (Li3+) генерациялау үшін оның үшінші иондану энергиясынан (122,4 эВ) жоғары температурасы бар плазманы құру қажет.Біз жоғары температуралы плазманы алу үшін лазерлік абляцияны қолдануға тырыстық.Лазерлік ион көзінің бұл түрі литий-иондық сәулелерді жасау үшін әдетте пайдаланылмайды, себебі литий металы реактивті және арнайы өңдеуді қажет етеді.Біз вакуумдық лазердің әрекеттесу камерасына литий фольгасын орнатқан кезде ылғал мен ауаның ластануын азайту үшін мақсатты жүктеу жүйесін әзірледік.Барлық материалдарды дайындау құрғақ аргонның бақыланатын ортасында жүргізілді.Литий фольгасын лазерлік мақсатты камераға орнатқаннан кейін фольга импульсқа 800 мДж энергиямен импульстік Nd:YAG лазер сәулесімен сәулеленді.Нысанаға назар аударған кезде лазер қуатының тығыздығы шамамен 1012 Вт/см2 деп есептеледі.Плазма импульстік лазер нысананы вакуумда жойған кезде жасалады.Бүкіл 6 нс лазерлік импульс кезінде плазманың қызуы жалғасуда, бұл негізінен кері айналу процесіне байланысты.Қыздыру фазасында ешқандай шектейтін сыртқы өріс қолданылмайтындықтан, плазма үш өлшемде кеңейе бастайды.Плазма нысана бетінде кеңейе бастағанда, плазманың масса орталығы энергиясы 600 эВ/н нысана бетіне перпендикуляр жылдамдыққа ие болады.Қыздырғаннан кейін плазма изотропты түрде кеңейе отырып, нысанадан осьтік бағытта қозғалуды жалғастырады.
2-суретте көрсетілгендей абляциялық плазма нысана потенциалы бірдей металл ыдыспен қоршалған вакуумдық көлемге дейін кеңейеді.Осылайша, плазма өріссіз аймақ арқылы RFQ үдеткішіне қарай жылжиды.Вакуумдық камераның айналасына оралған соленоидты катушкалар арқылы лазерлік сәулелену камерасы мен RFQ линак арасында осьтік магнит өрісі қолданылады.Соленоидтың магнит өрісі RFQ апертурасына жеткізу кезінде жоғары плазмалық тығыздықты сақтау үшін дрейфтік плазманың радиалды кеңеюін басады.Екінші жағынан, дрейф кезінде плазма осьтік бағытта кеңеюін жалғастырып, ұзартылған плазманы құрайды.RFQ кірісіндегі шығу портының алдында плазмасы бар металл ыдысқа жоғары кернеу ығысуы қолданылады.Айнымалы кернеу RFQ linac арқылы дұрыс жеделдету үшін қажетті 7Li3+ инъекция жылдамдығын қамтамасыз ету үшін таңдалды.
Алынған абляциялық плазмада тек 7Li3+ ғана емес, сонымен қатар басқа заряд күйлеріндегі литий және RFQ сызықтық үдеткішіне бір уақытта тасымалданатын ластаушы элементтер бар.RFQ linac көмегімен жеделдетілген эксперименттерге дейін плазмадағы иондардың құрамы мен энергиясының таралуын зерттеу үшін желіден тыс ұшу уақыты (TOF) талдауы жүргізілді.Егжей-тегжейлі аналитикалық орнату және байқалған заряд күйінің үлестірімдері Әдістер бөлімінде түсіндіріледі.Талдау 3-суретте көрсетілгендей, барлық бөлшектердің шамамен 54%-ын құрайтын 7Li3+ иондары негізгі бөлшектер екенін көрсетті. Талдауға сәйкес, ион сәулесінің шығу нүктесіндегі 7Li3+ ионының тогы 1,87 мА деп бағаланады.Жеделдетілген сынақтар кезінде кеңейтілген плазмаға 79 мТ электромагниттік өріс қолданылады.Нәтижесінде плазмадан алынған және детекторда байқалатын 7Li3+ ток 30 есе артты.
Ұшу уақытын талдау арқылы алынған лазерлік плазмадағы иондардың фракциялары.7Li1+ және 7Li2+ иондары иондар шоғырының сәйкесінше 5% және 25% құрайды.6Li бөлшектерінің анықталған бөлігі тәжірибелік қателік шегінде литий фольга нысанасындағы 6Li (7,6%) табиғи мазмұнымен келіседі.Оттегінің шамалы ластануы (6,2%), негізінен O1+ (2,1%) және O2+ (1,5%) байқалды, бұл литий фольга нысанасының бетінің тотығуына байланысты болуы мүмкін.
Бұрын айтылғандай, литий плазмасы RFQ линакқа кірмес бұрын өріссіз аймақта дрейф жасайды.RFQ линак кірісінде металл контейнерде диаметрі 6 мм тесік бар, ал ығысу кернеуі 52 кВ.RFQ электродының кернеуі 100 МГц жиілікте ±29 кВ жылдам өзгерсе де, кернеу осьтік үдеу тудырады, себебі RFQ үдеткіш электродтарының орташа потенциалы нөлге тең.Апертура мен RFQ электродының жиегі арасындағы 10 мм саңылауда пайда болатын күшті электр өрісінің арқасында саңылаудағы плазмадан тек оң плазма иондары алынады.Дәстүрлі иондарды жеткізу жүйелерінде иондар плазмадан электр өрісі арқылы RFQ үдеткішінің алдында айтарлықтай қашықтықта бөлінеді, содан кейін сәуленің фокустау элементі арқылы RFQ апертурасына фокусталады.Дегенмен, қарқынды нейтрондық көзге қажет қарқынды ауыр иондық сәулелер үшін ғарыштық заряд әсерлерінен болатын сызықты емес итеруші күштер иондарды тасымалдау жүйесіндегі сәулелік токтың айтарлықтай жоғалуына әкелуі мүмкін, бұл жеделдетуге болатын ең жоғары токты шектейді.Біздің DPIS-те жоғары қарқынды иондар дрейфтік плазма ретінде тікелей RFQ апертурасының шығу нүктесіне тасымалданады, сондықтан ғарыштық зарядтың әсерінен иондық сәуленің жоғалуы болмайды.Бұл демонстрация кезінде DPIS алғаш рет литий-ионды сәулеге қолданылды.
RFQ құрылымы төмен энергиялы жоғары ток иондық сәулелерді фокустау және жеделдету үшін әзірленген және бірінші ретті жеделдету үшін стандарт болды.Біз RFQ көмегімен 7Li3+ иондарын имплантация энергиясынан 22 кВ/н 204 кВ/н-ге дейін жеделдету үшін қолдандық.Плазмадағы заряды аз литий және басқа бөлшектер де плазмадан бөлініп, RFQ саңылауына жіберілсе де, RFQ linac зарядтың массаға қатынасы (Q/A) 7Li3+-ке жақын иондарды ғана жеделдетеді.
Суретте.4-суретте магнитті талдағаннан кейін RFQ linac және Фарадей шыныаяқының (FC) шығысында ток трансформаторымен (CT) анықталған толқын пішіндері көрсетілген, суретте көрсетілген.2. Сигналдардың арасындағы уақыт ығысуын детектордың орналасқан жеріндегі ұшу уақытының айырмашылығы ретінде түсіндіруге болады.КТ-да өлшенген ең жоғары иондық ток 43 мА болды.RT позициясында тіркелген сәуленің құрамында тек есептелген энергияға дейін үдетілген иондар ғана емес, сонымен қатар 7Li3+-тен басқа, жеткілікті түрде үдетілмеген иондар болуы мүмкін.Бірақ QD және PC көмегімен табылған иондық ток формаларының ұқсастығы иондық ток негізінен үдетілген 7Li3+ тұратынын көрсетеді, ал ДК-дегі токтың ең жоғары мәнінің төмендеуі QD және PC арасындағы иондар алмасуы кезінде сәуленің жоғалуымен байланысты. ДК.Шығындар Бұл конверт симуляциясымен де расталады.7Li3+ сәулелік токты дәл өлшеу үшін келесі бөлімде сипатталғандай сәуле дипольді магнитпен талданады.
CT (қара қисық) және FC (қызыл қисық) детектор позицияларында тіркелген жеделдетілген сәуленің осциллограммалары.Бұл өлшемдер лазерлік плазманы қалыптастыру кезінде фотодетектор арқылы лазерлік сәулеленуді анықтау арқылы іске асады.Қара қисық RFQ linac шығысына қосылған CT-де өлшенген толқын пішінін көрсетеді.RFQ linac-қа жақын болғандықтан, детектор 100 МГц РЖ шуды қабылдайды, сондықтан анықтау сигналында орналасқан 100 МГц резонанстық РЖ сигналын жою үшін 98 МГц төмен жиіліктегі FFT сүзгісі қолданылды.Қызыл қисық аналитикалық магнит 7Li3+ иондық сәулені бағыттағаннан кейін FC-дегі толқын пішінін көрсетеді.Бұл магнит өрісінде 7Li3+-тен басқа N6+ және O7+ тасымалдана алады.
RFQ линактан кейінгі иондық сәуле үш төрт полюсті фокустау магниттерінің сериясымен фокусталады, содан кейін ион сәулесіндегі қоспаларды оқшаулау үшін диполь магниттерімен талданады.0,268 Т магнит өрісі 7Li3+ сәулелерін FC-ге бағыттайды.Бұл магнит өрісінің анықтау толқын пішіні 4-суретте қызыл қисық ретінде көрсетілген. Ең жоғары сәулелік ток 35 мА-ға жетеді, бұл қолданыстағы әдеттегі электростатикалық үдеткіштерде шығарылатын әдеттегі Li3+ сәулесінен 100 есе жоғары.Сәуле импульсінің ені толық енде 2,0 мкс, максимум жартысы.Дипольді магнит өрісі бар 7Li3+ сәулесін табу сәтті байлау мен сәуленің үдеуін көрсетеді.Дипольдің магнит өрісін сканерлеу кезінде FC анықтаған иондық сәулелік ток 5-суретте көрсетілген. Басқа шыңдардан жақсы бөлінген таза жалғыз шың байқалды.RFQ linac арқылы жобалық энергияға дейін үдетілген барлық иондардың жылдамдығы бірдей болғандықтан, Q/A бірдей иондық сәулелерді дипольді магнит өрістері арқылы бөлу қиын.Сондықтан біз 7Li3+-ті N6+ немесе O7+-тен ажырата алмаймыз.Дегенмен, қоспалардың мөлшерін көрші заряд мемлекеттерінен бағалауға болады.Мысалы, N7+ және N5+ оңай бөлінуі мүмкін, ал N6+ қоспаның бөлігі болуы мүмкін және N7+ және N5+ сияқты шамамен бірдей мөлшерде болады деп күтілуде.Ластанудың болжамды деңгейі шамамен 2% құрайды.
Дипольді магнит өрісін сканерлеу арқылы алынған сәулелік құрамдас спектрлер.0,268 Т шыңы 7Li3+ және N6+ сәйкес келеді.Шыңның ені саңылаудағы сәуленің өлшеміне байланысты.Кең шыңдарға қарамастан, 7Li3+ 6Li3+, O6+ және N5+-тен жақсы бөлінеді, бірақ O7+ және N6+-дан нашар бөлінеді.
FC орналасқан жерде сәуле профилі қосылатын сцинтиллятормен расталды және 6-суретте көрсетілгендей жылдам сандық камерамен жазылды. Тогы 35 мА болатын 7Li3+ импульстік сәулесі есептелген RFQ дейін жеделдетілгені көрсетілген. энергиясы 204 кВ/н, ол 1,4 МэВ сәйкес келеді және FC детекторына беріледі.
FC алдындағы сцинтиллятор экранында байқалған сәуле профилі (боялған Фиджи, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Аналитикалық диполь магнитінің магнит өрісі Li3+ иондық сәулесінің үдеуін жобалық энергия RFQ-ге бағыттау үшін реттелді.Жасыл аймақтағы көк нүктелер ақаулы сцинтиллятор материалынан туындайды.
Біз қатты литий фольгасының бетін лазерлік абляциялау арқылы 7Li3+ иондарының генерациясына қол жеткіздік және DPIS көмегімен арнайы жасалған RFQ linac көмегімен жоғары ток иондар сәулесі түсіріліп, жеделдетілді.1,4 МэВ сәулелік энергия кезінде магнитті талдаудан кейін FC-ге жеткен 7Li3+ ең жоғары ток 35 мА болды.Бұл кері кинематикасы бар нейтрондық көзді жүзеге асырудың ең маңызды бөлігі тәжірибе жүзінде жүзеге асырылғанын растайды.Жұмыстың осы бөлігінде ықшам нейтрон көзінің бүкіл дизайны, соның ішінде жоғары энергиялық үдеткіштер мен нейтрондық мақсатты станциялар талқыланады.Жобалау зертханамыздағы бар жүйелермен алынған нәтижелерге негізделген.Литий фольгасы мен RFQ линак арасындағы қашықтықты қысқарту арқылы иондық сәуленің ең жоғары тогын одан әрі арттыруға болатынын атап өткен жөн.Күріш.7 үдеткіштегі ұсынылған ықшам нейтрон көзінің барлық тұжырымдамасын суреттейді.
Үдеткіштегі ұсынылған ықшам нейтрон көзінің тұжырымдамалық жобасы (Frecad салған, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Оңнан солға қарай: лазерлік ион көзі, электромагниттік магнит, RFQ линак, орташа энергия сәулесін беру (MEBT), IH линак және нейтронды генерациялауға арналған әрекеттесу камерасы.Радиациялық қорғаныс өндірілген нейтрондық сәулелердің тар бағытталған сипатына байланысты ең алдымен алға бағытта қамтамасыз етіледі.
RFQ linac кейін интер-сандық H-құрылымын одан әрі жеделдету (IH linac)30 linac жоспарланған.IH линактары белгілі бір жылдамдық диапазонында жоғары электр өрісінің градиенттерін қамтамасыз ету үшін π-режимді дрейфтік түтік құрылымын пайдаланады.Тұжырымдамалық зерттеу 1D бойлық динамикалық модельдеу және 3D қабықша модельдеу негізінде жүзеге асырылды.Есептеулер көрсеткендей, 100 МГц IH линак ақылға қонымды дрейфтік түтік кернеуі (450 кВ-тан төмен) және күшті фокустау магниті 1,8 м қашықтықта 40 мА сәулені 1,4-тен 14 МэВ-қа дейін жеделдете алады.Үдеткіш тізбегінің соңындағы энергияның таралуы ± 0,4 МэВ деңгейінде бағаланады, бұл нейтронды түрлендіру мақсатымен өндірілген нейтрондардың энергетикалық спектріне айтарлықтай әсер етпейді.Бұған қоса, сәуленің сәуле шығару қабілеті орташа беріктік пен өлшемді төрт полюсті магнит үшін әдетте талап етілетінге қарағанда сәулені кішірек сәулелік нүктеге бағыттау үшін жеткілікті төмен.RFQ linac пен IH linac арасындағы орташа энергия сәулесінің (MEBT) берілісінде сәуле түзуші резонатор сәуле түзуші құрылымды қолдау үшін қолданылады.Бүйірлік сәуленің өлшемін басқару үшін үш төрт полюсті магнит қолданылады.Бұл дизайн стратегиясы көптеген акселераторларда қолданылған31,32,33.Иондық көзден мақсатты камераға дейінгі бүкіл жүйенің жалпы ұзындығы стандартты жартылай тіркеме жүк көлігіне сыятын 8 м-ден аз деп есептеледі.
Нейтронды түрлендіру нысанасы тікелей желілік үдеткіштен кейін орнатылады.Біз кері кинематикалық сценарийлерді пайдалана отырып, алдыңғы зерттеулерге негізделген мақсатты станцияның жобаларын талқылаймыз23.Есептелген түрлендіру мақсаттарына қатты материалдар (полипропилен (C3H6) және титан гидриді (TiH2)) және газ тәрізді нысана жүйелері кіреді.Әрбір мақсаттың артықшылықтары мен кемшіліктері бар.Қатты нысаналар қалыңдықты дәл бақылауға мүмкіндік береді.Нысана неғұрлым жіңішке болса, нейтрон өндірісінің кеңістікте орналасуы соғұрлым дәлірек болады.Дегенмен, мұндай нысаналарда әлі де қажетсіз ядролық реакциялар мен радиация болуы мүмкін.Екінші жағынан, сутегі нысанасы ядролық реакцияның негізгі өнімі 7Be өндірісін жою арқылы таза ортаны қамтамасыз ете алады.Дегенмен, сутегі әлсіз кедергі қабілетіне ие және жеткілікті энергияны босату үшін үлкен физикалық қашықтықты қажет етеді.Бұл TOF өлшемдері үшін аздап тиімсіз.Сонымен қатар, егер сутегі нысанасын тығыздау үшін жұқа пленка пайдаланылса, онда жұқа қабықша мен түскен литий сәулесі тудыратын гамма-сәулелердің энергия шығындарын ескеру қажет.
LICORNE полипропилен нысандарын пайдаланады және мақсатты жүйе тантал фольгасымен жабылған сутегі жасушаларына жаңартылды.7Li34 үшін 100 нА сәулелік ток деп есептесек, екі мақсатты жүйе де 107 n/s/sr дейін шығара алады.Егер бұл мәлімделген нейтрон кірістілігін түрлендіруді ұсынылған нейтрон көзіне қолданатын болсақ, онда әрбір лазер импульсі үшін 7 × 10-8 С литиймен басқарылатын сәуле алуға болады.Бұл лазерді секундына екі рет ату LICORNE үздіксіз сәулемен бір секундта шығара алатын нейтрондарға қарағанда 40% көп нейтрон шығарады дегенді білдіреді.Лазердің қозу жиілігін арттыру арқылы жалпы ағынды оңай арттыруға болады.Егер нарықта 1 кГц лазер жүйесі бар деп болжасақ, орташа нейтрон ағынын шамамен 7 × 109 н/с/ср-ге дейін оңай масштабтауға болады.
Пластикалық нысаналары бар қайталану жылдамдығы жоғары жүйелерді пайдаланған кезде нысаналардағы жылу түзілуін бақылау қажет, өйткені, мысалы, полипропиленнің балқу температурасы 145–175 °C және төмен жылу өткізгіштігі 0,1–0,22 Вт// м/К.14 МэВ литий-ионды сәуле үшін қалыңдығы 7 мкм полипропилен нысанасы сәуленің энергиясын реакция шегіне (13,098 МэВ) дейін азайту үшін жеткілікті.Нысанаға бір лазерлік ату нәтижесінде түзілетін иондардың жалпы әсерін ескере отырып, полипропилен арқылы литий иондарының энергияның бөлінуі 64 мДж/импульске бағаланады.Барлық энергия диаметрі 10 мм шеңберде тасымалданады деп есептесек, әрбір импульс шамамен 18 К/импульс температураның көтерілуіне сәйкес келеді.Полипропилен нысандарындағы энергияның бөлінуі энергияның барлық ысыраптары радиация немесе басқа жылу жоғалтусыз жылу ретінде сақталады деген қарапайым болжамға негізделген.Секундына импульстар санын көбейту жылу жиналуын жоюды талап ететіндіктен, сол нүктеде энергияның бөлінуін болдырмау үшін жолақ нысандарын қолдануға болады23.Лазердің қайталану жиілігі 100 Гц болатын нысанада 10 мм сәуле нүктесін алсақ, полипропилен таспасының сканерлеу жылдамдығы 1 м/с болады.Сәулелік нүктенің қабаттасуына рұқсат етілсе, жоғары қайталау жылдамдығы мүмкін.
Біз сондай-ақ сутегі батареялары бар нысандарды зерттедік, өйткені нысанаға зақым келтірместен күшті жетек арқалықтарды қолдануға болады.Нейтрондық сәулені газ камерасының ұзындығын және ішіндегі сутегі қысымын өзгерту арқылы оңай реттеуге болады.Нысананың газды аймағын вакуумнан бөлу үшін үдеткіштерде жиі жұқа металл фольгалар қолданылады.Сондықтан фольгадағы энергия жоғалтуларының орнын толтыру үшін түскен литий-иондық сәуленің энергиясын арттыру қажет.35 есепте сипатталған мақсатты жинақ H2 газ қысымы 1,5 атм болатын ұзындығы 3,5 см алюминий контейнерден тұрды.16,75 МэВ литий-иондық сәуле аккумуляторға ауамен салқындатылған 2,7 мкм Ta фольга арқылы кіреді және батареяның соңындағы литий-иондық сәуленің энергиясы реакция шегіне дейін баяулайды.Литий-ионды батареялардың сәулелік энергиясын 14,0 МэВ-ден 16,75 МэВ-қа дейін арттыру үшін IH линакты шамамен 30 см ұзартуға тура келді.
Газ жасушаларының нысаналарынан нейтрондардың эмиссиясы да зерттелді.Жоғарыда аталған LICORNE газ нысандары үшін GEANT436 модельдеулері [37] 1-суретте көрсетілгендей конус ішінде жоғары бағытталған нейтрондар түзілетінін көрсетеді.35-анықтама негізгі сәуленің таралу бағытына қатысты конустың максималды ашылуы 19,5° болатын 0,7-ден 3,0 МэВ-қа дейінгі энергия диапазонын көрсетеді.Жоғары бағдарланған нейтрондар көптеген бұрыштарда қорғайтын материалдың мөлшерін айтарлықтай азайта алады, құрылымның салмағын азайтады және өлшеу жабдығын орнатуда үлкен икемділікті қамтамасыз етеді.Радиациядан қорғау тұрғысынан алғанда, бұл газ нысана нейтрондардан басқа центроидтық координаталар жүйесінде изотропты түрде 478 кеВ гамма сәулелерін шығарады38.Бұл γ-сәулелері 7Be ыдырауы және 7Li қозуы нәтижесінде пайда болады, ол бастапқы Li сәулесі Ta кіріс терезесіне түскенде пайда болады.Дегенмен, қалыңдығы 35 Pb/Cu цилиндрлік коллиматорды қосу арқылы фонды айтарлықтай азайтуға болады.
Балама нысана ретінде плазмалық терезені [39, 40] пайдалануға болады, бұл салыстырмалы түрде жоғары сутегі қысымына және қатты нысаналардан төмен болғанымен нейтрон генерациясының шағын кеңістіктік аймағына қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Біз GEANT4 көмегімен литий-иондық сәуленің күтілетін энергия таралуы мен сәуле өлшемі үшін нейтронды түрлендірудің мақсатты нұсқаларын зерттеп жатырмыз.Біздің модельдеуіміз нейтрондық энергияның дәйекті таралуын және жоғарыда келтірілген әдебиеттерде сутегі нысандары үшін бұрыштық үлестіруді көрсетеді.Кез келген нысана жүйесінде жоғары бағдарланған нейтрондар сутегіге бай нысанаға күшті 7Li3+ сәулесінің әсерінен кері кинематикалық реакция арқылы өндірілуі мүмкін.Сондықтан жаңа нейтрон көздерін бұрыннан бар технологияларды біріктіру арқылы жүзеге асыруға болады.
Лазерлік сәулелену жағдайлары жеделдетілген демонстрацияға дейін иондық сәулелерді генерациялау тәжірибелерін қайта жасады.Лазер – 1012 Вт/см2 лазер қуатының тығыздығы, іргелі толқын ұзындығы 1064 нм, нүктелік энергиясы 800 мДж және импульстік ұзақтығы 6 нс болатын жұмыс үстеліндегі наносекунд Nd:YAG жүйесі.Нысандағы нүктенің диаметрі 100 мкм деп есептеледі.Литий металы (Альфа Аезар, 99,9% таза) өте жұмсақ болғандықтан, дәл кесілген материал қалыпқа басылады.Фольга өлшемдері 25 мм × 25 мм, қалыңдығы 0,6 мм.Нысанаға лазер тиген кезде оның бетінде кратерге ұқсас зақым пайда болады, сондықтан нысан әрбір лазерлік ату кезінде нысананың бетінің жаңа бөлігін қамтамасыз ету үшін моторлы платформа арқылы қозғалады.Қалдық газға байланысты рекомбинацияны болдырмау үшін камерадағы қысым 10-4 Па диапазонынан төмен ұсталды.
Лазер плазмасының бастапқы көлемі аз, өйткені лазерлік нүктенің өлшемі 100 мкм және ол пайда болғаннан кейін 6 нс ішінде.Көлемді дәл нүкте ретінде алуға және кеңейтуге болады.Егер детектор нысана бетінен xm қашықтықта орналасса, онда қабылданған сигнал мына қатынасқа бағынады: иондық ток I, ионның келу уақыты t және импульс ені τ.
Түзілген плазма лазер нысанынан 2,4 м және 3,85 м қашықтықта орналасқан FC және энергетикалық ион анализаторымен (EIA) TOF әдісімен зерттелді.FC электрондардың алдын алу үшін -5 кВ ығысқан супрессорлық торға ие.EIA-да кернеуі бірдей, бірақ полярлығы қарама-қарсы, сыртында оң және ішкі жағында теріс екі коаксиалды металл цилиндрлік электродтардан тұратын 90 градустық электростатикалық дефлектор бар.Кеңейетін плазма ойықтың артындағы дефлекторға бағытталады және цилиндр арқылы өтетін электр өрісі арқылы ауытқиды.E/z = eKU қатынасын қанағаттандыратын иондар Екінші электронды көбейткіш (SEM) (Hamamatsu R2362) арқылы анықталады, мұнда E, z, e, K және U — ион энергиясы, заряд күйі және заряд — EIA геометриялық факторлары. .тиісінше электрондар және электродтар арасындағы потенциалдар айырымы.Дефлектордағы кернеуді өзгерту арқылы плазмадағы иондардың энергиясы мен зарядының таралуын алуға болады.Тазарту кернеуі U/2 EIA 0,2 В-тан 800 В-қа дейінгі диапазонда, ол заряд күйіне 4 эВ-тен 16 кВ-ға дейінгі диапазондағы иондық энергияға сәйкес келеді.
«Толығымен тазартылған литий сәулелерін генерациялау» бөлімінде сипатталған лазерлік сәулелену жағдайында талданатын иондардың зарядтық күйінің таралулары күріш.8.
Иондардың заряд күйінің таралуын талдау.Мұнда EIA көмегімен талданған және теңдеу арқылы литий фольгасынан 1 м масштабтаған иондық ток тығыздығының уақыт профилі берілген.(1) және (2).«Толығымен қабыршақтанған литий сәулесін жасау» бөлімінде сипатталған лазерлік сәулелену шарттарын пайдаланыңыз.Әрбір ток тығыздығын біріктіру арқылы плазмадағы иондардың үлесі есептелді, 3-суретте көрсетілген.
Лазерлік ион көздері жоғары зарядпен қарқынды мульти-мА иондық сәулені жеткізе алады.Дегенмен, сәулені жеткізу ғарыштық зарядтың итерілуіне байланысты өте қиын, сондықтан ол кеңінен қолданылмады.Дәстүрлі схемада иондық сәулелер плазмадан алынады және иондық сәулені үдеткіштің қабылдау мүмкіндігіне сәйкес пішіндеу үшін бірнеше фокустау магниттері бар сәулелік сызық бойымен бастапқы үдеткішке тасымалданады.Ғарыштық заряд күшінің сәулелерінде сәулелер сызықты емес алшақтайды, әсіресе төмен жылдамдық аймағында сәуленің елеулі жоғалуы байқалады.Медициналық көміртекті үдеткіштерді әзірлеуде бұл мәселені шешу үшін DPIS41 сәулесін жеткізудің жаңа схемасы ұсынылған.Біз бұл әдісті жаңа нейтрон көзінен қуатты литий-иондық сәулені жеделдету үшін қолдандық.
Суретте көрсетілгендей.4, плазма түзілетін және кеңейетін кеңістік металл контейнермен қоршалған.Жабық кеңістік электромагниттік катушка ішіндегі көлемді қоса алғанда, RFQ резонаторының кіреберісіне дейін созылады.Контейнерге 52 кВ кернеу берілді.RFQ резонаторында иондар RFQ жерге қосу арқылы диаметрі 6 мм тесік арқылы потенциал арқылы тартылады.Иондар плазмалық күйде тасымалданған кезде сәуле сызығындағы сызықты емес итеру күштері жойылады.Сонымен қатар, жоғарыда айтылғандай, біз экстракция саңылауындағы иондардың тығыздығын бақылау және арттыру үшін DPIS-пен бірге соленоидтық өрісті қолдандық.
RFQ үдеткіші суретте көрсетілгендей цилиндрлік вакуумдық камерадан тұрады.9а.Оның ішінде төрт полюсті-симметриялы түрде сәуле осінің айналасына оттегісіз мыс төрт өзекшелері орналастырылған (9б-сурет).4 стержень және камералар резонанстық RF тізбегін құрайды.Индукцияланған RF өрісі өзекшеде уақыт бойынша өзгеретін кернеуді жасайды.Осьтің айналасында бойлық имплантацияланған иондар төрт полюсті өріс арқылы бүйірлік түрде ұсталады.Сонымен бірге штанганың ұшы осьтік электр өрісін құру үшін модуляцияланады.Осьтік өріс айдалатын үздіксіз сәулені сәуле деп аталатын сәулелік импульстар қатарына бөледі.Әрбір сәуле белгілі бір RF цикл уақытында (10 нс) қамтылады.Көрші сәулелер радиожиілік периоды бойынша аралықта орналасады.RFQ linac жүйесінде лазерлік ион көзінен 2 мкс сәуле 200 сәулелік тізбекке түрленеді.Содан кейін сәуле есептелген энергияға дейін жеделдетіледі.
Сызықтық үдеткіш RFQ.(a) (сол жақта) RFQ линак камерасының сыртқы көрінісі.(b) (оң жақта) Камерадағы төрт таяқшалы электрод.
RFQ линактың негізгі конструктивтік параметрлері стержендік кернеу, резонанстық жиілік, сәулелік саңылау радиусы және электродтық модуляция болып табылады.Штангадағы кернеуді оның электр өрісі электрлік бұзылу шегінен төмен болатындай етіп ± 29 кВ таңдаңыз.Резонанстық жиілік неғұрлым төмен болса, соғұрлым бүйірлік фокустау күші үлкен болады және орташа үдеу өрісі аз болады.Үлкен диафрагма радиустары сәуленің өлшемін үлкейтуге мүмкіндік береді, демек, ғарыштық зарядтың кішірек тебілуіне байланысты сәуленің ток күшін арттырады.Екінші жағынан, үлкенірек апертура радиустары RFQ linacты қуаттандыру үшін көбірек РЖ қуатын қажет етеді.Сонымен қатар, ол сайттың сапа талаптарымен шектеледі.Осы тепе-теңдіктердің негізінде жоғары ток сәулесінің жеделдету үшін резонанстық жиілік (100 МГц) және апертура радиусы (4,5 мм) таңдалды.Модуляция сәуленің жоғалуын азайту және жеделдету тиімділігін арттыру үшін таңдалады.Дизайн 2 м ішінде 22 кВ/н-ден 204 кеВ/н-ге дейін 40 мА кезінде 7Li3+ иондарын жеделдете алатын RFQ linac дизайнын шығару үшін бірнеше рет оңтайландырылған.Тәжірибе кезінде өлшенген РЖ қуаты 77 кВт болды.
RFQ линактары белгілі Q/A диапазоны бар иондарды жеделдете алады.Сондықтан сызықтық үдеткіштің соңына берілетін сәулені талдау кезінде изотоптарды және басқа заттарды ескеру қажет.Сонымен қатар, қажетті иондар, ішінара жеделдетілген, бірақ үдеткіштің ортасында үдеу жағдайында төмендеген, әлі де бүйірлік қамауды кездестіре алады және соңына дейін тасымалдана алады.Инженерлік 7Li3+ бөлшектерінен басқа қажетсіз сәулелер қоспалар деп аталады.Біздің тәжірибелерімізде 14N6+ және 16O7+ қоспалары ең үлкен алаңдаушылық туғызды, өйткені литий металды фольга ауадағы оттегімен және азотпен әрекеттеседі.Бұл иондардың 7Li3+ көмегімен жылдамдатуға болатын Q/A қатынасы бар.Біз RFQ линактан кейін сәулені талдау үшін әртүрлі сапа мен сападағы сәулелерді бөлу үшін дипольді магниттерді қолданамыз.
RFQ линактан кейінгі сәуле сызығы диполь магнитінен кейін FC-ге толық жеделдетілген 7Li3+ сәулесін жеткізуге арналған.-400 В ығысу электродтары ион сәулесінің тоғын дәл өлшеу үшін шыныаяқтағы екінші реттік электрондарды басу үшін қолданылады.Бұл оптиканың көмегімен ион траекториялары дипольдерге бөлінеді және Q/A-ға байланысты әртүрлі жерлерде фокусталады.Импульстің диффузиясы және ғарыштық зарядтың итерілуі сияқты әртүрлі факторларға байланысты фокустағы сәуле белгілі бір ені бар.Түрді екі ион түрінің фокустық позициялары арасындағы қашықтық сәуленің енінен үлкен болған жағдайда ғана бөлуге болады.Ең жоғары рұқсатты алу үшін арқалық белінің жанында көлденең саңылау орнатылады, онда сәуле іс жүзінде шоғырланған.Тесік пен ДК арасында сцинтилляциялық экран (CsI(Tl) Сент-Гобейн, 40 мм × 40 мм × 3 мм) орнатылды.Сцинтиллятор оңтайлы ажыратымдылық үшін жобаланған бөлшектер өтуі тиіс ең кішкентай саңылауларды анықтау және жоғары ток күші бар ауыр иондық сәулелер үшін қолайлы сәуле өлшемдерін көрсету үшін пайдаланылды.Сцинтиллятордағы сәулелік кескін вакуумдық терезе арқылы CCD камерасымен жазылады.Бүкіл сәулелік импульс енін жабу үшін экспозиция уақыты терезесін реттеңіз.
Ағымдағы зерттеуде пайдаланылған немесе талданған деректер жинақтары негізделген сұрау бойынша тиісті авторлардан қол жетімді.
Манке, I. және т.б.Магниттік домендердің үш өлшемді кескіні.Ұлттық коммуна.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Андерсон, IS және т.б.Үдеткіштердегі жинақы нейтрон көздерін зерттеу мүмкіндіктері.физика.Өкіл 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Урчуоли, А. және т.б.Нейтронға негізделген компьютерлік микротомография: сынақ жағдайлары ретінде Pliobates cataloniae және Barberapithecus huerzeleri.Иә.J. Физика.антропология.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).