304L 6.35 * 1mm Neoksidebla ŝtalo bobenitaj tuboj provizantoj, Pruvo de intensa litia fasko por generi pulsajn rektajn neŭtronojn

Dankon pro vizito de Nature.com.Vi uzas retumilon kun limigita CSS-subteno.Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu Kongruo-Reĝimon en Internet Explorer).Krome, por certigi daŭran subtenon, ni montras la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Glitiloj montrante tri artikolojn per diapozitivo.Uzu la malantaŭan kaj sekvan butonojn por moviĝi tra la lumbildoj, aŭ la butonojn de glit-regiloj ĉe la fino por moviĝi tra ĉiu lumbildo.

Kiel alternativo al la studo de nukleaj reaktoroj, kompakta akcel-movita neŭtrongeneratoro uzanta litijonan radioŝoforon povas esti promesplena kandidato ĉar ĝi produktas malmulte da nedeziratan radiadon.Tamen, estis malfacile liveri intensan trabon de litiojonoj, kaj la praktika apliko de tiaj aparatoj estis konsiderita malebla.La plej akuta problemo de nesufiĉa jonfluo estis solvita aplikante rektan plasman implantadskemon.En ĉi tiu skemo, alt-denseca pulsita plasmo generita per laserablacio de litia metala folio estas efike injektita kaj akcelita per altfrekvenca kvarpolakcelilo (RFQ-akcelilo).Ni atingis pintan faskon de 35 mA akcelita al 1.43 MeV, kio estas du grandordoj pli alta ol konvenciaj injektiloj kaj akceliloj povas provizi.
Male al Rentgenradioj aŭ ŝarĝitaj partikloj, neŭtronoj havas grandan enpenetran profundon kaj unikan interagadon kun densigita materio, igante ilin ekstreme multflankaj enketoj por studi la ecojn de materialoj1,2,3,4,5,6,7.Aparte, neŭtronaj disvastigteknikoj kutimas ofte studi la kunmetaĵon, strukturon, kaj internajn stresojn en densigita materio kaj povas disponigi detalajn informojn pri spurkompundaĵoj en metalalojoj kiuj malfacilas detekti uzante Rentgenfotan spektroskopion8.Ĉi tiu metodo estas konsiderata potenca ilo en baza scienco kaj estas uzata de fabrikistoj de metaloj kaj aliaj materialoj.Pli lastatempe, neŭtrondifrakto estis uzita por detekti restajn stresojn en mekanikaj komponentoj kiel ekzemple fervojaj kaj aviadilpartoj9,10,11,12.Neŭtronoj ankaŭ estas uzataj en nafto- kaj gasputoj ĉar ili estas facile kaptitaj de protonriĉaj materialoj13.Similaj metodoj ankaŭ estas uzitaj en konstruinĝenieriko.Nedetrua neŭtrona testado estas efika ilo por detekti kaŝitajn faŭltojn en konstruaĵoj, tuneloj kaj pontoj.La uzo de neŭtronaj radioj estas aktive uzata en scienca esplorado kaj industrio, multaj el kiuj estis historie evoluigitaj uzante nukleajn reaktorojn.
Tamen, kun la tutmonda konsento pri nuklea nedisvastigo, konstrui malgrandajn reaktorojn por esplorceloj fariĝas ĉiam pli malfacila.Krome, la lastatempa akcidento de Fukuŝima igis konstrui nukleajn reaktorojn preskaŭ socie akceptebla.Lige kun ĉi tiu tendenco, la postulo je neŭtronfontoj ĉe akceliloj kreskas2.Kiel alternativo al nukleaj reaktoroj, pluraj grandaj akcelil-dividantaj neŭtronfontoj jam funkcias14,15.Tamen, por pli efika uzo de la propraĵoj de neŭtronaj radioj, necesas vastigi la uzon de kompaktaj fontoj ĉe akceliloj, 16 kiuj povas aparteni al industriaj kaj universitataj esplorinstitucioj.Akcelilo-neŭtronfontoj aldonis novajn kapablojn kaj funkciojn krom servi kiel anstataŭaĵo por nukleaj reaktoroj14.Ekzemple, linac-movita generatoro povas facile krei fluon de neŭtronoj manipulante la veturtrabon.Post kiam elsenditaj, neŭtronoj malfacilas kontroli kaj radiadmezuradojn malfacilas analizi pro la bruo kreita per fonneŭtronoj.Pulsitaj neŭtronoj kontrolitaj per akcelilo evitas tiun problemon.Pluraj projektoj bazitaj sur protona akcelila teknologio estis proponitaj ĉirkaŭ la mondo17,18,19.La reagoj 7Li(p, n)7Be kaj 9Be(p, n)9B estas plej ofte uzataj en proton-movitaj kompaktaj neŭtronaj generatoroj ĉar ili estas endotermaj reakcioj20.Troa radiado kaj radioaktiva rubo povas esti minimumigitaj se la energio elektita por eksciti la protonradion estas iomete super la sojla valoro.Tamen, la maso de la celnukleo estas multe pli granda ol tiu de protonoj, kaj la rezultaj neŭtronoj disiĝas en ĉiuj indikoj.Tia proksima al izotropa emisio de neŭtronfluo malhelpas efikan transporton de neŭtronoj al la studobjekto.Krome, por akiri la bezonatan dozon de neŭtronoj ĉe la loko de la objekto, necesas signife pliigi kaj la nombron de moviĝantaj protonoj kaj ilia energio.Kiel rezulto, grandaj dozoj de gamaradioj kaj neŭtronoj disvastiĝos tra grandaj anguloj, detruante la avantaĝon de endotermaj reagoj.Tipa akcelil-movita kompakta proton-bazita neŭtrongeneratoro havas fortan radiadŝirmon kaj estas la plej volumena parto de la sistemo.La bezono pliigi la energion de veturado de protonoj kutime postulas plian pliiĝon en la grandeco de la akcelilinstalaĵo.
Por venki la ĝeneralajn mankojn de konvenciaj kompaktaj neŭtronfontoj ĉe akceliloj, oni proponis inversigan kinematikan reakcian skemon21.En ĉi tiu skemo, pli peza litiojona fasko estas utiligita kiel gvidradio anstataŭe de protonradio, celante hidrogen-riĉajn materialojn kiel ekzemple hidrokarbidplastoj, hidridoj, hidrogengaso aŭ hidrogena plasmo.Alternativoj estis pripensitaj, kiel ekzemple berilio-jon-movitaj traboj, aliflanke, berilio estas toksa substanco postulanta specialan zorgon en manipulado.Tial, litia fasko estas la plej taŭga por inversi-kinemataj reakciaj skemoj.Ĉar la impeto de litiaj kernoj estas pli granda ol tiu de protonoj, la centro de maso de nukleaj kolizioj konstante antaŭeniras, kaj ankaŭ neŭtronoj estas elsenditaj antaŭen.Tiu ĉi trajto multe forigas nedeziratajn gamaradiojn kaj altangulajn neŭtronajn emisiojn22.Komparo de la kutima kazo de protonmotoro kaj la inversa kinematikscenaro estas montrita en Figuro 1.
Ilustraĵo de neŭtronaj produktadanguloj por protonaj kaj litiaj faskoj (desegnitaj per Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neŭtronoj povas esti elĵetitaj en ajna direkto kiel rezulto de la reago pro la fakto ke moviĝantaj protonoj trafas la multe pli pezajn atomojn de la litiocelo.(b) Male, se litijona ŝoforo bombas hidrogen-riĉan celon, neŭtronoj estas generitaj en mallarĝa konuso en la antaŭa direkto pro la alta rapideco de la centro de maso de la sistemo.
Tamen, nur kelkaj inversaj kinemataj neŭtrongeneratoroj ekzistas pro la malfacileco de generado de la postulata fluo de pezaj jonoj kun alta ŝargo komparite kun protonoj.Ĉiuj tiuj plantoj uzas negativajn ŝprucjonfontojn en kombinaĵo kun tandemaj elektrostatikaj akceliloj.Aliaj specoj de jonfontoj estis proponitaj por pliigi la efikecon de radioakcelado26.Ĉiukaze, la disponebla litijona radiofluo estas limigita al 100 µA.Estis proponite uzi 1 mA de Li3+27, sed ĉi tiu jonradia fluo ne estis konfirmita per ĉi tiu metodo.Laŭ intenseco, litiaj radioakceliloj ne povas konkuri kun protonradiaj akceliloj kies pinta protona kurento superas 10 mA28.
Por efektivigi praktikan kompaktan neŭtrongeneratoron bazitan sur litiojona fasko, estas avantaĝe generi altan intensecon tute sen jonoj.La jonoj estas akcelitaj kaj gviditaj per elektromagnetaj fortoj, kaj pli alta ŝargnivelo rezultigas pli efikan akcelon.Li-jonaj radioŝoforoj postulas Li3+-pintajn fluojn pli ol 10 mA.
En ĉi tiu laboro, ni pruvas la akcelon de Li3+-traboj kun pintfluoj ĝis 35 mA, kiu estas komparebla al altnivelaj protonakceliloj.La origina litiojonradio estis kreita uzante laserablacion kaj Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) origine evoluigita por akceli C6+.Specialadaptita radiofrekvenca kvarpola linac (RFQ linac) estis fabrikita uzante kvar-stangan resonancan strukturon.Ni kontrolis, ke la akcela fasko havas la kalkulitan altan purecan radioenergion.Post kiam la Li3+-trabo estas efike kaptita kaj akcelita per la radiofrekvenco (RF) akcelilo, la posta linac (akcelilo) sekcio kutimas disponigi la energion necesan por generi fortan neŭtronfluon de la celo.
La akcelo de altkvalitaj jonoj estas bone establita teknologio.La restanta tasko de realigado de nova tre efika kompakta neŭtrongeneratoro devas generi grandan nombron da tute nudigitaj litiojonoj kaj formi aretstrukturon konsistantan el serio de jonaj pulsoj sinkronigitaj kun la RF-ciklo en la akcelilo.La rezultoj de eksperimentoj dizajnitaj por atingi ĉi tiun celon estas priskribitaj en la sekvaj tri subfakoj: (1) generacio de tute sen litijona trabo, (2) radioakcelo uzante speciale dizajnitan RFQ-linakon, kaj (3) akcelon de analizo. de la trabo por kontroli ĝian enhavon.Ĉe Brookhaven Nacia Laboratorio (BNL), ni konstruis la eksperimentan aranĝon montritan en Figuro 2.
Superrigardo de la eksperimenta aranĝo por akcelita analizo de litiaj radioj (ilustrita de Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).De dekstre al maldekstre, laser-ablativa plasmo estas generita en la laser-cela interaga kamero kaj liverita al la RFQ-linako.Sur enirado de la RFQ-akcelilo, la jonoj estas apartigitaj de la plasmo kaj injektitaj en la RFQ-akcelilon tra subita kampo kreita per 52 kV tensiodiferenco inter la ekstrakta elektrodo kaj la RFQ-elektrodo en la drivregiono.La ĉerpitaj jonoj estas akcelitaj de 22 keV/n ĝis 204 keV/n uzante 2 metrojn longajn RFQ-elektrodojn.Kurenta transformilo (CT) instalita ĉe la eligo de la RFQ-linako disponigas ne-detruan mezuradon de la jonradia fluo.La trabo estas enfokusigita per tri kvarpolmagnetoj kaj direktita al dipolmagneto, kiu apartigas kaj direktas la Li3+-trabon en la detektilon.Malantaŭ la fendo, retirebla plasta scintilatoro kaj Faraday-taso (FC) kun biaso de ĝis -400 V estas uzataj por detekti la akcelan trabon.
Por generi plene jonigitajn litiojonojn (Li3+), necesas krei plasmon kun temperaturo super ĝia tria joniga energio (122,4 eV).Ni provis uzi laseran ablacion por produkti alt-temperaturan plasmon.Tiu speco de laserjonfonto ne estas ofte uzita por generi litijonajn trabojn ĉar litia metalo estas reaktiva kaj postulas specialan manipuladon.Ni evoluigis cel-ŝarĝan sistemon por minimumigi humidecon kaj aerpoluadon kiam ni instalas litian folion en la vakua lasera interaga ĉambro.Ĉiuj preparoj de materialoj estis faritaj en kontrolita medio de seka argono.Post kiam la litia tavoleto estis instalita en la lasera celkamero, la tavoleto estis surradiita kun pulsita Nd:YAG-laserradiado ĉe energio de 800 mJ per pulso.Ĉe la fokuso sur la celo, la lasera potencodenseco estas taksita esti proksimume 1012 W/cm2.Plasmo estas kreita kiam pulsita lasero detruas celon en vakuo.Dum la tuta 6 ns laserpulso, la plasmo daŭre varmiĝas, plejparte pro la inversa bremsstrahlung-procezo.Ĉar neniu limiga ekstera kampo estas aplikata dum la varmiga fazo, la plasmo komencas disetendiĝi en tri dimensioj.Kiam la plasmo komencas disetendiĝi super la celsurfaco, la centro de maso de la plasmo akiras rapidecon perpendikulara al la celsurfaco kun energio de 600 eV/n.Post varmigado, la plasmo daŭre moviĝas en la aksa direkto de la celo, disetendiĝante izotrope.
Kiel montrite en Figuro 2, la ablacioplasmo disetendiĝas en vakuovolumenon ĉirkaŭitan de metalujo kun la sama potencialo kiel la celo.Tiel, la plasmo drivas tra la senkampa regiono direkte al la RFQ-akcelilo.Aksa kampo estas aplikata inter la lasera surradiadkamero kaj la RFQ-linako per solenoidvolvaĵo ĉirkaŭ la vakuokamero.La kampo de la solenoido subpremas la radialan vastiĝon de la drivanta plasmo por konservi altan plasmodensecon dum livero al la RFQ-aperturo.Aliflanke, la plasmo daŭre disetendiĝas en la aksa direkto dum la drivo, formante longforman plasmon.Alttensia biaso estas aplikita al la metala ŝipo enhavanta la plasmon antaŭ la elirejhaveno ĉe la RFQ-fjordo.La biasotensio estis elektita por disponigi la postulatan 7Li3+ injektoftecon por bonorda akcelado de la RFQ-linako.
La rezulta ablacio-plasmo enhavas ne nur 7Li3+, sed ankaŭ lition en aliaj ŝargaj statoj kaj malpuraj elementoj, kiuj estas samtempe transportitaj al la lineara akcelilo RFQ.Antaŭ akcelitaj eksperimentoj uzantaj la RFQ-linakon, eksterreta tempo-de-flugo (TOF) analizo estis farita por studi la kunmetaĵon kaj energidistribuon de jonoj en la plasmo.La detala analiza aranĝo kaj observitaj stato-de-ŝarĝaj distribuoj estas klarigitaj en la sekcio de Metodoj.La analizo montris, ke 7Li3+-jonoj estis la ĉefaj partikloj, respondecante pri proksimume 54% de ĉiuj partikloj, kiel montrite en Fig. 3. Laŭ la analizo, la 7Li3+-jona fluo ĉe la jona elirpunkto estas taksita je 1.87 mA.Dum akcelitaj testoj, 79 mT solenoidkampo estas aplikita al la disetendiĝanta plasmo.Kiel rezulto, la 7Li3+-fluo ĉerpita el la plasmo kaj observita sur la detektilo pliiĝis je faktoro de 30.
Frakcioj de jonoj en laser-generita plasmo akirita per tempo-de-fluga analizo.La 7Li1+ kaj 7Li2+ jonoj konsistigas 5% kaj 25% de la jonradio, respektive.La detektita frakcio de 6Li-partikloj konsentas kun la natura enhavo de 6Li (7.6%) en la litia tavoleta celo ene de la eksperimenta eraro.Malgranda oksigenpoluado (6.2%) estis observita, ĉefe O1+ (2.1%) kaj O2+ (1.5%), kiu povas ŝuldiĝi al oksigenado de la surfaco de la litia folio celo.
Kiel antaŭe menciite, la litia plasmo drivas en senkampa regiono antaŭ eniri la RFQ-Linac.La enigo de la RFQ-linako havas 6 mm diametran truon en metala ujo, kaj la biasa tensio estas 52 kV.Kvankam la RFQ-elektrodotensio ŝanĝiĝas rapide ±29 kV ĉe 100 MHz, la tensio kaŭzas aksan akceladon ĉar la RFQ-akcelelektrodoj havas mezan potencialon de nul.Pro la forta kampo generita en la 10 mm interspaco inter la aperturo kaj la rando de la RFQ-elektrodo, nur pozitivaj plasmojonoj estas eltiritaj de la plasmo ĉe la aperturo.En tradiciaj jonaj liversistemoj, jonoj estas apartigitaj de la plasmo per kampo ĉe konsiderinda distanco antaŭ la RFQ-akcelilo kaj tiam enfokusigitaj en la RFQ-apertureton per trabo-fokusa elemento.Tamen, por la intensaj pezaj jonaj radioj necesaj por intensa neŭtronfonto, ne-liniaj forpuŝaj fortoj pro spacŝargefikoj povas konduki al signifaj radiofluaj perdoj en la jona transportsistemo, limigante la pintfluon kiu povas esti akcelita.En nia DPIS, altintensaj jonoj estas transportitaj kiel drivanta plasmo rekte al la elirpunkto de la RFQ-aperturo, do ekzistas neniu perdo de la jonradio pro spacŝargo.Dum tiu manifestacio, DPIS estis aplikita al litiojona trabo por la unuan fojon.
La RFQ-strukturo estis evoluigita por enfokusigi kaj akceli malaltenergiajn altajn nunajn jonradiojn kaj fariĝis la normo por unuaorda akcelado.Ni uzis RFQ por akceli 7Li3+-jonojn de enplanta energio de 22 keV/n ĝis 204 keV/n.Kvankam litio kaj aliaj partikloj kun pli malalta ŝargo en la plasmo ankaŭ estas eltiritaj de la plasmo kaj injektitaj en la RFQ-aperturo, la RFQ-linako nur akcelas jonojn kun ŝargo-al-masa rilatumo (Q/A) proksime al 7Li3+.
Sur fig.Figuro 4 montras la ondformojn detektitaj de la nuna transformilo (CT) ĉe la eligo de la RFQ-linac kaj la Faraday-taso (FC) post analizado de la magneto, kiel montrite en fig.2. La tempoŝanĝo inter la signaloj povas esti interpretita kiel la diferenco en la tempo de flugo ĉe la loko de la detektilo.La pintjonkurento mezurita ĉe CT estis 43 mA.En la RT-pozicio, la registrita fasko povas enhavi ne nur jonojn akcelitajn al la kalkulita energio, sed ankaŭ jonojn krom 7Li3+, kiuj ne estas sufiĉe akcelitaj.Tamen, la simileco de la jonaj nunaj formoj trovitaj per QD kaj PC indikas, ke la jona fluo ĉefe konsistas el akcelita 7Li3+, kaj la malkresko de la pinta valoro de la kurento sur PC estas kaŭzita de radioperdoj dum jona translokigo inter QD kaj komputilo.Perdoj Ĉi tio ankaŭ estas konfirmita de la koverta simulado.Por precize mezuri la 7Li3+-radian fluon, la trabo estas analizita per dipolmagneto kiel priskribite en la sekva sekcio.
Oscilogramoj de la akcelita fasko registrita en la detektilpozicioj CT (nigra kurbo) kaj FC (ruĝa kurbo).Tiuj mezuradoj estas ekigitaj per la detekto de lasera radiado per fotodetektilo dum lasera plasmogenerado.La nigra kurbo montras la ondformon mezuritan sur CT ligita al la RFQ-linia eligo.Pro ĝia proksimeco al la RFQ-Linac, la detektilo kolektas 100 MHz-RF-bruon, tiel ke 98 MHz-malalta pasa FFT-filtrilo estis aplikita por forigi la 100 MHz-resonancan RF-signalon supermetitan sur la detektsignalo.La ruĝa kurbo montras la ondformon ĉe FC post kiam la analiza magneto direktas la 7Li3+-jonradion.En ĉi tiu magneta kampo, krom 7Li3+, N6+ kaj O7+ povas esti transportitaj.
La jonradio post la RFQ-linako estas enfokusigita per serio de tri kvarpolaj fokusaj magnetoj kaj tiam analizita per dipolmagnetoj por izoli malpuraĵojn en la jonradio.Magneta kampo de 0.268 T direktas la 7Li3+-trabojn en la FC.La detekta ondoformo de ĉi tiu magneta kampo estas montrita kiel la ruĝa kurbo en Figuro 4. La pinta trabo-kurento atingas 35 mA, kio estas pli ol 100 fojojn pli alta ol tipa Li3+-trabo produktita en ekzistantaj konvenciaj elektrostatikaj akceliloj.La radio-pulslarĝo estas 2.0 µs ĉe plena larĝo ĉe duona maksimumo.La detekto de 7Li3+ trabo kun dipola magneta kampo indikas sukcesan amasiĝon kaj radioakcelon.La jonradia kurento detektita de FC dum skanado de la magneta kampo de la dipolo estas montrita en Fig. 5. Pura ununura pinto estis observita, bone apartigita de aliaj pintoj.Ĉar ĉiuj jonoj akcelitaj al la dezajnoenergio fare de la RFQ-linako havas la saman rapidecon, jonaj radioj kun la sama Q/A malfacilas apartigi per dipolaj kampoj.Tial, ni ne povas distingi 7Li3+ de N6+ aŭ O7+.Tamen, la kvanto de malpuraĵoj povas esti taksita de najbaraj ŝargoŝtatoj.Ekzemple, N7+ kaj N5+ povas esti facile apartigitaj, dum N6+ povas esti parto de la malpureco kaj estas atendita ĉeesti en proksimume la sama kvanto kiel N7+ kaj N5+.La laŭtaksa polua nivelo estas proksimume 2%.
Radiaj komponentspektroj akiritaj per skanado de dipola kampo.La pinto ĉe 0.268 T egalrilatas al 7Li3+ kaj N6+.La pinta larĝo dependas de la grandeco de la trabo sur la fendo.Malgraŭ larĝaj pintoj, 7Li3+ bone disiĝas de 6Li3+, O6+, kaj N5+, sed nebone disiĝas de O7+ kaj N6+.
Ĉe la loko de la FC, la trabo-profilo estis konfirmita per aldonebla scintilatoro kaj registrita per rapida diĝita fotilo kiel montrite en Figuro 6. La 7Li3+ pulsita trabo kun fluo de 35 mA estas montrita esti akcelita al kalkulita RFQ. energio de 204 keV/n, kiu egalrilatas al 1.4 MeV, kaj transdonita al la FC-detektilo.
Fasko-profilo observita sur antaŭ-FC scintila ekrano (kolorita de Fiĝioj, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).La kampo de la analiza dipolmagneto estis agordita por direkti la akcelon de la Li3+-jonradio al la dezajnoenergio RFQ.La bluaj punktoj en la verda areo estas kaŭzitaj de difekta scintilatormaterialo.
Ni atingis la generacion de 7Li3+-jonoj per lasera ablacio de la surfaco de solida litia folio, kaj alta nuna jonradio estis kaptita kaj akcelita per speciale desegnita RFQ-linako uzante DPIS.Je radioenergio de 1.4 MeV, la pintfluo de 7Li3+ atingita sur la FC post analizo de la magneto estis 35 mA.Tio konfirmas ke la plej grava parto de la efektivigo de neŭtronfonto kun inversa kinematiko estis efektivigita eksperimente.En ĉi tiu parto de la papero, la tuta dezajno de kompakta neŭtronfonto estos diskutita, inkluzive de altenergiaj akceliloj kaj neŭtronaj celstacioj.La dezajno baziĝas sur rezultoj akiritaj per ekzistantaj sistemoj en nia laboratorio.Oni devas rimarki, ke la pintfluo de la jona fasko povas esti plu pliigita mallongigante la distancon inter la litia folio kaj la RFQ-linako.Rizo.7 ilustras la tutan koncepton de la proponita kompakta neŭtronfonto ĉe la akcelilo.
Koncipa dezajno de la proponita kompakta neŭtronfonto ĉe la akcelilo (desegnita fare de Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).De dekstre maldekstren: laserjonfonto, solenoida magneto, RFQ-linako, mezenergia radiotransigo (MEBT), IH-linako, kaj interagadkamero por neŭtrona generacio.Radiprotekto estas disponigita ĉefe en la antaŭa direkto pro la mallarĝe direktita naturo de la produktitaj neŭtronradioj.
Post la RFQ-Linac, plia akcelo de la Inter-cifereca H-strukturo (IH-Linac)30-Linac estas planita.IH-linakoj uzas π-reĝiman drivtubstrukturon por disponigi altajn elektrajn kampajn gradientojn en certa gamo de rapidecoj.La koncipa studo estis farita surbaze de 1D longitudinala dinamika simulado kaj 3D-ŝelsimulado.Kalkuloj montras ke 100 MHz IH-linako kun akceptebla drivtubtensio (malpli ol 450 kV) kaj forta fokusa magneto povas akceli 40 mA-trabon de 1,4 ĝis 14 MeV je distanco de 1,8 m.Energidistribuo ĉe la fino de la akcelilĉeno estas taksita je ± 0.4 MeV, kiu ne signife influas la energispektron de neŭtronoj produktitaj per la neŭtronkonverta celo.Krome, la radia emisiveco estas sufiĉe malalta por enfokusigi la trabon en pli malgrandan radiopunkton ol normale estus postulata por meza forto kaj grandeca kvarpolmagneto.En mezenergia trabo (MEBT) dissendo inter la RFQ-Linac kaj la IH-Linac, la traboforma resonatoro kutimas konservi la traboformadan strukturon.Tri kvarpolaj magnetoj estas uzataj por kontroli la grandecon de la flanka trabo.Tiu ĉi dezajnostrategio estis uzata en multaj akceliloj31,32,33.La sumlongo de la tuta sistemo de la jonfonto ĝis la celkamero estas taksita esti malpli ol 8 m, kiuj povas konveni en norma duonrmorka kamiono.
La neŭtrona konverta celo estos instalita rekte post la lineara akcelilo.Ni diskutas celajn stacidomojn bazitajn sur antaŭaj studoj uzante inversajn kinematajn scenarojn23.Raportitaj konvertaj celoj inkluzivas solidajn materialojn (polipropileno (C3H6) kaj titanhidrido (TiH2)) kaj gasajn celsistemojn.Ĉiu celo havas avantaĝojn kaj malavantaĝojn.Solidaj celoj permesas precizan dikeckontrolon.Ju pli maldika la celo, des pli preciza la spaca aranĝo de neŭtrona produktado.Tamen, tiaj celoj ankoraŭ povas havi iom da nedezirataj nukleaj reagoj kaj radiado.Aliflanke, hidrogencelo povas disponigi pli puran medion forigante la produktadon de 7Be, la ĉefa produkto de la nuklea reago.Tamen, hidrogeno havas malfortan barierkapablon kaj postulas grandan fizikan distancon por sufiĉa energiliberigo.Ĉi tio estas iomete malavantaĝa por TOF-mezuradoj.Krome, se maldika filmo estas uzata por sigeli hidrogenan celon, necesas konsideri la energiajn perdojn de gamaradioj generitaj de la maldika filmo kaj la okazanta litia fasko.
LICORNE uzas celojn de polipropileno kaj la celsistemo estis ĝisdatigita al hidrogenaj ĉeloj sigelitaj per tantala folio.Supozante radiofluon de 100 nA por 7Li34, ambaŭ celsistemoj povas produkti ĝis 107 n/s/sr.Se ni aplikas tiun postulitan neŭtronan rendimentan konvertiĝon al nia proponita neŭtronfonto, tiam litio-movita trabo de 7 × 10-8 C povas esti akirita por ĉiu laserpulso.Ĉi tio signifas, ke pafi la laseron nur dufoje je sekundo produktas 40% pli da neŭtronoj ol LICORNE povas produkti en unu sekundo kun kontinua trabo.La totala fluo povas esti facile pliigita pliigante la ekscitfrekvencon de la lasero.Se ni supozas ke ekzistas 1 kHz lasersistemo sur la merkato, la meza neŭtronfluo povas facile esti skalita ĝis proksimume 7 × 109 n/s/sr.
Kiam ni uzas sistemojn de alta ripetado kun plastaj celoj, necesas kontroli la varmogenadon sur la celoj ĉar, ekzemple, polipropileno havas malaltan frostopunkton de 145–175 °C kaj malaltan varmokonduktivecon de 0,1–0,22 W/ m/K.Por 14 MeV litijona trabo, 7 µm dika polipropilena celo estas sufiĉa redukti la radioenergion al la reagsojlo (13.098 MeV).Konsiderante la totalan efikon de jonoj generitaj per unu laserpafo al la celo, la energiliberigo de litiojonoj tra polipropileno estas taksita je 64 mJ/pulso.Supozante ke la tuta energio estas transdonita en cirklo kun diametro de 10 mm, ĉiu pulso egalrilatas al temperaturaltiĝo de proksimume 18 K/pulso.Energiliberigo sur polipropilenaj celoj estas bazita sur la simpla supozo ke ĉiuj energiperdoj estas stokitaj kiel varmeco, sen radiado aŭ aliaj varmoperdoj.Ĉar pliigi la nombron da pulsoj je sekundo postulas la eliminon de varmo-amasiĝo, ni povas uzi stricelojn por eviti energiliberigon ĉe la sama punkto23.Supozante 10 mm radiopunkton sur celo kun lasera ripetofteco de 100 Hz, la skanadrapideco de la polipropilena bendo estus 1 m/s.Pli altaj ripetaj indicoj estas eblaj se radiopunktointerkovro estas permesita.
Ni ankaŭ esploris celojn kun hidrogenaj baterioj, ĉar pli fortaj veturtraboj povus esti uzataj sen damaĝi la celon.La neŭtronradio povas esti facile agordita ŝanĝante la longon de la gasĉambro kaj la hidrogenan premon interne.Maldikaj metalfolioj ofte estas uzitaj en akceliloj por apartigi la gasan regionon de la celo de vakuo.Tial, estas necese pliigi la energion de la okazaĵa litiojona trabo por kompensi la energiperdojn sur la folio.La cela asembleo priskribita en raporto 35 konsistis el aluminia ujo 3,5 cm longa kun H2-gasa premo de 1,5 atm.La 16.75 MeV litiojonradio eniras la baterion tra la aermalvarmigita 2.7 µm Ta folio, kaj la energio de la litiojonradio ĉe la fino de la baterio estas bremsita al la reagsojlo.Por pliigi la radioenergion de litijonaj baterioj de 14,0 MeV ĝis 16,75 MeV, la IH-linako devis esti plilongigita je proksimume 30 cm.
La emisio de neŭtronoj de gasĉelceloj ankaŭ estis studita.Por la menciitaj LICORNE-gasceloj, GEANT436-simuladoj montras, ke tre orientitaj neŭtronoj estas generitaj ene de la konuso, kiel montrite en Figuro 1 en [37].Referenco 35 montras la energiintervalon de 0,7 ĝis 3,0 MeV kun maksimuma konusmalfermo de 19,5° relative al la direkto de disvastigo de la ĉeftrabo.Tre orientitaj neŭtronoj povas signife redukti la kvanton de ŝirma materialo ĉe la plej multaj anguloj, reduktante la pezon de la strukturo kaj disponigante pli grandan flekseblecon en la instalado de mezurekipaĵo.El la vidpunkto de radia protekto, krom neŭtronoj, tiu gasa celo elsendas 478 keV gamaradiojn izotrope en la centroida koordinatsistemo38.Tiuj γ-radioj estas produktitaj kiel rezulto de 7Be kadukiĝo kaj 7Li-malekscito, kiu okazas kiam la primara Li-trabo trafas la enigfenestron Ta.Tamen, aldonante dikan 35 Pb/Cu cilindran kolimilon, la fono povas esti signife reduktita.
Kiel alternativa celo, oni povas uzi plasmofenestron [39, 40], kiu ebligas atingi relative altan hidrogenan premon kaj malgrandan spacan generadon de neŭtronoj, kvankam ĝi estas pli malalta ol solidaj celoj.
Ni esploras neŭtronkonvertajn celajn elektojn por la atendata energidistribuo kaj radiograndeco de litia jona fasko uzante GEANT4.Niaj simulaĵoj montras konsekvencan distribuadon de neŭtronenergio kaj angulaj distribuoj por hidrogenaj celoj en ĉi-supra literaturo.En iu celsistemo, tre orientitaj neŭtronoj povas esti produktitaj per inversa kinemata reago movita per forta 7Li3+ trabo sur hidrogen-riĉa celo.Tial, novaj neŭtronfontoj povas esti efektivigitaj kombinante jam ekzistantajn teknologiojn.
La laseraj surradiadkondiĉoj reproduktis jonradiajn generacioeksperimentojn antaŭ la akcelita manifestacio.La lasero estas labortabla nanosekundsistemo Nd:YAG kun lasera potencdenseco de 1012 W/cm2, fundamenta ondolongo de 1064 nm, punktoenergio de 800 mJ, kaj pulsdaŭro de 6 ns.La makuldiametro sur la celo estas taksita je 100 µm.Ĉar litia metalo (Alfa Aesar, 99,9% pura) estas sufiĉe mola, la precize tranĉita materialo estas premita en la ŝimon.Dimensioj de folioj 25 mm × 25 mm, dikeco 0,6 mm.Krater-simila difekto okazas sur la surfaco de la celo kiam lasero trafas ĝin, tiel ke la celo estas movita per motorizita platformo por disponigi freŝan parton de la surfaco de la celo per ĉiu laserpafo.Por eviti rekombinigon pro resta gaso, la premo en la kamero estis konservita sub la intervalo de 10-4 Pa.
La komenca volumeno de la laserplasmo estas malgranda, ĉar la grandeco de la laserpunkto estas 100 μm kaj ene de 6 ns post sia generacio.La volumeno povas esti prenita kiel preciza punkto kaj vastigita.Se la detektilo estas metita je distanco xm de la celsurfaco, tiam la ricevita signalo obeas la rilaton: jona fluo I, jona alventempo t, kaj pulslarĝo τ.
La generita plasmo estis studita per la TOF-metodo kun FC kaj energijonanalizilo (EIA) situanta je distanco de 2.4 m kaj 3.85 m de la lasercelo.La FC havas subpreman kradon partian de -5 kV por malhelpi elektronojn.La EIA havas 90-gradan elektrostatikan deviilon konsistantan el du samaksaj metalaj cilindraj elektrodoj kun la sama tensio sed kontraŭa poluseco, pozitiva sur la ekstera flanko kaj negativa sur la interno.La disetendiĝanta plasmo estas direktita en la deviilon malantaŭ la fendeto kaj deviigita per la kampo pasanta tra la cilindro.Jonoj kontentigantaj la rilaton E/z = eKU estas detektitaj uzante Secondary Electron Multiplier (SEM) ( Hamamatsu R2362), kie E, z, e, K, kaj U estas la jona energio, stato de ŝargo, kaj ŝargo estas EIA geometriaj faktoroj. .elektronoj, respektive, kaj la potenciala diferenco inter la elektrodoj.Ŝanĝante la tension trans la deviigilo, oni povas akiri la energion kaj ŝargan distribuadon de jonoj en la plasmo.La balaa tensio U/2 EIA estas en la intervalo de 0.2 V ĝis 800 V, kiu egalrilatas al jonenergio en la intervalo de 4 eV ĝis 16 keV per ŝargstato.
La distribuoj de la ŝarga stato de la jonoj analizitaj sub la kondiĉoj de lasera surradiado priskribitaj en la sekcio "Genero de plene nuditaj litiaj radioj" estas montritaj en Figoj.8.
Analizo de la distribuo de la stato de ŝarĝo de jonoj.Jen la jona nuna denseca tempoprofilo analizita kun EIA kaj skalita je 1 m de la litia folio uzante la ekvacion.(1) kaj (2).Uzu la kondiĉojn pri radiado de lasero priskribitaj en la sekcio "Generacio de Tute Eksfoliata Litio-Rabo".Integrante ĉiun kurentdensecon, la proporcio de jonoj en la plasmo estis kalkulita, montrita en Figuro 3.
Lasero-jonfontoj povas liveri intensan multi-mA-jonradion kun alta ŝargo.Tamen, trabo livero estas tre malfacila pro spacŝargo repuŝo, do ĝi ne estis vaste uzita.En la tradicia skemo, jonradioj estas eltiritaj de la plasmo kaj transportitaj al la primara akcelilo laŭ radiolinio kun pluraj fokusaj magnetoj por formi la jontrabon laŭ la ŝarĝokapableco de la akcelilo.En spacaj ŝargaj fortotraboj, la traboj diverĝas ne-linie, kaj gravaj radioperdoj estas observitaj, precipe en la regiono de malaltaj rapidecoj.Por venki ĉi tiun problemon en la evoluo de medicinaj karbonakceliloj, nova DPIS41-radio-liverskemo estas proponita.Ni aplikis ĉi tiun teknikon por akceli potencan litijonan trabon de nova neŭtronfonto.
Kiel montrite en fig.4, la spaco en kiu la plasmo estas generita kaj vastigita estas ĉirkaŭita de metala ujo.La enfermita spaco etendiĝas al la enirejo al la RFQ-resonatoro, inkluzive de la volumeno ene de la solenoidvolvaĵo.Tensio de 52 kV estis aplikita al la ujo.En la RFQ-resonatoro, jonoj estas tiritaj per potencialo tra 6 mm diametra truo surgrundigante la RFQ.La ne-liniaj repuŝfortoj sur la trabolinio estas eliminitaj kiam la jonoj estas transportitaj en la plasmoŝtato.Krome, kiel menciite supre, ni aplikis solenoidan kampon en kombinaĵo kun DPIS por kontroli kaj pliigi la densecon de jonoj en la eltira aperturo.
La RFQ-akcelilo konsistas el cilindra vakuokamero kiel montrite en fig.9a.En ĝi, kvar bastonoj el senoksigena kupro estas metitaj kvarpol-simetrie ĉirkaŭ la traba akso (Fig. 9b).4 bastonoj kaj kameroj formas resonancan RF-cirkviton.La induktita RF-kampo kreas temp-varian tension trans la bastono.Jonoj enplantitaj laŭlonge ĉirkaŭ la akso estas tenitaj laterale per la kvarpolkampo.En la sama tempo, la pinto de la bastono estas modulita por krei aksan elektran kampon.La aksa kampo disigas la injektitan kontinuan trabon en serion de radiopulsoj nomitaj trabo.Ĉiu trabo estas enhavita ene de certa RF-ciklotempo (10 ns).Apudaj traboj estas interspacigitaj laŭ la radiofrekvenca periodo.En la RFQ-linako, 2 µs trabo de laserjonfonto estas konvertita en sekvencon de 200 radioj.La trabo tiam estas akcelita al la kalkulita energio.
Lineara akcelilo RFQ.(a) (maldekstre) Ekstera vido de la RFQ-linac-kamero.(b) (dekstre) Kvar-stanga elektrodo en la kamero.
La ĉefaj dezajnoparametroj de la RFQ-linako estas la bastontensio, resonfrekvenco, radiotrua radiuso kaj elektrodmodulado.Elektu la tensio sur la bastono ± 29 kV tiel ke ĝia elektra kampo estas sub la elektra paneo sojlo.Ju pli malalta la resonfrekvenco, des pli granda la flanka fokusa forto kaj des pli malgranda la meza akcela kampo.Grandaj aperturradioj ebligas pliigi la faskograndecon kaj, sekve, pliigi la radiofluon pro la pli malgranda spacŝarga repuŝo.Aliflanke, pli grandaj aperturradioj postulas pli da RF-potenco por funkciigi la RFQ-linakon.Krome, ĝi estas limigita de la kvalitaj postuloj de la retejo.Surbaze de tiuj ekvilibroj, la resonfrekvenco (100 MHz) kaj aperturradiuso (4.5 mm) estis elektitaj por alt-nuna radioakcelado.La modulado estas elektita por minimumigi radioperdon kaj maksimumigi akcelefikecon.La dezajno estis optimumigita multajn fojojn por produkti RFQ-linac-dezajnon kiu povas akceli 7Li3+-jonojn je 40 mA de 22 keV/n ĝis 204 keV/n ene de 2 m.La RF-potenco mezurita dum la eksperimento estis 77 kW.
RFQ-linakoj povas akceli jonojn kun specifa Q/A-intervalo.Tial, kiam oni analizas trabon nutritan al la fino de lineara akcelilo, necesas konsideri izotopojn kaj aliajn substancojn.Krome, la dezirataj jonoj, parte akcelitaj, sed malsuprenirintaj sub akcelkondiĉoj en la mezo de la akcelilo, ankoraŭ povas renkonti flankan enfermiĝon kaj povas esti transportitaj ĝis la fino.Nedezirataj radioj krom inĝenieritaj 7Li3+-partikloj estas nomitaj malpuraĵoj.En niaj eksperimentoj, 14N6+ kaj 16O7+ malpuraĵoj estis de la plej granda zorgo, ĉar la litia metala folio reagas kun oksigeno kaj nitrogeno en la aero.Ĉi tiuj jonoj havas Q/A-proporcion kiu povas esti akcelita kun 7Li3+.Ni uzas dipolajn magnetojn por apartigi trabojn de malsama kvalito kaj kvalito por traba analizo post la RFQ-linako.
La trabolinio post la RFQ-linako estas dizajnita por liveri la plene akcelitan 7Li3+-trabon al la FC post la dipolmagneto.—400 V biaj elektrodoj estas uzataj por subpremi sekundarajn elektronojn en la taso por precize mezuri la jonradian kurenton.Kun ĉi tiu optiko, la jonaj trajektorioj estas apartigitaj en dipolojn kaj fokusitaj en malsamaj lokoj depende de la Q/A.Pro diversaj faktoroj kiel movokvantodisvastigo kaj spacŝarga repuŝo, la trabo ĉe la fokuso havas certan larĝon.La specio povas esti apartigita nur se la distanco inter la fokusaj pozicioj de la du jonaj specioj estas pli granda ol la faskolarĝo.Por akiri la plej altan eblan rezolucion, horizontala fendo estas instalita proksime de la trabo talio, kie la trabo estas praktike koncentrita.Scintila ekrano (CsI(Tl) de Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) estis instalita inter la fendo kaj la komputilo.La scintilatoro kutimis determini la plej malgrandan fendon kiun la dizajnitaj partikloj devis trapasi por optimuma rezolucio kaj por montri akcepteblajn radiograndecojn por altaj nunaj pezaj jonaj radioj.La radiobildo sur la scintilatoro estas registrita per CCD-fotilo tra vakufenestro.Alĝustigu la ekspoziciotempofenestron por kovri la tutan faskan pulslarĝon.
Datumaroj uzataj aŭ analizitaj en la nuna studo estas haveblaj de la respektivaj aŭtoroj laŭ akceptebla peto.
Manke, I. et al.Tridimensia bildigo de magnetaj domajnoj.Nacia komunumo.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Ebloj studi kompaktajn neŭtronfontojn ĉe akceliloj.fiziko.Rep 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neŭtron-bazita komputita mikrotomografio: Pliobates cataloniae kaj Barberapithecus huerzeleri kiel testkazoj.Jes.J. Fiziko.antropologio.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).