304L 6.35 * 1mm Roestfrij stiel coiled buizen leveransiers, Demonstraasje fan in yntinse lithium beam foar it generearjen fan pulsearre direkte neutroanen

Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Sliders dy't trije artikels per dia sjen litte.Brûk de efter- en folgjende knoppen om troch de dia's te bewegen, of de slide-controller-knoppen oan 'e ein om troch elke dia te bewegen.

As alternatyf foar de stúdzje fan kearnreaktors kin in kompakte fersneller-oandreaune neutrongenerator mei in lithium-ion-beam-bestjoerder in kânsrike kandidaat wêze, om't it net folle net winske strieling produseart.It wie lykwols lestich om in yntinse beam fan lithium-ionen te leverjen, en de praktyske tapassing fan sokke apparaten waard as ûnmooglik beskôge.It meast akute probleem fan ûnfoldwaande ionstream waard oplost troch it tapassen fan in direkte plasma-ymplantaasjeskema.Yn dit skema wurdt in hege tichtheid pulsearre plasma generearre troch laser ablaasje fan in lithium metaal folie effisjint ynjeksje en fersneld troch in hege-frekwinsje quadrupole accelerator (RFQ accelerator).Wy hawwe berikt in pyk beam hjoeddeistige fan 35 mA fersneld nei 1,43 MeV, dat is twa oarders fan grutte heger as konvinsjonele injector en accelerator systemen kinne leverje.
Oars as X-rays of opladen dieltsjes, neutroanen hawwe in grutte penetraasje djipte en unike ynteraksje mei gecondenseerde matearje, wêrtroch't se ekstreem alsidige probes foar it bestudearjen fan de eigenskippen fan materialen1,2,3,4,5,6,7.Benammen techniken foar neutronenferstrooiing wurde faak brûkt om de gearstalling, struktuer en ynterne spanningen yn kondinsearre matearje te studearjen en kinne detaillearre ynformaasje leverje oer spoarferbiningen yn metaallegeringen dy't lestich te ûntdekken binne mei röntgenspektroskopy8.Dizze metoade wurdt beskôge as in krêftich ark yn basiswittenskip en wurdt brûkt troch fabrikanten fan metalen en oare materialen.Mear resint is neutrondiffraksje brûkt om residuele spanningen te detektearjen yn meganyske komponinten lykas spoar- en fleantúchdielen9,10,11,12.Neutroanen wurde ek brûkt yn oalje- en gasboarringen, om't se maklik wurde fange troch protonrike materialen13.Fergelykbere metoaden wurde ek brûkt yn sivile technyk.Net-destruktive neutronetesten is in effektyf ark foar it opspoaren fan ferburgen fouten yn gebouwen, tunnels en brêgen.It gebrûk fan neutroanenbalken wurdt aktyf brûkt yn wittenskiplik ûndersyk en yndustry, in protte dêrfan binne histoarysk ûntwikkele mei kearnreaktors.
Mei de wrâldwide konsensus oer nukleêre net-proliferaasje wurdt it bouwen fan lytse reaktors foar ûndersyksdoelen lykwols hieltyd dreger.Boppedat hat it resinte ûngelok yn Fukushima it bouwen fan kearnreaktors hast sosjaal akseptabel makke.Yn ferbân mei dizze trend groeit de fraach nei neutroneboarnen by accelerators2.As alternatyf foar kearnreaktors binne ferskate grutte fersnellings-splitsende neutroneboarnen al yn wurking14,15.Foar in effisjinter gebrûk fan 'e eigenskippen fan neutronebalken is it lykwols nedich om it gebrûk fan kompakte boarnen út te wreidzjen by accelerators, 16 dy't kinne hearre ta yndustriële en universitêre ûndersyksynstituten.Accelerator neutroneboarnen hawwe nije mooglikheden en funksjes tafoege neist it tsjinjen as ferfanging foar kearnreaktors14.Bygelyks, in linac-oandreaune generator kin maklik in stream fan neutroanen meitsje troch de oandriuwstraal te manipulearjen.Ien kear útstjitten binne neutroanen lestich te kontrolearjen en stralingsmjittingen binne lestich te analysearjen fanwegen it lûd makke troch eftergrûnneutroanen.Pulsearre neutroanen regele troch in accelerator mije dit probleem.Ferskate projekten basearre op proton accelerator technology binne foarsteld om de wrâld17,18,19.De reaksjes 7Li(p, n)7Be en 9Be(p, n)9B wurde meast brûkt yn proton-oandreaune kompakte neutrongenerators, om't se endotermyske reaksjes binne20.Oerstallige strieling en radioaktyf ôffal kinne minimalisearre wurde as de enerzjy dy't keazen is om de protonstraal te stimulearjen in bytsje boppe de drompelwearde is.De massa fan 'e doelkearn is lykwols folle grutter as dy fan protoanen, en de resultearjende neutroanen ferspriede yn alle rjochtingen.Sa'n tichtby isotropyske emisje fan in neutroneflux foarkomt effisjint ferfier fan neutroanen nei it objekt fan stúdzje.Derneist, om de fereaske dosis fan neutroanen op 'e lokaasje fan it objekt te krijen, is it needsaaklik om sawol it oantal bewegende protoanen en har enerzjy signifikant te ferheegjen.As gefolch, grutte doses fan gamma rays en neutroanen sille propagearje troch grutte hoeken, ferneatigje it foardiel fan endothermic reaksjes.In typyske accelerator-oandreaune kompakte proton-basearre neutron generator hat sterke straling shielding en is it bulkiest diel fan it systeem.De needsaak om de enerzjy fan it oandriuwen fan protoanen te ferheegjen fereasket normaal in ekstra ferheging fan 'e grutte fan' e acceleratorfoarsjenning.
Om de algemiene tekoarten fan konvinsjonele kompakte neutroneboarnen by accelerators te oerwinnen, waard in inversion-kinematyske reaksjeskema foarsteld21.Yn dit skema wurdt in swierdere lithium-ion-beam brûkt as gidsbalke ynstee fan in protonbeam, rjochte op wetterstofrike materialen lykas koalwetterstofplestik, hydriden, wetterstofgas of wetterstofplasma.Alternativen binne beskôge, lykas beryllium-ion-oandreaune balken, lykwols, beryllium is in giftige stof dy't spesjale soarch nedich is by it behanneljen.Dêrom is in lithiumbalke it meast geskikt foar inversion-kinematyske reaksjeskema's.Sûnt de ympuls fan lithium kearnen is grutter as dat fan protoanen, it sintrum fan massa fan kearn botsingen wurdt hieltyd foarút, en neutroanen wurde ek útstjoerd nei foaren.Dizze funksje elimineert unwanted gammastrieling en neutronemissies mei hege hoeke sterk22.In ferliking fan it gewoane gefal fan in protonmotor en it senario foar inverse kinematika wurdt werjûn yn figuer 1.
Yllustraasje fan neutron produksje hoeken foar proton en lithium balken (tekene mei Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutroanen kinne yn elke rjochting útstutsen wurde as gefolch fan 'e reaksje troch it feit dat bewegende protoanen de folle swierdere atomen fan it lithiumdoel reitsje.(b) Oarsom, as in lithium-ion-bestjoerder in wetterstofryk doel bombardearret, wurde neutroanen generearre yn in smelle kegel yn 'e foarút rjochting troch de hege snelheid fan it massasintrum fan it systeem.
Mar in pear omkearde kinematyske neutrongenerators besteane lykwols fanwegen de muoite om de fereaske flux fan swiere ioanen mei in hege lading te generearjen yn ferliking mei protoanen.Al dizze planten brûke negative sputterionboarnen yn kombinaasje mei tandem elektrostatyske accelerators.Oare soarten ionboarnen binne foarsteld om de effisjinsje fan beamfersnelling te ferheegjen26.Yn alle gefallen is de beskikbere lithium-ion-beamstream beheind ta 100 µA.It is foarsteld om 1 mA fan Li3 + 27 te brûken, mar dizze ionbeamstream is net befêstige troch dizze metoade.Yn termen fan yntensiteit kinne lithiumbeamversnellers net konkurrearje mei protonstraalversnellers wêrfan de pykprotonstream 10 mA28 grutter is.
Om in praktyske kompakte neutrongenerator út te fieren basearre op in lithium-ion-beam, is it foardielich om hege yntinsiteit folslein sûnder ioanen te generearjen.De ioanen wurde fersneld en begelaat troch elektromagnetyske krêften, en in heger ladingsnivo resulteart yn effisjintere fersnelling.Li-ion beam drivers fereaskje Li3+ peak streamen fan mear as 10 mA.
Yn dit wurk demonstrearje wy de fersnelling fan Li3+ balken mei peakstreamen oant 35 mA, wat te fergelykjen is mei avansearre protonversnellers.De orizjinele lithium-ionbeam waard makke mei laserablaasje en in Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) oarspronklik ûntwikkele om C6+ te fersnellen.In oanpaste ûntwurpen radio frekwinsje quadrupole linac (RFQ linac) waard makke mei help fan in fjouwer-rod resonânsjefel struktuer.Wy hawwe ferifiearre dat de accelerating beam hat de berekkene hege suverens beam enerzjy.Sadree't de Li3 + beam is effektyf fêstlein en fersneld troch de radio frekwinsje (RF) accelerator, de folgjende linac (accelerator) seksje wurdt brûkt om te leverjen de enerzjy nedich om te generearjen in sterke neutron flux út it doel.
De fersnelling fan ioanen mei hege prestaasjes is in goed fêststelde technology.De oerbleaune taak fan it realisearjen fan in nije heul effisjinte kompakte neutrongenerator is om in grut oantal folslein stripte lithium-ionen te generearjen en in klusterstruktuer te foarmjen besteande út in searje ionpulsen dy't syngronisearre binne mei de RF-syklus yn 'e accelerator.De resultaten fan eksperiminten ûntworpen om dit doel te berikken wurde beskreaun yn 'e folgjende trije subseksjes: (1) generaasje fan in folslein sûnder lithium-ion beam, (2) beamfersnelling mei in spesjaal ûntworpen RFQ linac, en (3) fersnelling fan analyse fan 'e beam om de ynhâld te kontrolearjen.By Brookhaven National Laboratory (BNL) bouden wy de eksperimintele opset werjûn yn figuer 2.
Oersjoch fan 'e eksperimintele opset foar fersnelde analyze fan lithiumbalken (yllustrearre troch Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Fan rjochts nei lofts wurdt laser-ablative plasma generearre yn 'e laser-target ynteraksje keamer en levere oan' e RFQ linac.By it ynfieren fan 'e RFQ-accelerator wurde de ioanen skieden fan it plasma en ynjeksje yn' e RFQ-accelerator troch in hommelse elektrysk fjild makke troch in 52 kV-spanningsferskil tusken de ekstraksjeelektrode en de RFQ-elektrode yn 'e driftregio.De ekstrahearre ioanen wurde fersneld fan 22 keV / n nei 204 keV / n mei 2 meter lange RFQ-elektroden.In stroomtransformator (CT) ynstalleare oan 'e útfier fan' e RFQ-linac leveret net-destruktive mjitting fan 'e ionbeamstream.De beam wurdt rjochte troch trije quadrupole magneten en rjochte op in dipole magneet, dy't skiedt en rjochtet de Li3 + beam yn de detektor.Efter de sleat wurde in ynlûkbere plestik scintillator en in Faraday-beker (FC) mei in bias fan oant -400 V brûkt om de fersnellingsbalke te detektearjen.
Om folslein ionisearre lithium-ionen (Li3+) te generearjen, is it nedich om in plasma te meitsjen mei in temperatuer boppe syn tredde ionisaasje-enerzjy (122,4 eV).Wy besochten laserablaasje te brûken om plasma op hege temperatueren te produsearjen.Dit soarte fan laser ion boarne wurdt net faak brûkt foar it generearjen fan lithium ion balken omdat lithium metaal is reaktyf en fereasket spesjale ôfhanneling.Wy hawwe in doelladingssysteem ûntwikkele om focht en loftfersmoarging te minimalisearjen by it ynstallearjen fan lithiumfolie yn 'e fakuüm laser ynteraksje keamer.Alle tariedingen fan materialen waarden útfierd yn in kontrolearre omjouwing fan droege argon.Neidat de lithium folie waard ynstallearre yn de laser doel keamer, de folie waard bestraald mei pulsed Nd: YAG laser strieling op in enerzjy fan 800 mJ per puls.By de fokus op it doel wurdt de laserkrêftdichtheid rûsd op sawat 1012 W/cm2.Plasma wurdt makke as in pulsearre laser in doel yn in fakuüm ferneatiget.Tidens de hiele 6 ns laser puls, it plasma bliuwt te ferwaarmjen, benammen troch de omkearde bremsstrahlung proses.Sûnt gjin beheinende eksterne fjild wurdt tapast tidens de ferwaarming faze, it plasma begjint te wreidzjen yn trije diminsjes.As it plasma begjint te wreidzjen oer it doelflak, krijt it massasintrum fan it plasma in snelheid loodrecht op it doelflak mei in enerzjy fan 600 eV / n.Nei ferwaarming bliuwt it plasma yn 'e axiale rjochting fan it doel, wreidet isotropysk út.
Lykas werjûn yn figuer 2, wreidet it ablaasjeplasma út yn in fakuümvolumint omjûn troch in metalen kontener mei itselde potinsjeel as it doel.Sa driuwt it plasma troch de fjildfrije regio nei de RFQ-versneller.In axial magnetysk fjild wurdt tapast tusken de laser bestraling keamer en de RFQ linac troch middel fan in solenoïde coil wûn om 'e fakuüm keamer.It magnetyske fjild fan 'e solenoïde ûnderdrukt de radiale útwreiding fan it driuwende plasma om in hege plasma-tichtens te behâlden by levering oan' e RFQ-aperture.Oan 'e oare kant bliuwt it plasma yn' e axiale rjochting útwreidzje tidens de drift, en foarmje in langwerpige plasma.In hege spanning bias wurdt tapast op it metalen skip mei dêryn it plasma foar de útgong haven by de RFQ ynlaat.De biasspanning waard keazen om de fereaske 7Li3+ ynjeksjerate te leverjen foar juste fersnelling troch de RFQ-linac.
It resultearjende ablaasjeplasma befettet net allinich 7Li3+, mar ek lithium yn oare ladingsteaten en fersmoargjende eleminten, dy't tagelyk wurde ferfierd nei de RFQ-lineêre accelerator.Foarôfgeand oan fersnelde eksperiminten mei de RFQ linac, waard in offline time-of-flight (TOF) analyse útfierd om de komposysje en enerzjyferdieling fan ionen yn it plasma te studearjen.De detaillearre analytyske opset en waarnommen distribúsjes fan kosten wurde útlein yn 'e seksje Metoaden.De analyze die bliken dat 7Li3+ ioanen wiene de wichtichste dieltsjes, goed foar likernôch 54% fan alle dieltsjes, lykas werjûn yn Fig.Tidens fersnelde testen wurdt in 79 mT solenoïdefjild tapast op it útwreidzjen fan plasma.As gefolch, de 7Li3+ stroom út it plasma helle en waarnommen op 'e detektor tanommen mei in faktor fan 30.
Fraksjes fan ioanen yn laser-generearre plasma krigen troch time-of-flight analyze.De 7Li1+ en 7Li2+ ioanen meitsje respektivelik 5% en 25% út fan 'e ionbeam.De ûntdutsen fraksje fan 6Li-dieltsjes komt oerien mei de natuerlike ynhâld fan 6Li (7.6%) yn it lithiumfoliedoel binnen de eksperimintele flater.In lichte soerstofkontaminaasje (6,2%) waard waarnommen, benammen O1+ (2,1%) en O2+ (1,5%), dy't mooglik wêze kinne troch oksidaasje fan it oerflak fan it lithiumfoliedoel.
Lykas earder neamd, driuwt it lithiumplasma yn in fjildleaze regio foardat it RFQ-linac yngiet.De ynfier fan 'e RFQ linac hat in gat mei in diameter fan 6 mm yn in metalen kontener, en de foarspanning is 52 kV.Hoewol de RFQ-elektrodespanning rap feroaret ± 29 kV by 100 MHz, feroarsaket de spanning axiale fersnelling, om't de RFQ-acceleratorelektroden in gemiddelde potinsjeel fan nul hawwe.Troch it sterke elektryske fjild generearre yn 'e 10 mm-gap tusken de aperture en de râne fan' e RFQ-elektrode, wurde allinich positive plasma-ionen út it plasma by de aperture helle.Yn tradisjonele ionleveringssystemen wurde ioanen skieden fan it plasma troch in elektrysk fjild op in flinke ôfstân foar de RFQ-accelerator en dan rjochte yn 'e RFQ-aperture troch in beam-fokussearjend elemint.Lykwols, foar de yntinse swiere ion balken dy't nedich binne foar in yntinse neutron boarne, net-lineêre repulsive krêften fanwege romte lading effekten kinne liede ta wichtige beam hjoeddeistige ferliezen yn de ion ferfier systeem, beheine de pyk hjoeddeistige dat kin wurde fersneld.Yn ús DPIS wurde ioanen mei hege yntinsiteit ferfierd as in driuwend plasma direkt nei it útgongspunt fan 'e RFQ-aperture, sadat der gjin ferlies fan' e ionbeam is troch romtelading.Tidens dizze demonstraasje waard DPIS foar it earst tapast op in lithium-ion-beam.
De RFQ-struktuer is ûntwikkele foar it fokusjen en fersnellen fan leech-enerzjy hege aktuele ionbeammen en is de standert wurden foar fersnelling fan earste bestelling.Wy brûkten RFQ om 7Li3+-ionen te fersnellen fan in ymplantenerzjy fan 22 keV/n nei 204 keV/n.Hoewol lithium en oare dieltsjes mei in legere lading yn it plasma ek út it plasma wurde ekstrahearre en yn 'e RFQ-aperture ynjeksje, fersnelt de RFQ-linac allinich ioanen mei in lading-to-massa-ferhâlding (Q/A) tichtby 7Li3+.
Op fig.Figure 4 lit de golffoarmen ûntdutsen troch de hjoeddeistige transformator (CT) by de útfier fan 'e RFQ-linac en de Faraday-beker (FC) nei it analysearjen fan de magneet, lykas werjûn yn fig.2. De tiidferskowing tusken de sinjalen kin ynterpretearre wurde as it ferskil yn 'e tiid fan flecht op' e lokaasje fan 'e detektor.De peak-ionstream mjitten by CT wie 43 mA.Yn de RT posysje, de registrearre beam kin befetsje net allinnich ioanen fersneld nei de berekkene enerzjy, mar ek oare ioanen as 7Li3+, dy't net genôch fersneld.De oerienkomst fan 'e ionstreamfoarmen fûn troch QD en PC jout lykwols oan dat de ionstream benammen bestiet út fersnelde 7Li3+, en de ôfname fan 'e peakwearde fan 'e stroom op PC wurdt feroarsake troch beamferlies by ionoerdracht tusken QD en PC.Ferliezen Dit wurdt ek befêstige troch de envelopsimulaasje.Om de 7Li3+ beamstream krekt te mjitten, wurdt de beam analysearre mei in dipoalmagneet lykas beskreaun yn 'e folgjende paragraaf.
Oscillogrammen fan 'e fersnelde beam opnommen yn' e detektorposysjes CT (swarte kromme) en FC (reade kromme).Dizze mjittingen wurde trigger troch de deteksje fan laserstrieling troch in fotodetektor by laserplasmageneraasje.De swarte kromme toant de golffoarm mjitten op in CT ferbûn mei de RFQ-linac-útfier.Fanwegen syn tichtby de RFQ-linac, pakt de detektor 100 MHz RF-lûd op, sadat in 98 MHz leechpass FFT-filter waard tapast om it 100 MHz resonante RF-sinjaal te ferwiderjen dat boppe op it deteksjesinjaal is.De reade kromme toant de golffoarm by FC neidat de analytyske magneet de 7Li3+ ionbeam rjochtet.Yn dit magnetysk fjild kinne, útsein 7Li3+, N6+ en O7+ wurde ferfierd.
De ion beam nei de RFQ linac wurdt rjochte troch in rige fan trije quadrupole fokus magneten en dan analysearre troch dipole magnets te isolearjen ûnreinheden yn 'e ion beam.In magnetysk fjild fan 0.268 T rjochtet de 7Li3+ stralen yn 'e FC.De detection golffoarm fan dit magnetysk fjild wurdt werjûn as de reade kromme yn figuer 4. De pyk beam hjoeddeistige berikt 35 mA, dat is mear as 100 kear heger as in typyske Li3 + beam produsearre yn besteande konvinsjonele electrostatic accelerators.De beampulsbreedte is 2.0 µs op folsleine breedte op heal maksimum.De deteksje fan in 7Li3+ beam mei in dipole magnetysk fjild wiist op suksesfolle bundeling en beamfersnelling.De ion beam hjoeddeistige ûntdutsen troch FC doe't skennen fan it magnetysk fjild fan 'e dipole wurdt werjûn yn figuer 5. In skjinne inkele peak waard waarnommen, goed skieden fan oare toppen.Om't alle ioanen dy't troch de RFQ-linac fersneld binne nei de ûntwerpenerzjy deselde snelheid hawwe, binne ionbalken mei deselde Q / A lestich te skieden troch dipole magnetyske fjilden.Dêrom kinne wy ​​7Li3+ net ûnderskiede fan N6+ ​​of O7+.It bedrach fan ûnreinheden kin lykwols wurde rûsd út oanbuorjende ladingsteaten.Bygelyks, N7+ en N5+ kinne maklik skieden wurde, wylst N6+ diel útmeitsje fan 'e ûnreinens en wurdt ferwachte te wêzen oanwêzich yn likernôch itselde bedrach as N7+ en N5+.It rûsde fersmoargingsnivo is sa'n 2%.
Beam komponint spektra krigen troch it scannen fan in dipole magnetysk fjild.De peak op 0.268 T komt oerien mei 7Li3+ en N6+.De peakbreedte hinget ôf fan 'e grutte fan' e beam op 'e slit.Nettsjinsteande brede toppen, skiedt 7Li3+ goed fan 6Li3+, O6+ en N5+, mar min skiedt fan O7+ en N6+.
Op 'e lokaasje fan' e FC waard it beamprofyl befêstige mei in plug-in scintillator en opnommen mei in flugge digitale kamera lykas werjûn yn figuer 6. De 7Li3+ pulsearre beam mei in stroom fan 35 mA wurdt sjen litten te fersnelle nei in berekkene RFQ enerzjy fan 204 keV / n, wat oerienkomt mei 1,4 MeV, en oerbrocht nei de FC-detektor.
Beamprofyl waarnommen op in pre-FC scintillator skerm (kleure troch Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).It magnetyske fjild fan 'e analytyske dipoalmagneet waard ôfstimd om de fersnelling fan' e Li3+ ionbeam te rjochtsjen nei de ûntwerpenerzjy RFQ.De blauwe stippen yn it griene gebiet wurde feroarsake troch defekt scintillatormateriaal.
Wy berikke de generaasje fan 7Li3 + ioanen troch laser ablation fan it oerflak fan in bêst lithium folie, en in hege hjoeddeistige ion beam waard fongen en fersneld mei in spesjaal ûntwurpen RFQ linac mei help fan DPIS.By in beam-enerzjy fan 1,4 MeV wie de peakstream fan 7Li3+ berikt op 'e FC nei analyze fan' e magneet 35 mA.Dit befêstiget dat it wichtichste diel fan 'e ymplemintaasje fan in neutronboarne mei omkearde kinematika eksperiminteel útfierd is.Yn dit diel fan it papier sil it hiele ûntwerp fan in kompakte neutroneboarne besprutsen wurde, ynklusyf hege enerzjyfersnellers en neutrondoelstasjons.It ûntwerp is basearre op resultaten krigen mei besteande systemen yn ús laboratoarium.It moat opmurken wurde dat de peakstream fan 'e ionbeam fierder kin wurde ferhege troch de ôfstân tusken de lithiumfolie en de RFQ-linac te koartsjen.Rys.7 yllustrearret it hiele konsept fan de foarstelde kompakte neutron boarne by de accelerator.
Konseptueel ûntwerp fan 'e foarstelde kompakte neutronboarne by de accelerator (tekene troch Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Fan rjochts nei lofts: laser ion boarne, solenoïde magneet, RFQ linac, medium enerzjy beam oerdracht (MEBT), IH linac, en ynteraksje keamer foar neutron generaasje.Stralingsbeskerming wurdt foaral yn 'e foarút rjochting levere troch it smel rjochte karakter fan' e produsearre neutronestralen.
Nei de RFQ linac is fierdere fersnelling fan 'e Inter-digitale H-struktuer (IH linac) 30 linac pland.IH-linacs brûke in π-modus driftbuisstruktuer om hege elektryske fjildgradiënten te leverjen oer in bepaald berik fan snelheden.De konseptuele stúdzje waard útfierd op basis fan 1D longitudinale dynamyksimulaasje en 3D shell-simulaasje.Berekkeningen litte sjen dat in 100 MHz IH-linac mei in ridlike driftbuisspanning (minder dan 450 kV) en in sterke fokusmagneet in 40 mA-beam kin fersnelle fan 1,4 nei 14 MeV op in ôfstân fan 1,8 m.Enerzjyferdieling oan 'e ein fan' e acceleratorketen wurdt rûsd op ± 0,4 MeV, wat gjin signifikant ynfloed hat op it enerzjyspektrum fan neutroanen produsearre troch it neutronkonverzjedoel.Dêrneist is de beam emissivity leech genôch om te fokusjen de beam yn in lytsere beam plak dan soe normaal wêze nedich foar in medium sterkte en grutte quadrupole magneet.Yn medium enerzjy beam (MEBT) oerdracht tusken de RFQ linac en de IH linac, de beamforming resonator wurdt brûkt om te behâlden de beamforming struktuer.Trije quadrupole magneten wurde brûkt om te kontrolearjen de grutte fan de sydbalke.Dizze ûntwerpstrategy is brûkt yn in protte accelerators31,32,33.De totale lingte fan it hiele systeem fan 'e ionboarne nei de doelkeamer wurdt rûsd op minder dan 8 m, dy't passe kin yn in standert semi-trailer frachtwein.
It neutronkonverzjedoel sil direkt nei de lineêre accelerator wurde ynstalleare.Wy beprate doelstasjonûntwerpen basearre op eardere stúdzjes mei inverse kinematyske senario's23.Rapportearre konverzjedoelen omfetsje fêste materialen (polypropyleen (C3H6) en titaniumhydride (TiH2)) en gasfoarmige doelsystemen.Elk doel hat foardielen en neidielen.Solide doelen tastean sekuere dikte kontrôle.Hoe tinner it doel, hoe krekter de romtlike yndieling fan neutroneproduksje.Sokke doelen kinne lykwols noch wat graad fan net winske kearnreaksjes en strieling hawwe.Oan 'e oare kant kin in wetterstofdoel in skjinnere omjouwing leverje troch de produksje fan 7Be te eliminearjen, it haadprodukt fan' e kearnreaksje.Wetterstof hat lykwols in swak barriêrefermogen en fereasket in grutte fysike ôfstân foar genôch enerzjyferlies.Dit is wat neidiel foar TOF-mjittingen.Derneist, as in tinne film wurdt brûkt om in wetterstofdoel te fersegeljen, is it needsaaklik om rekken te hâlden mei de enerzjyferlies fan gammastrielen dy't generearre wurde troch de tinne film en de ynfallende lithiumbeam.
LICORNE brûkt polypropyleen-doelen en it doelsysteem is opwurdearre nei wetterstofsellen fersegele mei tantaalfolie.Oannommen fan in beamstream fan 100 nA foar 7Li34, kinne beide doelsystemen oant 107 n/s/sr produsearje.As wy dizze bewearde neutronopbringstkonverzje tapasse op ús foarstelde neutronboarne, dan kin in lithium-oandreaune beam fan 7 × 10-8 C wurde krigen foar elke laserpuls.Dit betsjut dat it sjitten fan de laser mar twa kear per sekonde 40% mear neutroanen produseart as LICORNE yn ien sekonde kin produsearje mei in trochgeande beam.De totale flux kin maklik wurde ferhege troch it fergrutsjen fan de excitation frekwinsje fan de laser.As wy oannimme dat d'r in 1 kHz lasersysteem op 'e merk is, kin de gemiddelde neutroneflux maklik opskaald wurde oant sawat 7 × 109 n/s/sr.
As wy systemen mei hege werhellingsfrekwinsje brûke mei plestik doelen, is it nedich om de waarmtegeneraasje op 'e doelen te kontrolearjen, om't bygelyks polypropyleen in leech smeltpunt hat fan 145-175 °C en in lege termyske konduktiviteit fan 0.1-0.22 W / m/K.Foar in 14 MeV lithium-ion beam is in 7 µm dikke polypropylene doel genôch om de beam enerzjy te ferminderjen nei de reaksje drompel (13.098 MeV).Mei it each op it totale effekt fan ioanen generearre troch ien laser skot op it doel, de enerzjy frijlitting fan lithium ioanen troch polypropylene wurdt rûsd op 64 mJ / puls.Oannommen dat alle enerzjy oerbrocht wurdt yn in sirkel mei in diameter fan 10 mm, komt elke puls oerien mei in temperatuerstiging fan likernôch 18 K/puls.Enerzjyferlies op polypropyleendoelen is basearre op 'e ienfâldige oanname dat alle enerzjyferlies wurde opslein as waarmte, sûnder strieling of oare waarmteferlies.Sûnt it fergrutsjen fan it oantal pulsen per sekonde it eliminearjen fan waarmteopbou fereasket, kinne wy ​​stripdoelen brûke om enerzjyfrijlitting op itselde punt te foarkommen23.Oannommen fan in 10 mm beam spot op in doel mei in laser werhelling rate fan 100 Hz, de skennen snelheid fan de polypropylene tape soe wêze 1 m / s.Hegere werhellingssifers binne mooglik as beam spot oerlaap is tastien.
Wy ûndersochten ek doelen mei wetterstofbatterijen, om't sterkere oandriuwbalken brûkt wurde koene sûnder it doel te beskeadigjen.De neutronebeam kin maklik ôfstimd wurde troch de lingte fan 'e gaskeamer en de wetterstofdruk binnen te feroarjen.Tinne metalen folies wurde faak brûkt yn accelerators om de gasfoarmige regio fan it doel te skieden fan fakuüm.Dêrom is it nedich om de enerzjy fan 'e ynfallende lithium-ion-beam te ferheegjen om te kompensearjen foar de enerzjyferlies op' e folie.De doelgearkomste beskreaun yn rapport 35 bestie út in aluminium kontener 3,5 sm lang mei in H2 gas druk fan 1,5 atm.De 16.75 MeV lithium-ion-beam komt de batterij yn troch de loftgekoelde 2.7 µm Ta-folie, en de enerzjy fan 'e lithium-ion-beam oan' e ein fan 'e batterij wurdt fertrage nei de reaksjedrompel.Om de beam-enerzjy fan lithium-ion-batterijen te ferheegjen fan 14,0 MeV nei 16,75 MeV, moast de IH-linac mei sa'n 30 sm ferlingd wurde.
De útstjit fan neutroanen út gasseldoelen waard ek studearre.Foar de earder neamde LICORNE gas doelen, GEANT436 simulaasjes litte sjen dat tige oriïntearre neutroanen wurde oanmakke binnen de kegel, lykas werjûn yn figuer 1 yn [37].Referinsje 35 toant it enerzjyberik fan 0,7 oant 3,0 MeV mei in maksimale kegeliepening fan 19,5 ° relatyf oan de rjochting fan fuortplanting fan 'e haadbalke.Heech oriïntearre neutroanen kinne de hoemannichte ôfskermingsmateriaal yn 'e measte hoeken signifikant ferminderje, it gewicht fan' e struktuer ferminderje en gruttere fleksibiliteit leverje yn 'e ynstallaasje fan mjitapparatuer.Ut it eachpunt fan strieling beskerming, neist neutroanen, dit gasfoarmige doelwyt emittearret 478 keV gamma rays isotropysk yn it sintrale koördinatestelsel38.Dizze γ-rays wurde produsearre as gefolch fan 7Be-ferfal en 7Li-deexcitation, dy't optreedt as de primêre Li-beam it ynfierfinster Ta rekket.Troch it tafoegjen fan in dikke 35 Pb / Cu silindryske kollimator kin de eftergrûn lykwols signifikant fermindere wurde.
As alternatyf doel, men kin brûke in plasma finster [39, 40], dat makket it mooglik om te kommen ta in relatyf hege wetterstof druk en in lyts romtlike regio fan neutron generaasje, hoewol't it is inferior oan fêste doelen.
Wy ûndersiikje opsjes foar rjochting foar neutronkonverzje foar de ferwachte enerzjyferdieling en beamgrutte fan in lithium-ion-beam mei GEANT4.Us simulaasjes litte in konsekwint ferdieling fan neutronenerzjy en hoekferdielingen foar wetterstofdoelen sjen yn 'e boppesteande literatuer.Yn elk doelsysteem kinne heul oriïntearre neutroanen wurde produsearre troch in omkearde kinematyske reaksje oandreaun troch in sterke 7Li3+ beam op in wetterstofryk doel.Dêrom kinne nije neutroneboarnen wurde ymplementearre troch kombinearjen fan al besteande technologyen.
De betingsten foar laserbestraling reprodusearren eksperiminten foar generaasje fan ionbeam foarôfgeand oan de fersnelde demonstraasje.De laser is in buroblêd nanosekonde Nd:YAG-systeem mei in laserkrêftdichtheid fan 1012 W/cm2, in fûnemintele golflingte fan 1064 nm, in spot-enerzjy fan 800 mJ, en in pulsduur fan 6 ns.De spotdiameter op it doel wurdt rûsd op 100 µm.Om't lithiummetaal (Alfa Aesar, 99,9% suver) frij sêft is, wurdt it krekt knipte materiaal yn 'e mal drukke.Folie diminsjes 25 mm × 25 mm, dikte 0,6 mm.Krater-like skea komt foar op it oerflak fan it doel as in laser rekket it, sadat it doel wurdt ferpleatst troch in motorisearre platfoarm foar in foarsjen in frisse diel fan it oerflak fan it doel mei eltse laser skot.Om rekombinaasje te foarkommen troch oerbliuwende gas, waard de druk yn 'e keamer ûnder it berik fan 10-4 Pa hâlden.
It earste folume fan it laserplasma is lyts, om't de grutte fan 'e laserspot 100 μm is en binnen 6 ns nei syn generaasje.It folume kin wurde nommen as in krekte punt en útwreide.As de detektor op in ôfstân xm fan it doelflak pleatst wurdt, folget it ûntfongen sinjaal de relaasje: ionstroom I, ionoankomsttiid t, en pulsbreedte τ.
It oanmakke plasma waard studearre troch de TOF-metoade mei FC en in enerzjy-ionanalysator (EIA) dy't op in ôfstân fan 2,4 m en 3,85 m fan it laserdoel leit.De FC hat in ûnderdrukkerraster dat foarin is troch -5 kV om elektroanen te foarkommen.De EIA hat in 90 graden elektrostatyske deflector besteande út twa koaksiale metalen silindryske elektroden mei deselde spanning, mar tsjinoerstelde polariteit, posityf oan 'e bûtenkant en negatyf oan' e binnenkant.It útwreidzjen plasma wurdt rjochte yn 'e deflector efter it slot en ôfwiisd troch it elektryske fjild troch de silinder.Ionen dy't de relaasje befredigje E/z = eKU wurde ûntdutsen mei in Secondary Electron Multiplier (SEM) (Hamamatsu R2362), wêrby't E, z, e, K, en U de ion-enerzjy, ladingsstatus en lading binne EIA geometryske faktoaren .elektroanen, respektivelik, en it potinsjele ferskil tusken de elektroden.Troch it feroarjen fan de spanning oer de deflector kin men de enerzjy- en ladingferdieling fan ionen yn it plasma krije.De sweep spanning U / 2 EIA is yn it berik fan 0,2 V oant 800 V, wat oerienkomt mei in ion enerzjy yn it berik fan 4 eV oant 16 keV per lading steat.
De ferdielingen fan 'e ladingstatus fan' e ioanen analysearre ûnder de betingsten fan laserbestraling beskreaun yn 'e seksje "Generaasje fan folslein stripte lithiumbalken" wurde werjûn yn Fig.8.
Analyze fan de ferdieling fan 'e steat fan lading fan ionen.Hjir is it tiidprofyl foar ionstreamdichtheid analysearre mei EIA en skalearre op 1 m fan 'e lithiumfolie mei de fergeliking.(1) en (2).Brûk de betingsten foar laserbestraling beskreaun yn 'e seksje "Generaasje fan in folslein eksfoliearre lithiumbeam".Troch it yntegrearjen fan elke aktuele tichtens, waard it oanpart fan ionen yn it plasma berekkene, werjûn yn figuer 3.
Laserionboarnen kinne in yntinsive multi-mA-ionbeam leverje mei in hege lading.Straalferliening is lykwols heul lestich fanwegen romteladingsôfwizing, sadat it net in soad brûkt waard.Yn it tradisjonele skema wurde ionbalken út it plasma helle en ferfierd nei de primêre accelerator lâns in beamline mei ferskate fokusmagneten om de ionbeam te foarmjen neffens de pickupmooglikheid fan 'e accelerator.Yn romte lading krêft balken diverge de balken net-lineêr, en serieuze striel ferliezen wurde waarnommen, benammen yn it gebiet fan lege snelheden.Om dit probleem te oerwinnen yn 'e ûntwikkeling fan medyske koalstofversnellers, wurdt in nij DPIS41-beamleveringskema foarsteld.Wy hawwe dizze technyk tapast om in krêftige lithium-ion-beam te fersnellen fan in nije neutronboarne.
As werjûn yn fig.4, de romte wêryn it plasma wurdt oanmakke en útwreide wurdt omjûn troch in metalen kontener.De ynsletten romte wreidet út nei de yngong nei de RFQ-resonator, ynklusyf it folume binnen de solenoïde-spul.Op de kontener waard in spanning fan 52 kV oanlein.Yn 'e RFQ-resonator wurde ioanen troch potinsjeel troch in gat mei in diameter fan 6 mm lutsen troch de RFQ te grûnen.De net-lineêre repulsive krêften op 'e beamline wurde elimineare as de ioanen yn' e plasma-tastân ferfierd wurde.Dêrnjonken hawwe wy, lykas hjirboppe neamd, in solenoïdefjild yn kombinaasje mei DPIS tapast om de tichtens fan ioanen yn 'e ekstraksje-aperture te kontrolearjen en te fergrutsjen.
De RFQ accelerator bestiet út in silindryske fakuüm keamer lykas werjûn yn fig.9a.Dêryn binne fjouwer roeden fan soerstoffrij koper fjouwerpoal-symmetrysk om de beam-as hinne pleatst (ôfb. 9b).4 roeden en keamers foarmje in resonânsjefel RF circuit.It opwekke RF-fjild soarget foar in tiid-fariearjende spanning oer de roede.Ioanen dy't longitudinaal om 'e as implantearre wurde, wurde lateraal hâlden troch it quadrupolefjild.Tagelyk wurdt de tip fan 'e roede modulearre om in aksiaal elektrysk fjild te meitsjen.It axiale fjild splitst de ynjeksjede trochgeande beam yn in searje beampulsen neamd in beam.Elke beam is befette binnen in bepaalde RF-syklustiid (10 ns).Neistlizzende balken wurde op ôfstân ferdield neffens de radiofrekwinsjeperioade.Yn 'e RFQ-linac wurdt in 2 µs beam fan in laser-ionboarne omboud ta in folchoarder fan 200 beams.De beam wurdt dan fersneld nei de berekkene enerzjy.
Lineêre accelerator RFQ.(a) (lofts) Eksterne werjefte fan de RFQ linac keamer.(b) (rjochts) Fjouwer-rod elektrodes yn 'e keamer.
De wichtichste ûntwerpparameters fan 'e RFQ-linac binne de staafspanning, resonânsjefrekwinsje, straalgatradius en elektrodemodulaasje.Selektearje de spanning op 'e roede ± 29 kV sadat syn elektryske fjild is ûnder de elektryske ôfbraak drompel.Hoe leger de resonânsjefrekwinsje, hoe grutter de laterale fokusskrêft en hoe lytser it gemiddelde fersnellingsfjild.Grutte diafragmastralen meitsje it mooglik om de beamgrutte te fergrutsjen en, sadwaande, de beamstream te fergrutsjen troch de lytsere romteladingsrepuls.Oan 'e oare kant fereaskje gruttere diafragmastralen mear RF-krêft om de RFQ-linac oan te jaan.Derneist wurdt it beheind troch de kwaliteitseasken fan 'e side.Op grûn fan dizze saldo's waarden de resonânsjefrekwinsje (100 MHz) en apertureradius (4,5 mm) keazen foar beamfersnelling mei hege stroom.De modulaasje is keazen om beamferlies te minimalisearjen en fersnellingseffisjinsje te maksimalisearjen.It ûntwerp is in protte kearen optimalisearre om in RFQ-linac-ûntwerp te produsearjen dat 7Li3+-ionen op 40 mA kin fersnelle fan 22 keV / n nei 204 keV / n binnen 2 m.De RF-krêft mjitten tidens it eksperimint wie 77 kW.
RFQ-linacs kinne ioanen fersnelle mei in spesifyk Q / A-berik.Dêrom, by it analysearjen fan in beam oan 'e ein fan' e lineêre fersneller, is it nedich om rekken te hâlden mei isotopen en oare stoffen.Dêrnjonken kinne de winske ioanen, foar in part fersneld, mar delkomme ûnder fersnellingsbetingsten yn 'e midden fan' e accelerator, kinne noch laterale opsluting foldwaan en kinne wurde ferfierd nei it ein.Net winske strielen oars as manipulearre 7Li3+ dieltsjes wurde neamd ûnreinheden.Yn ús eksperiminten wiene 14N6+ en 16O7+ ûnreinheden fan 'e grutste soarch, om't de lithiummetaalfolie reagearret mei soerstof en stikstof yn' e loft.Dizze ioanen hawwe in Q / A-ferhâlding dy't kin wurde fersneld mei 7Li3+.Wy brûke dipole magneten te skieden balken fan ferskillende kwaliteit en kwaliteit foar beam analyze nei de RFQ linac.
De beamline nei de RFQ-linac is ûntworpen om de folslein fersnelde 7Li3+ beam nei de FC te leverjen nei de dipoalmagneet.-400 V-biaselektroden wurde brûkt om sekundêre elektroanen yn 'e beker te ûnderdrukken om de stroom fan' e ionbeam sekuer te mjitten.Mei dizze optyk wurde de iontrajektoaren skieden yn dipolen en rjochte op ferskate plakken ôfhinklik fan de Q/A.Troch ferskate faktoaren lykas momentumdiffusie en romteladingsôfwizing hat de beam by it fokus in bepaalde breedte.De soarte kin allinnich skieden wurde as de ôfstân tusken de fokale posysjes fan de twa ionesoarten grutter is as de beambreedte.Om de heechst mooglike resolúsje te krijen, wurdt in horizontale sleat yn 'e buert fan' e beam taille ynstalleare, wêr't de beam praktysk konsintrearre is.In scintillaasjeskerm (CsI(Tl) fan Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) waard ynstalleare tusken de sleat en de PC.De scintillator waard brûkt om te bepalen de lytste spleet dat de ûntwurpen dieltsjes moasten trochjaan foar optimale resolúsje en te demonstrearjen akseptabel beam maten foar hege hjoeddeistige swiere ion balken.It beambyld op 'e scintillator wurdt opnommen troch in CCD-kamera troch in fakuümfinster.Pas it bleatstellingstiidfinster oan om de heule beampulsbreedte te dekken.
Datasets brûkt of analysearre yn 'e hjoeddeistige stúdzje binne beskikber fan' e respektivelike auteurs op ridlik fersyk.
Manke, I. et al.Trijedimensjonale ôfbylding fan magnetyske domeinen.Nasjonale gemeente.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Mooglikheden om kompakte neutroneboarnen te studearjen by accelerators.natuerkunde.Rep 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neutron-basearre komputearre mikrotomografy: Pliobates cataloniae en Barberapithecus huerzeleri as testgefallen.Ja.J. Fysika.antropology.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).