304L 6,35 * 1мм дат баспас болоттон жасалган ширелүү түтүктөрдү жеткирүүчүлөр, импульстуу түз нейтрондорду түзүү үчүн интенсивдүү литий нурунун демонстрациясы

Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат.Сиз чектелген CSS колдоосу менен серепчи версиясын колдонуп жатасыз.Мыкты тажрыйба үчүн жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerдеги Шайкештик режимин өчүрүү).Мындан тышкары, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн биз сайтты стилсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Ар бир слайдда үч макала көрсөтүлгөн слайдерлер.Слайддар аркылуу өтүү үчүн артка жана кийинки баскычтарды же ар бир слайд аркылуу жылуу үчүн аягындагы слайд контроллер баскычтарын колдонуңуз.

Ядролук реакторлорду изилдөөгө альтернатива катары, литий-ион нурунун драйверин колдонгон компакт тездеткич менен башкарылган нейтрондук генератор келечектүү талапкер болушу мүмкүн, анткени ал аз керексиз нурланууну жаратат.Бирок литий иондорунун интенсивдүү нурун жеткирүү кыйын болгон жана мындай приборлорду иш жүзүндө колдонуу мүмкүн эмес деп эсептелген.Иондун жетишсиз агымынын эң курч маселеси түз плазманы имплантациялоо схемасын колдонуу менен чечилди.Бул схемада литий металл фольгасынын лазердик абляциясынын натыйжасында пайда болгон жогорку тыгыздыктагы импульстук плазма жогорку жыштыктагы төрт уюлдук тездеткич (RFQ акселератору) тарабынан эффективдүү инжекцияланат жана тездетилген.Биз 1,43 МэВ чейин тездетилген 35 мА чоку нурунун токуна жетиштик, бул кадимки инжектордук жана тездеткич системалар бере алгандан эки эсе жогору.
Рентген нурларынан же заряддуу бөлүкчөлөрдөн айырмаланып, нейтрондор чоң өтүү тереңдигине жана конденсацияланган заттар менен уникалдуу өз ара аракеттенүүгө ээ, бул аларды материалдардын касиеттерин изилдөө үчүн өтө ар тараптуу зонддорго түзөт1,2,3,4,5,6,7.Атап айтканда, конденсацияланган заттын курамын, структурасын жана ички чыңалууларын изилдөө үчүн нейтрондорду чачыратуу ыкмалары кеңири колдонулат жана рентгендик спектроскопиянын жардамы менен аныктоо кыйын болгон металл эритмелериндеги изи кошулмалар жөнүндө толук маалымат бере алат8.Бул ыкма фундаменталдык илимде күчтүү курал болуп эсептелет жана металлдарды жана башка материалдарды өндүрүүчүлөр тарабынан колдонулат.Жакында нейтрондук дифракция темир жол жана учактын тетиктери сыяктуу механикалык компоненттердеги калдык стресстерди аныктоо үчүн колдонулган9,10,11,12.Нейтрондар мунай жана газ скважиналарында да колдонулат, анткени алар протонго бай материалдар тарабынан оңой кармалат13.Ушундай эле ыкмалар жарандык курулушта да колдонулат.Кыйратпаган нейтронду сыноо имараттардагы, туннелдердеги жана көпүрөлөрдөгү жашыруун кемчиликтерди аныктоонун эффективдүү куралы болуп саналат.Нейтрондук нурларды колдонуу илимий изилдөөдө жана өндүрүштө активдүү колдонулат, алардын көбү тарыхый жактан ядролук реакторлорду колдонуу менен иштелип чыккан.
Бирок, өзөктүк куралды жайылтпоо боюнча дүйнөлүк консенсус менен изилдөө максаттары үчүн чакан реакторлорду куруу барган сайын кыйын болуп баратат.Анын үстүнө Фукусимадагы жакында болгон кырсык өзөктүк реакторлорду курууну дээрлик коомдо алгылыктуу кылып койду.Бул тенденцияга байланыштуу тездеткичтерде нейтрон булактарына суроо-талап өсүүдө2.Ядролук реакторлорго альтернатива катары, бир нече ири тездеткичти бөлүүчү нейтрон булактары иштеп жатат14,15.Бирок, нейтрондук нурлардын касиеттерин алда канча эффективдуу пайдалануу учун тездеткичтерде 16 компакттуу булактарды колдонууну кецейтуу зарыл, алар енер жайлык жана жогорку окуу жайларынын илимий мекемелерине таандык болушу мумкун.Акселератор нейтрон булактары өзөктүк реакторлорду алмаштыруудан тышкары жаңы мүмкүнчүлүктөрдү жана функцияларды кошту14.Мисалы, линак менен башкарылуучу генератор жетектөө нурун башкаруу аркылуу нейтрондордун агымын оңой түзө алат.Бөлүп чыккандан кийин, нейтрондорду көзөмөлдөө жана радиациялык өлчөөлөрдү фон нейтрондор жараткан ызы-чуунун натыйжасында талдоо кыйынга турат.Акселератор башкарган импульстук нейтрондор бул көйгөйдөн качышат.Протон тездеткич технологиясына негизделген бир нече долбоорлор дүйнө жүзү боюнча сунушталган17,18,19.7Li(p, n)7Be жана 9Be(p, n)9B реакциялары протон менен башкарылган компакт нейтрондук генераторлордо эң көп колдонулат, анткени алар эндотермиялык реакциялар20.Ашыкча радиация жана радиоактивдүү калдыктар, эгерде протон нурун дүүлүктүрүү үчүн тандалган энергия босого мааниден бир аз жогору болсо, азайтууга болот.Бирок, максаттуу ядронун массасы протондукуна караганда бир топ чоң жана пайда болгон нейтрондор бардык тарапка чачырап кетет.Нейтрон агымынын изотроптук эмиссиясына мынчалык жакын болушу нейтрондорду изилдөө объектисине эффективдүү ташууга тоскоол болот.Мындан тышкары, объекттин жайгашкан жеринде нейтрондордун керектүү дозасын алуу үчүн кыймылдап жаткан протондордун санын да, алардын энергиясын да олуттуу көбөйтүү керек.Натыйжада, гамма нурларынын жана нейтрондордун чоң дозалары чоң бурчтар аркылуу таралып, эндотермикалык реакциялардын артыкчылыгын жок кылат.Кадимки тездеткич менен башкарылган компакт протондук нейтрондук генератор күчтүү радиациялык коргоого ээ жана системанын эң көлөмдүү бөлүгү болуп саналат.Айдоочу протондордун энергиясын көбөйтүү зарылчылыгы, адатта, ылдамдатуучу объекттин өлчөмүн кошумча көбөйтүүнү талап кылат.
Ылдамдаткычтардагы кадимки компакт нейтрон булактарынын жалпы кемчиликтерин жоюу үчүн инверсия-кинематикалык реакциянын схемасы сунушталган21.Бул схемада протон нурунун ордуна багыттоочу нур катары оор литий-иондук нур колдонулат, мисалы, углеводороддук пластмассалар, гидриддер, суутек газы же суутек плазмасы сыяктуу суутекке бай материалдар.Бериллий иондору менен башкарылган нурлар сыяктуу альтернативалар каралып жатат, бирок бериллий уулуу зат болуп саналат, аны колдонууда өзгөчө кылдаттык талап кылынат.Ошондуктан литий нуру инверсия-кинематикалык реакция схемалары үчүн эң ылайыктуу болуп саналат.Литий ядролорунун импульсу протондукунан чоң болгондуктан, ядролук кагылышуулардын массасынын борбору тынымсыз алдыга жылып, нейтрондор да алдыга бөлүнүп чыгат.Бул өзгөчөлүк керексиз гамма нурларын жана жогорку бурчтуу нейтрондук эмиссияларды абдан жок кылат22.Протон кыймылдаткычынын кадимки абалын жана тескери кинематика сценарийин салыштыруу 1-сүрөттө көрсөтүлгөн.
Протон жана литий нурлары үчүн нейтрон өндүрүшүнүн бурчтарынын иллюстрациясы (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html менен тартылган).(а) Нейтрондор кыймылдап жаткан протондор литий бутасынын бир топ оор атомдоруна тийгендиктен реакциянын натыйжасында каалаган багытта ыргытылат.(б) Тескерисинче, эгерде литий-иондук кыймылдаткыч суутекке бай бутаны бомбаласа, системанын масса борборунун жогорку ылдамдыгынан улам алдыга карай кууш конуста нейтрондор пайда болот.
Бирок протондорго салыштырмалуу жогорку заряды бар оор иондордун керектүү агымын түзүү кыйынчылыгынан улам бир нече тескери кинематикалык нейтрон генераторлору бар.Бул өсүмдүктөрдүн баары тандемдик электростатикалык тездеткичтер менен бирге терс чачыраткыч ион булактарын колдонушат.Нурларды тездетүүнүн эффективдүүлүгүн жогорулатуу үчүн ион булактарынын башка түрлөрү сунушталган26.Кандай болгон күндө да, жеткиликтүү литий-ион нур ток 100 мкА менен чектелген.Li3+27 1 мА колдонуу сунушталган, бирок бул ион нурунун ток бул ыкма менен тастыкталган эмес.Интенсивдүүлүгү боюнча литий нурунун тездеткичтери протондук нурдун эң жогорку ылдамдыгы 10 мА28ден ашкан протондук нур тездеткичтери менен атаандаша албайт.
Литий-иондук нурдун негизинде практикалык компакт нейтрон генераторун ишке ашыруу үчүн иондордон таптакыр ажыраган жогорку интенсивдүүлүктү генерациялоо пайдалуу.Иондор электромагниттик күчтөр тарабынан ылдамдалат жана башкарылат жана заряддын жогорку деңгээли эффективдүү ылдамданууга алып келет.Li-ion нурунун драйверлери 10 мАдан ашкан Li3+ эң жогорку токту талап кылат.
Бул иште биз Li3+ нурларынын 35 мАга чейинки чокусу менен ылдамдануусун көрсөтөбүз, бул прогрессивдүү протондук тездеткичтер менен салыштырууга болот.Баштапкы литий-ион нуру лазердик абляцияны жана C6+ ылдамдатуу үчүн алгач түз плазма имплантациялоо схемасын (DPIS) колдонуу менен түзүлгөн.Өзгөчөлөштүрүлгөн радио жыштык төрт полюс линак (RFQ linac) төрт таякчалуу резонанстык түзүлүштү колдонуу менен жасалган.Биз тездетүү нурунун эсептелген жогорку тазалык нурунун энергиясына ээ экендигин текшердик.Li3+ нуру эффективдүү кармалып, радио жыштык (RF) ылдамдаткычы тарабынан ылдамдатылгандан кийин, кийинки линак (тездеткич) бөлүмү бутага алынган күчтүү нейтрон агымын түзүү үчүн зарыл болгон энергияны камсыз кылуу үчүн колдонулат.
Жогорку натыйжалуу иондорду тездетүү жакшы жолго коюлган технология болуп саналат.Жаңы жогорку эффективдүү компакт нейтрон генераторун ишке ашыруунун калган милдети - бул толугу менен ажыратылган литий иондорунун көп санын генерациялоо жана тездеткичтеги RF цикли менен синхрондоштурулган ион импульстарынын сериясынан турган кластердик структураны түзүү.Бул максатка жетүү үчүн иштелип чыккан эксперименттердин натыйжалары төмөнкү үч бөлүмдө сүрөттөлөт: (1) литий-иондук нурдан таптакыр ажыраган генерация, (2) атайын иштелип чыккан RFQ linacтын жардамы менен нурдун ылдамдалышы жана (3) анализди тездетүү анын мазмунун текшерүү үчүн нурдун.Брукхавен улуттук лабораториясында (BNL) биз 2-сүрөттө көрсөтүлгөн эксперименталдык түзүлүштү курдук.
Литий нурларынын тездетилген анализи үчүн эксперименталдык түзүлүшкө сереп салуу (Inkscape тарабынан иллюстрацияланган, 1.0.2, https://inkscape.org/).Оңдон солго лазердик-аблятивдик плазма лазер менен максаттуу өз ара аракеттенүү камерасында түзүлөт жана RFQ linacка жеткирилет.RFQ тездеткичине киргенде иондор плазмадан бөлүнөт жана дрейф аймагындагы экстракциялоочу электрод менен RFQ электродунун ортосундагы 52 кВ чыңалуу айырмасынан пайда болгон капыстан электр талаасы аркылуу RFQ тездеткичке куюлат.Алынган иондор 2 метр узундуктагы RFQ электроддорунун жардамы менен 22 кВ/нден 204 кВ/нге чейин ылдамдатылат.RFQ linacтын чыгышына орнотулган ток трансформатору (КТ) ион нурунун токтун кыйратпай өлчөөсүн камсыз кылат.Нур үч төрт уюлдук магнит менен фокусталат жана диполдук магнитке багытталат, ал Li3+ нурун бөлүп, детекторго багыттайт.Тешиктин артында тездетүүчү нурду аныктоо үчүн тартыла турган пластикалык сцинтиллятор жана -400 В чейин кыйшаюусу бар Фарадей чөйчөгү (FC) колдонулат.
Толук иондошкан литий иондорун (Li3+) генерациялоо үчүн температурасы анын үчүнчү иондошуу энергиясынан (122,4 эВ) жогору болгон плазманы түзүү керек.Биз жогорку температурадагы плазманы өндүрүү үчүн лазердик абляцияны колдонууга аракет кылдык.Лазердик иондук булактын бул түрү көбүнчө литий ион нурларын түзүү үчүн колдонулбайт, анткени литий металлы реактивдүү жана өзгөчө мамилени талап кылат.Лазердик вакуумдук камерага литий фольгасын орнотууда нымдуулук менен абанын булганышын азайтуу үчүн максаттуу жүктөө системасын иштеп чыктык.Бардык материалдарды даярдоо кургак аргондун көзөмөлгө алынган чөйрөсүндө жүргүзүлгөн.Лазердик максаттуу камерага литий фольга орнотулгандан кийин, фольга импульстук Nd:YAG лазердик нурлануу менен нурлантылды.Бутага багытталганда, лазердин кубаттуулугу болжол менен 1012 Вт/см2 деп бааланат.Плазма импульстуу лазер вакуумда бутаны жок кылганда пайда болот.Бүтүндөй 6 нс лазердик импульс учурунда плазма ысып кете берет, бул негизинен тескери кайнатуу процессинин эсебинен.Жылытуу фазасында эч кандай чектөөчү тышкы талаа колдонулбагандыктан, плазма үч өлчөмдүү кеңейе баштайт.Плазма максаттуу бетке кеңейе баштаганда плазманын массасынын борбору 600 эВ/н энергиясы менен максаттуу бетке перпендикуляр ылдамдыкка ээ болот.Ысытуудан кийин плазма изотроптук кеңейүү менен бутадан октук багытта кыймылын улантат.
2-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, абляциялык плазма максаттуу потенциалга ээ металл идиш менен курчалган вакуумдук көлөмгө кеңейет.Ошентип, плазма талаасыз аймак аркылуу RFQ тездеткичине карай жылат.Лазердик нурлануу камерасы менен RFQ линактын ортосунда вакуумдук камеранын айланасына оролгон электромагниттик катушка аркылуу октук магнит талаасы колдонулат.Соленоиддин магнит талаасы RFQ апертурасына жеткирүү учурунда плазманын жогорку тыгыздыгын сактоо үчүн дрейфтик плазманын радиалдык кеңейүүсүн басат.Экинчи жагынан, плазма дрейф учурунда октук багытта кеңейип, узун плазманы пайда кылат.RFQ кире беришиндеги чыгуу портунун алдында плазманы камтыган металл идишке жогорку чыңалуудагы ийкемдүүлүк колдонулат.RFQ linac менен туура ылдамдатуу үчүн талап кылынган 7Li3+ инжектордук ылдамдыгын камсыз кылуу үчүн ийкемдүү чыңалуу тандалган.
Алынган абляциялык плазмада 7Li3+ гана эмес, башка заряддык абалдагы литий жана булгоочу элементтер бир эле учурда RFQ сызыктуу тездеткичине ташылат.RFQ linacты колдонуу менен тездетилген эксперименттерге чейин плазмадагы иондордун составын жана энергиянын бөлүштүрүлүшүн изилдөө үчүн оффлайн учуу убактысын (TOF) талдоо жүргүзүлгөн.Детальдуу аналитикалык орнотуулар жана байкалган заряддын бөлүштүрүлүшү Методдор бөлүмүндө түшүндүрүлөт.Талдоо көрсөткөндөй, 7Li3+ иондору негизги бөлүкчөлөр болуп, 3-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, бардык бөлүкчөлөрдүн болжол менен 54% түзөт. Анализге ылайык, ион нурунун чыгуу чекитинде 7Li3+ ионунун агымы 1,87 мАга бааланат.Ылдамдатылган сыноолордо кеңейген плазмага 79 мТ электромагниттик талаа колдонулат.Натыйжада плазмадан алынган жана детектордо байкалган 7Li3+ ток 30 эсеге көбөйдү.
Лазердик плазмадагы иондордун фракциялары учуу убактысын талдоо аркылуу алынган.7Li1+ жана 7Li2+ иондору ион нурунун тиешелүүлүгүнө жараша 5% жана 25% түзөт.6Li бөлүкчөлөрүнүн аныкталган үлүшү эксперименталдык катанын ичинде литий фольгасынын бутасындагы 6Li (7,6%) табигый мазмунуна дал келет.Кислороддун бир аз булгануусу (6,2%) байкалды, негизинен O1+ (2,1%) жана O2+ (1,5%), бул литий фольгасынын бутага алынган бетинин кычкылданышына байланыштуу болушу мүмкүн.
Мурда айтылгандай, литий плазмасы RFQ линакына киргенге чейин талаасыз аймакта дрейфтелет.RFQ линакынын киришинде металл идиште диаметри 6 мм тешик бар, ал эми чыңалуусу 52 кВ.RFQ электродунун чыңалуусу 100 МГцде ±29 кВ тез өзгөрсө да, чыңалуу октук ылдамданууну пайда кылат, анткени RFQ тездеткич электроддорунун орточо потенциалы нөлгө барабар.Апертура менен RFQ электродунун четинин ортосундагы 10 мм боштукта пайда болгон күчтүү электр талаасы болгондуктан, апертурада плазмадан оң плазма иондору гана алынат.Иондорду жеткирүүнүн салттуу системаларында иондор RFQ тездеткичинин алдында бир топ аралыкта электр талаасы менен плазмадан бөлүнөт жана андан кийин нурдун фокустоочу элементи аркылуу RFQ апертурасына фокусталат.Бирок, интенсивдүү нейтрон булагы үчүн талап кылынган интенсивдүү оор иондук нурлар үчүн, космостук заряддын эффекттеринен улам сызыктуу эмес түртүүчү күчтөр иондук транспорттук системада нур токунун олуттуу жоготууларына алып келиши мүмкүн, бул тездетилиши мүмкүн болгон эң жогорку токту чектөө.Биздин DPISде жогорку интенсивдүүлүктөгү иондор дрейфтик плазма катары түз RFQ апертурасынын чыгуу чекитине ташылат, ошондуктан космостук заряддан улам ион нурунун жоголушу болбойт.Бул демонстрациянын жүрүшүндө DPIS биринчи жолу литий-иондук нурга колдонулган.
RFQ структурасы аз энергиялуу жогорку токтун иондук нурларына басым жасоо жана тездетүү үчүн иштелип чыккан жана биринчи тартиптеги тездетүү үчүн стандарт болуп калды.7Li3+ иондорун имплантациядан 22 кеВ/н 204 кВ/н чейин тездетүү үчүн RFQ колдондук.Плазманын заряды азыраак литий жана башка бөлүкчөлөр да плазмадан алынып, RFQ апертурасына куюлганына карабастан, RFQ linac заряд-масса катышы (Q/A) 7Li3+ жакын иондорду гана тездетет.
fig боюнча.4-сүрөттө магнитти талдоодон кийин RFQ linacтын жана Фарадей чөйчөгүнүн (FC) чыгышында ток трансформатору (КТ) тарабынан аныкталган толкун формалары көрсөтүлгөн.2. Сигналдардын ортосундагы убакыттын жылышы детектордун жайгашкан жеринде учуу убактысынын айырмасы катары чечмелениши мүмкүн.КТда өлчөнгөн иондук токтун чокусу 43 мА болгон.RT абалында катталган нурда эсептелген энергияга чейин тездетилген иондор гана эмес, 7Li3+ дан башка жетиштүү ылдамдатылган эмес иондор да болушу мүмкүн.Бирок QD жана РС аркылуу табылган иондук токтун формаларынын окшоштугу иондук ток негизинен тездетилген 7Li3+ дан тураарын, ал эми ПКдагы токтун эң жогорку маанисинин төмөндөшү QD менен РКнын ортосундагы иондордун өтүү процессиндеги нурлардын жоготуулары менен шартталганын көрсөтөт. PC.Жоготуулар Бул конверттин симуляциясы менен да тастыкталат.7Li3+ нурунун токтун так өлчөө үчүн нур кийинки бөлүмдө сүрөттөлгөндөй диполдук магнит менен анализденет.
CT (кара ийри сызык) жана FC (кызыл ийри сызык) детекторунун позицияларында жазылган тездетилген нурдун осциллограммалары.Бул өлчөөлөр лазердик плазманы түзүү учурунда фотодетектор тарабынан лазердик нурланууну аныктоо менен ишке ашырылат.Кара ийри RFQ linac чыгаруусуна туташкан КТда өлчөнгөн толкун формасын көрсөтөт.RFQ linacка жакын болгондуктан, детектор 100 МГц RF ызы-чуусун кабыл алат, ошондуктан 98 МГц төмөн өткөргүч FFT чыпкасы, аныктоо сигналынын үстүнө коюлган 100 МГц резонанстык RF сигналын алып салуу үчүн колдонулган.Кызыл ийри сызык аналитикалык магнит 7Li3+ ион нурун башкаргандан кийин FCдагы толкун формасын көрсөтөт.Бул магнит талаасында, 7Li3+ тышкары, N6+ жана O7+ ташылат.
RFQ линактан кийинки ион нуру үч төрт полюстүү фокустоочу магниттердин сериясы менен фокусталып, андан кийин ион нурундагы кирлерди бөлүп алуу үчүн диполдук магниттер тарабынан анализденет.0,268 Т магнит талаасы 7Li3+ нурларын ФКга багыттайт.Бул магнит талаасынын аныктоо толкун формасы 4-сүрөттө кызыл ийри сызык катары көрсөтүлгөн. Чокусу агым 35 мАга жетет, бул учурдагы кадимки электростатикалык тездеткичтерде өндүрүлгөн типтүү Li3+ нурунан 100 эсе жогору.Нур импульстун туурасы 2,0 мкс толук туурасында жарым максимумда.Дипольдук магнит талаасы бар 7Li3+ нурунун табылышы нурдун ийгиликтүү топтолушун жана ылдамданышын көрсөтөт.Диполдун магнит талаасын сканерлөөдө FC тарабынан аныкталган ион нурунун ток 5-сүрөттө көрсөтүлгөн. Башка чокулардан жакшы бөлүнгөн таза жалгыз чоку байкалды.RFQ linac тарабынан долбоордук энергияга тездетилген бардык иондор бирдей ылдамдыкка ээ болгондуктан, Q/A бирдей иондук нурларды дипольдук магнит талаасы менен бөлүү кыйын.Ошондуктан, биз 7Li3+ N6+ же O7+ айырмалай албайбыз.Бирок кошулмалардын көлөмүн коңшу мамлекеттерден эсептөөгө болот.Мисалы, N7+ жана N5+ оңой бөлүнөт, ал эми N6+ арамдыктын бир бөлүгү болушу мүмкүн жана болжол менен N7+ жана N5+ менен бирдей өлчөмдө болушу күтүлүүдө.Булгануунун болжолдуу деңгээли болжол менен 2% түзөт.
Диполдук магнит талаасын сканерлөө жолу менен алынган нур компоненттеринин спектрлери.0,268 Т чокусу 7Li3+ жана N6+ туура келет.Чокусунун туурасы тешиктеги устундун өлчөмүнө жараша болот.Кең чокуларга карабастан, 7Li3+ 6Li3+, O6+ жана N5+ден жакшы бөлүнөт, бирок O7+ жана N6+ден начар бөлүнөт.
FC жайгашкан жерде нур профили плагин сцинтиллятору менен ырасталган жана 6-сүрөттө көрсөтүлгөндөй тез санариптик камера менен жазылган. 35 мА ток менен 7Li3+ импульстук нур эсептелген RFQга чейин тездетилгени көрсөтүлгөн. энергиясы 204 кеВ/н, ал 1,4 МэВ туура келет жана ФК детекторуна берилет.
FC алдын ала сцинтиллятор экранында байкалган нур профили (Фиджи тарабынан түстүү, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Аналитикалык диполдук магниттин магнит талаасы Li3+ ион нурунун ылдамдануусун долбоорлоо энергиясы RFQга багыттоо үчүн туураланган.Жашыл аймактагы көк чекиттер сцинтиллятор материалынын бузулушунан улам пайда болот.
Биз катуу литий фольгасынын бетинин лазердик абляциясы аркылуу 7Li3+ иондорунун генерациясына жетиштик жана DPISти колдонуу менен атайын иштелип чыккан RFQ linac менен жогорку токтун ион нуру тартылып, тездетилди.1,4 МэВ нур энергиясында магниттин анализинен кийин ФКда жеткен 7Li3+ тогу 35 мА болгон.Бул тескери кинематикасы бар нейтрон булагын ишке ашыруунун эң маанилүү бөлүгү эксперименталдык түрдө ишке ашырылганын ырастайт.Документтин бул бөлүгүндө компакттуу нейтрон булагынын бүт конструкциясы, анын ичинде жогорку энергиялуу тездеткичтер жана нейтрондук максаттуу станциялар талкууланат.Дизайн биздин лабораториядагы бар системалар менен алынган натыйжаларга негизделген.Литий фольгасы менен RFQ линакынын ортосундагы аралыкты кыскартуу жолу менен ион нурунун эң жогорку агымын андан ары көбөйтүүгө боло тургандыгын белгилей кетүү керек.Райс.7 тездеткичте сунушталган компакт нейтрон булагынын бүт концепциясын көрсөтөт.
Ылдамдаткычта сунушталган компакт нейтрон булагынын концептуалдык дизайны (Frecad тарабынан тартылган, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Оңдон солго: лазердик иондун булагы, электромагниттик магнит, RFQ линак, орточо энергия нурунун трансфери (MEBT), IH linac жана нейтрондорду пайда кылуу үчүн өз ара аракеттенүү камерасы.Радиациялык коргоо биринчи кезекте өндүрүлгөн нейтрондук нурлардын тар багытталган мүнөзүнөн улам алдыга багытталат.
RFQ linac кийин, Inter-санариптик H-түзүмүн (IH linac) 30 linac андан ары тездетүү пландаштырылууда.IH линактары белгилүү бир ылдамдык диапазонунда жогорку электр талаасынын градиенттерин камсыз кылуу үчүн π режиминдеги дрейф түтүк структурасын колдонушат.Концептуалдык изилдөө 1D узунунан динамиканын симуляциясынын жана 3D кабыгынын симуляциясынын негизинде жүргүзүлгөн.Эсептөөлөр көрсөткөндөй, 100 МГц IH линак акылга сыярлык дрейф түтүк чыңалуусу (450 кВдан аз) жана күчтүү фокустоочу магнит 40 мА нурду 1,8 м аралыкта 1,4төн 14 МэВге чейин тездете алат.Ылдамдаткычтын чынжырынын аягындагы энергиянын бөлүштүрүлүшү ± 0,4 МэВ деп бааланат, бул нейтрондук конверсиянын максаты тарабынан өндүрүлгөн нейтрондордун энергетикалык спектрине олуттуу таасир этпейт.Кошумчалай кетсек, нурдун эмиссивдүүлүгү, адатта, орточо кубаттуулуктагы жана өлчөмдүү төрт полюстүү магнит үчүн талап кылынгандан нурду кичине нурлануучу жерге буруу үчүн жетиштүү төмөн.RFQ linac жана IH linac ортосундагы орточо энергия нурунун (MEBT) берүүсүндө, нур түзүүчү резонатор нур түзүүчү структураны сактоо үчүн колдонулат.Каптал нурунун өлчөмүн көзөмөлдөө үчүн үч төрт полюстүү магнит колдонулат.Бул дизайн стратегиясы көптөгөн акселераторлордо колдонулган31,32,33.Иондун булагынан максаттуу камерага чейинки бүт системанын жалпы узундугу стандарттык жарым чиркегич жүк ташуучу унаага бата турган 8 мден аз деп бааланат.
Нейтрондук конверсиялык максат түз сызыктуу тездеткичтен кийин орнотулат.Биз тескери кинематикалык сценарийлерди колдонуу менен мурунку изилдөөлөрдүн негизинде максаттуу станциянын долбоорлорун талкуулайбыз23.Кабарланган конверсия максаттарына катуу материалдар (полипропилен (C3H6) жана титан гидриди (TiH2)) жана газ түрүндөгү максаттуу системалар кирет.Ар бир максаттын артыкчылыктары жана кемчиликтери бар.Катуу буталар калыңдыгын так көзөмөлдөөгө мүмкүндүк берет.Бута канчалык ичке болсо, нейтрон өндүрүшүнүн мейкиндикте жайгашуусу ошончолук так болот.Бирок, мындай буталар дагы эле кандайдыр бир деңгээлде керексиз ядролук реакцияларга жана радиацияга ээ болушу мүмкүн.Башка жагынан алганда, суутек бутасы ядролук реакциянын негизги продуктусу болгон 7Be өндүрүшүн жок кылуу менен таза чөйрөнү камсыздай алат.Бирок, суутек алсыз тоскоолдук жөндөмүнө ээ жана жетиштүү энергия чыгаруу үчүн чоң физикалык аралыкты талап кылат.Бул TOF өлчөө үчүн бир аз жагымсыз болуп саналат.Кошумчалай кетсек, эгерде суутек бутасын жабуу үчүн ичке пленка колдонулса, анда жука пленка жана түшкөн литий шооласы тарабынан пайда болгон гамма нурларынын энергиялык жоготууларын эске алуу зарыл.
LICORNE полипропилен буталарды колдонот жана максаттуу система тантал фольгасы менен капталган суутек клеткаларына жаңыртылган.7Li34 үчүн 100 нА нур ток деп эсептесек, эки максаттуу система тең 107 n/s/sr чейин чыгара алат.Эгерде биз бул айтылган нейтрон кирешелүүлүгүн өзгөртүүнү биз сунуштаган нейтрон булагына колдонсок, анда ар бир лазер импульсу үчүн 7 × 10-8 С литий менен башкарылган нурду алууга болот.Бул лазерди секундасына эки жолу гана атуу LICORNE үзгүлтүксүз нур менен бир секундда өндүрө ала турган нейтрондон 40% көбүрөөк нейтронду чыгарат дегенди билдирет.Лазердин дүүлүктүрүүчү жыштыгын көбөйтүү менен жалпы агымды оңой эле көбөйтүүгө болот.Эгерде биз рынокто 1 кГц лазер системасы бар деп ойлосок, орточо нейтрон агымы 7 × 109 н/с/срге чейин оңой эле масштабдалышы мүмкүн.
Пластикалык буталар менен кайталануу ылдамдыгы жогору системаларды колдонгондо, буталарда жылуулуктун пайда болушун көзөмөлдөө зарыл, анткени, мисалы, полипропилендин эрүү температурасы 145–175 °C жана жылуулук өткөргүчтүгү 0,1–0,22 Вт. м/К.14 МэВ литий-иондук нур үчүн калыңдыгы 7 мкм полипропилен бутасы нурдун энергиясын реакция босогосуна чейин (13,098 МэВ) азайтуу үчүн жетиштүү.Бир лазердик атуудан пайда болгон иондордун бутага жалпы таасирин эске алуу менен, литий иондорунун полипропилен аркылуу энергия бөлүп чыгаруусу 64 мДж/импульс деп бааланат.Бардык энергия диаметри 10 мм болгон айланада өткөрүлөт деп ойлосок, ар бир импульс болжол менен 18 К/импульс температуранын жогорулашына туура келет.Полипропилен буталарында энергияны чыгаруу энергиянын бардык жоготуулары радиациялык же башка жылуулук жоготуулары жок жылуулук катары сакталат деген жөнөкөй божомолго негизделген.Секундага импульстардын санын көбөйтүү жылуулуктун топтолушун жок кылууну талап кылгандыктан, ошол эле чекитте энергиянын бөлүнүп чыгышын болтурбоо үчүн тилкелик буталарды колдонсок болот23.Лазердин кайталануу ылдамдыгы 100 Гц болгон бутадагы 10 мм нур такын ойлосок, полипропилен лентаны сканерлөө ылдамдыгы 1 м/сек болот.Эгерде нурдун тактарынын кайталанышына жол берилсе, кайталануу ылдамдыгы жогору болот.
Биз ошондой эле суутек батарейкалары менен буталарды изилдедик, анткени бутага зыян келтирбестен күчтүүрөөк диск нурларын колдонсо болот.Нейтрон нурун газ камерасынын узундугун жана ичиндеги суутек басымын өзгөртүү менен оңой жөндөөгө болот.Жука металл фольгалары көбүнчө тездеткичтерде максаттын газдуу аймагын вакуумдан бөлүү үчүн колдонулат.Ошондуктан фольгадагы энергиянын жоготууларынын ордун толтуруу үчүн түшкөн литий-иондук нурдун энергиясын көбөйтүү керек.35-отчетто сүрөттөлгөн максаттуу жыйын H2 газ басымы 1,5 атм болгон 3,5 см узундуктагы алюминий идиштен турган.16,75 МэВ литий-ион нуру аба менен муздатылган 2,7 мкм Ta фольга аркылуу батареяга кирет жана батареянын аягындагы литий-иондук нурдун энергиясы реакция босогосуна чейин жайлатат.Литий-иондук аккумуляторлордун нурунун энергиясын 14,0 МэВден 16,75 МэВге чейин жогорулатуу үчүн IH линакты 30 смдей узартуу керек болчу.
Газ клеткаларынын буталарынан нейтрондордун эмиссиясы да изилденген.Жогоруда айтылган LICORNE газ буталары үчүн GEANT436 симуляциялары [37] 1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, конустун ичинде жогорку ориентацияланган нейтрондор пайда болоорун көрсөтүп турат.35-маалыматта 0,7ден 3,0 МэВге чейинки энергия диапазону негизги нурдун таралуу багытына салыштырмалуу 19,5° конустун максималдуу ачылышы менен көрсөтүлгөн.Жогорку багытталган нейтрондор көпчүлүк бурчтарда коргоочу материалдын көлөмүн бир кыйла азайтып, конструкциянын салмагын азайтат жана өлчөө жабдууларын орнотууда көбүрөөк ийкемдүүлүктү камсыздай алат.Радиациядан коргонуу көз карашынан алганда, бул газ түрүндөгү бутага нейтрондордон тышкары центроиддик координаттар системасында изотроптук түрдө 478 кеВ гамма нурларды чыгарат38.Бул γ-нурлар 7Be ажыроосунун жана 7Li дүүлүктүрүүнүн натыйжасында пайда болот, бул биринчилик Li нуру кириш терезесине Ta тийгенде пайда болот.Бирок, коюу 35 Pb/Cu цилиндрдик коллиматорду кошуу менен, фон бир топ кыскартылышы мүмкүн.
Альтернативдик максат катары плазма терезесин колдонсо болот [39, 40], ал катуу бутага караганда төмөн болсо да, салыштырмалуу жогорку суутек басымына жана нейтрон генерациясынын кичинекей мейкиндик аймагына жетишүүгө мүмкүндүк берет.
Биз GEANT4 аркылуу литий-ион нурунун күтүлгөн энергия бөлүштүрүлүшү жана нурдун өлчөмү үчүн нейтрондук конверсиянын максаттуу варианттарын изилдеп жатабыз.Биздин симуляциялар нейтрондук энергиянын ырааттуу бөлүштүрүлүшүн жана жогорудагы адабияттарда суутек максаттары үчүн бурчтук бөлүштүрүүнү көрсөтөт.Кандайдыр бир максаттуу системада жогорку ориентацияланган нейтрондор водородго бай бутага күчтүү 7Li3+ нуру менен шартталган тескери кинематикалык реакция аркылуу түзүлүшү мүмкүн.Ошондуктан, жаңы нейтрон булактары буга чейин болгон технологияларды бириктирүү аркылуу ишке ашырылышы мүмкүн.
Лазердик нурлануу шарттары тездетилген демонстрацияга чейин ион нурларын генерациялоо эксперименттерин кайталады.Лазер 1012 Вт/см2 лазердин кубаттуулугу тыгыздыгы, 1064 нм фундаменталдык толкун узундугу, 800 мДж спот энергиясы жана 6 нс импульстун узактыгы менен рабочий наносекунддук Nd: YAG системасы.Максаттагы тактын диаметри 100 мкм деп бааланат.Литий металлы (Alfa Aesar, 99,9% таза) абдан жумшак болгондуктан, так кесилген материал калыпка пресстелет.Фольга өлчөмдөрү 25 мм × 25 мм, калыңдыгы 0,6 мм.Кратерге окшош зыян бутага лазер тийгенде пайда болот, ошондуктан бутага ар бир лазердик атуу менен бутанын бетинин жаңы бөлүгүн камсыз кылуу үчүн моторлуу платформа тарабынан жылдырылат.Газдын калдыктарынан улам рекомбинацияланууну болтурбоо үчүн камерадагы басым 10-4 Па диапазондон төмөн сакталган.
Лазердик плазманын баштапкы көлөмү кичинекей, анткени лазердик тактын өлчөмү 100 мкм жана ал түзүлгөндөн кийин 6 нс ичинде.Көлөмүн так чекит катары кабыл алып, кеңейтүүгө болот.Эгерде детектор максаттуу бетинен xm аралыкта жайгаштырылса, анда кабыл алынган сигнал мына катнашка баш ийет: иондук ток I, иондун келүү убактысы t жана импульстун туурасы τ.
Түзүлгөн плазма лазердик бутага 2,4 м жана 3,85 м аралыкта жайгашкан FC жана энергетикалык ион анализатору (EIA) менен TOF ыкмасы менен изилденген.FC электрондорунун алдын алуу үчүн -5 кВ тенденциялуу супрессордук торго ээ.EIA эки коаксиалдык металл цилиндрдик электроддордон турган 90 градустук электростатикалык дефлекторго ээ.Кеңейтүүчү плазма уячанын артындагы дефлекторго багытталат жана цилиндр аркылуу өткөн электр талаасы менен бурулат.E/z = eKU мамилесин канааттандырган иондор экинчилик электрондук көбөйткүч (SEM) (Hamamatsu R2362) аркылуу аныкталат, мында E, z, e, K жана U – иондун энергиясы, заряддын абалы жана заряд EIA геометриялык факторлору. .электрондор, тиешелүүлүгүнө жараша жана электроддор ортосундагы потенциалдар айырмасы.Дефлектордогу чыңалууну өзгөртүү менен плазмадагы иондордун энергиясын жана зарядын бөлүштүрүүнү алууга болот.U/2 EIA чыңалуусу 0,2 Вдан 800 В чейинки диапазондо, бул заряд абалына 4 эВден 16 кВга чейинки диапазондогу иондук энергияга туура келет.
Лазердик нурлануунун шарттарында талданган иондордун заряддык абалынын бөлүштүрүлүшү "Толук сыйрылган литий нурларын түзүү" бөлүмүндө сүрөттөлгөн.8.
Иондордун заряд абалынын бөлүштүрүлүшүн талдоо.Бул жерде EIA менен талданган жана литий фольгадан 1 м масштабда теңдемени колдонуу менен иондук токтун тыгыздыгынын убакыт профили.(1) жана (2)."Толугу менен эксфолиацияланган литий нурун түзүү" бөлүмүндө сүрөттөлгөн лазердик нурлануу шарттарын колдонуңуз.Ар бир токтун тыгыздыгын интеграциялоо менен 3-сүрөттө көрсөтүлгөн плазмадагы иондордун үлүшү эсептелген.
Лазердик ион булактары жогорку заряд менен интенсивдүү көп мА ион нурун жеткире алат.Бирок, нурларды жеткирүү космостук заряддын түртүлүшүнө байланыштуу абдан кыйын, ошондуктан ал кеңири колдонулган эмес.Салттуу схемада иондук нурлар плазмадан чыгарылып, тездеткичтин пикап алуу мүмкүнчүлүгүнө ылайык ион нурун калыптандыруу үчүн бир нече фокустоочу магниттер менен нур сызыгы боюнча негизги тездеткичке жеткирилет.Космостук заряддын күч нурларында нурлар сызыктуу эмес бөлүнөт жана нурлардын олуттуу жоготуулары, өзгөчө ылдамдыктын төмөн аймактарында байкалат.Медициналык көмүртек тездеткичтерин иштеп чыгууда бул көйгөйдү чечүү үчүн DPIS41 нурун жеткирүүнүн жаңы схемасы сунушталат.Биз бул ыкманы жаңы нейтрон булагынан кубаттуу литий-иондук нурду тездетүү үчүн колдондук.
Сүрөттө көрсөтүлгөндөй.4, плазма пайда болгон жана кеңейген мейкиндик металл идиш менен курчалган.Жабык мейкиндик RFQ резонаторунун кире беришине чейин созулат, анын ичинде электромагниттик катушканын ичиндеги көлөмү.Контейнерге 52 кВ чыңалуу киргизилген.RFQ резонаторунда иондор RFQну жерге туташтыруу аркылуу диаметри 6 мм тешик аркылуу потенциал аркылуу тартылат.Нур сызыгындагы сызыктуу эмес түртүүчү күчтөр иондор плазма абалында ташылганда жок кылынат.Мындан тышкары, жогоруда айтылгандай, биз контролдоо жана экстракция тешиктеги иондордун тыгыздыгын жогорулатуу үчүн DPIS менен бирге электромагниттик талааны колдондук.
RFQ тездеткичи сүрөттө көрсөтүлгөндөй цилиндр формасындагы вакуумдук камерадан турат.9а.Анын ичинде кычкылтексиз жездин төрт таякчасы нурдун огунун тегерегине квадруполь-симметриялуу жайгаштырылат (сүр. 9б).4 таякчалар жана камералар резонанстык RF схемасын түзөт.Индукцияланган RF талаасы таякча боюнча убакыт боюнча өзгөрүүчү чыңалууну жаратат.Октун айланасында узунунан имплантацияланган иондор төрт полюс талаасы тарабынан капталдан кармалат.Ошол эле учурда таяктын учу октук электр талаасын түзүү үчүн модуляцияланат.Октук талаа инжекцияланган үзгүлтүксүз нурду нур деп аталган нур импульстарынын сериясына бөлөт.Ар бир нур белгилүү бир RF циклинин (10 нс) ичинде камтылган.Кошуна нурлар радио жыштык мезгилине ылайык аралыкта жайгаштырылат.RFQ linacта лазердик ион булагынан 2 мкс нур 200 нурдан турган ырааттуулукка айландырылат.Андан кийин нур эсептелген энергияга чейин ылдамдалат.
Сызыктуу тездеткич RFQ.(а) (солдо) RFQ линак камерасынын тышкы көрүнүшү.(б) (оңдо) Камерадагы төрт таякчалуу электрод.
RFQ линактын негизги конструктордук параметрлери стержендик чыңалуу, резонанстык жыштык, нур тешик радиусу жана электроддук модуляция болуп саналат.Таякчадагы чыңалуу ± 29 кВ, анын электр талаасы электр бузулуу босогосунан төмөн болушу үчүн тандаңыз.Резонанстык жыштык канчалык төмөн болсо, капталдан фокустоочу күч ошончолук чоң болот жана орточо ылдамдануу талаасы ошончолук аз болот.Чоң диафрагма радиустары нурдун өлчөмүн көбөйтүүгө жана демек, космостук заряддын азыраак түртүлүшүнө байланыштуу нурдун токун көбөйтүүгө мүмкүндүк берет.Башка жагынан алганда, чоңураак апертура радиустары RFQ linacты иштетүү үчүн көбүрөөк RF күчүн талап кылат.Мындан тышкары, ал сайттын сапаты талаптары менен чектелген.Бул тең салмактуулуктардын негизинде жогорку токтун нурун тездетүү үчүн резонанстык жыштык (100 МГц) жана апертура радиусу (4,5 мм) тандалды.Модуляция нурдун жоголушун азайтуу жана ылдамдануунун эффективдүүлүгүн жогорулатуу үчүн тандалат.Дизайн 7Li3+ иондорун 40 мАда 22 кВ/нден 204 кВ/нге чейин 2 м ичинде тездете ала турган RFQ linac дизайнын өндүрүү үчүн көп жолу оптималдаштырылган.Эксперимент учурунда өлчөнгөн RF кубаттуулугу 77 кВт болгон.
RFQ линактары белгилүү Q/A диапазону менен иондорду тездете алат.Демек, сызыктуу тездеткичтин учуна келген нурду талдоодо изотопторду жана башка заттарды эске алуу зарыл.Мындан тышкары, жарым-жартылай ылдамдатылган, бирок ылдамдануу шарттарында ылдамдаткычтын ортосуна түшкөн каалаган иондор дагы эле капталдан камалып, акырына чейин жеткирилиши мүмкүн.Инженердик 7Li3+ бөлүкчөлөрүнөн башка керексиз нурлар аралашмалар деп аталат.Биздин эксперименттерибизде 14N6+ жана 16O7+ аралашмалар эң чоң тынчсызданууну жаратты, анткени литий металл фольгасы абадагы кычкылтек жана азот менен реакцияга кирет.Бул иондор 7Li3+ менен тездетилиши мүмкүн болгон Q/A катышына ээ.RFQ линактан кийин нурларды талдоо үчүн ар кандай сапаттагы жана сапаттагы нурларды бөлүү үчүн диполдук магниттерди колдонобуз.
RFQ линактан кийинки нур сызыгы диполдук магниттен кийин FCга толук тездетилген 7Li3+ нурун жеткирүү үчүн иштелип чыккан.-400 В ык электроддор ион нурунун токту так өлчөө үчүн чөйчөктөгү экинчи электрондорду басуу үчүн колдонулат.Бул оптика менен ион траекториялары диполдорго бөлүнөт жана Q/Aга жараша ар кандай жерлерге багытталган.Импульстун диффузиясы жана мейкиндик зарядынын түртүлүшү сыяктуу ар кандай факторлордон улам фокустагы нур белгилүү бир кеңдикке ээ.Түрдү эки ион түрүнүн фокустук позицияларынын ортосундагы аралык нурдун туурасынан чоңураак болгондо гана ажыратууга болот.Мүмкүн болгон эң жогорку резолюцияны алуу үчүн, устундун белине жакын жерде горизонталдуу жылчык орнотулат, ал жерде нур иш жүзүндө топтолгон.Тешик менен ПКнын ортосуна сцинтилляциялык экран орнотулган (CsI(Tl), Сент-Гобенден, 40 мм × 40 мм × 3 мм).Сцинтиллятор оптималдуу резолюция үчүн долбоорлонгон бөлүкчөлөр өтүшү керек болгон эң кичинекей тешикти аныктоо жана жогорку токтун оор иондук нурлары үчүн нурдун алгылыктуу өлчөмдөрүн көрсөтүү үчүн колдонулган.Сцинтиллятордогу нурдун сүрөтү вакуумдук терезе аркылуу CCD камерасы аркылуу жазылат.Бүт нур импульстун туурасын жабуу үчүн экспозиция убактысынын терезесин тууралаңыз.
Учурдагы изилдөөдө колдонулган же талданган маалымат топтомдору негиздүү өтүнүч боюнча тиешелүү авторлордон жеткиликтүү.
Манке, I. жана башкалар.Магниттик домендердин үч өлчөмдүү сүрөтү.Улуттук коммуна.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Андерсон, IS жана башкалар.Ылдамдаткычтарда компакттуу нейтрон булактарын изилдөөнүн мүмкүнчүлүктөрү.физика.Реп. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Урчуоли, А жана башкалар.Нейтронго негизделген компьютердик микротомография: Pliobates cataloniae жана Barberapithecus huerzeleri сыноо учурлары катары.Ооба.J. Физика.антропология.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).