Lieferanten von 304L 6,35*1 mm Edelstahl-Spiralrohren, Demonstration eines intensiven Lithiumstrahls zur Erzeugung gepulster direkter Neutronen

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Als Alternative zur Untersuchung von Kernreaktoren könnte ein kompakter beschleunigerbetriebener Neutronengenerator mit einem Lithium-Ionen-Strahltreiber ein vielversprechender Kandidat sein, da er wenig unerwünschte Strahlung erzeugt.Es war jedoch schwierig, einen intensiven Lithiumionenstrahl abzugeben, und die praktische Anwendung solcher Geräte galt als unmöglich.Das akuteste Problem des unzureichenden Ionenflusses wurde durch die Anwendung eines direkten Plasmaimplantationsschemas gelöst.Bei diesem Schema wird ein hochdichtes gepulstes Plasma, das durch Laserablation einer Lithiummetallfolie erzeugt wird, effizient injiziert und durch einen Hochfrequenz-Quadrupolbeschleuniger (RFQ-Beschleuniger) beschleunigt.Wir haben einen Spitzenstrahlstrom von 35 mA erreicht, beschleunigt auf 1,43 MeV, was zwei Größenordnungen höher ist, als herkömmliche Injektor- und Beschleunigersysteme liefern können.
Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen oder geladenen Teilchen haben Neutronen eine große Eindringtiefe und eine einzigartige Wechselwirkung mit kondensierter Materie, was sie zu äußerst vielseitigen Sonden für die Untersuchung der Eigenschaften von Materialien macht1,2,3,4,5,6,7.Insbesondere Neutronenstreutechniken werden häufig zur Untersuchung der Zusammensetzung, Struktur und inneren Spannungen in kondensierter Materie eingesetzt und können detaillierte Informationen über Spurenverbindungen in Metalllegierungen liefern, die mit Röntgenspektroskopie nur schwer nachzuweisen sind8.Diese Methode gilt als leistungsstarkes Werkzeug in der Grundlagenwissenschaft und wird von Herstellern von Metallen und anderen Materialien eingesetzt.In jüngerer Zeit wurde die Neutronenbeugung zur Erkennung von Eigenspannungen in mechanischen Komponenten wie Schienen- und Flugzeugteilen eingesetzt9,10,11,12.Neutronen werden auch in Öl- und Gasquellen verwendet, da sie leicht von protonenreichen Materialien eingefangen werden13.Ähnliche Methoden werden auch im Tiefbau eingesetzt.Die zerstörungsfreie Neutronenprüfung ist ein wirksames Werkzeug zur Erkennung versteckter Fehler in Gebäuden, Tunneln und Brücken.Der Einsatz von Neutronenstrahlen wird in der wissenschaftlichen Forschung und Industrie aktiv eingesetzt, viele davon wurden in der Vergangenheit unter Verwendung von Kernreaktoren entwickelt.
Angesichts des weltweiten Konsenses über die Nichtverbreitung von Kernwaffen wird der Bau kleiner Reaktoren für Forschungszwecke jedoch immer schwieriger.Darüber hinaus hat der jüngste Unfall in Fukushima den Bau von Kernreaktoren nahezu salonfähig gemacht.Im Zusammenhang mit diesem Trend wächst der Bedarf an Neutronenquellen an Beschleunigern2.Als Alternative zu Kernreaktoren sind bereits mehrere große beschleunigerspaltende Neutronenquellen in Betrieb14,15.Für eine effizientere Nutzung der Eigenschaften von Neutronenstrahlen ist jedoch eine Ausweitung des Einsatzes kompakter Quellen an Beschleunigern 16 erforderlich, die möglicherweise zu industriellen und universitären Forschungseinrichtungen gehören.Beschleuniger-Neutronenquellen haben neue Fähigkeiten und Funktionen hinzugefügt und dienen nicht nur als Ersatz für Kernreaktoren14.Beispielsweise kann ein von einem Linearbeschleuniger angetriebener Generator durch Manipulation des Antriebsstrahls leicht einen Neutronenstrom erzeugen.Einmal emittierte Neutronen sind schwer zu kontrollieren und Strahlungsmessungen sind aufgrund des durch Hintergrundneutronen erzeugten Rauschens schwer zu analysieren.Gepulste Neutronen, die von einem Beschleuniger gesteuert werden, vermeiden dieses Problem.Weltweit wurden mehrere Projekte auf Basis der Protonenbeschleunigertechnologie vorgeschlagen17,18,19.Die Reaktionen 7Li(p, n)7Be und 9Be(p, n)9B werden am häufigsten in protonengetriebenen kompakten Neutronengeneratoren verwendet, da es sich um endotherme Reaktionen handelt20.Überschüssige Strahlung und radioaktiver Abfall können minimiert werden, wenn die zur Anregung des Protonenstrahls gewählte Energie leicht über dem Schwellenwert liegt.Allerdings ist die Masse des Zielkerns viel größer als die der Protonen und die entstehenden Neutronen streuen in alle Richtungen.Eine solche nahezu isotrope Emission eines Neutronenflusses verhindert einen effizienten Transport von Neutronen zum Untersuchungsobjekt.Um die erforderliche Neutronendosis am Ort des Objekts zu erhalten, ist es außerdem notwendig, sowohl die Anzahl der bewegten Protonen als auch deren Energie deutlich zu erhöhen.Infolgedessen breiten sich große Mengen an Gammastrahlen und Neutronen in großen Winkeln aus, wodurch der Vorteil endothermer Reaktionen zunichte gemacht wird.Ein typischer beschleunigerbetriebener kompakter protonenbasierter Neutronengenerator verfügt über eine starke Strahlungsabschirmung und ist der sperrigste Teil des Systems.Die Notwendigkeit, die Energie des Protonenantriebs zu erhöhen, erfordert in der Regel eine zusätzliche Vergrößerung der Beschleunigeranlage.
Um die allgemeinen Mängel herkömmlicher kompakter Neutronenquellen an Beschleunigern zu überwinden, wurde ein inversionskinematisches Reaktionsschema vorgeschlagen21.Bei diesem Schema wird anstelle eines Protonenstrahls ein schwererer Lithium-Ionen-Strahl als Führungsstrahl verwendet, der auf wasserstoffreiche Materialien wie Kohlenwasserstoffkunststoffe, Hydride, Wasserstoffgas oder Wasserstoffplasma zielt.Es wurden Alternativen wie Beryllium-Ionenstrahlen in Betracht gezogen. Beryllium ist jedoch eine giftige Substanz, die besondere Vorsicht bei der Handhabung erfordert.Daher ist ein Lithiumstrahl am besten für inversionskinematische Reaktionsschemata geeignet.Da der Impuls von Lithiumkernen größer ist als der von Protonen, wandert der Schwerpunkt bei Kernkollisionen ständig nach vorne und es werden auch Neutronen nach vorne emittiert.Durch diese Funktion werden unerwünschte Gammastrahlen und Neutronenemissionen mit großem Winkel weitgehend eliminiert22.Ein Vergleich des üblichen Falles eines Protonenmotors und des inversen Kinematik-Szenarios ist in Abbildung 1 dargestellt.
Illustration der Neutronenproduktionswinkel für Protonen- und Lithiumstrahlen (gezeichnet mit Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutronen können durch die Reaktion in jede Richtung ausgestoßen werden, da bewegte Protonen auf die viel schwereren Atome des Lithium-Targets treffen.(b) Wenn umgekehrt ein Lithium-Ionen-Treiber ein wasserstoffreiches Ziel bombardiert, werden aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts des Systems Neutronen in einem schmalen Kegel in Vorwärtsrichtung erzeugt.
Aufgrund der Schwierigkeit, den erforderlichen Fluss schwerer Ionen mit einer hohen Ladung im Vergleich zu Protonen zu erzeugen, gibt es jedoch nur wenige Generatoren für inverse kinematische Neutronen.Alle diese Anlagen verwenden negative Sputterionenquellen in Kombination mit elektrostatischen Tandembeschleunigern.Zur Steigerung der Effizienz der Strahlbeschleunigung wurden andere Arten von Ionenquellen vorgeschlagen26.In jedem Fall ist der verfügbare Lithium-Ionen-Strahlstrom auf 100 µA begrenzt.Es wurde vorgeschlagen, 1 mA Li3+27 zu verwenden, dieser Ionenstrahlstrom wurde jedoch mit dieser Methode nicht bestätigt.Bezüglich der Intensität können Lithium-Strahlbeschleuniger nicht mit Protonen-Strahlbeschleunigern mithalten, deren Spitzenprotonenstrom 10 mA übersteigt28.
Um einen praktischen kompakten Neutronengenerator auf Basis eines Lithium-Ionen-Strahls zu realisieren, ist es vorteilhaft, hohe Intensitäten völlig ohne Ionen zu erzeugen.Die Ionen werden durch elektromagnetische Kräfte beschleunigt und geführt, und ein höherer Ladungsgrad führt zu einer effizienteren Beschleunigung.Li-Ionen-Strahltreiber erfordern Li3+-Spitzenströme von mehr als 10 mA.
In dieser Arbeit demonstrieren wir die Beschleunigung von Li3+-Strahlen mit Spitzenströmen von bis zu 35 mA, was mit fortschrittlichen Protonenbeschleunigern vergleichbar ist.Der ursprüngliche Lithium-Ionen-Strahl wurde mithilfe von Laserablation und einem Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) erzeugt, das ursprünglich zur Beschleunigung von C6+ entwickelt wurde.Ein maßgeschneiderter Hochfrequenz-Quadrupol-Linac (RFQ-Linac) wurde unter Verwendung einer Vierstab-Resonanzstruktur hergestellt.Wir haben überprüft, dass der Beschleunigungsstrahl die berechnete hochreine Strahlenergie aufweist.Sobald der Li3+-Strahl effektiv vom Hochfrequenzbeschleuniger (RF) eingefangen und beschleunigt wird, wird der nachfolgende Linac-(Beschleuniger-)Abschnitt verwendet, um die Energie bereitzustellen, die zur Erzeugung eines starken Neutronenflusses vom Ziel erforderlich ist.
Die Beschleunigung von Hochleistungsionen ist eine etablierte Technologie.Die verbleibende Aufgabe bei der Realisierung eines neuen hocheffizienten kompakten Neutronengenerators besteht darin, eine große Anzahl vollständig gestrippter Lithiumionen zu erzeugen und eine Clusterstruktur zu bilden, die aus einer Reihe von Ionenpulsen besteht, die mit dem HF-Zyklus im Beschleuniger synchronisiert sind.Die Ergebnisse von Experimenten zur Erreichung dieses Ziels werden in den folgenden drei Unterabschnitten beschrieben: (1) Erzeugung eines vollständig Lithium-Ionen-freien Strahls, (2) Strahlbeschleunigung mit einem speziell entwickelten RFQ-Linearbeschleuniger und (3) Beschleunigung der Analyse des Balkens, um seinen Inhalt zu überprüfen.Am Brookhaven National Laboratory (BNL) haben wir den in Abbildung 2 gezeigten Versuchsaufbau aufgebaut.
Übersicht über den Versuchsaufbau zur beschleunigten Analyse von Lithiumstrahlen (illustriert von Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Von rechts nach links wird in der Laser-Target-Interaktionskammer laserablatives Plasma erzeugt und an den RFQ-Linearbeschleuniger geliefert.Beim Eintritt in den RFQ-Beschleuniger werden die Ionen vom Plasma getrennt und durch ein plötzliches elektrisches Feld, das durch eine Spannungsdifferenz von 52 kV zwischen der Extraktionselektrode und der RFQ-Elektrode im Driftbereich erzeugt wird, in den RFQ-Beschleuniger injiziert.Die extrahierten Ionen werden mithilfe von 2 Meter langen RFQ-Elektroden von 22 keV/n auf 204 keV/n beschleunigt.Ein am Ausgang des RFQ-Linearbeschleunigers installierter Stromtransformator (CT) ermöglicht eine zerstörungsfreie Messung des Ionenstrahlstroms.Der Strahl wird von drei Quadrupolmagneten fokussiert und auf einen Dipolmagneten geleitet, der den Li3+-Strahl trennt und in den Detektor leitet.Hinter dem Spalt werden ein ausfahrbarer Kunststoffszintillator und ein Faraday-Becher (FC) mit einer Vorspannung von bis zu -400 V zur Detektion des Beschleunigungsstrahls verwendet.
Um vollständig ionisierte Lithiumionen (Li3+) zu erzeugen, muss ein Plasma mit einer Temperatur oberhalb seiner dritten Ionisierungsenergie (122,4 eV) erzeugt werden.Wir haben versucht, mittels Laserablation Hochtemperaturplasma zu erzeugen.Diese Art von Laserionenquelle wird üblicherweise nicht zur Erzeugung von Lithiumionenstrahlen verwendet, da Lithiummetall reaktiv ist und eine besondere Handhabung erfordert.Wir haben ein Zielladesystem entwickelt, um Feuchtigkeit und Luftverschmutzung beim Einbau der Lithiumfolie in die Vakuum-Laser-Interaktionskammer zu minimieren.Alle Materialvorbereitungen wurden in einer kontrollierten Umgebung mit trockenem Argon durchgeführt.Nachdem die Lithiumfolie in der Laserzielkammer installiert wurde, wurde die Folie mit gepulster Nd:YAG-Laserstrahlung mit einer Energie von 800 mJ pro Puls bestrahlt.Im Fokus auf das Ziel wird die Laserleistungsdichte auf etwa 1012 W/cm2 geschätzt.Plasma entsteht, wenn ein gepulster Laser ein Ziel im Vakuum zerstört.Während des gesamten 6 ns langen Laserpulses erwärmt sich das Plasma weiter, hauptsächlich aufgrund des umgekehrten Bremsstrahlungsprozesses.Da während der Aufheizphase kein begrenzendes äußeres Feld angelegt wird, beginnt sich das Plasma in drei Dimensionen auszudehnen.Wenn sich das Plasma über der Zieloberfläche auszudehnen beginnt, nimmt der Massenschwerpunkt des Plasmas eine Geschwindigkeit senkrecht zur Zieloberfläche mit einer Energie von 600 eV/n an.Nach dem Erhitzen bewegt sich das Plasma weiterhin in axialer Richtung vom Target aus und dehnt sich isotrop aus.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, dehnt sich das Ablationsplasma in ein Vakuumvolumen aus, das von einem Metallbehälter mit demselben Potenzial wie das Target umgeben ist.Dadurch driftet das Plasma durch den feldfreien Bereich in Richtung RFQ-Beschleuniger.Mittels einer um die Vakuumkammer gewickelten Magnetspule wird zwischen der Laserbestrahlungskammer und dem RFQ-Linearbeschleuniger ein axiales Magnetfeld angelegt.Das Magnetfeld des Elektromagneten unterdrückt die radiale Ausdehnung des driftenden Plasmas, um eine hohe Plasmadichte während der Zuführung zur RFQ-Apertur aufrechtzuerhalten.Andererseits dehnt sich das Plasma während der Drift weiter in axialer Richtung aus und bildet ein längliches Plasma.An das Metallgefäß, das das Plasma enthält, wird vor der Austrittsöffnung am RFQ-Einlass eine Hochspannungsvorspannung angelegt.Die Vorspannung wurde so gewählt, dass sie die erforderliche 7Li3+-Injektionsrate für eine ordnungsgemäße Beschleunigung durch den RFQ-Linearbeschleuniger liefert.
Das entstehende Ablationsplasma enthält nicht nur 7Li3+, sondern auch Lithium in anderen Ladungszuständen und Schadstoffelemente, die gleichzeitig zum RFQ-Linearbeschleuniger transportiert werden.Vor beschleunigten Experimenten mit dem RFQ-Linearbeschleuniger wurde eine Offline-Flugzeitanalyse (TOF) durchgeführt, um die Zusammensetzung und Energieverteilung von Ionen im Plasma zu untersuchen.Der detaillierte Analyseaufbau und die beobachteten Ladezustandsverteilungen werden im Abschnitt „Methoden“ erläutert.Die Analyse zeigte, dass 7Li3+-Ionen die Hauptpartikel waren und etwa 54 % aller Partikel ausmachten, wie in Abb. 3 dargestellt. Der Analyse zufolge wird der 7Li3+-Ionenstrom am Ionenstrahl-Austrittspunkt auf 1,87 mA geschätzt.Bei beschleunigten Tests wird ein 79-mT-Magnetfeld an das expandierende Plasma angelegt.Dadurch erhöhte sich der aus dem Plasma extrahierte und auf dem Detektor beobachtete 7Li3+-Strom um den Faktor 30.
Durch Flugzeitanalyse ermittelte Ionenanteile in lasererzeugtem Plasma.Die 7Li1+- und 7Li2+-Ionen machen 5 % bzw. 25 % des Ionenstrahls aus.Der nachgewiesene Anteil an 6Li-Partikeln stimmt innerhalb des experimentellen Fehlers mit dem natürlichen Gehalt an 6Li (7,6 %) im Lithiumfolien-Target überein.Es wurde eine leichte Sauerstoffverunreinigung (6,2 %) beobachtet, hauptsächlich O1+ (2,1 %) und O2+ (1,5 %), die möglicherweise auf die Oxidation der Oberfläche des Lithiumfolien-Targets zurückzuführen ist.
Wie bereits erwähnt, wandert das Lithiumplasma in einem feldlosen Bereich, bevor es in den RFQ-Linearbeschleuniger eintritt.Der Eingang des RFQ-Linearbeschleunigers verfügt über ein Loch mit 6 mm Durchmesser in einem Metallbehälter und die Vorspannung beträgt 52 kV.Obwohl sich die RFQ-Elektrodenspannung bei 100 MHz schnell um ±29 kV ändert, verursacht die Spannung eine axiale Beschleunigung, da die RFQ-Beschleunigerelektroden ein durchschnittliches Potenzial von Null haben.Aufgrund des starken elektrischen Feldes, das im 10-mm-Spalt zwischen der Apertur und dem Rand der RFQ-Elektrode erzeugt wird, werden an der Apertur nur positive Plasmaionen aus dem Plasma extrahiert.Bei herkömmlichen Ionenabgabesystemen werden Ionen durch ein elektrisches Feld in beträchtlicher Entfernung vor dem RFQ-Beschleuniger vom Plasma getrennt und dann durch ein Strahlfokussierungselement in die RFQ-Apertur fokussiert.Bei den intensiven Schwerionenstrahlen, die für eine intensive Neutronenquelle erforderlich sind, können jedoch nichtlineare Abstoßungskräfte aufgrund von Raumladungseffekten zu erheblichen Strahlstromverlusten im Ionentransportsystem führen, wodurch der beschleunigbare Spitzenstrom begrenzt wird.In unserem DPIS werden hochintensive Ionen als driftendes Plasma direkt zum Austrittspunkt der RFQ-Apertur transportiert, sodass es zu keinem Verlust des Ionenstrahls durch Raumladung kommt.Bei dieser Demonstration wurde DPIS zum ersten Mal auf einen Lithium-Ionen-Strahl angewendet.
Die RFQ-Struktur wurde für die Fokussierung und Beschleunigung niederenergetischer Hochstrom-Ionenstrahlen entwickelt und ist zum Standard für Beschleunigung erster Ordnung geworden.Wir haben RFQ verwendet, um 7Li3+-Ionen von einer Implantationsenergie von 22 keV/n auf 204 keV/n zu beschleunigen.Obwohl auch Lithium und andere Partikel mit einer geringeren Ladung im Plasma aus dem Plasma extrahiert und in die RFQ-Öffnung injiziert werden, beschleunigt der RFQ-Linearbeschleuniger nur Ionen mit einem Ladungs-zu-Masse-Verhältnis (Q/A) nahe 7Li3+.
Auf Abb.Abbildung 4 zeigt die vom Stromtransformator (CT) am Ausgang des RFQ-Linearbeschleunigers und des Faradayschen Bechers (FC) erfassten Wellenformen nach der Analyse des Magneten, wie in Abb. gezeigt.2. Die Zeitverschiebung zwischen den Signalen kann als Laufzeitunterschied am Ort des Detektors interpretiert werden.Der am CT gemessene Spitzenionenstrom betrug 43 mA.In der RT-Position kann der registrierte Strahl nicht nur auf die berechnete Energie beschleunigte Ionen enthalten, sondern auch andere Ionen als 7Li3+, die nicht ausreichend beschleunigt werden.Die Ähnlichkeit der mittels QD und PC gefundenen Ionenstromformen weist jedoch darauf hin, dass der Ionenstrom hauptsächlich aus beschleunigtem 7Li3+ besteht und die Abnahme des Spitzenwerts des Stroms auf PC durch Strahlverluste während des Ionentransfers zwischen QD und verursacht wird PC.Verluste Dies wird auch durch die Hüllkurvensimulation bestätigt.Um den 7Li3+-Strahlstrom genau zu messen, wird der Strahl mit einem Dipolmagneten analysiert, wie im nächsten Abschnitt beschrieben.
Oszillogramme des beschleunigten Strahls, aufgenommen in den Detektorpositionen CT (schwarze Kurve) und FC (rote Kurve).Diese Messungen werden durch die Detektion von Laserstrahlung durch einen Fotodetektor während der Laserplasmaerzeugung ausgelöst.Die schwarze Kurve zeigt die Wellenform, die an einem Stromwandler gemessen wurde, der an den RFQ-Linearausgang angeschlossen ist.Aufgrund seiner Nähe zum RFQ-Linac nimmt der Detektor 100-MHz-HF-Rauschen auf. Daher wurde ein 98-MHz-Tiefpass-FFT-Filter angewendet, um das dem Detektionssignal überlagerte 100-MHz-Resonanz-HF-Signal zu entfernen.Die rote Kurve zeigt die Wellenform bei FC, nachdem der analytische Magnet den 7Li3+-Ionenstrahl gelenkt hat.In diesem Magnetfeld können neben 7Li3+ auch N6+ und O7+ transportiert werden.
Der Ionenstrahl nach dem RFQ-Linearbeschleuniger wird durch eine Reihe von drei Quadrupol-Fokussierungsmagneten fokussiert und dann durch Dipolmagnete analysiert, um Verunreinigungen im Ionenstrahl zu isolieren.Ein Magnetfeld von 0,268 T lenkt die 7Li3+-Strahlen in den FC.Die Detektionswellenform dieses Magnetfelds ist als rote Kurve in Abbildung 4 dargestellt. Der Spitzenstrahlstrom erreicht 35 mA, was mehr als 100-mal höher ist als ein typischer Li3+-Strahl, der in bestehenden herkömmlichen elektrostatischen Beschleunigern erzeugt wird.Die Strahlimpulsbreite beträgt 2,0 µs bei voller Breite und Halbwertsbreite.Der Nachweis eines 7Li3+-Strahls mit einem Dipol-Magnetfeld weist auf eine erfolgreiche Bündelung und Strahlbeschleunigung hin.Der von FC beim Scannen des Magnetfelds des Dipols erfasste Ionenstrahlstrom ist in Abb. 5 dargestellt. Es wurde ein sauberer einzelner Peak beobachtet, der gut von anderen Peaks getrennt war.Da alle vom RFQ-Linearbeschleuniger auf die vorgesehene Energie beschleunigten Ionen die gleiche Geschwindigkeit haben, ist es schwierig, Ionenstrahlen mit dem gleichen Q/A durch Dipolmagnetfelder zu trennen.Daher können wir 7Li3+ nicht von N6+ ​​oder O7+ unterscheiden.Die Menge an Verunreinigungen kann jedoch aus benachbarten Ladungszuständen abgeschätzt werden.Beispielsweise können N7+ und N5+ leicht getrennt werden, während N6+ Teil der Verunreinigung sein kann und voraussichtlich in etwa der gleichen Menge wie N7+ und N5+ vorhanden ist.Der geschätzte Verschmutzungsgrad liegt bei etwa 2 %.
Strahlkomponentenspektren, die durch Scannen eines Dipolmagnetfelds erhalten wurden.Der Peak bei 0,268 T entspricht 7Li3+ und N6+.Die Peakbreite hängt von der Größe des Strahls auf dem Spalt ab.Trotz breiter Peaks trennt sich 7Li3+ gut von 6Li3+, O6+ und N5+, aber schlecht von O7+ und N6+.
Am Standort des FC wurde das Strahlprofil mit einem Plug-in-Szintillator bestätigt und mit einer schnellen Digitalkamera aufgezeichnet, wie in Abbildung 6 dargestellt. Der gepulste 7Li3+-Strahl mit einem Strom von 35 mA wird auf einen berechneten RFQ beschleunigt Energie von 204 keV/n, was 1,4 MeV entspricht, und an den FC-Detektor übertragen.
Strahlprofil, beobachtet auf einem Szintillatorbildschirm vor dem FC (gefärbt nach Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Das Magnetfeld des analytischen Dipolmagneten wurde so abgestimmt, dass die Beschleunigung des Li3+-Ionenstrahls auf die Designenergie RFQ gerichtet wird.Die blauen Punkte im grünen Bereich werden durch fehlerhaftes Szintillatormaterial verursacht.
Wir erreichten die Erzeugung von 7Li3+-Ionen durch Laserablation der Oberfläche einer festen Lithiumfolie, und ein Hochstrom-Ionenstrahl wurde mit einem speziell entwickelten RFQ-Linearbeschleuniger unter Verwendung von DPIS eingefangen und beschleunigt.Bei einer Strahlenergie von 1,4 MeV betrug der Spitzenstrom von 7Li3+, der nach der Analyse des Magneten am FC erreicht wurde, 35 mA.Dies bestätigt, dass der wichtigste Teil der Umsetzung einer Neutronenquelle mit inverser Kinematik experimentell umgesetzt wurde.In diesem Teil der Arbeit wird das gesamte Design einer kompakten Neutronenquelle diskutiert, einschließlich Hochenergiebeschleunigern und Neutronenzielstationen.Das Design basiert auf Ergebnissen, die mit bestehenden Systemen in unserem Labor erzielt wurden.Es ist zu beachten, dass der Spitzenstrom des Ionenstrahls weiter erhöht werden kann, indem der Abstand zwischen der Lithiumfolie und dem RFQ-Linearbeschleuniger verkürzt wird.Reis.7 veranschaulicht das Gesamtkonzept der vorgeschlagenen kompakten Neutronenquelle am Beschleuniger.
Konzeptentwurf der vorgeschlagenen kompakten Neutronenquelle am Beschleuniger (gezeichnet von Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Von rechts nach links: Laserionenquelle, Magnetmagnet, RFQ-Linearbeschleuniger, Mittelenergiestrahltransfer (MEBT), IH-Linearbeschleuniger und Wechselwirkungskammer zur Neutronenerzeugung.Aufgrund der engen Ausrichtung der erzeugten Neutronenstrahlen erfolgt der Strahlenschutz vor allem in Vorwärtsrichtung.
Nach dem RFQ-Linac ist eine weitere Beschleunigung des Interdigitalen H-Struktur-Linacs (IH-Linac)30 geplant.IH-Linacs nutzen eine π-Mode-Driftröhrenstruktur, um über einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich hohe elektrische Feldgradienten bereitzustellen.Die konzeptionelle Studie wurde auf Basis einer 1D-Längsdynamiksimulation und einer 3D-Schalensimulation durchgeführt.Berechnungen zeigen, dass ein 100-MHz-IH-Linearbeschleuniger mit einer angemessenen Driftröhrenspannung (weniger als 450 kV) und einem starken Fokussierungsmagneten einen 40-mA-Strahl in einer Entfernung von 1,8 m von 1,4 auf 14 MeV beschleunigen kann.Die Energieverteilung am Ende der Beschleunigerkette wird auf ± 0,4 MeV geschätzt, was das Energiespektrum der vom Neutronenumwandlungsziel erzeugten Neutronen nicht wesentlich beeinflusst.Darüber hinaus ist der Strahlemissionsgrad niedrig genug, um den Strahl auf einen kleineren Strahlfleck zu fokussieren, als dies normalerweise für einen Quadrupolmagneten mittlerer Stärke und Größe erforderlich wäre.Bei der Übertragung mittelenergetischer Strahlen (MEBT) zwischen dem RFQ-Linearbeschleuniger und dem IH-Linearbeschleuniger wird der Strahlformungsresonator verwendet, um die Strahlformungsstruktur aufrechtzuerhalten.Zur Steuerung der Größe des Seitenstrahls werden drei Quadrupolmagnete verwendet.Diese Designstrategie wurde in vielen Beschleunigern31,32,33 verwendet.Die Gesamtlänge des gesamten Systems von der Ionenquelle bis zur Zielkammer wird auf weniger als 8 m geschätzt, was in einen Standard-Sattelauflieger passt.
Das Neutronenumwandlungstarget wird direkt nach dem Linearbeschleuniger installiert.Wir diskutieren Zielstationsdesigns basierend auf früheren Studien unter Verwendung inverser kinematischer Szenarien23.Zu den gemeldeten Umwandlungszielen gehören feste Materialien (Polypropylen (C3H6) und Titanhydrid (TiH2)) und gasförmige Zielsysteme.Jedes Ziel hat Vor- und Nachteile.Feste Ziele ermöglichen eine präzise Dickenkontrolle.Je dünner das Target, desto genauer ist die räumliche Anordnung der Neutronenproduktion.Allerdings können solche Ziele immer noch ein gewisses Maß an unerwünschten nuklearen Reaktionen und Strahlung aufweisen.Andererseits kann ein Wasserstofftarget für eine sauberere Umwelt sorgen, indem es die Produktion von 7Be, dem Hauptprodukt der Kernreaktion, verhindert.Allerdings hat Wasserstoff eine schwache Barrierefähigkeit und benötigt für eine ausreichende Energiefreisetzung einen großen räumlichen Abstand.Dies ist für TOF-Messungen etwas nachteilig.Wenn ein dünner Film zum Abdichten eines Wasserstofftargets verwendet wird, müssen außerdem die Energieverluste der durch den dünnen Film und den einfallenden Lithiumstrahl erzeugten Gammastrahlen berücksichtigt werden.
LICORNE verwendet Polypropylen-Targets und das Targetsystem wurde auf mit Tantalfolie versiegelte Wasserstoffzellen umgerüstet.Unter der Annahme eines Strahlstroms von 100 nA für 7Li34 können beide Zielsysteme bis zu 107 n/s/sr erzeugen.Wenn wir diese behauptete Neutronenausbeuteumrechnung auf unsere vorgeschlagene Neutronenquelle anwenden, kann für jeden Laserpuls ein Lithium-angetriebener Strahl von 7 × 10–8 C erhalten werden.Das bedeutet, dass das Abfeuern des Lasers nur zweimal pro Sekunde 40 % mehr Neutronen erzeugt, als LICORNE mit einem kontinuierlichen Strahl in einer Sekunde erzeugen kann.Der Gesamtfluss kann leicht erhöht werden, indem die Anregungsfrequenz des Lasers erhöht wird.Wenn wir davon ausgehen, dass es ein 1-kHz-Lasersystem auf dem Markt gibt, kann der durchschnittliche Neutronenfluss leicht auf etwa 7 × 109 n/s/sr skaliert werden.
Wenn wir Systeme mit hoher Wiederholrate mit Kunststoffzielen verwenden, ist es notwendig, die Wärmeerzeugung auf den Zielen zu kontrollieren, da Polypropylen beispielsweise einen niedrigen Schmelzpunkt von 145–175 °C und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von 0,1–0,22 W/ hat. m/K.Für einen 14-MeV-Lithium-Ionen-Strahl reicht ein 7 µm dickes Polypropylen-Target aus, um die Strahlenergie auf die Reaktionsschwelle (13,098 MeV) zu reduzieren.Unter Berücksichtigung der Gesamtwirkung der durch einen Laserschuss erzeugten Ionen auf das Ziel wird die Energiefreisetzung von Lithiumionen durch Polypropylen auf 64 mJ/Impuls geschätzt.Unter der Annahme, dass die gesamte Energie in einem Kreis mit einem Durchmesser von 10 mm übertragen wird, entspricht jeder Impuls einem Temperaturanstieg von etwa 18 K/Impuls.Die Energiefreisetzung auf Polypropylen-Targets basiert auf der einfachen Annahme, dass alle Energieverluste als Wärme gespeichert werden, ohne Strahlung oder andere Wärmeverluste.Da die Erhöhung der Anzahl der Impulse pro Sekunde die Eliminierung des Wärmeaufbaus erfordert, können wir Streifentargets verwenden, um eine Energiefreisetzung am selben Punkt zu vermeiden23.Unter der Annahme eines 10 mm großen Strahlflecks auf einem Ziel mit einer Laserwiederholungsrate von 100 Hz würde die Scangeschwindigkeit des Polypropylenbands 1 m/s betragen.Höhere Wiederholungsraten sind möglich, wenn eine Strahlpunktüberlappung zulässig ist.
Wir haben auch Ziele mit Wasserstoffbatterien untersucht, da stärkere Antriebsstrahlen verwendet werden konnten, ohne das Ziel zu beschädigen.Der Neutronenstrahl kann leicht eingestellt werden, indem die Länge der Gaskammer und der Wasserstoffdruck im Inneren verändert werden.In Beschleunigern werden häufig dünne Metallfolien verwendet, um den gasförmigen Bereich des Targets vom Vakuum zu trennen.Daher ist es notwendig, die Energie des einfallenden Lithium-Ionen-Strahls zu erhöhen, um die Energieverluste auf der Folie auszugleichen.Die im Bericht 35 beschriebene Zielanordnung bestand aus einem 3,5 cm langen Aluminiumbehälter mit einem H2-Gasdruck von 1,5 atm.Der 16,75-MeV-Lithium-Ionenstrahl dringt durch die luftgekühlte 2,7-µm-Ta-Folie in die Batterie ein und die Energie des Lithium-Ionenstrahls am Ende der Batterie wird auf die Reaktionsschwelle abgebremst.Um die Strahlenergie von Lithium-Ionen-Batterien von 14,0 MeV auf 16,75 MeV zu erhöhen, musste der IH-Linearbeschleuniger um etwa 30 cm verlängert werden.
Auch die Emission von Neutronen aus Brennstoffzellen-Targets wurde untersucht.Für die oben genannten LICORNE-Gasziele zeigen GEANT436-Simulationen, dass im Inneren des Kegels hochorientierte Neutronen erzeugt werden, wie in Abbildung 1 in [37] dargestellt.Referenz 35 zeigt den Energiebereich von 0,7 bis 3,0 MeV mit einer maximalen Kegelöffnung von 19,5° relativ zur Ausbreitungsrichtung des Hauptstrahls.Hochorientierte Neutronen können die Menge an Abschirmmaterial in den meisten Winkeln erheblich reduzieren, das Gewicht der Struktur reduzieren und eine größere Flexibilität bei der Installation von Messgeräten ermöglichen.Aus Sicht des Strahlenschutzes emittiert dieses gasförmige Ziel zusätzlich zu Neutronen Gammastrahlen mit 478 keV isotrop im Schwerpunktkoordinatensystem38.Diese γ-Strahlen entstehen durch den 7Be-Zerfall und die 7Li-Abregung, die auftreten, wenn der primäre Li-Strahl auf das Eingangsfenster Ta trifft.Durch Hinzufügen eines dicken zylindrischen Kollimators aus 35 Pb/Cu kann der Hintergrund jedoch erheblich reduziert werden.
Als alternatives Target kann ein Plasmafenster verwendet werden [39, 40], das es ermöglicht, einen relativ hohen Wasserstoffdruck und einen kleinen räumlichen Bereich der Neutronenerzeugung zu erreichen, obwohl es festen Targets unterlegen ist.
Wir untersuchen Zieloptionen für die Neutronenumwandlung für die erwartete Energieverteilung und Strahlgröße eines Lithium-Ionenstrahls mit GEANT4.Unsere Simulationen zeigen eine konsistente Verteilung der Neutronenenergie und Winkelverteilungen für Wasserstofftargets in der oben genannten Literatur.In jedem Zielsystem können hochorientierte Neutronen durch eine inverse kinematische Reaktion erzeugt werden, die von einem starken 7Li3+-Strahl auf einem wasserstoffreichen Target angetrieben wird.Daher können neue Neutronenquellen durch die Kombination bereits bestehender Technologien implementiert werden.
Die Laserbestrahlungsbedingungen reproduzierten Experimente zur Ionenstrahlerzeugung vor der beschleunigten Demonstration.Der Laser ist ein Desktop-Nansekunden-Nd:YAG-System mit einer Laserleistungsdichte von 1012 W/cm2, einer Grundwellenlänge von 1064 nm, einer Punktenergie von 800 mJ und einer Pulsdauer von 6 ns.Der Spotdurchmesser auf dem Ziel wird auf 100 µm geschätzt.Da Lithiummetall (Alfa Aesar, 99,9 % rein) recht weich ist, wird das präzise geschnittene Material in die Form gepresst.Folienabmessungen 25 mm × 25 mm, Dicke 0,6 mm.Auf der Oberfläche des Ziels entstehen kraterartige Schäden, wenn ein Laser darauf trifft. Daher wird das Ziel von einer motorisierten Plattform bewegt, um bei jedem Laserschuss einen neuen Teil der Zieloberfläche bereitzustellen.Um eine Rekombination aufgrund von Restgas zu vermeiden, wurde der Druck in der Kammer unter dem Bereich von 10–4 Pa gehalten.
Das anfängliche Volumen des Laserplasmas ist klein, da die Größe des Laserflecks 100 μm beträgt und innerhalb von 6 ns nach seiner Erzeugung liegt.Das Volumen kann als exakter Punkt genommen und erweitert werden.Wenn der Detektor in einem Abstand xm von der Zieloberfläche platziert wird, folgt das empfangene Signal der Beziehung: Ionenstrom I, Ionenankunftszeit t und Impulsbreite τ.
Das erzeugte Plasma wurde mit der TOF-Methode mit FC und einem Energieionenanalysator (EIA) untersucht, der sich in einer Entfernung von 2,4 m und 3,85 m vom Laserziel befand.Der FC verfügt über ein Suppressorgitter mit einer Vorspannung von -5 kV, um Elektronen zu verhindern.Der EIA verfügt über einen elektrostatischen 90-Grad-Deflektor, der aus zwei koaxialen zylindrischen Metallelektroden mit der gleichen Spannung, aber entgegengesetzter Polarität besteht, außen positiv und innen negativ.Das expandierende Plasma wird in den Deflektor hinter dem Schlitz geleitet und durch das durch den Zylinder verlaufende elektrische Feld abgelenkt.Ionen, die die Beziehung E/z = eKU erfüllen, werden mithilfe eines Sekundärelektronenmultiplikators (SEM) (Hamamatsu R2362) erfasst, wobei E, z, e, K und U die Ionenenergie, der Ladungszustand und die Ladung geometrische EIA-Faktoren sind .Elektronen bzw. die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden.Durch Ändern der Spannung am Deflektor kann man die Energie- und Ladungsverteilung der Ionen im Plasma ermitteln.Die Wobbelspannung U/2 EIA liegt im Bereich von 0,2 V bis 800 V, was einer Ionenenergie im Bereich von 4 eV bis 16 keV pro Ladungszustand entspricht.
Die Verteilungen des Ladungszustands der analysierten Ionen unter den im Abschnitt „Erzeugung vollständig gestrippter Lithiumstrahlen“ beschriebenen Bedingungen der Laserbestrahlung sind in den Abbildungen dargestellt.8.
Analyse der Verteilung des Ladungszustands von Ionen.Hier ist das Zeitprofil der Ionenstromdichte, das mit EIA analysiert und unter Verwendung der Gleichung auf 1 m Entfernung von der Lithiumfolie skaliert wurde.(1) und (2).Verwenden Sie die im Abschnitt „Erzeugung eines vollständig abgeblätterten Lithiumstrahls“ beschriebenen Laserbestrahlungsbedingungen.Durch Integration jeder Stromdichte wurde der Anteil der Ionen im Plasma berechnet (siehe Abbildung 3).
Laserionenquellen können einen intensiven Multi-mA-Ionenstrahl mit hoher Ladung liefern.Allerdings ist die Strahlabgabe aufgrund der Abstoßung von Raumladungen sehr schwierig, weshalb sie nicht weit verbreitet war.Beim herkömmlichen Schema werden Ionenstrahlen aus dem Plasma extrahiert und entlang einer Strahllinie mit mehreren Fokussierungsmagneten zum Primärbeschleuniger transportiert, um den Ionenstrahl entsprechend der Aufnahmefähigkeit des Beschleunigers zu formen.Bei Raumladungskraftstrahlen divergieren die Strahlen nichtlinear und es werden erhebliche Strahlverluste beobachtet, insbesondere im Bereich niedriger Geschwindigkeiten.Um dieses Problem bei der Entwicklung medizinischer Kohlenstoffbeschleuniger zu überwinden, wird ein neues DPIS41-Strahlführungsschema vorgeschlagen.Wir haben diese Technik angewendet, um einen leistungsstarken Lithium-Ionen-Strahl aus einer neuen Neutronenquelle zu beschleunigen.
Wie in Abb. gezeigt.In 4 ist der Raum, in dem das Plasma erzeugt und expandiert wird, von einem Metallbehälter umgeben.Der umschlossene Raum erstreckt sich bis zum Eingang des RFQ-Resonators, einschließlich des Volumens innerhalb der Magnetspule.An den Behälter wurde eine Spannung von 52 kV angelegt.Im RFQ-Resonator werden Ionen durch Potential durch ein Loch mit 6 mm Durchmesser gezogen, indem der RFQ geerdet wird.Die nichtlinearen Abstoßungskräfte auf die Strahllinie werden eliminiert, da die Ionen im Plasmazustand transportiert werden.Darüber hinaus haben wir, wie oben erwähnt, ein Magnetfeld in Kombination mit DPIS angelegt, um die Ionendichte in der Extraktionsöffnung zu steuern und zu erhöhen.
Der RFQ-Beschleuniger besteht aus einer zylindrischen Vakuumkammer, wie in Abb. dargestellt.9a.Darin sind vier Stäbe aus sauerstofffreiem Kupfer quadrupolsymmetrisch um die Strahlachse angeordnet (Abb. 9b).4 Stäbe und Kammern bilden einen resonanten HF-Kreis.Das induzierte HF-Feld erzeugt eine zeitlich veränderliche Spannung am Stab.Längs um die Achse implantierte Ionen werden seitlich vom Quadrupolfeld festgehalten.Gleichzeitig wird die Stabspitze moduliert, um ein axiales elektrisches Feld zu erzeugen.Das axiale Feld spaltet den eingespeisten kontinuierlichen Strahl in eine Reihe von Strahlimpulsen auf, die als Strahl bezeichnet werden.Jeder Strahl ist innerhalb einer bestimmten HF-Zykluszeit (10 ns) enthalten.Benachbarte Strahlen sind entsprechend der Hochfrequenzperiode beabstandet.Im RFQ-Linearbeschleuniger wird ein 2 µs langer Strahl einer Laserionenquelle in eine Folge von 200 Strahlen umgewandelt.Anschließend wird der Strahl auf die berechnete Energie beschleunigt.
Ausschreibung für Linearbeschleuniger.(a) (links) Außenansicht der RFQ-Linac-Kammer.(b) (rechts) Vierstabelektrode in der Kammer.
Die wichtigsten Designparameter des RFQ-Linearbeschleunigers sind die Stabspannung, die Resonanzfrequenz, der Strahllochradius und die Elektrodenmodulation.Wählen Sie die Spannung am Stab ± 29 kV so, dass sein elektrisches Feld unter der elektrischen Durchschlagsschwelle liegt.Je niedriger die Resonanzfrequenz, desto größer die seitliche Fokussierungskraft und desto kleiner das durchschnittliche Beschleunigungsfeld.Große Aperturradien ermöglichen eine Vergrößerung der Strahlgröße und damit eine Erhöhung des Strahlstroms aufgrund der geringeren Raumladungsabstoßung.Andererseits erfordern größere Aperturradien mehr HF-Leistung, um den RFQ-Linearbeschleuniger mit Strom zu versorgen.Darüber hinaus ist es durch die Qualitätsanforderungen der Website begrenzt.Basierend auf diesen Bilanzen wurden die Resonanzfrequenz (100 MHz) und der Aperturradius (4,5 mm) für die Hochstrom-Strahlbeschleunigung ausgewählt.Die Modulation wird so gewählt, dass der Strahlverlust minimiert und die Beschleunigungseffizienz maximiert wird.Das Design wurde mehrfach optimiert, um ein RFQ-Linearbeschleunigerdesign zu erstellen, das 7Li3+-Ionen bei 40 mA innerhalb von 2 m von 22 keV/n auf 204 keV/n beschleunigen kann.Die während des Experiments gemessene HF-Leistung betrug 77 kW.
RFQ-Linacs können Ionen mit einem bestimmten Q/A-Bereich beschleunigen.Daher müssen bei der Analyse eines am Ende eines Linearbeschleunigers zugeführten Strahls Isotope und andere Substanzen berücksichtigt werden.Darüber hinaus können die gewünschten Ionen, teilweise beschleunigt, aber unter Beschleunigungsbedingungen in der Mitte des Beschleunigers abgesunken, immer noch einen seitlichen Einschluss erfahren und zum Ende transportiert werden.Unerwünschte Strahlen, bei denen es sich nicht um künstlich hergestellte 7Li3+-Partikel handelt, werden als Verunreinigungen bezeichnet.In unseren Experimenten waren die Verunreinigungen 14N6+ und 16O7+ die größte Sorge, da die Lithiummetallfolie mit Sauerstoff und Stickstoff in der Luft reagiert.Diese Ionen haben ein Q/A-Verhältnis, das mit 7Li3+ beschleunigt werden kann.Wir verwenden Dipolmagnete, um Strahlen unterschiedlicher Qualität und Qualität für die Strahlanalyse nach dem RFQ-Linac zu trennen.
Die Strahllinie nach dem RFQ-Linearbeschleuniger ist dafür ausgelegt, den vollständig beschleunigten 7Li3+-Strahl nach dem Dipolmagneten zum FC zu liefern.-400-V-Vorspannungselektroden werden verwendet, um Sekundärelektronen im Becher zu unterdrücken und den Ionenstrahlstrom genau zu messen.Mit dieser Optik werden die Ionentrajektorien in Dipole aufgeteilt und je nach Q/A an verschiedenen Orten fokussiert.Aufgrund verschiedener Faktoren wie Impulsdiffusion und Raumladungsabstoßung hat der Strahl im Fokus eine bestimmte Breite.Eine Trennung der Spezies ist nur möglich, wenn der Abstand zwischen den Fokuspositionen der beiden Ionenspezies größer als die Strahlbreite ist.Um eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen, wird in der Nähe der Strahltaille ein horizontaler Spalt angebracht, wo der Strahl praktisch konzentriert wird.Zwischen Spalt und PC wurde ein Szintillationsschirm (CsI(Tl) von Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) installiert.Der Szintillator wurde verwendet, um den kleinsten Spalt zu bestimmen, den die entworfenen Partikel für eine optimale Auflösung passieren mussten, und um akzeptable Strahlgrößen für Hochstrom-Schwerionenstrahlen zu demonstrieren.Das Strahlbild auf dem Szintillator wird von einer CCD-Kamera durch ein Vakuumfenster aufgenommen.Passen Sie das Belichtungszeitfenster an, um die gesamte Strahlimpulsbreite abzudecken.
Die in der aktuellen Studie verwendeten oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den jeweiligen Autoren erhältlich.
Manke, I. et al.Dreidimensionale Abbildung magnetischer Domänen.Nationale Kommune.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Möglichkeiten zur Untersuchung kompakter Neutronenquellen an Beschleunigern.Physik.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neutronenbasierte Computermikrotomographie: Pliobates cataloniae und Barberapithecus huerzeleri als Testfälle.Ja.J. Physik.Anthropologie.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).