304L 6.35 * 1 мм Дат басмас корычтан торбалар белән тәэмин итүчеләр, импульслы туры нейтроннар чыгару өчен көчле литий нурын күрсәтү.

Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт.Сез чикләнгән CSS ярдәме белән браузер версиясен кулланасыз.Иң яхшы тәҗрибә өчен без яңартылган браузерны кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'та туры килү режимын сүндерегез).Моннан тыш, дәвамлы ярдәмне тәэмин итү өчен, без сайтны стильләр һәм JavaScriptсыз күрсәтәбез.
Слайдка өч мәкалә күрсәтүче слайдерлар.Слайдлар аша хәрәкәт итү өчен арткы һәм киләсе төймәләрне кулланыгыз, яки һәр слайд аша хәрәкәт итү өчен ахырдагы слайд контроллер төймәләрен кулланыгыз.

Атом реакторларын өйрәнүгә альтернатива буларак, литий-ион нуры йөртүче ярдәмендә компакт тизләткечле нейтрон генератор өметле кандидат булырга мөмкин, чөнки ул бик кирәкмәгән нурланыш чыгара.Ләкин, литий ионнарының көчле нурын китерү кыен иде, һәм мондый приборларны практик куллану мөмкин түгел дип саналды.Ион агымының җитмәвенең иң кискен проблемасы туры плазма имплантация схемасын кулланып чишелде.Бу схемада литий металл фольга лазерлы абляциядән барлыкка килгән югары тыгызлыктагы импульслы плазма эффектив рәвештә югары ешлыклы дүртьюллы тизләткеч (RFQ тизләткече) белән эффектив инъекцияләнә һәм тизләштерелә.Без 35 мА иң югары нур токына ирештек, 1,43 МеВ тизләнде, бу гадәти инжектор һәм тизләткеч системалары бирә алганнан зуррак зурлыктагы ике заказ.
Рентген яки зарядлы кисәкчәләрдән аермалы буларак, нейтроннар зур үтеп керү тирәнлегенә һәм конденсацияләнгән матдәләр белән уникаль үзара бәйләнешкә ия, аларны материалларның үзлекләрен өйрәнү өчен бик күпкырлы тикшерүләр ясыйлар1,2,3,4,5,6,7.Аерым алганда, нейтрон тарату техникасы гадәттә конденсацияләнгән матдәләр составын, структурасын һәм эчке стрессларын өйрәнү өчен кулланыла һәм рентген спектроскопия ярдәмендә табу авыр булган металл эретмәләрендәге эз кушылмалары турында тулы мәгълүмат бирә ала.Бу ысул төп фәндә көчле корал булып санала һәм металл һәм башка материал җитештерүчеләр тарафыннан кулланыла.Күптән түгел нейтрон дифракция тимер юл һәм самолет детальләре кебек механик компонентлардагы калдык стрессларны ачыклау өчен кулланылды9,10,11,12.Нейтроннар шулай ук ​​нефть һәм газ скважиналарында кулланыла, чөнки алар протонга бай материаллар белән җиңел кулга алына13.Охшаш ысуллар төзелештә дә кулланыла.Деструктив булмаган нейтрон сынау - биналарда, тоннельләрдә һәм күперләрдә яшерен кимчелекләрне ачыклау өчен эффектив корал.Нейтрон нурларын куллану фәнни тикшеренүләрдә һәм сәнәгатьтә актив кулланыла, аларның күбесе тарихи яктан атом реакторлары ярдәмендә эшләнгән.
Ләкин, атом-төш таралмау турында глобаль консенсус белән, тикшерү максатларында кечкенә реакторлар төзү көннән-көн катлаулана бара.Моннан тыш, күптән түгел Фукусимадагы авария атом реакторларын төзүне социаль яктан диярлек кабул итте.Бу тенденциягә бәйле рәвештә, тизләткечләрдә нейтрон чыганакларга сорау арта2.Атом реакторларына альтернатива буларак, берничә зур тизләткечне бүлүче нейтрон чыганаклар эшли инде 14,15.Ләкин, нейтрон нурларының үзлекләрен эффектив куллану өчен, тизләткечләрдә компакт чыганакларны куллануны киңәйтергә кирәк, алар сәнәгать һәм университет тикшеренү институтларына карый ала.Тизләткеч нейтрон чыганаклары атом реакторларын алыштыру хезмәтенә өстәп яңа мөмкинлекләр һәм функцияләр өстәделәр14.Мәсәлән, линак белән идарә итүче генератор саклагыч нурын манипуляцияләп җиңел нейтрон агымын барлыкка китерә ала.Чыгарылганнан соң, нейтроннарны контрольдә тоту авыр, фон нейтроннары ясаган шау-шу аркасында нурланыш үлчәүләрен анализлау кыен.Тизләткеч белән идарә ителгән пульслы нейтроннар бу проблемадан кача.Протон тизләткеч технологиясенә нигезләнгән берничә проект бөтен дөньяда тәкъдим ителде17,18,19.7Li (p, n) 7Be һәм 9Be (p, n) 9B реакцияләре протон йөртүче компакт нейтрон генераторларында еш кулланыла, чөнки алар эндотермик реакцияләр20.Протон нурын дулкынландыру өчен сайланган энергия бусагадан бераз югарырак булса, артык нурланыш һәм радиоактив калдыклар киметелергә мөмкин.Ләкин, максатлы ядрәнең массасы протоннарныкыннан күпкә зуррак, һәм барлыкка килгән нейтроннар бөтен якка таралалар.Нейтрон агымының изотроп эмиссиясенә якын булуы нейтроннарны өйрәнү объектына эффектив ташуга комачаулый.Моннан тыш, нейтроннарның кирәкле дозасын объект урнашкан урында алу өчен, хәрәкәт итүче протоннар санын да, аларның энергиясен дә сизелерлек арттырырга кирәк.Нәтиҗәдә, гамма нурларының һәм нейтроннарның зур дозалары зур почмаклар аша таралырлар, эндотермик реакцияләрнең өстенлеген юк итәрләр.Типик тизләткеч белән идарә ителгән компакт протон нигезендәге нейтрон генератор көчле радиация саклагычына ия һәм системаның иң зур өлеше.Протон йөртү энергиясен арттыру ихтыяҗы, гадәттә, тизләткеч җайланмасы күләмен өстәмә арттыруны таләп итә.
Тизләткечләрдә гадәти компакт нейтрон чыганакларының гомуми җитешсезлекләрен җиңәр өчен, инверсия-кинематик реакция схемасы тәкъдим ителде21.Бу схемада авыррак литий-ион нуры протон нуры урынына кулланма нуры буларак кулланыла, углеводород пластмассасы, гидридлар, водород газы яки водород плазмасы кебек водородка бай материалларга каршы.Альтернатива каралды, мәсәлән, бериллий ион белән эшләнгән нурлар, ләкин, берилли - агулы матдә, эшкәртүдә махсус кайгырту таләп итә.Шуңа күрә, литий нуры инверсия-кинематик реакция схемалары өчен иң кулай.Литий ядрәләренең моменты протоннарныкыннан зуррак булганлыктан, атом бәрелешләренең масса үзәге гел алга бара, һәм нейтроннар да алга чыгарыла.Бу үзенчәлек кирәк булмаган гамма нурларын һәм югары почмаклы нейтрон чыгаруны бик нык бетерә22.Протон двигателенең гадәти очракларын һәм кире кинематика сценарийын чагыштыру 1 нче рәсемдә күрсәтелгән.
Протон һәм литий нурлары өчен нейтрон җитештерү почмаклары иллюстрациясе (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).а) Нейтроннар реакция нәтиҗәсендә теләсә нинди юнәлештә чыгарылырга мөмкин, чөнки хәрәкәтләнүче протоннар литий максатының иң авыр атомнарына бәрелә.б) Киресенчә, әгәр литий-ион йөртүчесе водородка бай мишеньны бомбаласа, нейтроннар тар массада алга таба юнәлештә барлыкка киләләр, система масса үзәгенең югары тизлеге аркасында.
Ләкин, кире кинематик нейтрон генераторлары гына бар, протоннар белән чагыштырганда, зур корылма белән авыр ионнарның кирәкле агымын чыгару кыенлыгы аркасында.Бу үсемлекләрнең барысы да тандем электростатик тизләткечләр белән берлектә тискәре бөтерелгән ион чыганакларын кулланалар.Башка төр ион чыганаклары нур тизләнешенең эффективлыгын күтәрергә тәкъдим ителде26.Anyәрхәлдә, булган литий-ион нуры 100 µA белән чикләнгән.Li3 + 27 1 mA кулланырга тәкъдим иттеләр, ләкин бу ион нуры токы бу ысул белән расланмады.Интенсивлык ягыннан литий нур тизләткечләре протон нуры тизләткечләре белән көндәшлек итә алмый, аларның протон токы 10 мА28-тан артып китә.
Литий-ион нуры нигезендә практик компакт нейтрон генераторын тормышка ашыру өчен, ионсыз тулы югары интенсивлык булдыру отышлы.Ионнар тизләштерелә һәм электромагнит көчләр белән идарә итәләр, һәм югары корылма дәрәҗәсе нәтиҗәлерәк тизләнешкә китерә.Ли-ион нурлары йөртүчеләре Li3 + иң югары агымнарны 10 мАдан артык таләп итәләр.
Бу эштә без Li3 + нурларының иң югары агымнары белән 35 мА кадәр тизләнешен күрсәтәбез, бу протон тизләткечләре белән чагыштырыла.Оригиналь литий ион нуры лазер абласы ярдәмендә ясалган һәм туры плазманы имплантацияләү схемасы (DPIS) башта C6 + тизләтү өчен эшләнгән.Дүрт таяклы резонант структурасы ярдәмендә махсус эшләнгән радио ешлыклы дүртполлы линак (RFQ линак) эшләнгән.Без тизләтүче нурның исәпләнгән югары чисталык нуры энергиясенә ия булуын тикшердек.Li3 + нуры эффектив рәвештә радио ешлыгы (RF) тизләткече белән тизләштерелгәннән соң, киләсе линак (тизләткеч) бүлеге максаттан көчле нейтрон агымы чыгару өчен кирәк булган энергияне тәэмин итү өчен кулланыла.
Performanceгары җитештерүчән ионнарның тизләнеше - яхшы урнаштырылган технология.Яңа югары эффектив компакт нейтрон генераторын тормышка ашыруның калган бурычы - күп санлы тулы литий ионнарын чыгару һәм тизләткечтә RF циклы белән синхронлашкан ион импульслары сериясеннән торган кластер структурасын формалаштыру.Бу максатка ирешү өчен эшләнгән экспериментлар нәтиҗәләре түбәндәге өч бүлектә тасвирланган: (1) литий-ион нурыннан бөтенләй юк буын, 2) махсус эшләнгән RFQ линак ярдәмендә нур тизләнеше һәм (3) анализ тизләнеше. эчтәлеген тикшерү өчен нур.Брукхавен Милли Лабораториясендә (2-нче рәсемдә күрсәтелгән) эксперименталь көйләү төзедек.
Литий нурларын тиз анализлау өчен эксперименталь көйләүгә күзәтү (Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/ белән күрсәтелгән).Уңнан сулга лазер-аблатив плазма лазер-максатлы үзара бәйләнеш камерасында барлыкка килә һәм RFQ линакка китерелә.RFQ тизләткеченә кергәч, ионнар плазмадан аерылып, RFQ тизләткеченә кинәт электр кыры аша кертелә, чыгару электроды белән RFQ электроды арасындагы 52 кВ көчәнеш аермасы аркасында барлыкка килә.Чыгарылган ионнар 2 кВ озынлыктагы RFQ электродларын кулланып 22 кВ / ннан 204 кВ / нга кадәр тизләнәләр.RFQ линак чыганагына куелган ток трансформаторы (КТ) ион нуры токын җимергеч булмаган үлчәү белән тәэмин итә.Кояш өч дүртполлы магнитка юнәлтелгән һәм Li3 + нурын детекторга аеручы һәм юнәлтә торган диполь магнитка юнәлтелгән.Ярык артында, тизләнүче нурны ачыклау өчен, тартыла торган пластик ссинтилатор һәм -400 V га кадәр булган Фарадай касәсе кулланыла.
Тулы ионлаштырылган литий ионнарын (Li3 +) барлыкка китерү өчен, өченче ионлаштыру энергиясеннән (122,4 eV) температурасы булган плазма ясарга кирәк.Highгары температуралы плазма җитештерү өчен лазер абляциясен кулланырга тырыштык.Бу төр лазер ион чыганагы литий ион нурларын чыгару өчен гадәттә кулланылмый, чөнки литий металл реактив һәм махсус эшкәртү таләп итә.Вакуум лазерның үзара бәйләнеш камерасына литий фольга урнаштырганда дымны һәм һаваның пычрануын киметү өчен максатчан йөкләү системасын эшләдек.Барлык материаллар да коры аргон белән идарә ителгән шартларда башкарылды.Лазий фольгасы лазер максат камерасына урнаштырылганнан соң, фольга импульслы Nd: YAG лазер нурлары белән импульска 800 мж энергиядә нурландырылды.Максатка юнәлтелгәндә, лазер көченең тыгызлыгы якынча 1012 Вт / см2 дип бәяләнә.Плазма импульслы лазер вакуумдагы максатны юк иткәндә барлыкка килә.Барлык 6 нс лазер импульсы вакытында плазма җылынуны дәвам итә, нигездә кире бремсстрахлунг процессы аркасында.Heatingылыту этабында бернинди тышкы кыр кулланылмаганлыктан, плазма өч үлчәмдә киңәя башлый.Плазма максатчан өслектә киңәя башлагач, плазманың масса үзәге 600 eV / n энергиясе белән максат өслегенә перпендикуляр тизлекне ала.Heatingылытканнан соң, плазма изотроп киңәеп, максаттан охаль юнәлештә хәрәкәт итүен дәвам итә.
2 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, абляция плазмасы вакуум күләменә киңәя, металл контейнер белән уратып алынган, максат белән бер үк потенциалга ия.Шулай итеп, плазма кырсыз регион аша RFQ тизләткеченә таба борыла.Оксаль магнит кыры лазер нурланыш камерасы белән RFQ линак арасында вакуум камерасы тирәсендә соленоид кәтүк ярасы ярдәмендә кулланыла.Соленоидның магнит кыры, RFQ аппертурасына китерелгән вакытта югары плазма тыгызлыгын саклап калу өчен, плазманың радиаль киңәюен баса.Икенче яктан, плазма дрифт вакытында охаль юнәлештә киңәюен дәвам итә, озын плазманы барлыкка китерә.RFQ керү портындагы плазманы үз эченә алган металл савытка югары көчәнеш тигезлеге кулланыла.Биек көчәнеш RFQ линак белән дөрес тизләнеш өчен кирәкле 7Li3 + инъекция тизлеген тәэмин итү өчен сайланган.
Нәтиҗә ясалган абляция плазмасында 7Li3 + гына түгел, ә башка корылмадагы литий һәм пычраткыч элементлар бар, алар бер үк вакытта RFQ сызыклы тизләткечкә ташыла.RFQ линак ярдәмендә тизләтелгән экспериментлар алдыннан, плазмадагы ионнарның составын һәм энергия бүленешен өйрәнү өчен оффлайн очыш (TOF) анализы ясалды.Аналитик көйләү һәм күзәтелгән дәүләт бүленеше методлар бүлегендә аңлатыла.Анализ күрсәткәнчә, 7Li3 + ионнары төп кисәкчәләр булган, барлык кисәкчәләрнең якынча 54% тәшкил итә, 3 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә. Анализ буенча, ион нурының чыгу ноктасында 7Li3 + ион токы 1,87 мА белән бәяләнә.Тизләтелгән сынаулар вакытында киңәйтелгән плазмага 79 мТ соленоид кыры кулланыла.Нәтиҗәдә, плазмадан алынган һәм детекторда күзәтелгән 7Li3 + ток 30 факторга артты.
Очыш вакытында анализ ясап алынган лазердан ясалган плазмадагы ионнарның фракцияләре.7Li1 + һәм 7Li2 + ионнары 5% һәм 25% ион нурларын тәшкил итә.6Li кисәкчәләренең ачыкланган өлеше эксперименталь хата кысаларында литий фольга максатындагы 6Li (7,6%) табигый эчтәлеге белән килешә.Бераз кислород пычрануы күзәтелә (6,2%), нигездә O1 + (2,1%) һәм O2 + (1,5%), бу литий фольга мишень өслегенең оксидлашуы аркасында булырга мөмкин.
Алда әйтелгәнчә, литий плазмасы RFQ линакка керер алдыннан кырсыз төбәктә йөри.RFQ линакның кертүе металл контейнерда 6 мм диаметрлы тишек, һәм көчәнеш 52 кВ.RFQ электрод көчәнеше 100 МГцда ± 29 кВ тиз үзгәрсә дә, көчәнеш күчәр тизләнешенә китерә, чөнки RFQ тизләткеч электродлары уртача нуль потенциалына ия.Диаграмма белән RFQ электрод кыры арасындагы 10 мм арада барлыкка килгән көчле электр кыры аркасында, плазмадан уңай плазма ионнары гына чыгарыла.Традицион ион җибәрү системаларында ионнар плазмадан электр кыры белән RFQ тизләткече алдында шактый ераклыкта аерыла, аннары нур фокус элементы ярдәмендә RFQ аппертурасына юнәлтелә.Ләкин, көчле нейтрон чыганагы өчен кирәк булган каты ион нурлары өчен, космик корылма эффектлары аркасында сызыксыз репулсив көчләр ион транспорт системасында зур ток агымын югалтырга мөмкин, тизләнергә мөмкин булган иң югары токны чикли.Безнең DPISда, югары интенсив ионнар турыдан-туры RFQ аппертурасының чыгу ноктасына плазма булып ташыла, шуңа күрә космик корылма аркасында ион нуры югалмый.Бу демонстрация вакытында DPIS беренче тапкыр литий-ион нурына кулланылды.
RFQ структурасы түбән энергияле югары ток ион нурларын туплау һәм тизләтү өчен эшләнде һәм беренче заказны тизләтү өчен стандартка әйләнде.Без 7Li3 + ионын имплант энергиясеннән 22 кВ / ннан 204 кВ / нга кадәр тизләтү өчен RFQ кулландык.Плазмада түбән корылма булган литий һәм бүтән кисәкчәләр дә плазмадан чыгарылып, RFQ аппертурасына укол ясалсалар да, RFQ линак 7Li3 + га якын корылма-масса коэффициенты белән ионнарны тизләтә.
Инҗирдә.4 нче рәсемдә, ток трансформаторы (CT) тарафыннан RFQ линак һәм Фарадай касәсе (ФК) чыгуында ачыкланган дулкын формалары күрсәтелгән, инҗирдә күрсәтелгәнчә.2. Сигналлар арасындагы вакыт сменасын детектор урнашкан урында очыш вакытындагы аерма дип аңлатырга мөмкин.КТ белән үлчәнгән иң югары ион токы 43 мА булган.ТР позициясендә теркәлгән нур исәпләнгән энергиягә тизләтелгән ионнарны гына түгел, ә 7Li3 + дан башка ионнарны да үз эченә ала, алар җитәрлек тизләнми.Ләкин, QD һәм PC ярдәмендә табылган ион ток формаларының охшашлыгы ион токының тизләтелгән 7Li3 + булуын күрсәтә, һәм токның иң югары кыйммәтенең кимүе QD белән ион күчерү вакытында нур югалту аркасында килеп чыга. Компьютер.Ossгалтулар Бу конверт симуляциясе белән дә раслана.7Li3 + нур токын төгәл үлчәү өчен, киләсе бүлектә сурәтләнгәнчә, dipol магнит белән анализ ясала.
Детектор позицияләрендә CT (кара сызык) һәм ФК (кызыл сызык) язылган тизләтелгән нурның осиллограммалары.Бу үлчәүләр лазер плазмасы тудыру вакытында фотодетектор тарафыннан лазер нурланышын ачыклау белән башлана.Кара сызык RFQ линак чыгуына тоташтырылган КТда үлчәнгән дулкын формасын күрсәтә.RFQ линакка якын булуы аркасында, детектор 100 МГц RF тавышын ала, шуңа күрә 98 МГц түбән пассажир FFT фильтры 100 МГц резонанты RF сигналын ачыклау сигналына куелган.Аналитик магнит 7Li3 + ион нурын юнәлткәннән соң, кызыл сызык ФКда дулкын формасын күрсәтә.Бу магнит кырында 7Li3 +, N6 + һәм O7 + ташырга мөмкин.
RFQ линактан соң ион нуры өч дүртполлы фокуслы магнитлар сериясенә юнәлтелгән, аннары ион нурындагы пычракларны изоляцияләү өчен дипол магнитлары белән анализланган.0,268 Т магнит кыры 7Li3 + нурларын ФКга юнәлтә.Бу магнит кырының ачыклау дулкын формасы 4-нче рәсемдә кызыл кәкре рәвешендә күрсәтелгән. Иң югары ток 35 мАга җитә, бу гадәти электростатик тизләткечләрдә җитештерелгән гадәти Li3 + нурыннан 100 тапкырга югарырак.Кояш импульсының киңлеге максималь яртыда тулы киңлектә 2,0 µс.Диполь магнит кыры белән 7Li3 + нурны ачыклау уңышлы бәйләү һәм нур тизләнешен күрсәтә.Диполның магнит кырын сканерләгәндә, ИК нуры токы 5 нче рәсемдә күрсәтелгән.Дизайн энергиясенә RFQ линак белән тизләтелгән барлык ионнар бер үк тизлеккә ия булганлыктан, бер үк Q / A булган ион нурларын диполь магнит кырлары белән аеру кыен.Шуңа күрә без 7Li3 + ны N6 + яки O7 + белән аера алмыйбыз.Ләкин, пычраклар күләмен күрше зарядлы дәүләтләрдән бәяләргә мөмкин.Мәсәлән, N7 + һәм N5 + җиңел аерылырга мөмкин, ә N6 + пычраклыкның бер өлеше булырга мөмкин һәм N7 + һәм N5 + белән якынча күләмдә булыр дип көтелә.Пычрату дәрәҗәсе якынча 2% тәшкил итә.
Диполь магнит кырын сканерлап алынган нур компоненты спектры.0,268 Т температурасы 7Li3 + һәм N6 + га туры килә.Пик киңлеге ярыктагы нурның зурлыгына бәйле.Киң биеклекләргә карамастан, 7Li3 + 6Li3 +, O6 +, һәм N5 + белән яхшы аерыла, ләкин O7 + һәм N6 + белән начар аерыла.
ФК урнашкан урында, нур профиле плагин скринтилаторы белән расланды һәм 6-нчы рәсемдә күрсәтелгәнчә тиз санлы фотоаппарат белән яздырылды. 204 keV / n энергиясе, бу 1,4 МеВка туры килә, һәм ФК детекторына җибәрелә.
ФК алдыннан скринтилатор экранында яктыртылган профиль (Фиджи төсле, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Аналитик дипол магнитының магнит кыры Li3 + ион нурының тизләнешен RFQ дизайн энергиясенә юнәлтү өчен көйләнде.Яшел мәйдандагы зәңгәр нокталар скринтилатор җитешсезлеге аркасында килеп чыга.
Без каты литий фольга өслеген лазерлы абляция белән 7Li3 + ионнар җитештерүгә ирештек, һәм DPIS ярдәмендә махсус эшләнгән RFQ линак белән югары ток ион нуры кулга алынды һәм тизләнде.1,4 МеВ нурлы энергиядә, 7Li3 + токның иң югары токы, магнитны анализлаганнан соң, 35 мА булган.Бу кире кинематика белән нейтрон чыганагын тормышка ашыруның иң мөһим өлешенең эксперименталь рәвештә үткәрелүен раслый.Кәгазьнең бу өлешендә компакт нейтрон чыганагының бөтен дизайны каралачак, шул исәптән югары энергия тизләткечләре һәм нейтрон максатлы станцияләр.Дизайн безнең лабораториядә булган системалар белән алынган нәтиҗәләргә нигезләнгән.Әйтергә кирәк, ион нурының иң югары токы литий фольга белән RFQ линак арасын кыскартып тагын да артырга мөмкин.Дөге.7 тизләткечтә тәкъдим ителгән компакт нейтрон чыганагының бөтен төшенчәсен күрсәтә.
Тизләткечтә тәкъдим ителгән компакт нейтрон чыганагының концептуаль дизайны (Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Уңнан сулга: лазер ион чыганагы, соленоид магнит, RFQ линак, урта энергия нурларын күчерү (MEBT), IH линак, һәм нейтрон җитештерү өчен үзара бәйләнеш камерасы.Радиацияне саклау, беренче чиратта, алга таба юнәлтелгән, җитештерелгән нейтрон нурларының тар юнәлешле булуы аркасында.
RFQ линактан соң, санлы H-структурасын (IH linac) 30 тизләтү планлаштырыла.IH линаклары билгеле тизлектә югары электр кыры градиентларын тәэмин итү өчен π режимлы дрифт трубасы структурасын кулланалар.Концептуаль өйрәнү 1D озынлык динамикасы симуляциясе һәм 3D кабык симуляциясе нигезендә үткәрелде.Хисаплау шуны күрсәтә: 100 МГц IH линак, акыллы дрифт трубасы көчәнеше (450 кВтан да ким) һәм көчле фокус магнит 40 мА нурын 1,4 - 14 МеВ 1,8 м ераклыкта тизләтә ала.Тизләткеч чылбыры ахырында энергия бүленеше ± 0,4 МеВ белән бәяләнә, бу нейтрон конверсия максаты җитештергән нейтроннарның энергия спектрына зур йогынты ясамый.Моннан тыш, нурның эмиссивлыгы уртача көч һәм зурлык дүртьюллы магнит өчен таләп ителгәнгә караганда, нурны кечерәк нурга юнәлтә алырлык дәрәҗәдә түбән.Урта энергия нуры (MEBT) RFQ линак белән IH линак арасында тапшыруда, нурландыручы резонатор яктырткыч структурасын саклап калу өчен кулланыла.Өч дүртпочмаклы магнит ян яктырткычның зурлыгын контрольдә тоту өчен кулланыла.Бу дизайн стратегиясе күп тизләткечләрдә кулланылды31,32,33.Ион чыганагыннан максат камерасына кадәр бөтен системаның гомуми озынлыгы 8 мнан да ким түгел, ул стандарт ярым трейлер йөк машинасына туры килә ала.
Нейтрон конверсия максаты туры сызыклы тизләткечтән соң урнаштырылачак.Кире кинематик сценарийларны кулланып, алдагы тикшеренүләргә нигезләнеп, максатчан станция конструкцияләре турында сөйләшәбез23.Хәбәр ителгән конверсия максатларына каты материаллар (полипропилен (C3H6) һәм титан гидрид (TiH2)) һәм газлы максат системалары керә.Eachәр максатның өстенлекләре һәм кимчелекләре бар.Каты максатлар төгәл калынлыкны контрольдә тотарга мөмкинлек бирә.Максат никадәр нечкә булса, нейтрон җитештерүнең киңлек урнашуы төгәлрәк.Ләкин, мондый максатларда ниндидер дәрәҗәдә кирәкмәгән атом реакцияләре һәм нурланыш булырга мөмкин.Икенче яктан, водород максаты, атом реакциясенең төп продукты 7Be җитештерүне бетереп, чиста мохит тәэмин итә ала.Ләкин, водород зәгыйфь барьер сәләтенә ия һәм җитәрлек энергия чыгару өчен зур физик дистанция таләп итә.Бу TOF үлчәүләре өчен бераз уңайсыз.Моннан тыш, водород максатын мөһерләү өчен нечкә пленка кулланылса, нечкә пленка аркасында барлыкка килгән гамма нурларының энергия югалтуларын һәм литий балкышын исәпкә алырга кирәк.
LICORNE полипропилен максатларын куллана һәм танталь фольга белән мөһерләнгән водород күзәнәкләренә яңартылды.7Li34 өчен 100 nA нур токын алсак, ике максатлы система да 107 n / s / sr кадәр җитештерә ала.Әгәр дә без бу нейтрон җитештерүне тәкъдим ителгән нейтрон чыганагына куллансак, һәр лазер импульсы өчен 7 × 10–8 С литий йөртүче нур алырга мөмкин.Димәк, лазерны секундына ике тапкыр гына ату LICORNE бер секунд эчендә өзлексез нур белән җитештерә алганга караганда 40% күбрәк нейтрон җитештерә.Лазерның дулкынлану ешлыгын арттырып, гомуми агымны җиңел генә арттырырга мөмкин.Базарда 1 кГц лазер системасы бар дип уйласак, уртача нейтрон агымы якынча 7 × 109 n / s / sr га кадәр киңәйтелергә мөмкин.
Пластик максатлар белән югары кабатлау тизлеге системаларын кулланганда, җылылык җитештерүне контрольдә тотарга кирәк, чөнки, мәсәлән, полипропиленның эретү ноктасы 145–175 ° C һәм түбән җылылык үткәрүчәнлеге 0,1–0.22 Вт / м / К.14 МеВ литий-ион нуры өчен, 7 мм калынлыктагы полипропилен максат, нур энергиясен реакция бусагасына кадәр киметү өчен җитә (13.098 МеВ).Максатка бер лазер белән ясалган ионнарның гомуми эффектын исәпкә алып, полипропилен аша литий ионнарының энергия чыгарылышы 64 mJ / импульс белән бәяләнә.Барлык энергия диаметры 10 мм булган түгәрәккә күчерелгән дип уйлаганда, һәр импульс якынча 18 К / импульс температурасының күтәрелүенә туры килә.Полипропилен максатларында энергия чыгару гади фаразга нигезләнә, барлык энергия югалтулары җылылык кебек саклана, радиация яки башка җылылык югалтулары юк.Секундына импульслар санын арттыру җылылыкны бетерүне таләп итә, шуңа күрә без шул ук ноктада энергия чыгармасын өчен полоса максатларын куллана алабыз23.100 Гц лазерны кабатлау тизлеге булган 10 мм нур урынын алсак, полипропилен тасманың сканерлау тизлеге 1 м / с булыр.Higherгары кабатлау ставкалары, нокта урынын капларга рөхсәт ителсә, мөмкин.
Без шулай ук ​​водород батареялары белән максатларны тикшердек, чөнки көчлерәк саклагыч нурлары максатка зыян китермичә кулланылырга мөмкин.Нейтрон нуры газ камерасының озынлыгын һәм эчендәге водород басымын үзгәртеп җиңел көйләнергә мөмкин.Нечкә металл фольга еш тизләткечләрдә максатның газ өлкәсен вакуумнан аеру өчен кулланыла.Шуңа күрә, фольгадагы энергия югалтуларын каплау өчен, вакыйга литий-ион нурының энергиясен арттырырга кирәк.35 нче докладта тасвирланган максатлы җыю 3,5 см озынлыктагы алюминий контейнердан тора, H2 газ басымы 1,5 атм.16,75 МеВ литий ион нуры батареяга һава суытылган 2,7 мм фольга аша керә, һәм батарея ахырында литий ион нурының энергиясе реакция бусагасына тизләнә.Литий-ион батарейкаларының нур энергиясен 14,0 МеВтан 16,75 МеВка кадәр арттыру өчен, IH линакны якынча 30 см озайтырга туры килде.
Газ күзәнәкләреннән нейтроннар чыгарылуы да өйрәнелде.LICORNE газ максатлары өчен GEANT436 симуляцияләре конус эчендә югары юнәлешле нейтроннар барлыкка килүен күрсәтәләр, [37] 1 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә.35 нче белешмәлектә төп нурның таралу юнәлешенә караганда максималь конус 19,5 ° ачылган 0,7 - 3.0 МеВ энергия диапазоны күрсәтелә.Highгары юнәлешле нейтроннар күпчелек почмакларда саклаучы материал күләмен сизелерлек киметә ала, структураның авырлыгын киметә һәм үлчәү җиһазларын урнаштыруда зуррак сыгылма тәэмин итә.Радиацияне саклау күзлегеннән караганда, нейтроннарга өстәп, бу газлы максат центроид координаталар системасында изотропик рәвештә 478 кВ гамма нурларын чыгара38.Бу нурлар 7Be черү һәм 7Li деекситация нәтиҗәсендә җитештерелә, бу төп Li нуры Ta кертү тәрәзәсенә бәрелгәндә барлыкка килә.Ләкин, калын 35 Pb / Cu цилиндрик коллиматор өстәп, фон сизелерлек кимергә мөмкин.
Альтернатив максат буларак, плазма тәрәзәсен кулланырга мөмкин [39, 40], бу чагыштырмача югары водород басымына һәм нейтрон буынның кечкенә киңлек өлкәсенә ирешергә мөмкинлек бирә, ул каты максатлардан түбән булса да.
GEANT4 ярдәмендә көтелгән энергия бүлү һәм литий ион нурының зурлыгы өчен нейтрон конверсия вариантларын тикшерәбез.Безнең симуляцияләр югарыдагы әдәбиятта водород максатлары өчен нейтрон энергиясенең эзлекле бүленүен һәм почмак бүленешен күрсәтәләр.Теләсә нинди максатчан системада югары юнәлешле нейтроннар кире кинематик реакция ярдәмендә ясалырга мөмкин, водородка бай максатта көчле 7Li3 + нур белән идарә итәләр.Шуңа күрә яңа нейтрон чыганаклары булган технологияләрне берләштереп тормышка ашырылырга мөмкин.
Лазер нурланыш шартлары тизләштерелгән демонстрациягә кадәр ион нурлары җитештерү тәҗрибәләрен кабатлады.Лазер - эш өстәле наносекунд Nd: 1012 Вт / см2 лазер көче тыгызлыгы, 1064 нм төп дулкын озынлыгы, нокта энергиясе 800 мж, импульс озынлыгы 6 нс.Максаттагы нокта диаметры 100 мм дип бәяләнә.Литий металл (Альфа Эзар, 99,9% чиста) шактый йомшак булганга, төгәл киселгән материал формага кысыла.Фольга үлчәмнәре 25 мм × 25 мм, калынлыгы 0,6 мм.Лазер сукканда, кратер сыман зарар килеп чыга, шуңа күрә максатны моторлы платформа күчерә, максатның өслегенең яңа өлешен һәр лазер белән ату өчен.Калдык газ аркасында рекомбинациядән саклану өчен, палатадагы басым 10-4 Па диапазонында сакланган.
Лазер плазмасының башлангыч күләме кечкенә, чөнки лазер ноктасының зурлыгы 100 мм һәм барлыкка килгәннән соң 6 нс эчендә.Тавышны төгәл нокта итеп кабул итеп, киңәйтергә мөмкин.Әгәр детектор максатлы өслектән xm ераклыкта урнаштырылса, кабул ителгән сигнал бәйләнешкә буйсына: ион токы I, ионның килү вакыты t, һәм импульс киңлеге τ.
Генерацияләнгән плазма TOF ысулы белән FC һәм энергия ион анализаторы (EIA) белән 2,4 м һәм лазер максатыннан 3,85 м ераклыкта урнашкан.Электроннарны булдырмас өчен, ФК -5 кВ белән аерылып торган спрессор челтәре бар.EIA 90 градус электростатик дефлекторга ия, бер үк көчәнешле, ләкин капма-каршы поляритлы, тышкы яктан уңай һәм эчтән тискәре ике коаксиаль металл цилиндрик электродтан тора.Зурайтылган плазма уя артындагы дефлекторга юнәлтелә һәм цилиндр аша узучы электр кыры белән бозыла.E / z = eKU бәйләнешен канәгатьләндерүче ионнар икенчел электрон мультипликатор (SEM) (Хамаматсу R2362) ярдәмендә ачыклана, монда E, z, e, K, U ион энергиясе, корылма торышы һәм корылма EIA геометрик факторлары. .электроннар, һәм электродлар арасындагы потенциаль аерма.Дефлектор аша көчәнешне үзгәртеп, плазмадагы ионнарның энергия һәм корылма бүленешен алырга мөмкин.Сүндерү көчәнеше U / 2 EIA 0,2 V дан 800 V диапазонында, бу корылма торышына 4 eV - 16 кВ диапазонындагы ион энергиясенә туры килә.
Лаз нурланыш шартларында анализланган ионнарның корылма торышының бүленеше Рәсемнәрдә күрсәтелгән.8.
Ион корылмасы торышын анализлау.Менә ион ток тыгызлыгы профиле EIA белән анализланган һәм тигезләмә ярдәмендә литий фольгадан 1 м ераклыкта масштабланган.(1) һәм (2)."Тулы эксфолиацияләнгән литий балкышы" бүлегендә тасвирланган лазер нурланыш шартларын кулланыгыз.Currentәр агым тыгызлыгын интеграцияләп, плазмадагы ионнарның өлеше исәпләнде, 3 нче рәсемдә күрсәтелгән.
Лазерлы ион чыганаклары югары корылма белән көчле мА-ион нурын китерә ала.Ләкин, космик корылманы кире кагу аркасында нур җибәрү бик авыр, шуңа күрә ул киң кулланылмады.Традицион схемада ион нурлары плазмадан чыгарыла һәм тизләткечнең алу мөмкинлеге буенча ион нурын формалаштыру өчен берничә фокус магнит белән нур сызыгы буенча төп тизләткечкә җибәрелә.Космик корылма көче нурларында сызыклар сызыксыз аерыла, һәм җитди тиз югалтулар аеруча түбән тизлек өлкәсендә күзәтелә.Медицина углерод тизләткечләрен үстерүдә бу проблеманы җиңәр өчен, яңа DPIS41 нур җибәрү схемасы тәкъдим ителә.Без бу ысулны яңа нейтрон чыганагыннан көчле литий-ион нурын тизләтү өчен кулландык.
Инҗирдә күрсәтелгәнчә.4, плазма барлыкка килгән һәм киңәйтелгән киңлек металл контейнер белән әйләндереп алынган.Ябылган мәйдан RFQ резонаторына керүгә кадәр сузылган, шул исәптән соленоид кәтүк эчендәге күләмне.Контейнерга 52 кВ көчәнеш кулланылды.RFQ резонаторында ионнар потенциал белән 6 мм диаметрлы тишек аша RFQ-ны җиргә төшерәләр.Ион плазма халәтендә ташылганга, нур сызыгында сызыксыз репулсив көчләр юкка чыга.Моннан тыш, югарыда әйтелгәнчә, без соленоид кырын DPIS белән берлектә, чыгару аппертурасында ион тыгызлыгын контрольдә тоту һәм арттыру өчен кулландык.
RFQ тизләткече инҗирдә күрсәтелгәнчә цилиндрик вакуум камерасыннан тора.9а.Аның эчендә кислородсыз бакырның дүрт таягы нур күчәре тирәсендә дүртпол-симметрияле урнаштырылган (9б рәсем).4 таяк һәм палаталар резонанслы RF чылбырын тәшкил итә.Индуктив RF кыры таяк аша вакыт үзгәрә торган көчәнеш барлыкка китерә.Озын озынлыкка күчерелгән ионнар дүртпол кыры белән соңрак тотыла.Шул ук вакытта, таяк очлары охшаган электр кырын булдыру өчен модульләштерелгән.Оксаль кыр инъекцияләнгән өзлексез нурны нур дип аталган нур импульслары сериясенә бүлеп бирә.Eachәрбер нур билгеле бер RF цикл вакыты эчендә (10 нс).Күрше нурлар радио ешлыгы чорына туры килә.RFQ линакта лазер ион чыганагыннан 2 µ нур 200 нур эзлеклелегенә әверелә.Аннары нур исәпләнгән энергиягә тизләнә.
Сызыклы тизләткеч RFQ.а) (сулда) RFQ линак камерасының тышкы күренеше.б) (уңда) палатада дүрт таяклы электрод.
RFQ линакның төп дизайн параметрлары - чыбык көчәнеше, резонант ешлыгы, нур тишеге радиусы һәм электрод модуляциясе.K29 кВ таяктагы көчәнешне сайлагыз, аның электр кыры электр өзелү бусагасыннан түбән.Резонант ешлыгы түбәнрәк булса, каптал фокус көче зуррак һәм уртача тизләнеш кыры кечерәк.Зур держава радиосы нурның зурлыгын арттырырга мөмкинлек бирә, нәтиҗәдә, космик корылманың кечерәк булуы аркасында нур токын арттырырга мөмкинлек бирә.Икенче яктан, зуррак аппертура радиосы RFQ линакны эшләтеп җибәрү өчен күбрәк RF көче таләп итә.Моннан тыш, ул сайтның сыйфат таләпләре белән чикләнгән.Бу балансларга нигезләнеп, югары ток нурларын тизләтү өчен резонант ешлыгы (100 МГц) һәм аппертура радиусы (4,5 мм) сайланды.Модуляция нур югалтуын киметү һәм тизләнешнең эффективлыгын арттыру өчен сайланган.Дизайн күп тапкыр оптимальләштерелгән, RFQ линак дизайны чыгару өчен, 7Li3 + ионын 40 мА тизлектә 22 кВ / ннан 204 кВ / нга кадәр 2 м эчендә тизләтә ала.Эксперимент вакытында үлчәнгән RF көче 77 кВт иде.
RFQ линаклары билгеле Q / A диапазоны белән ионнарны тизләтә ала.Шуңа күрә, сызыклы тизләткеч ахырына кадәр тукланган нурны анализлаганда, изотопларны һәм башка матдәләрне исәпкә алырга кирәк.Моннан тыш, теләгән ионнар, өлешчә тизләштерелгән, ләкин тизләткеч уртасында тизләнеш шартларында төшкәннәр, әле дә ябык төрмәгә эләгәләр һәм ахырга кадәр ташылырга мөмкин.Инженерланган 7Li3 + кисәкчәләреннән башка кирәкмәгән нурлар пычраклык дип атала.Безнең экспериментларда 14N6 + һәм 16O7 + пычраклары иң зур борчылу тудырды, чөнки литий металл фольга һавада кислород һәм азот белән реакциядә.Бу ионнарның Q / A катнашлыгы бар, алар 7Li3 + белән тизләнергә мөмкин.Диполь магнитларын RFQ линактан соң нур анализы өчен төрле сыйфатлы һәм сыйфатлы нурларны аеру өчен кулланабыз.
RFQ линактан соң нур сызыгы тулы тизләтелгән 7Li3 + нурны Диполь магнитыннан соң ФКка җиткерү өчен эшләнгән.-400 V икеләтә электродлар касәдәге икенчел электроннарны бастыру өчен кулланыла, ион нуры токын төгәл үлчәү өчен.Бу оптика ярдәмендә ион траекторияләре дипольләргә бүленәләр һәм Q / Aга карап төрле урыннарда тупланалар.Момент диффузиясе һәм космик корылманы кире кагу кебек төрле факторлар аркасында, фокустагы нур билгеле киңлеккә ия.Төрләрне ике ион төренең фокаль позицияләре арасы нур киңлегеннән зуррак булганда гына аерырга мөмкин.Мөмкин булган иң югары резолюцияне алу өчен, нур биленә якын горизонталь ярык урнаштырылган, анда нур диярлек тупланган.Сен-Гобейннан ссинтилляция экраны (CsI (Tl), 40 мм × 40 мм × 3 мм) ярык белән компьютер арасында урнаштырылган.Скинтиллатор оптималь резолюция өчен конструкцияләнгән кисәкчәләр аша үтәргә тиеш булган иң кечкенә яруны ачыклау өчен һәм югары ток авыр ион нурлары өчен яраклы нур үлчәмнәрен күрсәтү өчен кулланылды.Скинтиллатордагы нур рәсеме вакуум тәрәзәсе аша КД камерасы белән яздырыла.Барлык импульс киңлеген каплау өчен экспозиция вакыт тәрәзәсен көйләгез.
Агымдагы өйрәнүдә кулланылган яки анализланган мәгълүматлар тиешле сорау буенча тиешле авторлардан бар.
Манке, И. һ.б.Магнит доменнарының өч үлчәмле тасвирламасы.Милли коммуна.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Андерсон, ИС һ.б.Тизләткечләрдә компакт нейтрон чыганакларын өйрәнү мөмкинлекләре.физика.654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Урчуоли, А. һ.б.Нейтрон нигезендә исәпләнгән микротомография: Плиобатлар каталониясе һәм Барберапитекус huerzeleri сынау очраклары.Әйе.Дж. Физика.антропология.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).