304L 6.35 * 1mm Nhà cung cấp ống cuộn bằng thép không gỉ, Trình diễn chùm tia lithium cường độ cao để tạo ra neutron trực tiếp xung

Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Thanh trượt hiển thị ba bài viết trên mỗi slide.Sử dụng các nút quay lại và tiếp theo để di chuyển qua các trang chiếu hoặc các nút điều khiển trang chiếu ở cuối để di chuyển qua từng trang chiếu.

Để thay thế cho nghiên cứu lò phản ứng hạt nhân, máy phát neutron điều khiển bằng máy gia tốc nhỏ gọn sử dụng bộ điều khiển chùm tia lithium-ion có thể là một ứng cử viên đầy hứa hẹn vì nó tạo ra ít bức xạ không mong muốn.Tuy nhiên, rất khó để cung cấp một chùm ion lithium cường độ cao và việc ứng dụng thực tế những thiết bị như vậy được coi là không thể.Vấn đề cấp tính nhất về lưu lượng ion không đủ đã được giải quyết bằng cách áp dụng sơ đồ cấy plasma trực tiếp.Trong sơ đồ này, plasma xung mật độ cao được tạo ra bằng quá trình cắt bỏ laser của lá kim loại lithium được bơm và tăng tốc một cách hiệu quả bằng máy gia tốc bốn cực tần số cao (máy gia tốc RFQ).Chúng tôi đã đạt được dòng chùm tia cực đại 35 mA được tăng tốc lên 1,43 MeV, cao hơn hai bậc so với các hệ thống máy phun và máy gia tốc thông thường có thể cung cấp.
Không giống như tia X hoặc các hạt tích điện, neutron có độ xuyên thấu lớn và tương tác đặc biệt với vật chất ngưng tụ, khiến chúng trở thành đầu dò cực kỳ linh hoạt để nghiên cứu tính chất của vật liệu1,2,3,4,5,6,7.Đặc biệt, kỹ thuật tán xạ neutron thường được sử dụng để nghiên cứu thành phần, cấu trúc và ứng suất bên trong vật chất ngưng tụ và có thể cung cấp thông tin chi tiết về các hợp chất vết trong hợp kim kim loại khó phát hiện bằng phương pháp quang phổ tia X8.Phương pháp này được coi là một công cụ mạnh mẽ trong khoa học cơ bản và được các nhà sản xuất kim loại và các vật liệu khác sử dụng.Gần đây hơn, nhiễu xạ neutron đã được sử dụng để phát hiện ứng suất dư trong các bộ phận cơ khí như đường ray và các bộ phận máy bay9,10,11,12.Neutron cũng được sử dụng trong các giếng dầu và khí đốt vì chúng dễ dàng bị bắt giữ bởi các vật liệu giàu proton13.Các phương pháp tương tự cũng được sử dụng trong kỹ thuật dân dụng.Thử nghiệm neutron không phá hủy là một công cụ hiệu quả để phát hiện các lỗi tiềm ẩn trong các tòa nhà, đường hầm và cầu.Việc sử dụng chùm neutron được sử dụng tích cực trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp, nhiều trong số đó trước đây đã được phát triển bằng lò phản ứng hạt nhân.
Tuy nhiên, với sự đồng thuận toàn cầu về không phổ biến vũ khí hạt nhân, việc xây dựng các lò phản ứng nhỏ phục vụ mục đích nghiên cứu ngày càng trở nên khó khăn.Hơn nữa, tai nạn Fukushima gần đây đã khiến việc xây dựng các lò phản ứng hạt nhân gần như được xã hội chấp nhận.Cùng với xu hướng này, nhu cầu về nguồn neutron ở máy gia tốc ngày càng tăng2.Để thay thế cho các lò phản ứng hạt nhân, một số nguồn neutron phân tách bằng máy gia tốc lớn đã đi vào hoạt động14,15.Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả hơn các tính chất của chùm neutron, cần mở rộng việc sử dụng các nguồn nén ở máy gia tốc, có thể thuộc về các cơ quan nghiên cứu công nghiệp và đại học.Các nguồn neutron máy gia tốc đã bổ sung thêm các khả năng và chức năng mới ngoài vai trò thay thế cho các lò phản ứng hạt nhân14.Ví dụ, một máy phát điều khiển bằng linac có thể dễ dàng tạo ra dòng neutron bằng cách điều khiển chùm tia truyền động.Một khi được phát ra, neutron rất khó kiểm soát và khó phân tích các phép đo bức xạ do nhiễu do neutron nền tạo ra.Các neutron xung được điều khiển bằng máy gia tốc sẽ tránh được vấn đề này.Một số dự án dựa trên công nghệ máy gia tốc proton đã được đề xuất trên khắp thế giới17,18,19.Các phản ứng 7Li(p, n)7Be và 9Be(p, n)9B được sử dụng thường xuyên nhất trong các máy tạo neutron nhỏ gọn điều khiển bằng proton vì chúng là các phản ứng thu nhiệt20.Bức xạ dư thừa và chất thải phóng xạ có thể được giảm thiểu nếu năng lượng được chọn để kích thích chùm proton cao hơn một chút so với giá trị ngưỡng.Tuy nhiên, khối lượng của hạt nhân mục tiêu lớn hơn nhiều so với khối lượng của proton và kết quả là neutron phân tán theo mọi hướng.Sự phát xạ gần đẳng hướng của dòng neutron như vậy ngăn cản sự vận chuyển neutron hiệu quả đến đối tượng nghiên cứu.Ngoài ra, để thu được lượng neutron cần thiết tại vị trí của vật thể, cần phải tăng đáng kể cả số lượng proton chuyển động và năng lượng của chúng.Kết quả là liều lượng lớn tia gamma và neutron sẽ truyền theo những góc lớn, phá hủy ưu điểm của phản ứng thu nhiệt.Một máy phát neutron dựa trên proton nhỏ gọn được điều khiển bằng máy gia tốc điển hình có khả năng che chắn bức xạ mạnh và là bộ phận cồng kềnh nhất của hệ thống.Nhu cầu tăng năng lượng của proton dẫn động thường đòi hỏi phải tăng thêm kích thước của cơ sở máy gia tốc.
Để khắc phục những thiếu sót chung của các nguồn neutron nhỏ gọn thông thường tại các máy gia tốc, một sơ đồ phản ứng động học nghịch đảo đã được đề xuất21.Trong sơ đồ này, chùm tia lithium-ion nặng hơn được sử dụng làm chùm tia dẫn hướng thay vì chùm proton, nhắm vào các vật liệu giàu hydro như nhựa hydrocarbon, hydrua, khí hydro hoặc plasma hydro.Các giải pháp thay thế đã được xem xét, chẳng hạn như chùm tia điều khiển bằng ion berili, tuy nhiên, berili là một chất độc hại cần được chăm sóc đặc biệt khi xử lý.Do đó, chùm tia lithium là phù hợp nhất cho sơ đồ phản ứng động học nghịch đảo.Vì động lượng của hạt nhân lithium lớn hơn động lượng của proton nên tâm khối của va chạm hạt nhân không ngừng chuyển động về phía trước và neutron cũng được phát ra về phía trước.Tính năng này giúp loại bỏ đáng kể các tia gamma không mong muốn và phát thải neutron góc cao22.So sánh trường hợp thông thường của động cơ proton và kịch bản động học nghịch đảo được thể hiện trên Hình 1.
Minh họa góc tạo neutron cho chùm proton và lithium (vẽ bằng Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Các neutron có thể bị đẩy ra theo bất kỳ hướng nào do phản ứng gây ra do các proton chuyển động chạm vào các nguyên tử nặng hơn nhiều của bia lithium.(b) Ngược lại, nếu một bộ điều khiển lithium-ion bắn phá mục tiêu giàu hydro, neutron được tạo ra trong một hình nón hẹp theo hướng thuận do vận tốc cao của khối tâm của hệ.
Tuy nhiên, chỉ có một số máy tạo neutron động học nghịch đảo tồn tại do khó tạo ra dòng ion nặng có điện tích cao so với proton.Tất cả các nhà máy này đều sử dụng nguồn ion phún xạ âm kết hợp với máy gia tốc tĩnh điện song song.Các loại nguồn ion khác đã được đề xuất để tăng hiệu quả gia tốc chùm tia26.Trong mọi trường hợp, dòng tia lithium-ion khả dụng được giới hạn ở 100 µA.Người ta đã đề xuất sử dụng 1 mA Li3+27, nhưng dòng chùm ion này chưa được xác nhận bằng phương pháp này.Về cường độ, máy gia tốc chùm tia lithium không thể cạnh tranh với máy gia tốc chùm proton có dòng proton cực đại vượt quá 10 mA28.
Để triển khai một máy tạo neutron nhỏ gọn thực tế dựa trên chùm tia lithium-ion, sẽ thuận lợi hơn nếu tạo ra cường độ cao hoàn toàn không có ion.Các ion được gia tốc và dẫn hướng bởi lực điện từ, mức điện tích cao hơn sẽ mang lại khả năng tăng tốc hiệu quả hơn.Bộ điều khiển chùm tia Li-ion yêu cầu dòng điện cực đại Li3+ vượt quá 10 mA.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi chứng minh khả năng tăng tốc của chùm Li3+ với dòng điện cực đại lên tới 35 mA, có thể so sánh với các máy gia tốc proton tiên tiến.Chùm tia lithium ion ban đầu được tạo ra bằng phương pháp cắt đốt bằng laser và Sơ đồ cấy ghép huyết tương trực tiếp (DPIS) ban đầu được phát triển để tăng tốc C6+.Một linac bốn cực tần số vô tuyến (RFQ linac) được thiết kế tùy chỉnh đã được chế tạo bằng cấu trúc cộng hưởng bốn thanh.Chúng tôi đã xác minh rằng chùm tia gia tốc có năng lượng chùm tia có độ tinh khiết cao được tính toán.Sau khi chùm tia Li3+ được máy gia tốc tần số vô tuyến (RF) thu giữ và tăng tốc một cách hiệu quả, phần linac (máy gia tốc) tiếp theo sẽ được sử dụng để cung cấp năng lượng cần thiết nhằm tạo ra dòng neutron mạnh từ mục tiêu.
Sự tăng tốc của các ion hiệu suất cao là một công nghệ được thiết lập tốt.Nhiệm vụ còn lại của việc hiện thực hóa máy tạo neutron nhỏ gọn hiệu suất cao mới là tạo ra một số lượng lớn các ion lithium bị tách hoàn toàn và hình thành cấu trúc cụm bao gồm một loạt xung ion được đồng bộ hóa với chu trình RF trong máy gia tốc.Kết quả của các thí nghiệm được thiết kế để đạt được mục tiêu này được mô tả trong ba phần sau: (1) tạo ra chùm tia lithium-ion hoàn toàn không có, (2) tăng tốc chùm tia bằng máy RFQ được thiết kế đặc biệt và (3) tăng tốc phân tích của chùm tia để kiểm tra nội dung của nó.Tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL), chúng tôi đã xây dựng bố cục thử nghiệm như trong Hình 2.
Tổng quan về thiết lập thử nghiệm để phân tích nhanh các chùm tia lithium (minh họa bởi Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Từ phải sang trái, plasma cắt bỏ bằng laser được tạo ra trong buồng tương tác laser-mục tiêu và được đưa đến linac RFQ.Khi đi vào máy gia tốc RFQ, các ion được tách khỏi plasma và được bơm vào máy gia tốc RFQ thông qua một điện trường đột ngột được tạo ra bởi chênh lệch điện áp 52 kV giữa điện cực chiết và điện cực RFQ trong vùng trôi.Các ion được tách ra được tăng tốc từ 22 keV/n lên 204 keV/n bằng cách sử dụng điện cực RFQ dài 2 mét.Một máy biến dòng (CT) được lắp đặt ở đầu ra của RFQ linac cung cấp phép đo dòng ion không phá hủy.Chùm tia được tập trung bởi ba nam châm tứ cực và hướng tới một nam châm lưỡng cực, nam châm này sẽ tách và hướng chùm tia Li3+ vào máy dò.Đằng sau khe, một máy nhấp nháy bằng nhựa có thể thu vào và cốc Faraday (FC) có độ lệch lên tới -400 V được sử dụng để phát hiện chùm gia tốc.
Để tạo ra các ion lithium bị ion hóa hoàn toàn (Li3+), cần tạo ra plasma có nhiệt độ cao hơn năng lượng ion hóa thứ ba (122,4 eV).Chúng tôi đã thử sử dụng phương pháp cắt đốt bằng laser để tạo ra plasma nhiệt độ cao.Loại nguồn ion laser này không được sử dụng phổ biến để tạo ra chùm ion lithium vì kim loại lithium có tính phản ứng và cần xử lý đặc biệt.Chúng tôi đã phát triển một hệ thống nạp mục tiêu để giảm thiểu độ ẩm và ô nhiễm không khí khi lắp lá lithium vào buồng tương tác laser chân không.Tất cả việc chuẩn bị nguyên liệu được thực hiện trong môi trường có kiểm soát argon khô.Sau khi lá lithium được lắp vào buồng mục tiêu laser, lá này được chiếu xạ bằng bức xạ laser Nd: YAG xung ở năng lượng 800 mJ mỗi xung.Khi tiêu điểm vào mục tiêu, mật độ năng lượng laser được ước tính là khoảng 1012 W/cm2.Plasma được tạo ra khi tia laser xung phá hủy mục tiêu trong chân không.Trong toàn bộ xung laser 6 ns, plasma tiếp tục nóng lên, chủ yếu là do quá trình bức xạ hãm ngược.Vì không có trường bên ngoài hạn chế nào được áp dụng trong giai đoạn gia nhiệt nên plasma bắt đầu giãn nở theo ba chiều.Khi plasma bắt đầu giãn nở trên bề mặt mục tiêu, khối tâm của plasma đạt vận tốc vuông góc với bề mặt mục tiêu với năng lượng 600 eV/n.Sau khi nung nóng, plasma tiếp tục di chuyển theo hướng trục từ mục tiêu, giãn nở đẳng hướng.
Như được hiển thị trong Hình 2, plasma cắt bỏ mở rộng thành một thể tích chân không được bao quanh bởi một thùng chứa kim loại có cùng điện thế với mục tiêu.Do đó, plasma trôi qua vùng không có trường về phía máy gia tốc RFQ.Một từ trường hướng trục được đặt vào giữa buồng chiếu xạ laser và linac RFQ bằng một cuộn dây điện từ quấn quanh buồng chân không.Từ trường của điện từ ngăn chặn sự giãn nở xuyên tâm của plasma trôi để duy trì mật độ plasma cao trong quá trình đưa tới khẩu độ RFQ.Mặt khác, plasma tiếp tục giãn nở theo hướng trục trong quá trình trôi dạt, tạo thành plasma kéo dài.Một điện áp cao được áp dụng cho bình kim loại chứa plasma ở phía trước cổng thoát ở đầu vào RFQ.Điện áp phân cực được chọn để cung cấp tốc độ phun 7Li3+ cần thiết để tăng tốc thích hợp cho linac RFQ.
Plasma cắt bỏ thu được không chỉ chứa 7Li3+ mà còn chứa lithium ở các trạng thái tích điện và các nguyên tố ô nhiễm khác, được vận chuyển đồng thời đến máy gia tốc tuyến tính RFQ.Trước các thử nghiệm tăng tốc sử dụng RFQ linac, phân tích thời gian bay ngoại tuyến (TOF) đã được thực hiện để nghiên cứu thành phần và sự phân bổ năng lượng của các ion trong plasma.Thiết lập phân tích chi tiết và phân phối trạng thái sạc được quan sát được giải thích trong phần Phương pháp.Phân tích cho thấy các ion 7Li3+ là hạt chính, chiếm khoảng 54% tổng số hạt, như trong Hình 3. Theo phân tích, dòng ion 7Li3+ tại điểm phát ra chùm ion ước tính là 1,87 mA.Trong các thử nghiệm tăng tốc, trường điện từ 79 mT được đưa vào plasma giãn nở.Kết quả là dòng 7Li3+ chiết ra từ plasma và quan sát được trên máy dò tăng lên gấp 30 lần.
Phân số ion trong plasma được tạo ra bằng laser thu được bằng phân tích thời gian bay.Các ion 7Li1+ và 7Li2+ lần lượt chiếm 5% và 25% chùm ion.Phần hạt 6Li được phát hiện phù hợp với hàm lượng tự nhiên của 6Li (7,6%) trong mục tiêu lá lithium trong sai số thử nghiệm.Đã quan sát thấy ô nhiễm oxy nhẹ (6,2%), chủ yếu là O1+ (2,1%) và O2+ (1,5%), có thể là do quá trình oxy hóa bề mặt của mục tiêu lá lithium.
Như đã đề cập trước đó, plasma lithium trôi dạt trong vùng không có trường trước khi đi vào linac RFQ.Đầu vào của RFQ linac có lỗ đường kính 6 mm trong hộp kim loại và điện áp phân cực là 52 kV.Mặc dù điện áp điện cực RFQ thay đổi nhanh chóng ±29 kV ở 100 MHz, điện áp này gây ra gia tốc dọc trục vì các điện cực máy gia tốc RFQ có điện thế trung bình bằng 0.Do điện trường mạnh tạo ra trong khoảng cách 10 mm giữa khẩu độ và cạnh của điện cực RFQ, chỉ các ion plasma dương được chiết ra khỏi plasma ở khẩu độ.Trong các hệ thống phân phối ion truyền thống, các ion được tách khỏi plasma bằng điện trường ở một khoảng cách đáng kể phía trước máy gia tốc RFQ và sau đó được tập trung vào khẩu độ RFQ bằng phần tử lấy nét chùm tia.Tuy nhiên, đối với các chùm ion nặng cường độ cao cần thiết cho nguồn neutron cường độ cao, lực đẩy phi tuyến tính do hiệu ứng điện tích không gian có thể dẫn đến tổn thất dòng tia đáng kể trong hệ thống vận chuyển ion, hạn chế dòng điện cực đại có thể được tăng tốc.Trong DPIS của chúng tôi, các ion cường độ cao được vận chuyển dưới dạng plasma trôi trực tiếp đến điểm thoát của khẩu độ RFQ, do đó không bị mất chùm ion do điện tích không gian.Trong cuộc trình diễn này, lần đầu tiên PIS đã được áp dụng cho chùm tia lithium-ion.
Cấu trúc RFQ được phát triển để tập trung và tăng tốc các chùm ion dòng điện cao năng lượng thấp và đã trở thành tiêu chuẩn cho việc tăng tốc bậc một.Chúng tôi đã sử dụng RFQ để tăng tốc các ion 7Li3+ từ năng lượng cấy ghép từ 22 keV/n lên 204 keV/n.Mặc dù lithium và các hạt khác có điện tích thấp hơn trong plasma cũng được tách ra khỏi plasma và bơm vào khe RFQ, nhưng RFQ linac chỉ tăng tốc các ion có tỷ lệ điện tích trên khối lượng (Q/A) gần bằng 7Li3+.
Trên hình.Hình 4 cho thấy dạng sóng được máy biến dòng (CT) phát hiện ở đầu ra của RFQ linac và cốc Faraday (FC) sau khi phân tích nam châm, như trong hình.2. Sự dịch chuyển thời gian giữa các tín hiệu có thể được hiểu là sự khác biệt về thời gian bay tại vị trí của máy dò.Dòng ion cực đại đo được ở CT là 43 mA.Ở vị trí RT, chùm tia đăng ký không chỉ có thể chứa các ion được gia tốc đến năng lượng tính toán mà còn cả các ion khác ngoài 7Li3+, không được gia tốc đủ.Tuy nhiên, sự giống nhau về dạng dòng ion được tìm thấy bằng QD và PC chỉ ra rằng dòng ion chủ yếu bao gồm 7Li3+ được tăng tốc và việc giảm giá trị cực đại của dòng điện trên PC là do tổn thất chùm tia trong quá trình truyền ion giữa QD và MÁY TÍNH.Tổn thất Điều này cũng được xác nhận bằng mô phỏng đường bao.Để đo chính xác dòng tia 7Li3+, chùm tia được phân tích bằng nam châm lưỡng cực như mô tả trong phần tiếp theo.
Biểu đồ dao động của chùm tia gia tốc ghi ở vị trí máy dò CT (đường cong màu đen) và FC (đường cong màu đỏ).Các phép đo này được kích hoạt bằng cách phát hiện bức xạ laser bằng bộ tách sóng quang trong quá trình tạo plasma laser.Đường cong màu đen hiển thị dạng sóng được đo trên CT được kết nối với đầu ra linac RFQ.Do nằm gần RFQ linac, máy dò thu được nhiễu RF 100 MHz, do đó, bộ lọc FFT thông thấp 98 MHz đã được áp dụng để loại bỏ tín hiệu RF cộng hưởng 100 MHz được xếp chồng lên tín hiệu phát hiện.Đường cong màu đỏ biểu thị dạng sóng tại FC sau khi nam châm phân tích hướng chùm ion 7Li3+.Trong từ trường này, ngoài 7Li3+, N6+ và O7+ đều có thể vận chuyển được.
Chùm ion sau linac RFQ được tập trung bởi một loạt ba nam châm hội tụ tứ cực và sau đó được phân tích bằng nam châm lưỡng cực để cô lập các tạp chất trong chùm ion.Từ trường 0,268 T hướng chùm 7Li3+ vào FC.Dạng sóng phát hiện của từ trường này được biểu thị dưới dạng đường cong màu đỏ trong Hình 4. Dòng điện cực đại đạt tới 35 mA, cao hơn 100 lần so với chùm Li3+ điển hình được tạo ra trong các máy gia tốc tĩnh điện thông thường hiện có.Độ rộng xung chùm tia là 2,0 µs ở mức tối đa ở mức tối đa một nửa.Việc phát hiện chùm tia 7Li3+ bằng từ trường lưỡng cực cho thấy khả năng phân cụm và tăng tốc chùm tia thành công.Dòng chùm ion được FC phát hiện khi quét từ trường của lưỡng cực được thể hiện trong Hình 5. Quan sát thấy một đỉnh đơn sạch, tách biệt rõ với các đỉnh khác.Vì tất cả các ion được gia tốc đến năng lượng thiết kế bởi máy RFQ đều có cùng tốc độ, nên các chùm ion có cùng Q/A rất khó bị phân tách bằng từ trường lưỡng cực.Vì vậy, chúng ta không thể phân biệt được 7Li3+ với N6+ hay O7+.Tuy nhiên, lượng tạp chất có thể được ước tính từ các trạng thái điện tích lân cận.Ví dụ, N7+ và N5+ có thể dễ dàng tách ra, trong khi N6+ có thể là một phần của tạp chất và dự kiến ​​sẽ có mặt với lượng tương đương với N7+ và N5+.Mức độ ô nhiễm ước tính khoảng 2%.
Phổ thành phần chùm tia thu được bằng cách quét từ trường lưỡng cực.Pic ở 0,268 T tương ứng với 7Li3+ và N6+.Độ rộng cực đại phụ thuộc vào kích thước của chùm tia trên khe.Mặc dù có các đỉnh rộng, 7Li3+ tách biệt tốt với 6Li3+, O6+ và N5+ nhưng tách biệt kém với O7+ và N6+.
Tại vị trí của FC, cấu hình chùm tia đã được xác nhận bằng máy nhấp nháy cắm thêm và được ghi lại bằng máy ảnh kỹ thuật số nhanh như trong Hình 6. Chùm xung 7Li3+ có dòng điện 35 mA được hiển thị được tăng tốc đến RFQ được tính toán năng lượng 204 keV/n, tương ứng với 1,4 MeV và được truyền đến máy dò FC.
Cấu hình chùm tia được quan sát trên màn hình nhấp nháy trước FC (được tô màu bởi Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Từ trường của nam châm lưỡng cực phân tích được điều chỉnh để hướng gia tốc của chùm ion Li3+ tới RFQ năng lượng thiết kế.Các chấm màu xanh lam trong vùng màu xanh lá cây là do vật liệu nhấp nháy bị lỗi.
Chúng tôi đã tạo ra được các ion 7Li3+ bằng cách mài mòn bằng laser trên bề mặt của lá lithium rắn, đồng thời thu giữ và tăng tốc chùm ion dòng điện cao bằng máy RFQ linac được thiết kế đặc biệt sử dụng PPIS.Ở năng lượng chùm tia 1,4 MeV, dòng điện cực đại 7Li3+ đạt tới FC sau khi phân tích nam châm là 35 mA.Điều này xác nhận rằng phần quan trọng nhất của việc thực hiện nguồn neutron có động học nghịch đảo đã được thực hiện bằng thực nghiệm.Trong phần này của bài báo, toàn bộ thiết kế nguồn neutron nhỏ gọn sẽ được thảo luận, bao gồm máy gia tốc năng lượng cao và trạm mục tiêu neutron.Thiết kế này dựa trên kết quả thu được từ các hệ thống hiện có trong phòng thí nghiệm của chúng tôi.Cần lưu ý rằng dòng điện cực đại của chùm ion có thể được tăng thêm bằng cách rút ngắn khoảng cách giữa lá lithium và linac RFQ.Cơm.Hình 7 minh họa toàn bộ khái niệm về nguồn neutron nhỏ gọn được đề xuất tại máy gia tốc.
Thiết kế khái niệm về nguồn neutron nhỏ gọn được đề xuất tại máy gia tốc (được vẽ bởi Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Từ phải sang trái: nguồn ion laser, nam châm điện từ, linac RFQ, truyền chùm năng lượng trung bình (MEBT), IH linac và buồng tương tác để tạo neutron.Bảo vệ bức xạ được cung cấp chủ yếu theo hướng thuận do tính chất định hướng hẹp của chùm neutron được tạo ra.
Sau linac RFQ, việc tăng tốc hơn nữa của linac cấu trúc H liên kỹ thuật số (IH linac)30 đã được lên kế hoạch.IH linac sử dụng cấu trúc ống trôi chế độ π để cung cấp độ dốc điện trường cao trong một phạm vi tốc độ nhất định.Nghiên cứu khái niệm được thực hiện dựa trên mô phỏng động lực học dọc 1D và mô phỏng vỏ 3D.Tính toán cho thấy, một máy linac IH 100 MHz với điện áp ống trôi hợp lý (dưới 450 kV) và một nam châm hội tụ mạnh có thể tăng tốc chùm tia 40 mA từ 1,4 lên 14 MeV ở khoảng cách 1,8 m.Sự phân bổ năng lượng ở cuối chuỗi máy gia tốc ước tính là ± 0,4 MeV, không ảnh hưởng đáng kể đến phổ năng lượng của neutron do mục tiêu chuyển đổi neutron tạo ra.Ngoài ra, độ phát xạ của chùm tia đủ thấp để tập trung chùm tia vào một điểm chùm tia nhỏ hơn mức bình thường cần thiết đối với nam châm tứ cực có kích thước và cường độ trung bình.Trong truyền chùm năng lượng trung bình (MEBT) giữa linac RFQ và linac IH, bộ cộng hưởng tạo chùm được sử dụng để duy trì cấu trúc tạo chùm.Ba nam châm tứ cực được sử dụng để kiểm soát kích thước của chùm tia bên.Chiến lược thiết kế này đã được sử dụng trong nhiều máy gia tốc31,32,33.Tổng chiều dài của toàn bộ hệ thống từ nguồn ion đến buồng mục tiêu ước tính chưa đến 8 m, có thể nhét vừa một chiếc xe tải sơ mi rơ moóc tiêu chuẩn.
Mục tiêu chuyển đổi neutron sẽ được lắp đặt ngay sau máy gia tốc tuyến tính.Chúng tôi thảo luận về thiết kế trạm mục tiêu dựa trên các nghiên cứu trước đây sử dụng các kịch bản động học nghịch đảo23.Các mục tiêu chuyển đổi được báo cáo bao gồm các vật liệu rắn (polypropylen (C3H6) và titan hydrua (TiH2)) và các hệ thống mục tiêu khí.Mỗi mục tiêu đều có ưu điểm và nhược điểm.Mục tiêu rắn cho phép kiểm soát độ dày chính xác.Mục tiêu càng mỏng thì sự sắp xếp không gian sản xuất neutron càng chính xác.Tuy nhiên, những mục tiêu như vậy vẫn có thể có một mức độ phản ứng hạt nhân và bức xạ không mong muốn nào đó.Mặt khác, mục tiêu hydro có thể mang lại môi trường sạch hơn bằng cách loại bỏ việc sản xuất 7Be, sản phẩm chính của phản ứng hạt nhân.Tuy nhiên, hydro có khả năng rào cản yếu và cần khoảng cách vật lý lớn để giải phóng đủ năng lượng.Điều này hơi bất lợi cho phép đo TOF.Ngoài ra, nếu sử dụng màng mỏng để bịt kín mục tiêu hydro thì cần phải tính đến sự tổn thất năng lượng của tia gamma do màng mỏng và chùm tia lithium tới tạo ra.
LICORNE sử dụng các mục tiêu bằng polypropylen và hệ thống mục tiêu đã được nâng cấp thành các tế bào hydro được bịt kín bằng lá tantalum.Giả sử dòng điện chùm tia là 100 nA cho 7Li34, cả hai hệ thống mục tiêu có thể tạo ra dòng điện lên tới 107 n/s/sr.Nếu chúng ta áp dụng sự chuyển đổi hiệu suất neutron đã được tuyên bố này cho nguồn neutron đề xuất của chúng ta thì có thể thu được chùm tia điều khiển bằng lithium có kích thước 7 × 10–8 C cho mỗi xung laser.Điều này có nghĩa là việc bắn tia laser chỉ hai lần mỗi giây sẽ tạo ra số neutron nhiều hơn 40% so với LICORNE có thể tạo ra trong một giây bằng chùm tia liên tục.Tổng thông lượng có thể dễ dàng tăng lên bằng cách tăng tần số kích thích của laser.Nếu chúng ta giả sử rằng có một hệ thống laser 1 kHz trên thị trường thì thông lượng neutron trung bình có thể dễ dàng tăng lên khoảng 7 × 109 n/s/sr.
Khi chúng tôi sử dụng hệ thống có tốc độ lặp lại cao với các mục tiêu bằng nhựa, cần phải kiểm soát quá trình sinh nhiệt trên các mục tiêu vì ví dụ, polypropylen có nhiệt độ nóng chảy thấp là 145–175 °C và độ dẫn nhiệt thấp là 0,1–0,22 W/ m/K.Đối với chùm tia lithium-ion 14 MeV, mục tiêu polypropylen dày 7 µm là đủ để giảm năng lượng chùm tia xuống ngưỡng phản ứng (13,098 MeV).Có tính đến tổng tác động của các ion được tạo ra bởi một lần bắn tia laser vào mục tiêu, sự giải phóng năng lượng của các ion lithium qua polypropylen được ước tính là 64 mJ/xung.Giả sử rằng toàn bộ năng lượng được truyền theo một vòng tròn có đường kính 10 mm, mỗi xung tương ứng với mức tăng nhiệt độ khoảng 18 K/xung.Năng lượng giải phóng trên các mục tiêu bằng polypropylen dựa trên giả định đơn giản rằng tất cả năng lượng thất thoát đều được lưu trữ dưới dạng nhiệt, không có bức xạ hoặc tổn thất nhiệt khác.Vì việc tăng số lượng xung mỗi giây đòi hỏi phải loại bỏ sự tích tụ nhiệt nên chúng ta có thể sử dụng các mục tiêu dải để tránh giải phóng năng lượng tại cùng một điểm23.Giả sử một điểm chùm tia 10 mm trên mục tiêu có tốc độ lặp lại tia laser là 100 Hz, tốc độ quét của băng polypropylen sẽ là 1 m/s.Có thể đạt được tốc độ lặp lại cao hơn nếu cho phép chồng chéo điểm chùm tia.
Chúng tôi cũng đã nghiên cứu các mục tiêu bằng pin hydro, vì có thể sử dụng chùm tia truyền động mạnh hơn mà không làm hỏng mục tiêu.Chùm neutron có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi chiều dài của buồng khí và áp suất hydro bên trong.Các lá kim loại mỏng thường được sử dụng trong máy gia tốc để tách vùng khí của mục tiêu khỏi chân không.Vì vậy, cần phải tăng năng lượng của chùm tia lithium-ion tới để bù đắp tổn thất năng lượng trên lá kim loại.Tổ hợp mục tiêu được mô tả trong báo cáo 35 bao gồm một thùng nhôm dài 3,5 cm với áp suất khí H2 là 1,5 atm.Chùm tia lithium ion 16,75 MeV đi vào pin thông qua lá Ta 2,7 µm làm mát bằng không khí và năng lượng của chùm ion lithium ở cuối pin bị giảm tốc đến ngưỡng phản ứng.Để tăng năng lượng chùm tia của pin lithium-ion từ 14,0 MeV lên 16,75 MeV, linac IH phải được kéo dài thêm khoảng 30 cm.
Sự phát xạ neutron từ các mục tiêu tế bào khí cũng đã được nghiên cứu.Đối với các mục tiêu khí LICORNE đã nói ở trên, mô phỏng GEANT436 cho thấy các neutron có tính định hướng cao được tạo ra bên trong hình nón, như trong Hình 1 trong [37].Tham chiếu 35 cho thấy dải năng lượng từ 0,7 đến 3,0 MeV với góc mở hình nón tối đa là 19,5° so với hướng truyền của chùm tia chính.Các neutron định hướng cao có thể làm giảm đáng kể lượng vật liệu che chắn ở hầu hết các góc, giảm trọng lượng của cấu trúc và mang lại sự linh hoạt cao hơn trong việc lắp đặt thiết bị đo lường.Từ quan điểm bảo vệ bức xạ, ngoài neutron, mục tiêu khí này còn phát ra tia gamma 478 keV đẳng hướng trong hệ tọa độ trung tâm38.Những tia γ này được tạo ra là kết quả của sự phân rã 7Be và sự khử kích thích 7Li, xảy ra khi chùm tia Li sơ cấp chạm vào cửa sổ đầu vào Ta.Tuy nhiên, bằng cách thêm một ống chuẩn trực hình trụ dày 35 Pb/Cu, nền có thể giảm đáng kể.
Là một mục tiêu thay thế, người ta có thể sử dụng cửa sổ plasma [39, 40], điều này giúp có thể đạt được áp suất hydro tương đối cao và một vùng không gian nhỏ tạo ra neutron, mặc dù nó kém hơn so với các mục tiêu rắn.
Chúng tôi đang nghiên cứu các tùy chọn nhắm mục tiêu chuyển đổi neutron để phân bổ năng lượng dự kiến ​​và kích thước chùm tia của chùm ion lithium sử dụng GEANT4.Mô phỏng của chúng tôi cho thấy sự phân bố nhất quán năng lượng neutron và phân bố góc cho các mục tiêu hydro trong tài liệu trên.Trong bất kỳ hệ thống mục tiêu nào, các neutron có tính định hướng cao có thể được tạo ra bằng phản ứng động học nghịch đảo được điều khiển bởi chùm tia 7Li3+ mạnh trên mục tiêu giàu hydro.Do đó, các nguồn neutron mới có thể được triển khai bằng cách kết hợp các công nghệ hiện có.
Các điều kiện chiếu xạ laser đã tái tạo các thí nghiệm tạo chùm tia ion trước khi trình diễn tăng tốc.Laser là hệ thống Nd:YAG nano giây để bàn với mật độ năng lượng laser là 1012 W/cm2, bước sóng cơ bản là 1064 nm, năng lượng điểm là 800 mJ và thời lượng xung là 6 ns.Đường kính điểm trên mục tiêu được ước tính là 100 µm.Vì kim loại lithium (Alfa Aesar, nguyên chất 99,9%) khá mềm nên vật liệu được cắt chính xác sẽ được ép vào khuôn.Kích thước lá 25 mm × 25 mm, độ dày 0,6 mm.Thiệt hại giống như miệng núi lửa xảy ra trên bề mặt mục tiêu khi tia laser chiếu vào nó, do đó mục tiêu được di chuyển bằng một bệ cơ giới để cung cấp một phần bề mặt mới của mục tiêu sau mỗi lần bắn tia laser.Để tránh sự tái hợp do khí dư, áp suất trong buồng được giữ ở mức dưới 10-4 Pa.
Thể tích ban đầu của plasma laser là nhỏ, vì kích thước của điểm laser là 100 μm và trong vòng 6 ns sau khi tạo ra nó.Âm lượng có thể được lấy làm điểm chính xác và được mở rộng.Nếu máy dò được đặt ở khoảng cách xm so với bề mặt mục tiêu thì tín hiệu thu được tuân theo mối quan hệ: dòng ion I, thời gian đến ion t và độ rộng xung τ.
Plasma được tạo ra được nghiên cứu bằng phương pháp TOF với FC và máy phân tích ion năng lượng (EIA) đặt ở khoảng cách 2,4 m và 3,85 m so với mục tiêu laser.FC có lưới triệt tiêu có độ lệch -5 kV để ngăn chặn các electron.EIA có bộ làm lệch hướng tĩnh điện 90 độ bao gồm hai điện cực hình trụ bằng kim loại đồng trục có cùng điện áp nhưng cực tính ngược nhau, dương ở bên ngoài và âm ở bên trong.Plasma giãn nở được dẫn vào bộ phận làm lệch hướng phía sau khe và bị lệch bởi điện trường đi qua xi lanh.Các ion thỏa mãn mối quan hệ E/z = eKU được phát hiện bằng Hệ số điện tử thứ cấp (SEM) (Hamamatsu R2362), trong đó E, z, e, K và U là năng lượng ion, trạng thái tích điện và điện tích là các hệ số hình học EIA .electron tương ứng và hiệu điện thế giữa các điện cực.Bằng cách thay đổi điện áp trên bộ làm lệch hướng, người ta có thể thu được sự phân bố năng lượng và điện tích của các ion trong plasma.Điện áp quét U/2 EIA nằm trong khoảng từ 0,2 V đến 800 V, tương ứng với năng lượng ion trong khoảng từ 4 eV đến 16 keV trên mỗi trạng thái tích điện.
Sự phân bố trạng thái điện tích của các ion được phân tích trong điều kiện chiếu xạ laser được mô tả trong phần “Việc tạo ra các chùm lithium bị tước bỏ hoàn toàn” được thể hiện trong Hình.số 8.
Phân tích sự phân bố trạng thái điện tích của các ion.Đây là biểu đồ thời gian của mật độ dòng ion được phân tích bằng EIA và được chia tỷ lệ ở mức 1 m tính từ lá lithium bằng phương trình.(1 và 2).Sử dụng các điều kiện chiếu xạ laze được mô tả trong phần “Tạo chùm tia lithium được tẩy tế bào chết hoàn toàn”.Bằng cách tích hợp từng mật độ dòng điện, tỷ lệ các ion trong plasma đã được tính toán, thể hiện trong Hình 3.
Nguồn ion laser có thể phát ra chùm ion đa mA cường độ cao với điện tích cao.Tuy nhiên, việc truyền chùm tia rất khó khăn do lực đẩy điện tích không gian nên nó không được sử dụng rộng rãi.Trong sơ đồ truyền thống, các chùm ion được tách ra khỏi plasma và vận chuyển đến máy gia tốc sơ cấp dọc theo đường chùm tia có một số nam châm hội tụ để định hình chùm ion theo khả năng thu của máy gia tốc.Trong các chùm lực điện tích không gian, các chùm phân kỳ phi tuyến tính và quan sát thấy sự tổn thất chùm tia nghiêm trọng, đặc biệt là ở vùng có vận tốc thấp.Để khắc phục vấn đề này trong quá trình phát triển máy gia tốc carbon y tế, một sơ đồ phân phối chùm tia PPIS41 mới đã được đề xuất.Chúng tôi đã áp dụng kỹ thuật này để tăng tốc chùm tia lithium-ion mạnh từ nguồn neutron mới.
Như thể hiện trong hình.Như hình 4, không gian trong đó plasma được tạo ra và giãn nở được bao quanh bởi một thùng chứa kim loại.Không gian kín kéo dài đến lối vào bộ cộng hưởng RFQ, bao gồm cả âm lượng bên trong cuộn dây điện từ.Điện áp 52 kV được cấp vào thùng chứa.Trong bộ cộng hưởng RFQ, các ion được kéo bằng điện thế qua lỗ có đường kính 6 mm bằng cách nối đất RFQ.Lực đẩy phi tuyến tính trên đường truyền tia bị loại bỏ khi các ion được vận chuyển ở trạng thái plasma.Ngoài ra, như đã đề cập ở trên, chúng tôi áp dụng trường điện từ kết hợp với PPIS để kiểm soát và tăng mật độ ion trong khẩu độ chiết.
Máy gia tốc RFQ bao gồm một buồng chân không hình trụ như trong hình.9a.Bên trong nó, bốn thanh đồng không có oxy được đặt tứ cực đối xứng quanh trục chùm tia (Hình 9b).4 thanh và buồng tạo thành mạch RF cộng hưởng.Trường RF cảm ứng tạo ra điện áp thay đổi theo thời gian trên thanh.Các ion được cấy theo chiều dọc quanh trục được giữ theo chiều ngang bởi trường tứ cực.Đồng thời, đầu que được điều chế để tạo ra điện trường hướng trục.Trường trục chia chùm tia liên tục được bơm vào thành một chuỗi xung chùm gọi là chùm tia.Mỗi chùm tia được chứa trong một thời gian chu kỳ RF nhất định (10 ns).Các chùm tia liền kề được đặt cách nhau theo chu kỳ tần số vô tuyến.Trong RFQ linac, chùm tia 2 µs từ nguồn ion laser được chuyển đổi thành chuỗi 200 chùm tia.Sau đó chùm tia được tăng tốc tới năng lượng tính toán.
Máy gia tốc tuyến tính RFQ.(a) (trái) Hình ảnh bên ngoài của buồng linac RFQ.(b) (phải) Điện cực bốn que trong buồng.
Các thông số thiết kế chính của linac RFQ là điện áp thanh, tần số cộng hưởng, bán kính lỗ chùm tia và điều chế điện cực.Chọn điện áp trên thanh ± 29 kV sao cho điện trường của thanh nằm dưới ngưỡng đánh thủng.Tần số cộng hưởng càng thấp thì lực lấy nét ngang càng lớn và trường gia tốc trung bình càng nhỏ.Bán kính khẩu độ lớn giúp tăng kích thước chùm tia và do đó, tăng dòng điện chùm tia do lực đẩy điện tích không gian nhỏ hơn.Mặt khác, bán kính khẩu độ lớn hơn đòi hỏi nhiều năng lượng RF hơn để cung cấp năng lượng cho linac RFQ.Ngoài ra, nó còn bị hạn chế bởi yêu cầu chất lượng của trang web.Dựa trên những cân bằng này, tần số cộng hưởng (100 MHz) và bán kính khẩu độ (4,5 mm) đã được chọn để tăng tốc chùm tia dòng điện cao.Việc điều chế được chọn để giảm thiểu tổn thất chùm tia và tối đa hóa hiệu quả tăng tốc.Thiết kế đã được tối ưu hóa nhiều lần để tạo ra thiết kế linac RFQ có thể tăng tốc các ion 7Li3+ ở 40 mA từ 22 keV/n lên 204 keV/n trong vòng 2 m.Công suất RF đo được trong quá trình thí nghiệm là 77 kW.
Máy linac RFQ có thể tăng tốc các ion với phạm vi Q/A cụ thể.Do đó, khi phân tích chùm tia được đưa đến đầu máy gia tốc tuyến tính, cần phải tính đến các đồng vị và các chất khác.Ngoài ra, các ion mong muốn, được tăng tốc một phần, nhưng giảm xuống trong điều kiện gia tốc ở giữa máy gia tốc, vẫn có thể đáp ứng được sự giam cầm ngang và có thể được vận chuyển đến điểm cuối.Các tia không mong muốn không phải là các hạt 7Li3+ được xử lý kỹ thuật được gọi là tạp chất.Trong các thí nghiệm của chúng tôi, tạp chất 14N6+ và 16O7+ là mối quan tâm lớn nhất vì lá kim loại lithium phản ứng với oxy và nitơ trong không khí.Các ion này có tỷ lệ Q/A có thể được tăng tốc bằng 7Li3+.Chúng tôi sử dụng nam châm lưỡng cực để tách các chùm tia có chất lượng và chất lượng khác nhau để phân tích chùm tia sau linac RFQ.
Đường tia sau linac RFQ được thiết kế để cung cấp chùm tia 7Li3+ được gia tốc hoàn toàn tới FC sau nam châm lưỡng cực.Điện cực phân cực -400 V được sử dụng để triệt tiêu các electron thứ cấp trong cốc để đo chính xác dòng tia ion.Với hệ thống quang học này, các quỹ đạo ion được tách thành các lưỡng cực và tập trung ở những nơi khác nhau tùy thuộc vào Q/A.Do các yếu tố khác nhau như khuếch tán động lượng và lực đẩy điện tích không gian, chùm tia tại tiêu điểm có chiều rộng nhất định.Các loài chỉ có thể được tách ra nếu khoảng cách giữa các vị trí tiêu điểm của hai loài ion lớn hơn độ rộng chùm tia.Để có được độ phân giải cao nhất có thể, một khe ngang được lắp đặt gần eo chùm tia, nơi chùm tia thực tế tập trung.Một màn hình nhấp nháy (CsI(Tl) của Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) đã được lắp đặt giữa khe và PC.Máy nhấp nháy được sử dụng để xác định khe nhỏ nhất mà các hạt được thiết kế phải đi qua để có độ phân giải tối ưu và để chứng minh kích thước chùm tia có thể chấp nhận được đối với chùm ion nặng dòng điện cao.Hình ảnh chùm tia trên máy nhấp nháy được ghi lại bằng camera CCD qua cửa sổ chân không.Điều chỉnh cửa sổ thời gian phơi sáng để bao phủ toàn bộ độ rộng xung của chùm tia.
Các bộ dữ liệu được sử dụng hoặc phân tích trong nghiên cứu hiện tại có sẵn từ các tác giả tương ứng theo yêu cầu hợp lý.
Manke, tôi và cộng sự.Hình ảnh ba chiều của miền từ tính.Xã quốc gia.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS và cộng sự.Khả năng nghiên cứu nguồn neutron nhỏ gọn tại máy gia tốc.vật lý.Dân biểu 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. và cộng sự.Phương pháp vi mô tính toán dựa trên neutron: Pliobates cataloniae và Barberapithecus huerzeleri làm trường hợp thử nghiệm.Đúng.J. Vật lý.nhân chủng học.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).