304L 6,35 * 1 mm Altzairu herdoilgaitzezko hodi-hornitzaileen hornitzaileak, litio izpi biziaren erakustaldia pultsu zuzeneko neutroiak sortzeko

Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik.CSS laguntza mugatua duen arakatzailearen bertsioa erabiltzen ari zara.Esperientzia onena lortzeko, eguneratutako arakatzailea erabiltzea gomendatzen dugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea).Horrez gain, etengabeko laguntza bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScript gabe erakusten dugu.
Diapositiba bakoitzeko hiru artikulu erakusten dituzten graduatzaileak.Erabili atzeko eta hurrengo botoiak diapositibetan zehar mugitzeko, edo amaierako diapositiba kontroladorearen botoiak diapositiba bakoitzean mugitzeko.

Erreaktore nuklearren azterketaren alternatiba gisa, litio-ioizko izpi-gidari bat darabilen neutroi-sorgailu trinko bat azeleragailuz bultzatutako hautagai itxaropentsua izan daiteke, nahi ez diren erradiazio gutxi sortzen duelako.Hala ere, zaila zen litio-ioi izpi bizia ematea, eta gailu horien aplikazio praktikoa ezinezkotzat jotzen zen.Ioi-fluxu nahikorik ezaren arazo larriena plasma zuzeneko inplantazio-eskema aplikatuz konpondu zen.Eskema honetan, litio metalezko paper baten laser bidezko ablazioaren bidez sortutako dentsitate handiko pultsatuko plasma bat eraginkortasunez injektatzen eta bizkortzen da maiztasun handiko kuadrupolo azeleragailu baten bidez (RFQ azeleragailua).35 mA-ko habe-korronte gailurra lortu dugu 1,43 MeV-ra azeleratua, hau da, ohiko injekzio- eta azeleragailu-sistemek eman dezaketena baino bi magnitude-ordena handiagoa.
X izpiek edo partikula kargatuek ez bezala, neutroiek sartze-sakonera handia dute eta materia kondentsatuarekin elkarreragin berezia dute, materialen propietateak aztertzeko oso zunda polifazetikoak direlarik1,2,3,4,5,6,7.Bereziki, neutroien sakabanaketa-teknikak erabili ohi dira materia kondentsatuaren konposizioa, egitura eta barne-tentsioak aztertzeko eta X izpien espektroskopia erabiliz detektatzeko zailak diren metal-aleazioetako arrasto-konposatuei buruzko informazio zehatza eman dezakete8.Metodo hau oinarrizko zientzian tresna indartsutzat hartzen da eta metalen eta beste materialen fabrikatzaileek erabiltzen dute.Duela gutxi, neutroi-difrakzioa erabili da hondar-esfortzuak detektatzeko osagai mekanikoetan, hala nola trenbide eta hegazkin zatietan9,10,11,12.Neutroiak petrolio eta gas hobietan ere erabiltzen dira, protoietan aberatsak diren materialek erraz harrapatzen dituztelako13.Ingeniaritza zibilean ere antzeko metodoak erabiltzen dira.Neutroien proba ez-suntsitzaileak tresna eraginkorra dira eraikinetan, tuneletan eta zubietan ezkutuko akatsak detektatzeko.Neutroi izpien erabilera aktiboki erabiltzen da ikerketa zientifikoan eta industrian, eta horietako asko historikoki erreaktore nuklearren bidez garatu dira.
Hala ere, ez ugaltze nuklearraren inguruko mundu mailako adostasunarekin, ikerketarako erreaktore txikiak eraikitzea gero eta zailagoa da.Gainera, azken Fukushima istripuak erreaktore nuklearrak eraikitzea ia sozialki onargarria bihurtu du.Joera horri lotuta, azeleragailuetan neutroi iturrien eskaera hazten ari da2.Erreaktore nuklearren alternatiba gisa, azeleragailuak banatzen dituzten neutroi iturri handi batzuk martxan daude jada14,15.Hala ere, neutroi izpien propietateak eraginkorrago erabiltzeko, beharrezkoa da azeleragailuetan iturri trinkoen erabilera hedatzea, 16 industria- eta unibertsitate-ikerkuntza-erakundeenak izan daitezkeenak.Neutroi azeleratzaileen iturriek gaitasun eta funtzio berriak gehitu dituzte, erreaktore nuklearren ordezko izateaz gain14.Esate baterako, linac-ek gidatutako sorgailu batek neutroi-korronte bat erraz sor dezake habe eragilea manipulatuz.Igorri ondoren, neutroiak zailak dira kontrolatzen eta erradiazio-neurketak aztertzen zailak dira hondoko neutroiek sortzen duten zarata dela eta.Azeleragailu batek kontrolatutako pultsatutako neutroiek arazo hori saihesten dute.Protoi azeleragailuen teknologian oinarritutako hainbat proiektu proposatu dira munduan zehar17,18,19.7Li(p, n)7Be eta 9Be(p, n)9B erreakzioak protoiek bultzatutako neutroi-sorgailu trinkoetan erabiltzen dira gehien, erreakzio endotermikoak direlako20.Gehiegizko erradiazioa eta hondakin erradioaktiboak minimiza daitezke protoi-sorta kitzikatzeko aukeratutako energia atalasearen balioaren apur bat gorago badago.Hala ere, xede-nukleoaren masa protoiena baino askoz ere handiagoa da, eta sortzen diren neutroiak norabide guztietan barreiatzen dira.Neutroi-fluxu baten igorpen isotropotik gertu egoteak neutroiak aztergaira garraiatzea eragozten du.Horrez gain, objektuaren kokalekuan beharrezko neutroi-dosia lortzeko, beharrezkoa da mugitzen diren protoi kopurua eta haien energia nabarmen handitzea.Ondorioz, gamma izpi eta neutroi dosi handiak angelu handietatik hedatuko dira, erreakzio endotermikoen abantaila suntsituz.Protoietan oinarritutako neutroi-sorgailu trinko batek azeleragailuak gidatutako tipiko batek erradiazio blindaje sendoa du eta sistemaren zatirik handiena da.Protoiak gidatzeko energia handitu beharrak normalean azeleragailuaren instalazioaren tamaina gehitzeko gehikuntza eskatzen du.
Azeleragailuetan ohiko neutroi-iturri trinkoen gabezia orokorrak gainditzeko, alderantzizko erreakzio zinematiko-eskema bat proposatu zen21.Eskema honetan, litio-ioi izpi astunagoa erabiltzen da gida izpi gisa protoi izpi baten ordez, hidrogenoan aberatsak diren materialak zuzenduta, hala nola hidrokarburo plastikoak, hidruroak, hidrogeno gasa edo hidrogeno plasma.Alternatibak kontuan hartu dira, hala nola berilio ioiek bultzatutako habeak, hala ere, berilioa manipulazioan arreta berezia behar duen substantzia toxikoa da.Hori dela eta, litio-izpi bat da inbertsio-erreakzio zinematikoko eskemetarako egokiena.Litio-nukleoen momentua protoiena baino handiagoa denez, talka nuklearren masa-zentroa aurrera doa etengabe, eta neutroiak ere igortzen dira aurrera.Ezaugarri honek asko ezabatzen ditu nahi ez diren gamma izpiak eta angelu handiko neutroien isuriak22.1. Irudian protoi-motor baten ohiko kasua eta alderantzizko zinematika agertokiaren konparaketa erakusten da.
Protoi eta litio izpien neutroien ekoizpen-angeluen ilustrazioa (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html-rekin marraztua).(a) Neutroiak edozein norabidetara bota daitezke erreakzioaren ondorioz, higitzen diren protoiek litio-helburuaren atomo askoz astunagoak jotzen dituztelako.(b) Alderantziz, litio-ioizko gidari batek hidrogenoan aberatsa den helburu bat bonbardatzen badu, neutroiak kono estu batean sortzen dira aurrerako norabidean, sistemaren masa-zentroaren abiadura handia dela eta.
Hala ere, alderantzizko neutroi-sorgailu zinematiko gutxi batzuk baino ez dira existitzen, protoiekin alderatuta ioi astunen fluxua behar den fluxua sortzeko zailtasuna dela eta.Landare hauek guztiek sputter ioi negatiboen iturriak erabiltzen dituzte tandem azeleragailu elektrostatikoekin batera.Izpiaren azelerazioen eraginkortasuna areagotzeko beste ioi-iturri mota batzuk proposatu dira26.Nolanahi ere, eskuragarri dagoen litio-ioi izpi-korrontea 100 µA-ra mugatzen da.Li3+27 1 mA erabiltzea proposatu da, baina ioi-sorta korronte hori ez da metodo honen bidez baieztatu.Intentsitateari dagokionez, litiozko izpien azeleragailuak ezin dira lehiatu protoi izpien azeleragailuekin, protoi-korronte gailurra 10 mA28 gainditzen dutenekin.
Litio-ioi izpi batean oinarritutako neutroi-sorgailu trinko praktiko bat ezartzeko, ioirik gabeko intentsitate handikoa sortzea onuragarria da.Ioiak indar elektromagnetikoek bizkortu eta gidatzen dituzte, eta karga maila altuago batek azelerazio eraginkorragoa dakar.Li-ioi izpien gidariek 10 mA-tik gorako Li3+ korronte gailurrak behar dituzte.
Lan honetan, Li3+ izpien azelerazioa frogatzen dugu 35 mA arteko korronte gailurrak dituztenak, protoi azeleragailu aurreratuen parekoa dena.Jatorrizko litio ioi izpia laser ablazioa erabiliz eta Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) jatorriz C6+ bizkortzeko garatu zen.Neurrira diseinatutako irrati-maiztasuneko quadrupole linac (RFQ linac) lau hagatako erresonantzia-egitura erabiliz fabrikatu zen.Sortu azeleratzaileak garbitasun handiko habearen energia kalkulatua duela egiaztatu dugu.Irrati-maiztasunaren (RF) azeleragailuak Li3+ izpia eraginkortasunez harrapatu eta bizkortzen duenean, ondorengo linac (azeleragailua) sekzioa erabiltzen da helburutik neutroi-fluxu indartsu bat sortzeko behar den energia emateko.
Errendimendu handiko ioien azelerazioa ondo ezarritako teknologia da.Neutroi-sorgailu trinko oso eraginkorra egiteko geratzen den zeregina guztiz kendutako litio-ioi kopuru handi bat sortzea da, eta azeleragailuan RF zikloarekin sinkronizatutako ioi-pultsu sortaz osatutako kluster-egitura bat osatzea.Helburu hori lortzeko diseinatutako esperimentuen emaitzak hiru azpiatal hauetan deskribatzen dira: (1) litio-ioizko izpirik gabeko bat sortzea, (2) habearen azelerazioa bereziki diseinatutako RFQ linac erabiliz eta (3) analisiaren azelerazioa. habearen edukia egiaztatzeko.Brookhaven National Laboratory-n (BNL), 2. irudian erakusten den konfigurazio esperimentala eraiki genuen.
Litio izpien analisi azeleratuaren konfigurazio esperimentalaren ikuspegi orokorra (Inkscape-k ilustratua, 1.0.2, https://inkscape.org/).Eskuinetik ezkerrera, laser-ablatiboa plasma laser-helburuko interakzio-ganberan sortzen da eta RFQ linac-era ematen da.RFQ azeleragailuan sartzean, ioiak plasmatik bereizten dira eta RFQ azeleragailuan injektatzen dira erauzketa-elektrodoaren eta RFQ elektrodoaren noraezaren eskualdean 52 kV-ko tentsio-diferentzia batek sortutako bat-bateko eremu elektriko baten bidez.Erauzitako ioiak 22 keV/n-tik 204 keV/n-ra bizkortzen dira 2 metro luzeko RFQ elektrodoak erabiliz.RFQ linac-aren irteeran instalatutako korronte transformadore batek (CT) ioi-sorta korrontearen neurketa ez-suntsitzailea eskaintzen du.Sorbia hiru iman koadripoloz bideratzen da eta dipolo iman batera zuzentzen da, zeinak Li3+ izpia detektagailura bereizten eta zuzentzen du.Zirrikituaren atzean, plastikozko txirringailu erretiragarri bat eta -400 V-rainoko biasa duen Faraday kopa (FC) erabiltzen dira izpi azeleratzailea detektatzeko.
Litio-ioi guztiz ionizatuak (Li3+) sortzeko, beharrezkoa da bere hirugarren ionizazio-energia (122,4 eV) baino tenperatura handiagoa duen plasma bat sortzea.Laser ablazioa erabiltzen saiatu gara tenperatura altuko plasma ekoizteko.Laser ioi iturri mota hau ez da normalean litio ioi izpiak sortzeko erabiltzen, litio metala erreaktiboa delako eta manipulazio berezia behar duelako.Helburua kargatzeko sistema bat garatu dugu, hezetasuna eta airearen kutsadura minimizatzeko, hutseko laser interakzio-ganberan litio-papera instalatzean.Materialen prestaketa guztiak argon lehorreko ingurune kontrolatu batean egin ziren.Litiozko papera laser helburuko ganberan instalatu ondoren, papera pultsuko Nd:YAG laser erradiazioarekin irradiatu zen 800 mJ-ko energiaz pultsu bakoitzeko.Helburuaren fokuan, laser potentzia-dentsitatea 1012 W/cm2 ingurukoa dela kalkulatzen da.Plasma pultsatuko laser batek helburu bat hutsean suntsitzen duenean sortzen da.6 ns-ko laser pultsu osoan zehar, plasmak berotzen jarraitzen du, batez ere alderantzizko bremsstrahlung prozesuaren ondorioz.Berotze fasean kanpoko eremu mugatzailerik ezartzen ez denez, plasma hiru dimentsiotan hedatzen hasten da.Plasma xede-gainazaletik hedatzen hasten denean, plasmaren masa-zentroak xede-gainazalearekiko abiadura perpendikularra hartzen du 600 eV/n-ko energiarekin.Berotu ondoren, plasmak helburutik norabide axialean higitzen jarraitzen du, isotropoki hedatuz.
2. Irudian ikusten den bezala, ablazio-plasma hutseko bolumen batean hedatzen da xedearen potentzial berdina duen metalezko ontzi batez inguratuta.Horrela, plasma eremurik gabeko eskualdean zehar noraezean doa RFQ azeleragailurantz.Laser irradiazio-ganberaren eta RFQ linac-aren artean eremu magnetiko axial bat aplikatzen da, huts-ganberaren inguruan inguratutako solenoide bobina baten bidez.Solenoidearen eremu magnetikoak noraezean dagoen plasmaren hedapen erradiala kentzen du, plasma dentsitate handia mantentzeko RFQ irekidurara entregatu bitartean.Bestalde, plasmak noranzko axialean hedatzen jarraitzen du noraezean zehar, plasma luzanga bat osatuz.Tentsio handiko alborapena aplikatzen zaio plasma daukan metalezko ontziari RFQ sarrerako irteera atakaren aurrean.Alborapen-tentsioa RFQ linac-ek azelerazio egokia izateko beharrezko 7Li3+ injekzio-tasa eskaintzeko aukeratu zen.
Lortutako ablazio-plasmak 7Li3+ ez ezik, litioa ere badu beste karga-egoeretan eta elementu kutsagarrietan, RFQ azeleragailu linealera aldi berean garraiatzen direnak.RFQ linac erabiliz esperimentu bizkortuak egin aurretik, lineaz kanpoko hegaldi-denbora (TOF) analisi bat egin zen plasmako ioien konposizioa eta energia-banaketa aztertzeko.Konfigurazio analitiko zehatza eta ikusitako karga-egoeraren banaketa Metodoak atalean azaltzen dira.Azterketak erakutsi zuen 7Li3+ ioiak zirela partikula nagusiak, partikula guztien % 54 inguru direla, 3. irudian ikusten den bezala. Analisiaren arabera, 7Li3+ ioi-korrontea 1,87 mA-koa dela kalkulatzen da.Proba azeleratuetan, 79 mT-ko solenoide eremu bat aplikatzen zaio hedatzen ari den plasmari.Ondorioz, plasmatik ateratako eta detektagailuan behatutako 7Li3+ korrontea 30 faktore handitu zen.
Hegaldi-denboraren analisiaren bidez lortutako laser bidez sortutako plasmako ioien frakzioak.7Li1+ eta 7Li2+ ioiek ioien izpiaren %5 eta %25 osatzen dute, hurrenez hurren.Detektaturiko 6Li partikulen frakzioa 6Li-ren (%7,6) eduki naturalarekin bat dator litio-paperaren xedean errore esperimentalaren barruan.Oxigeno-kutsadura apur bat (%6,2) ikusi da, batez ere O1+ (%2,1) eta O2+ (%1,5), litio paperaren xedearen gainazalaren oxidazioaren ondorioz izan daitekeena.
Aurretik esan bezala, litio-plasma eremurik gabeko eskualde batean noraezean doa RFQ linac-ean sartu aurretik.RFQ linac-aren sarrerak 6 mm-ko diametroko zuloa du metalezko ontzi batean, eta polarizazio-tentsioa 52 kV-koa da.RFQ elektrodoaren tentsioa 100 MHz-tan ±29 kV azkar aldatzen den arren, tentsioak azelerazio axiala eragiten du, RFQ azeleragailu-elektrodoek batez besteko potentziala zero dutelako.Irekiduraren eta RFQ elektrodoaren ertzaren arteko 10 mm-ko tartean sortzen den eremu elektriko indartsuaren ondorioz, plasmatik ioi positiboak bakarrik ateratzen dira irekiduran.Ioiak emateko sistema tradizionaletan, ioiak plasmatik bereizten dira eremu elektriko baten bidez RFQ azeleragailuaren aurrean distantzia handi batean eta, ondoren, RFQ irekidurara fokatzen dira habe fokatzaile baten bidez.Hala ere, neutroi-iturri bizi baterako beharrezkoak diren ioi-izpi astun bizietarako, espazio-kargaren efektuen ondoriozko aldaratze-indarrek ez-linealak izpi-korronte galera handiak ekar ditzakete ioien garraio-sisteman, azeleratu daitekeen gailur-korrontea mugatuz.Gure DPIS-en, intentsitate handiko ioiak noraezean dagoen plasma gisa garraiatzen dira zuzenean RFQ irekiduraren irteera puntura, beraz, ez dago ioi-izpiaren galerarik espazio-kargaren ondorioz.Erakusketa honetan, DPIS lehen aldiz aplikatu zen litio-ioizko izpi bati.
RFQ egitura energia baxuko korronte handiko ioien izpiak bideratzeko eta bizkortzeko garatu zen eta lehen mailako azeleraziorako estandarra bihurtu da.RFQ erabili dugu 7Li3+ ioiak bizkortzeko 22 keV/n-ko inplante-energia batetik 204 keV/n-ra.Litioa eta plasman karga txikiagoa duten beste partikula batzuk ere plasmatik atera eta RFQ irekiduran injektatzen diren arren, RFQ linac-ak 7Li3+-tik hurbil dagoen karga-masaren erlazioa (Q/A) duten ioiak baino ez ditu bizkortzen.
irudian.4. irudian, imana aztertu ondoren RFQ linac eta Faraday cup (FC) irteeran korronte transformadoreak (CT) detektatu dituen uhin formak erakusten dira, irudian ikusten den moduan.2. Seinaleen arteko denbora-aldaketa detektagailuaren kokalekuan hegaldi-denboraren diferentzia gisa interpreta daiteke.CTn neurtutako ioi-korronte gailurra 43 mA zen.RT posizioan, erregistratutako izpiak kalkulatutako energiara azeleratutako ioiak ez ezik, 7Li3+ ez diren ioiak ere izan ditzake, nahiko azeleratuak ez direnak.Hala ere, QD eta PC bidez aurkitutako ioi-korronte formen antzekotasunak adierazten du ioi-korrontea batez ere 7Li3+ azeleratuz osatuta dagoela, eta korrontearen gailurraren balioaren murrizketa QD eta QD arteko ioien transferentzian sortzen den izpi-galeren ondorioz. PCa.Galerak Hori ere berresten du gutun-azaleko simulazioak.7Li3+ habe-korrontea zehaztasunez neurtzeko, habea dipolo iman batekin aztertzen da hurrengo atalean deskribatzen den moduan.
CT (kurba beltza) eta FC (kurba gorria) posizioetan erregistratutako izpi azeleratuaren oszilogramak.Neurketa hauek fotodetektagailu batek laser erradiazioa detektatzean abiarazten dira laser plasma sortzean.Kurba beltzak RFQ linac irteerara konektatutako CT batean neurtutako uhina erakusten du.RFQ linacetik hurbil dagoenez, detektagailuak 100 MHz RF zarata jasotzen du, beraz, 98 MHz pasabide baxuko FFT iragazkia aplikatu zen detekzio-seinaleari gainjarritako 100 MHz-ko RF seinale erresonantea kentzeko.Kurba gorriak FC-n uhin forma erakusten du iman analitikoak 7Li3+ ioi izpia zuzendu ondoren.Eremu magnetiko honetan, 7Li3+ez gain, N6+ eta O7+ garraia daitezke.
RFQ linac-aren ondorengo ioi-sorta hiru fokatze-iman kuadripolo batzuen bidez bideratzen da eta, ondoren, dipolo-imanek aztertzen dute ioi-sorta dauden ezpurutasunak isolatzeko.0,268 T-ko eremu magnetikoak 7Li3+ izpiak FCra zuzentzen ditu.Eremu magnetiko honen detekzio-uhin-forma 4. irudian kurba gorri gisa agertzen da. Izpi-korronte gailurra 35 mA-ra iristen da, hau da, egungo ohiko azeleragailu elektrostatikoetan sortutako Li3+ izpi tipikoa baino 100 aldiz handiagoa.Izpiaren pultsuaren zabalera 2,0 µs-koa da zabalera osoan gehienez erdi erdian.Eremu magnetiko dipoloduna duen 7Li3+ habe bat detektatzeak sortze eta izpien azelerazio arrakastatsuak adierazten ditu.FC-k dipoloaren eremu magnetikoa arakatzean detektatu duen ioi izpi-korrontea 5. irudian ageri da. Piko bakar garbi bat ikusi zen, beste gailurretatik ondo bereizita.RFQ linac-ek diseinu-energiara bizkortutako ioi guztiek abiadura bera dutenez, Q/A berdina duten ioi izpiak zailak dira eremu magnetiko dipoloen bidez bereizten.Beraz, ezin dugu 7Li3+ N6+ edo O7+-tik bereizi.Hala ere, ezpurutasun-kopurua ondoko karga-egoeretatik kalkula daiteke.Adibidez, N7+ eta N5+ erraz bereiz daitezke, N6+ ezpurutasunaren parte izan daitekeen bitartean eta N7+ eta N5+-ren kopuru berean egotea espero da.Kalkulatutako kutsadura maila %2 ingurukoa da.
Eremu magnetiko dipolo bat eskaneaz lortutako izpi-osagaien espektroak.0,268 T-ko gailurra 7Li3+ eta N6+-i dagokie.Gailurraren zabalera zirrikituaren habearen tamainaren araberakoa da.Gailur zabalak izan arren, 7Li3+ ondo bereizten da 6Li3+, O6+ eta N5+-tik, baina gaizki bereizten da O7+ eta N6+-tik.
FC-ren kokalekuan, habe-profila entxufagarri batekin konfirmatu zen eta kamera digital azkar batekin grabatu zen 6. Irudian erakusten den moduan. 35 mA-ko korronte duen 7Li3+ izpi pultsatua kalkulatutako RFQ batera azeleratu zen. 204 keV/n-ko energia, 1,4 MeV-ri dagokiona, eta FC detektagailura transmititua.
Beam profila FC aurreko zintilladorearen pantaila batean ikusitakoa (Fiji-k koloreztatua, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Dipolo analitikoko imanaren eremu magnetikoa Li3+ ioi izpiaren azelerazioa diseinuko energia RFQra zuzentzeko sintonizatu zen.Eremu berdeko puntu urdinak material zintillatzaile akastun batek eragindakoak dira.
7Li3+ ioiak sortzea lortu genuen litiozko paper solido baten gainazaleko laser bidezko ablazioaz, eta korronte handiko ioi izpi bat harrapatu eta bizkortu zen DPIS erabiliz bereziki diseinatutako RFQ linac batekin.1,4 MeV-ko habe-energiarekin, 7Li3+-ren korronte gailurra imanaren azterketa egin ondoren FC-ra iritsi zen 35 mA-koa zen.Horrek baieztatzen du alderantzizko zinematika duen neutroi-iturri baten ezarpenaren zatirik garrantzitsuena esperimentalki gauzatu dela.Artikuluaren zati honetan, neutroi-iturri trinko baten diseinu osoa eztabaidatuko da, energia handiko azeleragailuak eta neutroien xede-estazioak barne.Diseinua gure laborategian dauden sistemekin lortutako emaitzetan oinarritzen da.Kontuan izan behar da ioi izpiaren korronte gailurra are gehiago handitu daitekeela litio-paperaren eta RFQ linac-aren arteko distantzia laburtuz.Arroza.7. irudiak proposatutako neutroi-iturri trinkoaren kontzeptu osoa erakusten du azeleragailuan.
Proposatutako neutroi iturri trinkoaren diseinu kontzeptuala azeleragailuan (Freecad-ek marraztua, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Eskuinetik ezkerrera: laser ioi-iturria, solenoide-imana, RFQ linac, energia ertaineko izpien transferentzia (MEBT), IH linac eta interakzio-ganbera neutroiak sortzeko.Erradiazio-babesa aurrerantzean ematen da batez ere, sortutako neutroi izpien izaera estua dela eta.
RFQ linac-aren ondoren, H-egitura digitalaren (IH linac)30 linac-aren azelerazio gehiago aurreikusten da.IH linac-ek π-moduko deriba-hodiaren egitura erabiltzen dute eremu elektriko-gradiente handiak emateko abiadura tarte jakin batean.Azterketa kontzeptuala 1D luzetarako dinamikaren simulazioan eta 3D shell simulazioan oinarrituta egin da.Kalkuluek erakusten dute 100 MHz-ko IH linak arrazoizko deriba-hodiaren tentsioa (450 kV baino txikiagoa) eta fokatze-iman indartsu bat 40 mA-ko izpi bat 1,4-14 MeV-ra 1,8 m-ko distantziara bizkortu dezakeela.Azeleragailu-katearen amaierako energia-banaketa ± 0,4 MeV-koa dela kalkulatzen da, eta horrek ez du nabarmen eragiten neutroien bihurketa-helburuak sortutako neutroien energia-espektroan.Horrez gain, izpiaren emisibitatea nahikoa baxua da habea habe-puntu txikiago batera bideratzeko normalean indar eta tamaina ertaineko iman koadripolo baterako behar litzatekeena baino.Energia ertaineko habea (MEBT) RFQ linac eta IH linac arteko transmisioan, beamforming erresonatzailea beamforming egitura mantentzeko erabiltzen da.Alboko habearen tamaina kontrolatzeko hiru iman laupolo erabiltzen dira.Diseinu estrategia hau azeleragailu askotan erabili izan da31,32,33.Sistema osoaren luzera osoa ioi-iturburutik xede-ganberaraino 8 m baino gutxiagokoa dela kalkulatzen da, kamioi erdi-atoi estandar batean sar daitekeena.
Neutroien bihurketa-helburua azeleragailu linealaren ondoren zuzenean instalatuko da.Helburu-estazioen diseinuak eztabaidatzen ditugu aurreko ikerketetan oinarrituta alderantzizko eszenatoki zinematikoak erabiliz23.Salatutako bihurtze-helburuen artean material solidoak (polipropilenoa (C3H6) eta titanio hidruroa (TiH2)) eta helburu gaseosoko sistemak daude.Helburu bakoitzak abantailak eta desabantailak ditu.Helburu sendoek lodiera zehatza kontrolatzeko aukera ematen dute.Helburua zenbat eta meheagoa izan, orduan eta zehatzagoa izango da neutroien ekoizpenaren antolamendu espaziala.Hala ere, helburu horiek nahigabeko erreakzio nuklearren eta erradiazioen mailaren bat izan dezakete oraindik.Bestalde, hidrogeno-helburu batek ingurune garbiagoa eskain dezake, erreakzio nuklearraren produktu nagusia den 7Be-ren ekoizpena ezabatuz.Hala ere, hidrogenoak hesi-gaitasun ahula du eta distantzia fisiko handia behar du energia nahikoa askatzeko.Hau apur bat desabantaila da TOF neurketetarako.Gainera, hidrogeno-helburu bat zigilatzeko film mehe bat erabiltzen bada, kontuan hartu behar dira film meheak eta litio-izpi intzidenteak sortzen dituen gamma izpien energia-galerak.
LICORNEk polipropilenozko helburuak erabiltzen ditu eta helburu-sistema tantaliozko paperarekin zigilatutako hidrogeno-zeluletara berritu da.7Li34-rako 100 nA-ko izpi-korrontea suposatuz, helburu-sistemek 107 n/s/sr ekoitzi ditzakete.Neutroi-errendimenduaren konbertsio hau proposatutako neutroi-iturburuari aplikatzen badiogu, orduan litioz bultzatutako 7 × 10–8 C-ko izpi bat lor daiteke laser pultsu bakoitzeko.Horrek esan nahi du laserra segundoko bi aldiz bakarrik jaurtitzeak LICORNEk segundo batean sor ditzakeen baino % 40 neutroi gehiago sortzen dituela izpi jarraituarekin.Fluxu osoa erraz handitu daiteke laserren kitzikapen-maiztasuna handituz.Merkatuan 1 kHz-ko laser sistema bat dagoela suposatzen badugu, neutroien batez besteko fluxua erraz eskala daiteke 7 × 109 n/s/sr ingurura.
Plastikozko helburuekin errepikapen-tasa handiko sistemak erabiltzen ditugunean, beharrezkoa da helburuetan bero-sorkuntza kontrolatzea, adibidez, polipropilenoak 145-175 °C-ko urtze-puntu baxua duelako eta 0,1-0,22 W/-ko eroankortasun termiko baxua duelako. m/K.14 MeV-ko litio-ioizko izpi baterako, 7 µm-ko lodiera duen polipropilenozko helburu bat nahikoa da izpiaren energia erreakzio-atalasera (13,098 MeV) murrizteko.Laser jaurtiketa batek xedean sortutako ioien guztizko eragina kontuan hartuta, polipropilenoaren bidez litio ioien energia askatzea 64 mJ/pultsukoa dela kalkulatzen da.Energia guztia 10 mm-ko diametroa duen zirkulu batean transferitzen dela suposatuz, pultsu bakoitzari 18 K/pultso gutxi gorabehera tenperatura igoerari dagokio.Polipropilenozko helburuetan energia askatzea energia-galera guztiak bero gisa gordetzen direlako suposizio sinplean oinarritzen da, erradiaziorik edo bestelako bero-galerarik gabe.Segundoko pultsu kopurua handitzeak bero-pilaketa ezabatzea eskatzen duenez, tira-helburuak erabil ditzakegu puntu berean energia askatzea ekiditeko23.100 Hz-ko laser errepikapen-tasa duen helburu batean 10 mm-ko habe-puntu bat suposatuz, polipropilenozko zintaren eskaneatzeko abiadura 1 m/s-koa izango litzateke.Errepikapen-tasa handiagoak posible dira habe-puntuen gainjartzea onartzen bada.
Hidrogeno pilak dituzten helburuak ere ikertu ditugu, habe eragile indartsuagoak erabil litezkeelako helburua kaltetu gabe.Neutroi-sorta erraz sintonizatu daiteke gas-ganberaren luzera eta barruko hidrogeno-presioa aldatuz.Metalezko xafla meheak maiz erabiltzen dira azeleragailuetan xedearen gas-eskualdea hutsetik bereizteko.Hori dela eta, beharrezkoa da litio-ioi-izpi intzidentearen energia handitzea paperaren energia-galerak konpentsatzeko.35. txostenean deskribatutako xede-multzoa 3,5 cm-ko luzerako aluminiozko ontzi batez osatuta zegoen, 1,5 atm-ko H2 gasaren presioarekin.16,75 MeV litio-ioi-sorta baterian sartzen da airez hoztutako 2,7 µm Ta paperaren bidez, eta bateriaren amaierako litio-ioi izpiaren energia erreakzio-atalaseraino mozten da.Litio-ioizko baterien izpi-energia 14,0 MeV-tik 16,75 MeV-ra handitzeko, IH linac 30 cm inguru luzatu behar izan da.
Gas-zelulen helburuetatik neutroien igorpena ere aztertu zen.Aipatutako LICORNE gas-helburuetarako, GEANT436 simulazioek erakusten dute oso orientatutako neutroiak sortzen direla konoaren barruan, [37]-ko 1. irudian ikusten den bezala.35. erreferentziak 0,7 eta 3,0 MeV bitarteko energia-tartea erakusten du, habe nagusiaren hedapen-norabidearekiko 19,5°-ko gehienezko kono irekidurarekin.Oso orientatuta dauden neutroiek angelu gehienetan blindaje-materialaren kantitatea nabarmen murriztu dezakete, egituraren pisua murriztuz eta neurketa-ekipoen instalazioan malgutasun handiagoa eskainiz.Erradiazio-babesaren ikuspuntutik, neutroiez gain, 478 keV-ko gamma izpiak isotropoki igortzen ditu helburu gaseoso honek zentroideen koordenatu-sisteman38.γ izpi hauek 7Be desintegrazioaren eta 7Li desexzitazioaren ondorioz sortzen dira, Li izpi nagusiak Ta sarrerako leihoa jotzen duenean gertatzen dena.Hala ere, 35 Pb/Cu kolimadore zilindriko lodi bat gehituz gero, hondoa nabarmen murriztu daiteke.
Helburu alternatibo gisa, plasma-leiho bat erabil daiteke [39, 40], zeinak hidrogeno-presio nahiko altua eta neutroi-eskualde espazial txiki bat lortzea ahalbidetzen duena, nahiz eta helburu solidoak baino gutxiago izan.
Neutroien bihurketa bideratzeko aukerak ikertzen ari gara GEANT4 erabiliz litio ioi izpi baten energia-banaketaren eta habearen tamainaren arabera.Gure simulazioek hidrogeno-helburuetarako neutroien energiaren eta banaketa angeluarren banaketa koherentea erakusten dute goiko literaturan.Edozein helburu-sistematan, oso orientatutako neutroiak 7Li3+ izpi indartsu batek hidrogenoan aberatsa den helburu batean bultzatutako alderantzizko erreakzio zinematiko baten bidez ekoiztu daitezke.Hori dela eta, neutroi-iturri berriak inplementa daitezke dagoeneko dauden teknologiak konbinatuz.
Laser irradiazio-baldintzek ioi izpiak sortzeko esperimentuak erreproduzitu zituzten erakustaldi azeleratuaren aurretik.Laser mahaigaineko nanosegundoko Nd:YAG sistema bat da, 1012 W/cm2-ko laser potentzia-dentsitatea, 1064 nm-ko oinarrizko uhin-luzera, 800 mJ-ko puntu-energia eta 6 ns-ko pultsuaren iraupena.Lekuaren diametroa 100 µm-koa dela kalkulatzen da.Litio metala (Alfa Aesar, %99,9 purua) nahiko biguna denez, zehatz-mehatz ebakitako materiala moldean sakatzen da.Paperaren neurriak 25 mm × 25 mm, 0,6 mm-ko lodiera.Krater-itxurako kalteak helburuaren gainazalean gertatzen dira laser batek jotzen duenean, beraz, helburua plataforma motorizatu batek mugitzen du laser jaurtiketa bakoitzean xedearen azaleraren zati berri bat emateko.Hondar-gasaren ondorioz birkonbinazioa ekiditeko, ganberako presioa 10-4 Pa tartearen azpitik mantendu zen.
Laser plasmaren hasierako bolumena txikia da, laser puntuaren tamaina 100 μm-koa baita eta sortu eta 6 ns-ko epean.Bolumena puntu zehatz gisa hartu eta zabaldu egin daiteke.Detektagailua helburuko gainazaletik xm distantziara jartzen bada, orduan jasotako seinaleak erlazioari men egiten dio: Ioi-korrontea, ioien iristeko denbora t eta pultsu-zabalera τ.
Sortutako plasma TOF metodoaren bidez aztertu da FC-rekin eta laser-helburutik 2,4 m eta 3,85 m-ko distantziara kokatutako energia ioien analizatzaile batekin (EIA).FC-k -5 kV-k alboratuta dagoen supreso-sare bat du, elektroiak saihesteko.EIAk 90 graduko desbideratzaile elektrostatiko bat du, tentsio berdina baina kontrako polaritatea duten metalezko bi elektrodo ardazkidez osatua, kanpotik positiboa eta barrutik negatiboa.Zabaltzen ari den plasma zirrikituaren atzean dagoen deflectorera zuzentzen da eta zilindrotik igarotzen den eremu elektrikoak desbideratzen du.E/z = eKU erlazioa betetzen duten ioiak elektroi biderkatzaile sekundarioa (SEM) (Hamamatsu R2362) erabiliz detektatzen dira, non E, z, e, K eta U ioien energia, karga-egoera eta karga EIA faktore geometrikoak diren. .elektroiak, hurrenez hurren, eta elektrodoen arteko potentzial-diferentzia.Deflektorearen tentsioa aldatuz, plasmako ioien energia eta karga banaketa lor daiteke.Ekorketa-tentsioa U/2 EIA 0,2 V eta 800 V bitartekoa da, hau da, karga-egoera bakoitzeko 4 eV eta 16 keV bitarteko ioi-energia bati dagokio.
"Erabat kendutako litio izpien sorkuntza" atalean deskribatutako laser irradiazioaren baldintzetan aztertutako ioien karga-egoeraren banaketak irudietan agertzen dira.8.
Ioien karga-egoeraren banaketaren analisia.Hona hemen EIArekin analizatutako ioi-korronte-dentsitate-denboraren profila eta litiozko paperetik 1 m-ra eskalatua ekuazioa erabiliz.(1) eta (2).Erabili "Erabat esfoliatutako litio izpi baten sorrera" atalean deskribatutako laser irradiazio-baldintzak.Korronte-dentsitate bakoitza integratuz, plasmako ioien proportzioa kalkulatu da, 3. Irudian ageri dena.
Laser ioi iturriek karga handiko mA anitzeko ioi izpi bizia eman dezakete.Hala ere, habea ematea oso zaila da espazioko kargaren aldarapenaren ondorioz, beraz, ez zen oso erabilia.Eskema tradizionalean, ioi-izpiak plasmatik ateratzen dira eta azeleragailu primariora garraiatzen dira hainbat fokatze-iman dituen izpi-lerro batean zehar, azeleragailuaren harrapatzeko gaitasunaren arabera ioi-sorta moldatzeko.Espazioko karga-indar izpietan, habeak ez-linealki bereizten dira, eta habe-galera larriak ikusten dira, batez ere abiadura baxuen eskualdean.Karbono-azeleragailu medikoen garapenean arazo hori gainditzeko, DPIS41 habearen eskema berri bat proposatzen da.Teknika hau neutroi iturri berri batetik litio-ioi izpi indartsu bat bizkortzeko aplikatu dugu.
irudian ikusten den bezala.4, plasma sortzen eta zabaltzen den espazioa metalezko ontzi batez inguratuta dago.Espazio itxia RFQ erresonagailuaren sarreraraino hedatzen da, solenoide bobinaren barruko bolumena barne.Edukiontziari 52 kV-ko tentsioa ezarri zitzaion.RFQ erresonagailuan, ioiak potentzialaren bidez tiratzen dira 6 mm-ko diametroko zulo batetik RFQ-a lurrean jarriz.Ioiak plasma-egoeran garraiatzen diren heinean izpi-lerroan dauden aldaratze-indar ez-linealak ezabatzen dira.Horrez gain, goian esan bezala, DPIS-ekin konbinatuta solenoide eremu bat aplikatu dugu erauzketa-irakunean ioien dentsitatea kontrolatzeko eta handitzeko.
RFQ azeleragailua huts-ganbera zilindriko batez osatuta dago, irudian ikusten den moduan.9a.Haren barruan, oxigenorik gabeko kobrezko lau hagatxo jartzen dira habearen ardatzaren inguruan simetrikoki koadripolo-simetrikoa (9b. irudia).4 hagak eta ganberek RF zirkuitu erresonantea osatzen dute.Induzitutako RF eremuak denbora-aldaketako tentsio bat sortzen du hagaren zehar.Ardatzaren inguruan luzetara ezarrita dauden ioiak alboan eusten dira eremu kuadripoloaren bidez.Aldi berean, hagatxoaren punta modulatzen da eremu elektriko axial bat sortzeko.Eremu axialak injektatutako habe jarraitua habe izeneko habe-pultsu sorta batean banatzen du.Izpi bakoitza RF ziklo-denbora jakin baten barruan dago (10 ns).Aldameneko izpiak irrati-maiztasunaren aldiaren arabera banatzen dira.RFQ linac-en, laser ioi iturri batetik 2 µs-ko izpi bat 200 izpiren sekuentzia batean bihurtzen da.Gero, habea azeleratzen da kalkulatutako energiaraino.
Azeleragailu lineala RFQ.(a) (ezkerrean) RFQ linac ganberaren kanpoko ikuspegia.(b) (eskuinean) Lau hagako elektrodoa ganbaran.
RFQ linac-aren diseinu-parametro nagusiak hagaxka-tentsioa, erresonantzia-maiztasuna, habe-zuloen erradioa eta elektrodoen modulazioa dira.Hautatu hagatxoko tentsioa ± 29 kV, bere eremu elektrikoa matxura elektrikoaren atalasearen azpitik egon dadin.Zenbat eta erresonantzia-maiztasun txikiagoa izan, orduan eta handiagoa da alboko fokatze-indarra eta txikiagoa da batez besteko azelerazio-eremua.Irekidura-erradio handiek habearen tamaina handitzea ahalbidetzen dute eta, ondorioz, habe-korrontea handitzen dute espazio-kargaren aldarapen txikiagoa dela eta.Bestalde, irekiera erradio handiagoek RF potentzia gehiago behar dute RFQ linac elikatzeko.Horrez gain, gunearen kalitate eskakizunek mugatuta dago.Balantze horietan oinarrituta, erresonantzia-maiztasuna (100 MHz) eta irekiera erradioa (4,5 mm) aukeratu dira korronte handiko izpiaren azeleraziorako.Modulazioa habe-galera minimizatzeko eta azelerazio-eraginkortasuna maximizatzeko aukeratzen da.Diseinua askotan optimizatu da 7Li3+ ioiak 22 keV/n-tik 204 keV/n-ra 40 mA-tan bizkor ditzakeen RFQ linac diseinu bat sortzeko.Esperimentuan zehar neurtutako RF potentzia 77 kW-koa izan zen.
RFQ linac-ek ioiak bizkor ditzakete Q/A tarte zehatz batekin.Horregatik, azeleragailu lineal baten muturreraino elikatzen den habe bat aztertzean, isotopoak eta beste substantzia batzuk kontuan hartu behar dira.Gainera, nahi diren ioiek, partzialki azeleratuak, baina azeleragailuaren erdian azelerazio-baldintzetan jaitsita, oraindik alboko konfinamendua bete dezakete eta amaieraraino garraia daitezke.7Li3+ partikulak ez diren nahi ez diren izpiei ezpurutasun deitzen zaie.Gure esperimentuetan, 14N6+ eta 16O7+ ezpurutasunak izan ziren kezka handiena, litio metalezko paperak aireko oxigenoarekin eta nitrogenoarekin erreakzionatzen baitu.Ioi hauek 7Li3+-rekin azeleratu daitekeen Q/A erlazioa dute.Dipolo imanak erabiltzen ditugu kalitate eta kalitate ezberdineko habeak bereizteko RFQ linac-aren ondoren habeak aztertzeko.
RFQ linac-aren ondorengo habe-lerroa 7Li3+ habe guztiz azeleratua FC-ra dipolo imanaren ondoren emateko diseinatuta dago.-400 V-ko alborapen-elektrodoak edalontziko bigarren mailako elektroiak kentzeko erabiltzen dira, ioi-izpiaren korrontea zehaztasunez neurtzeko.Optika honekin, ioien ibilbideak dipolotan bereizten dira eta Q/A-ren arabera leku ezberdinetan fokatzen dira.Momentuaren hedapena eta espazio-kargaren aldarapena bezalako faktore ezberdinengatik, fokuan dagoen habeak zabalera jakin bat du.Espezieak soilik bereiz daitezke bi ioi-espezieen foku-posizioen arteko distantzia izpiaren zabalera baino handiagoa bada.Ahalik eta bereizmen handiena lortzeko, zirrikitu horizontal bat instalatzen da habearen gerritik gertu, non habea ia kontzentratuta dagoen.Zirkulazio pantaila bat (CsI(Tl) Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) zirrikitu eta ordenagailuaren artean instalatu zen.Diseinatzailea bereizmen optimorako diseinatutako partikulek igaro behar zuten zirrikitu txikiena zehazteko eta korronte handiko ioi izpi astunentzako izpien tamaina onargarriak frogatzeko erabili zen.Zintilladorearen izpiaren irudia CCD kamera batek grabatzen du hutseko leiho batetik.Doitu esposizio-denboraren leihoa izpi-pultsu-zabalera osoa estaltzeko.
Oraingo ikerketan erabilitako edo aztertutako datu-multzoak dagozkien egileengandik eskura daitezke arrazoizko eskaera eginda.
Manke, I. et al.Domeinu magnetikoen hiru dimentsioko irudiak.Komun Nazionala.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Neutroi-iturri trinkoak azeleragailuetan aztertzeko aukerak.fisika.Errep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Neutroietan oinarritutako mikrotomografia konputatua: Pliobates cataloniae eta Barberapithecus huerzeleri proba kasu gisa.Bai.J. Fisika.antropologia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).