304L 6.35*1 מ"מ ספקי צינורות מפותלים מנירוסטה, הדגמה של אלומת ליתיום אינטנסיבית להפקת נויטרונים ישירים פולסים

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
סליידרים המציגים שלושה מאמרים בכל שקופית.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין השקופיות, או בלחצני בקר השקופיות שבקצה כדי לעבור בין כל שקופית.

כחלופה למחקר של כורים גרעיניים, מחולל נויטרונים קומפקטי המונע על ידי מאיץ באמצעות מנוע קרן ליתיום-יון עשוי להיות מועמד מבטיח מכיוון שהוא מייצר מעט קרינה לא רצויה.עם זאת, היה קשה לספק קרן אינטנסיבית של יוני ליתיום, והיישום המעשי של מכשירים כאלה נחשב בלתי אפשרי.הבעיה החריפה ביותר של זרימת יונים לא מספקת נפתרה על ידי יישום תוכנית השתלת פלזמה ישירה.בסכימה זו, פלזמה פועמת בצפיפות גבוהה שנוצרת על ידי אבלציה בלייזר של רדיד מתכת ליתיום מוזרקת ומואצת ביעילות על ידי מאיץ קוואדרופול בתדר גבוה (מאיץ RFQ).השגנו זרם שיא אלומה של 35 mA המואץ ל-1.43 MeV, שהוא שני סדרי גודל גבוה ממה שמערכות מזרק ומאיץ קונבנציונליות יכולות לספק.
בניגוד לקרני רנטגן או לחלקיקים טעונים, לנייטרונים עומק חדירה גדול ואינטראקציה ייחודית עם חומר מעובה, מה שהופך אותם לבדיקות צדדיות ביותר לחקר תכונות החומרים1,2,3,4,5,6,7.בפרט, טכניקות פיזור נויטרונים משמשות בדרך כלל כדי לחקור את ההרכב, המבנה והלחצים הפנימיים בחומר מעובה ויכולות לספק מידע מפורט על תרכובות עקבות בסגסוגות מתכת שקשה לזהות באמצעות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן8.שיטה זו נחשבת לכלי רב עוצמה במדע הבסיסי ומשמשת יצרנים של מתכות וחומרים אחרים.לאחרונה, נעשה שימוש בדיפרקציה של נויטרונים כדי לזהות מתחים שיוריים ברכיבים מכניים כגון חלקי מסילה ומטוסים9,10,11,12.נויטרונים משמשים גם בבארות נפט וגז מכיוון שהם נלכדים בקלות על ידי חומרים עשירים בפרוטונים13.שיטות דומות משמשות גם בהנדסה אזרחית.בדיקת נויטרונים לא הרסנית היא כלי יעיל לאיתור תקלות נסתרות במבנים, מנהרות וגשרים.השימוש בקרני נויטרונים נמצא בשימוש פעיל במחקר מדעי ובתעשייה, שרבים מהם פותחו באופן היסטורי באמצעות כורים גרעיניים.
עם זאת, עם הקונצנזוס העולמי על אי-הפצת גרעין, בניית כורים קטנים למטרות מחקר הופכת קשה יותר ויותר.יתרה מכך, תאונת פוקושימה האחרונה הפכה את בניית כורים גרעיניים כמעט למקובלת מבחינה חברתית.בקשר למגמה זו, הביקוש למקורות נויטרונים במאיצים גדל2.כחלופה לכורים גרעיניים, מספר מקורות נויטרונים גדולים לפיצול מאיץ כבר פועלים14,15.עם זאת, לצורך שימוש יעיל יותר בתכונות של קרני נויטרונים, יש צורך להרחיב את השימוש במקורות קומפקטיים במאיצים, 16 אשר עשויים להיות שייכים למוסדות מחקר תעשייתיים ואוניברסיטאיים.מקורות נויטרונים מאיצים הוסיפו יכולות ופונקציות חדשות בנוסף לשמש כתחליף לכורים גרעיניים14.לדוגמה, גנרטור מונע בלינאק יכול ליצור בקלות זרם של נויטרונים על ידי מניפולציה של אלומת ההנעה.לאחר פליטת הנייטרונים קשה לשלוט ומדידות קרינה קשות לניתוח עקב הרעש שנוצר על ידי נויטרונים ברקע.נויטרונים פועמים הנשלטים על ידי מאיץ מונעים בעיה זו.מספר פרויקטים המבוססים על טכנולוגיית מאיץ פרוטונים הוצעו ברחבי העולם17,18,19.התגובות 7Li(p,n)7Be ו-9Be(p,n)9B משמשות לרוב במחוללי נויטרונים קומפקטיים המונעים על ידי פרוטונים מכיוון שהם תגובות אנדותרמיות20.ניתן למזער עודפי קרינה ופסולת רדיואקטיבית אם האנרגיה שנבחרה לעורר את קרן הפרוטונים היא מעט מעל ערך הסף.עם זאת, המסה של גרעין המטרה גדולה בהרבה מזו של פרוטונים, והנייטרונים המתקבלים מתפזרים לכל הכיוונים.קרובה כזו לפליטת איזוטרופית של שטף נויטרונים מונעת הובלה יעילה של נויטרונים למושא המחקר.בנוסף, כדי לקבל את המינון הנדרש של נויטרונים במיקום העצם, יש צורך להגדיל באופן משמעותי הן את מספר הפרוטונים הנעים והן את האנרגיה שלהם.כתוצאה מכך, מינונים גדולים של קרני גמא וניוטרונים יתפשטו בזוויות גדולות, ויהרסו את היתרון של תגובות אנדותרמיות.מחולל נויטרונים קומפקטי מבוסס פרוטונים טיפוסי מונע על ידי מאיץ בעל מיגון קרינה חזק והוא החלק הכבד ביותר של המערכת.הצורך להגדיל את האנרגיה של הנעת פרוטונים מצריך בדרך כלל הגדלה נוספת בגודל מתקן המאיץ.
כדי להתגבר על החסרונות הכלליים של מקורות נויטרונים קומפקטיים קונבנציונליים במאיצים, הוצעה ערכת תגובה-קינמטית היפוך21.בתכנית זו, קרן ליתיום-יון כבדה יותר משמשת כקרן מנחה במקום קרן פרוטונים, המכוונת לחומרים עשירים במימן כגון פלסטיק פחמימני, הידרידים, גז מימן או פלזמה מימן.נשקלו חלופות, כגון קורות מונעות על ידי יון בריליום, אולם בריליום הוא חומר רעיל הדורש טיפול מיוחד.לכן, קרן ליתיום היא המתאימה ביותר לתוכניות תגובה קינמטיות של היפוך.מכיוון שהתנע של גרעיני הליתיום גדול מזה של הפרוטונים, מרכז המסה של התנגשויות גרעיניות נע כל הזמן קדימה, וגם נויטרונים נפלטים קדימה.תכונה זו מבטלת מאוד קרני גמא לא רצויות ופליטת נויטרונים בזווית גבוהה22.השוואה בין המקרה הרגיל של מנוע פרוטון לבין תרחיש הקינמטיקה ההפוכה מוצגת באיור 1.
איור של זוויות ייצור נויטרונים עבור קרני פרוטון וליתיום (מצויר עם Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(א) ניוטרונים יכולים להיפלט לכל כיוון כתוצאה מהתגובה בשל העובדה שפרוטונים נעים פגעו באטומים הכבדים הרבה יותר של מטרת הליתיום.(ב) לעומת זאת, אם נהג ליתיום-יון מפציץ מטרה עשירה במימן, נוצרים נויטרונים בחרוט צר בכיוון קדימה עקב המהירות הגבוהה של מרכז המסה של המערכת.
עם זאת, קיימים רק מעט מחוללי נויטרונים קינמטיים הפוכים עקב הקושי לייצר את השטף הנדרש של יונים כבדים בעלי מטען גבוה בהשוואה לפרוטונים.כל המפעלים הללו משתמשים במקורות יונים שליליים בשילוב עם מאיצים אלקטרוסטטיים טנדם.סוגים אחרים של מקורות יונים הוצעו כדי להגביר את היעילות של האצת אלומה26.בכל מקרה, זרם אלומת הליתיום-יון הזמין מוגבל ל-100 µA.הוצע להשתמש ב-1 mA של Li3+27, אך זרם אלומת יונים זה לא אושר בשיטה זו.מבחינת עוצמה, מאיצי אלומת ליתיום אינם יכולים להתחרות במאיצי אלומת פרוטונים שזרם השיא של הפרוטון שלהם עולה על 10 mA28.
כדי ליישם מחולל נויטרונים קומפקטי מעשי המבוסס על אלומת ליתיום-יון, כדאי לייצר בעוצמה גבוהה נטולת יונים לחלוטין.היונים מואצים ומודרכים על ידי כוחות אלקטרומגנטיים, ורמת מטען גבוהה יותר מביאה להאצה יעילה יותר.נהגי קרן Li-ion דורשים זרמי שיא Li3+ העולה על 10 mA.
בעבודה זו אנו מדגימים את התאוצה של קרני Li3+ עם זרמי שיא של עד 35 mA, אשר ניתן להשוות למאיצי פרוטונים מתקדמים.קרן הליתיום המקורית נוצרה באמצעות אבלציה בלייזר ותוכנית השתלת פלזמה ישירה (DPIS) שפותחה במקור כדי להאיץ את C6+.קוודרופול לינאק (RFQ linac) בעיצוב מותאם אישית יוצר באמצעות מבנה תהודה בעל ארבעה מוטות.וידאנו שלקרן המאיץ יש את אנרגיית האלומה המחושבת בטוהר גבוה.ברגע שקרן Li3+ נקלטת ומאיצה ביעילות על ידי מאיץ תדר הרדיו (RF), קטע הלינאק (האיץ) הבא משמש כדי לספק את האנרגיה הדרושה ליצירת שטף נויטרונים חזק מהמטרה.
האצה של יונים עם ביצועים גבוהים היא טכנולוגיה מבוססת היטב.המשימה שנותרה של מימוש מחולל נויטרונים קומפקטי חדש ויעיל ביותר היא ליצור מספר רב של יוני ליתיום מופשטים לחלוטין וליצור מבנה מקבץ המורכב מסדרה של פולסי יונים המסונכרנים עם מחזור ה-RF במאיץ.תוצאות הניסויים שנועדו להשיג מטרה זו מתוארות בשלושת תת-הסעיפים הבאים: (1) יצירת אלומת ליתיום-יון נטולת לחלוטין, (2) האצת אלומה באמצעות RFQ linac שתוכנן במיוחד, ו-3) האצת ניתוח של הקורה כדי לבדוק את תוכנה.ב-Brookhaven National Laboratory (BNL), בנינו את מערך הניסוי המוצג באיור 2.
סקירה כללית של מערך הניסוי לניתוח מואץ של קרני ליתיום (אייר על ידי Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).מימין לשמאל, פלזמה אבלטיבית בלייזר נוצרת בתא האינטראקציה לייזר-מטרה ומועברת ל-RFQ linac.עם הכניסה למאיץ ה-RFQ, היונים מופרדים מהפלזמה ומוזרקים למאיץ ה-RFQ דרך שדה חשמלי פתאומי שנוצר מהפרש מתח של 52 קילו-וולט בין אלקטרודת החילוץ לאלקטרודת ה-RFQ באזור הסחף.היונים המופקים מואצים מ-22 keV/n ל-204 keV/n באמצעות אלקטרודות RFQ באורך 2 מטר.שנאי זרם (CT) המותקן במוצא ה-RFQ linac מספק מדידה לא הרסנית של זרם אלומת היונים.הקרן ממוקדת על ידי שלושה מגנטים מרובע-פולים ומכוונת למגנט דיפול, המפריד ומכוון את אלומת Li3+ לתוך הגלאי.מאחורי החריץ, נעשה שימוש ב-scintillator פלסטיק נשלף וכוס Faraday (FC) עם הטיה של עד -400 V כדי לזהות את האלומה המאיץ.
כדי ליצור יוני ליתיום מיוננים לחלוטין (Li3+), יש צורך ליצור פלזמה עם טמפרטורה מעל אנרגיית היינון השלישית שלה (122.4 eV).ניסינו להשתמש באבלציה בלייזר כדי לייצר פלזמה בטמפרטורה גבוהה.סוג זה של מקור יוני לייזר אינו נפוץ ליצירת קרני ליתיום יון מכיוון שמתכת ליתיום היא תגובתית ודורשת טיפול מיוחד.פיתחנו מערכת טעינת מטרה כדי למזער לחות וזיהום אוויר בעת התקנת רדיד ליתיום בתא האינטראקציה של לייזר ואקום.כל ההכנות של החומרים בוצעו בסביבה מבוקרת של ארגון יבש.לאחר התקנת רדיד הליתיום בתא מטרת הלייזר, הקרן הוקרנה בקרינת לייזר מפולסת Nd:YAG באנרגיה של 800 mJ לפולס.במיקוד היעד, צפיפות הספק הלייזר מוערכת בכ-1012 W/cm2.פלזמה נוצרת כאשר לייזר דופק הורס מטרה בוואקום.במהלך כל דופק הלייזר של 6 ns, הפלזמה ממשיכה להתחמם, בעיקר בשל תהליך ה-bremsstrahlung ההפוך.מכיוון שלא מופעל שדה חיצוני מגביל במהלך שלב החימום, הפלזמה מתחילה להתרחב בתלת מימד.כאשר הפלזמה מתחילה להתרחב מעל פני המטרה, מרכז המסה של הפלזמה מקבל מהירות מאונכת למשטח המטרה באנרגיה של 600 eV/n.לאחר החימום, הפלזמה ממשיכה לנוע בכיוון הצירי מהמטרה, ומתרחבת איזוטרופית.
כפי שמוצג באיור 2, פלזמת האבלציה מתרחבת לנפח ואקום מוקף במיכל מתכת בעל פוטנציאל זהה למטרה.לפיכך, הפלזמה נסחפת דרך האזור נטול השדה לעבר מאיץ ה-RFQ.שדה מגנטי צירי מופעל בין תא קרינת הלייזר ל-RFQ linac באמצעות סליל סולנואיד הכרוך סביב תא הוואקום.השדה המגנטי של הסולנואיד מדכא את ההתרחבות הרדיאלית של הפלזמה הנסחפת על מנת לשמור על צפיפות פלזמה גבוהה במהלך המסירה לצמצם ה-RFQ.מצד שני, הפלזמה ממשיכה להתרחב בכיוון הצירי במהלך הסחף, ויוצרת פלזמה מוארכת.הטיית מתח גבוה מופעלת על כלי המתכת המכיל את הפלזמה מול יציאת היציאה בכניסת RFQ.מתח ההטיה נבחר כדי לספק את קצב ההזרקה הנדרש 7Li3+ להאצה נכונה על ידי ה-RFQ linac.
פלזמת האבלציה המתקבלת מכילה לא רק 7Li3+, אלא גם ליתיום במצבי טעינה אחרים ואלמנטים מזהמים, אשר מועברים בו זמנית אל המאיץ הליניארי RFQ.לפני ניסויים מואצים בשימוש ב-RFQ linac, בוצע ניתוח זמן טיסה לא מקוון (TOF) כדי לחקור את הרכב וחלוקת האנרגיה של יונים בפלזמה.ההגדרה האנליטית המפורטת והתפלגויות מצב הטעינה שנצפו מוסברות בסעיף שיטות.הניתוח הראה שיוני 7Li3+ היו החלקיקים העיקריים, המהווים כ-54% מכלל החלקיקים, כפי שמוצג באיור 3. לפי הניתוח, זרם היונים 7Li3+ בנקודת המוצא של אלומת היונים מוערך ב-1.87 mA.במהלך בדיקות מואצות, שדה סולנואיד של 79 mT מופעל על הפלזמה המתרחבת.כתוצאה מכך, זרם 7Li3+ שהופק מהפלזמה ונצפה על הגלאי עלה בפקטור של 30.
שברים של יונים בפלזמה שנוצרה בלייזר המתקבלים על ידי ניתוח זמן טיסה.יוני 7Li1+ ו-7Li2+ מהווים 5% ו-25% מקרן היונים, בהתאמה.החלק שזוהה של חלקיקי 6Li תואם את התוכן הטבעי של 6Li (7.6%) במטרה של רדיד הליתיום בתוך שגיאת הניסוי.נצפה זיהום קל בחמצן (6.2%), בעיקר O1+ (2.1%) ו-O2+ (1.5%), אשר עשוי לנבוע מחמצון פני השטח של מטרת נייר הליתיום.
כפי שהוזכר קודם לכן, פלזמת הליתיום נסחפת באזור חסר שדה לפני הכניסה ל-RFQ linac.לכניסה של RFQ linac יש חור בקוטר 6 מ"מ במיכל מתכת, ומתח ההטיה הוא 52 קילו וולט.למרות שמתח אלקטרודת ה-RFQ משתנה במהירות ±29 קילוואט ב-100 מגה-הרץ, המתח גורם להאצה צירית מכיוון שלאלקטרודות מאיץ ה-RFQ יש פוטנציאל ממוצע של אפס.בשל השדה החשמלי החזק שנוצר במרווח של 10 מ"מ בין הפתח לקצה האלקטרודה RFQ, רק יוני פלזמה חיוביים מופקים מהפלזמה בצמצם.במערכות העברת יונים מסורתיות, היונים מופרדים מהפלזמה על ידי שדה חשמלי במרחק ניכר מול מאיץ ה-RFQ ולאחר מכן ממוקדים לתוך צמצם ה-RFQ על ידי אלמנט מיקוד קרן.עם זאת, עבור קרני היונים הכבדים האינטנסיביים הנדרשים למקור נויטרונים אינטנסיבי, כוחות דחייה לא ליניאריים עקב השפעות מטען החלל עלולים להוביל לאובדן זרם אלומה משמעותי במערכת הובלת היונים, להגביל את זרם השיא שניתן להאיץ.ב-DPIS שלנו, יונים בעוצמה גבוהה מועברים כפלזמה נסחפת ישירות לנקודת היציאה של צמצם ה-RFQ, כך שאין אובדן של אלומת היונים עקב מטען החלל.במהלך הדגמה זו, DPIS הוחל על קרן ליתיום-יון בפעם הראשונה.
מבנה ה-RFQ פותח למיקוד והאצת קרני יונים באנרגיה נמוכה והפך לסטנדרט להאצה מסדר ראשון.השתמשנו ב-RFQ כדי להאיץ יוני 7Li3+ מאנרגיית שתל של 22 keV/n ל-204 keV/n.למרות שגם ליתיום וחלקיקים אחרים בעלי מטען נמוך יותר בפלזמה מופקים מהפלזמה ומוזרקים לצמצם ה-RFQ, ה-RFQ linac רק מאיץ יונים עם יחס מטען למסה (Q/A) קרוב ל-7Li3+.
על איור.איור 4 מציג את צורות הגל שזוהו על ידי שנאי הזרם (CT) במוצא ה-RFQ linac ו-Faraday cup (FC) לאחר ניתוח המגנט, כפי שמוצג באיור.2. שינוי הזמן בין האותות יכול להתפרש כהבדל בזמן הטיסה במיקום הגלאי.שיא זרם היונים שנמדד ב-CT היה 43 mA.במצב RT, האלומה הרשומה יכולה להכיל לא רק יונים המואצים לאנרגיה המחושבת, אלא גם יונים מלבד 7Li3+, שאינם מואצים מספיק.עם זאת, הדמיון של צורות זרם היונים שנמצאו באמצעות QD ו-PC מצביע על כך שזרם היונים מורכב בעיקר מ-7Li3+ מואץ, והירידה בערך השיא של הזרם ב-PC נגרמת מאיבודי אלומה במהלך העברת יונים בין QD ל-QD PC.הפסדים זה מאושר גם על ידי הדמיית המעטפה.כדי למדוד במדויק את זרם האלומה 7Li3+, הקרן מנותחת באמצעות מגנט דיפול כפי שמתואר בסעיף הבא.
אוסצילוגרמות של האלומה המואצת מתועדת בעמדות הגלאי CT (עקומה שחורה) ו-FC (עקומה אדומה).מדידות אלו מופעלות על ידי זיהוי קרינת לייזר על ידי photodetector במהלך יצירת פלזמה בלייזר.העקומה השחורה מציגה את צורת הגל הנמדדת ב-CT המחובר לפלט RFQ linac.בשל קרבתו ל-RFQ linac, הגלאי קולט רעש RF של 100 מגה-הרץ, ולכן הוחל מסנן FFT במעבר נמוך של 98 מגה-הרץ כדי להסיר את אות ה-RF התהודה של 100 מגה-הרץ שהונחה על אות הזיהוי.העקומה האדומה מציגה את צורת הגל ב-FC לאחר שהמגנט האנליטי מכוון את אלומת היונים 7Li3+.בשדה מגנטי זה, מלבד 7Li3+, ניתן להעביר N6+ ו-O7+.
קרן היונים לאחר ה-RFQ linac ממוקדת על ידי סדרה של שלושה מגנטים ממוקדים מרובע פולים ולאחר מכן מנותחת על ידי מגנטים דיפוליים כדי לבודד זיהומים בקרן היונים.שדה מגנטי של 0.268 T מכוון את אלומות 7Li3+ לתוך ה-FC.צורת הגל לזיהוי של שדה מגנטי זה מוצגת כעקומה האדומה באיור 4. שיא זרם האלומה מגיע ל-35 mA, שהוא יותר מפי 100 גבוה יותר מקרן Li3+ טיפוסית המיוצרת במאיצים אלקטרוסטטיים קונבנציונליים קיימים.רוחב פולס האלומה הוא 2.0 מיקרון ברוחב מלא בחצי מקסימום.זיהוי אלומת 7Li3+ עם שדה מגנטי דיפול מצביע על צרור מוצלח והאצת אלומה.זרם אלומת היונים שזוהה על ידי FC בעת סריקת השדה המגנטי של הדיפול מוצג באיור 5. נצפתה שיא יחיד נקי, מופרד היטב מפסגות אחרות.מכיוון שלכל היונים המואצים לאנרגיית התכנון על ידי ה-RFQ linac יש אותה מהירות, קשה להפריד אלומות יונים עם אותו Q/A על ידי שדות מגנטיים דיפוליים.לכן, איננו יכולים להבחין בין 7Li3+ לבין N6+ או O7+.עם זאת, ניתן להעריך את כמות הזיהומים ממצבי טעינה שכנים.לדוגמה, ניתן להפריד בקלות את N7+ ו-N5+, בעוד N6+ עשוי להיות חלק מהטומאה וצפוי להיות נוכח בערך באותה כמות כמו N7+ ו-N5+.רמת הזיהום המוערכת היא כ-2%.
ספקטרום של רכיבי קרן המתקבלים על ידי סריקת שדה מגנטי דיפול.השיא ב-0.268 T מתאים ל-7Li3+ ו-N6+.רוחב השיא תלוי בגודל הקורה על החריץ.למרות פסגות רחבות, 7Li3+ נפרד היטב מ-6Li3+, O6+ ו-N5+, אך נפרד בצורה גרועה מ-O7+ ו-N6+.
במיקום ה-FC, פרופיל האלומה אושר באמצעות נצנץ תוסף ותועד במצלמה דיגיטלית מהירה כפי שמוצג באיור 6. הקרן הפועמת 7Li3+ עם זרם של 35 mA מוצגת כמואצת ל-RFQ מחושב אנרגיה של 204 keV/n, המקבילה ל-1.4 MeV, ומשודרת לגלאי FC.
פרופיל קרן נצפה על מסך נצנוץ לפני FC (בצבע פיג'י, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).השדה המגנטי של המגנט הדיפול האנליטי היה מכוון כדי לכוון את ההאצה של אלומת היונים Li3+ ל-RFQ של אנרגיית התכנון.הנקודות הכחולות באזור הירוק נגרמות על ידי חומר נצנץ פגום.
השגנו את היצירה של יוני 7Li3+ על ידי אבלציה בלייזר של פני השטח של רדיד ליתיום מוצק, וקרן יונים עם זרם גבוה נלכדה והאצה עם RFQ linac שתוכנן במיוחד באמצעות DPIS.באנרגיית אלומה של 1.4 MeV, שיא הזרם של 7Li3+ שהגיע ב-FC לאחר ניתוח המגנט היה 35 mA.זה מאשר שהחלק החשוב ביותר ביישום של מקור נויטרונים עם קינמטיקה הפוכה יושם בניסוי.בחלק זה של המאמר, יידון כל התכנון של מקור נויטרונים קומפקטי, כולל מאיצי אנרגיה גבוהה ותחנות מטרה נויטרונים.התכנון מבוסס על תוצאות שהתקבלו במערכות קיימות במעבדה שלנו.יש לציין שניתן להגדיל עוד יותר את זרם השיא של קרן היונים על ידי קיצור המרחק בין רדיד הליתיום ל-RFQ linac.אורז.7 ממחיש את כל הרעיון של מקור הנייטרונים הקומפקטי המוצע במאיץ.
עיצוב קונספטואלי של מקור הנייטרונים הקומפקטי המוצע במאיץ (צויר על ידי Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).מימין לשמאל: מקור יוני לייזר, מגנט סולנואיד, RFQ linac, העברת קרן אנרגיה בינונית (MEBT), IH linac ותא אינטראקציה לייצור נויטרונים.הגנת קרינה ניתנת בעיקר בכיוון קדימה בשל האופי המכוון הצר של קרני הנייטרונים המיוצרות.
לאחר ה-RFQ linac, מתוכננת האצה נוספת של ה-Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac.IH linacs משתמשים במבנה צינור סחף במצב π כדי לספק שיפועים גבוהים של שדה חשמלי על פני טווח מסוים של מהירויות.המחקר הרעיוני בוצע על בסיס הדמיית דינמיקה אורכית 1D וסימולציית מעטפת תלת מימדית.חישובים מראים ש-100 MHz IH linac עם מתח צינור סחף סביר (פחות מ-450 קילוואט) ומגנט מיקוד חזק יכולים להאיץ אלומת 40 mA מ-1.4 ל-14 MeV במרחק של 1.8 מ'.פיזור האנרגיה בסוף שרשרת המאיץ מוערך ב-± 0.4 MeV, דבר שאינו משפיע באופן משמעותי על ספקטרום האנרגיה של נויטרונים המיוצרים על ידי יעד המרת הנייטרונים.בנוסף, פליטת האלומה נמוכה מספיק כדי למקד את האלומה לנקודת אלומה קטנה יותר ממה שנדרש בדרך כלל עבור מגנט קוואדרופול בחוזק בינוני ובגודל.בהעברת אלומת אנרגיה בינונית (MEBT) בין ה-RFQ linac ל-IH linac, המהוד ליצירת קרן משמש לשמירה על מבנה יצירת האלומה.שלושה מגנטים קוואדרופולים משמשים לשליטה בגודל האלומה הצדדית.אסטרטגיית עיצוב זו שימשה במאיצים רבים31,32,33.האורך הכולל של כל המערכת ממקור היונים לתא המטרה מוערך בפחות מ-8 מ', שיכולים להתאים למשאית סמי טריילר סטנדרטית.
יעד המרת הנייטרונים יותקן ישירות אחרי המאיץ הליניארי.אנו דנים בתכנוני תחנות יעד המבוססים על מחקרים קודמים תוך שימוש בתרחישים קינמטיים הפוכים23.יעדי ההמרה המדווחים כוללים חומרים מוצקים (פוליפרופילן (C3H6) וטיטניום הידריד (TiH2)) ומערכות מטרות גזיות.לכל מטרה יש יתרונות וחסרונות.מטרות מוצקות מאפשרות בקרת עובי מדויקת.ככל שהמטרה דקה יותר, כך הסידור המרחבי של ייצור נויטרונים מדויק יותר.עם זאת, ייתכן שלמטרות כאלה עדיין יש מידה מסוימת של תגובות גרעיניות לא רצויות וקרינה.מצד שני, יעד מימן יכול לספק סביבה נקייה יותר על ידי ביטול הייצור של 7Be, התוצר העיקרי של התגובה הגרעינית.עם זאת, למימן יש יכולת מחסום חלשה ודורש מרחק פיזי גדול לשחרור אנרגיה מספק.זה מעט חסרון עבור מדידות TOF.בנוסף, אם נעשה שימוש בסרט דק כדי לאטום יעד מימן, יש צורך לקחת בחשבון את הפסדי האנרגיה של קרני גמא הנוצרות מהסרט הדק וקרן הליתיום הנכנסת.
LICORNE משתמשת במטרות פוליפרופילן ומערכת המטרה שודרגה לתאי מימן אטומים בנייר טנטלום.בהנחה לזרם אלומה של 100 nA עבור 7Li34, שתי מערכות המטרה יכולות לייצר עד 107 n/s/sr.אם נחיל את המרת תפוקת הנייטרונים הנטענת על מקור הנייטרונים המוצע שלנו, אז ניתן להשיג קרן מונעת ליתיום של 7 × 10-8 C עבור כל פולס לייזר.המשמעות היא שירי הלייזר רק פעמיים בשנייה מייצר 40% יותר נויטרונים ממה ש-LICORNE יכול לייצר בשנייה אחת עם קרן רציפה.ניתן להגדיל בקלות את השטף הכולל על ידי הגדלת תדירות העירור של הלייזר.אם נניח שקיימת מערכת לייזר של 1 קילו-הרץ בשוק, ניתן להגדיל בקלות את שטף הנייטרונים הממוצע לכ-7 × 109 n/s/sr.
כאשר אנו משתמשים במערכות חזרות גבוהות עם מטרות פלסטיק, יש צורך לשלוט ביצירת החום על המטרות מכיוון, למשל, לפוליפרופילן יש נקודת התכה נמוכה של 145-175 מעלות צלזיוס ומוליכות תרמית נמוכה של 0.1-0.22 W/ מ/ק.עבור אלומת ליתיום-יון של 14 MeV, מטרת פוליפרופילן בעובי של 7 מיקרומטר מספיקה כדי להפחית את אנרגיית האלומה לסף התגובה (13.098 MeV).אם לוקחים בחשבון את ההשפעה הכוללת של יונים שנוצרו על ידי יריית לייזר אחת על המטרה, שחרור האנרגיה של יוני ליתיום דרך פוליפרופילן מוערך ב-64 mJ/פולס.בהנחה שכל האנרגיה מועברת במעגל בקוטר של 10 מ"מ, כל פעימה מתאימה לעלייה בטמפרטורה של כ-18 K/פולס.שחרור אנרגיה על מטרות פוליפרופילן מבוסס על ההנחה הפשוטה שכל הפסדי האנרגיה מאוחסנים כחום, ללא קרינה או הפסדי חום אחרים.מכיוון שהגדלת מספר הפולסים לשנייה דורשת ביטול הצטברות חום, אנו יכולים להשתמש במטרות רצועות כדי להימנע משחרור אנרגיה באותה נקודה23.בהנחה שנקודת קרן של 10 מ"מ על מטרה עם קצב חזרת לייזר של 100 הרץ, מהירות הסריקה של סרט הפוליפרופילן תהיה 1 מטר/שניה.יתכנו שיעורי חזרות גבוהים יותר אם מותרת חפיפת נקודות אלומה.
חקרנו גם מטרות עם סוללות מימן, כי ניתן להשתמש באלומות הנעה חזקות יותר מבלי לפגוע במטרה.ניתן לכוון את קרן הנייטרונים בקלות על ידי שינוי אורך תא הגזים ולחץ המימן שבתוכו.רדיד מתכת דק משמשים לעתים קרובות במאיצים כדי להפריד בין האזור הגזי של המטרה לוואקום.לכן, יש צורך להגביר את האנרגיה של קרן הליתיום-יון הנכנסת על מנת לפצות על הפסדי האנרגיה על הרדיד.מכלול המטרה המתואר בדוח 35 כלל מיכל אלומיניום באורך 3.5 ס"מ עם לחץ גז H2 של 1.5 אטמוספירה.קרן ליתיום יון בנפח 16.75 MeV נכנסת לסוללה דרך רדיד ה-Ta המקורר באוויר בגודל 2.7 מיקרומטר, והאנרגיה של קרן הליתיום יון בקצה הסוללה מואטת עד לסף התגובה.כדי להגדיל את אנרגיית האלומה של סוללות ליתיום-יון מ-14.0 MeV ל-16.75 MeV, היה צורך להאריך את ה-IH linac בכ-30 ס"מ.
כמו כן נחקרה פליטת נויטרונים ממטרות תאי גז.עבור יעדי הגז LICORNE שהוזכרו לעיל, סימולציות GEANT436 מראות שנויטרונים בעלי אוריינטציה גבוהה נוצרים בתוך החרוט, כפי שמוצג באיור 1 ב-[37].הפניה 35 מציגה את טווח האנרגיה בין 0.7 ל-3.0 MeV עם פתיחת חרוט מקסימלית של 19.5 מעלות ביחס לכיוון ההתפשטות של האלומה הראשית.נויטרונים בעלי אוריינטציה גבוהה יכולים להפחית משמעותית את כמות חומר המיגון ברוב הזוויות, להפחית את משקל המבנה ולספק גמישות רבה יותר בהתקנה של ציוד מדידה.מנקודת המבט של הגנת קרינה, בנוסף לנייטרונים, מטרה גזי זו פולטת קרני גמא של 478 keV באופן איזוטרופי במערכת הקואורדינטות המרכזית38.קרני γ אלו מיוצרות כתוצאה מהדעיכה של 7Be ו-7Li דה-excitation, המתרחשת כאשר אלומת Li הראשית פוגעת בחלון הקלט Ta.עם זאת, על ידי הוספת קולימטור גלילי עבה 35 Pb/Cu, ניתן להפחית משמעותית את הרקע.
כמטרה חלופית, ניתן להשתמש בחלון פלזמה [39, 40], המאפשר להשיג לחץ מימן גבוה יחסית ואזור מרחבי קטן של ייצור נויטרונים, למרות שהוא נחות ממטרות מוצקות.
אנו חוקרים אפשרויות מיקוד המרת נויטרונים עבור חלוקת האנרגיה הצפויה וגודל האלומה של קרן ליתיום באמצעות GEANT4.הסימולציות שלנו מראות התפלגות עקבית של אנרגיית נויטרונים והתפלגות זוויתית עבור מטרות מימן בספרות לעיל.בכל מערכת מטרה, נויטרונים בעלי אוריינטציה גבוהה יכולים להיות מיוצרים על ידי תגובה קינמטית הפוכה המונעת על ידי אלומת 7Li3+ חזקה על מטרה עשירה במימן.לכן, ניתן ליישם מקורות נויטרונים חדשים על ידי שילוב של טכנולוגיות קיימות כבר.
תנאי קרינת הלייזר שיחזרו ניסויים בהפקת קרן יונים לפני ההדגמה המואצת.הלייזר הוא מערכת Nd:YAG שולחנית של ננו-שניות עם צפיפות הספק לייזר של 1012 W/cm2, אורך גל בסיסי של 1064 ננומטר, אנרגיית נקודתית של 800 mJ ומשך פולס של 6 ns.קוטר הנקודה על המטרה מוערך ב-100 מיקרומטר.מכיוון שמתכת הליתיום (אלפא איסר, 99.9% טהורה) רכה למדי, החומר החתוך במדויק נלחץ לתוך התבנית.מידות נייר כסף 25 מ"מ × 25 מ"מ, עובי 0.6 מ"מ.נזק דמוי מכתש מתרחש על פני המטרה כאשר לייזר פוגע בה, כך שהמטרה מזיזה על ידי פלטפורמה ממונעת כדי לספק חלק טרי משטח המטרה בכל יריית לייזר.כדי למנוע ריקומבינציה עקב שאריות גז, הלחץ בתא נשמר מתחת לטווח של 10-4 Pa.
הנפח הראשוני של פלזמת הלייזר קטן, שכן גודל נקודת הלייזר הוא 100 מיקרומטר ובתוך 6 נ"ס לאחר היווצרותו.ניתן לקחת את הנפח כנקודה מדויקת ולהרחיב.אם הגלאי ממוקם במרחק xm ממשטח המטרה, אז האות המתקבל מציית לקשר: זרם יונים I, זמן הגעת יונים t ורוחב הדופק τ.
הפלזמה שנוצרה נחקרה בשיטת TOF עם FC ומנתח יוני אנרגיה (EIA) הממוקם במרחק של 2.4 מ' ו-3.85 מ' ממטרת הלייזר.ל-FC יש רשת מדכאת מוטה ב-5 קילוואט כדי למנוע אלקטרונים.ל-EIA יש מסיט אלקטרוסטטי של 90 מעלות המורכב משתי אלקטרודות גליליות מתכת קואקסיאליות בעלות אותו מתח אך קוטביות הפוכה, חיובית מבחוץ ושלילית מבפנים.הפלזמה המתרחבת מופנית אל המסיט שמאחורי החריץ ומוסטת על ידי השדה החשמלי העובר דרך הגליל.יונים העונים על הקשר E/z = eKU מתגלים באמצעות מכפיל אלקטרונים משני (SEM) (Hamamatsu R2362), כאשר E, z, e, K ו-U הם אנרגיית היונים, מצב המטען והמטען הם גורמים גיאומטריים EIA .אלקטרונים, בהתאמה, והפרש הפוטנציאל בין האלקטרודות.על ידי שינוי המתח על פני המסיט, ניתן לקבל את חלוקת האנרגיה והמטען של יונים בפלזמה.מתח הסוויפ U/2 EIA הוא בטווח שבין 0.2 וולט ל-800 וולט, המתאים לאנרגיית יון בטווח שבין 4 eV ל- 16 keV לכל מצב טעינה.
ההתפלגות של מצב המטען של היונים שנותחו בתנאי הקרנת לייזר המתוארים בסעיף "יצירת קרני ליתיום מופשטות לחלוטין" מוצגות באיורים.8.
ניתוח התפלגות מצב המטען של יונים.להלן פרופיל הזמן של צפיפות זרם היונים מנותח עם EIA והוקם בקנה מידה של 1 מטר מרדיד הליתיום באמצעות המשוואה.(1) ו-(2).השתמש בתנאי קרינת הלייזר המתוארים בסעיף "יצירת קרן ליתיום מגולפת לחלוטין".על ידי שילוב כל צפיפות זרם, חושב שיעור היונים בפלזמה, המוצג באיור 3.
מקורות יונים בלייזר יכולים לספק אלומת יונים מרובת mA אינטנסיבית עם מטען גבוה.עם זאת, העברת אלומה קשה מאוד בגלל דחיית מטענים בחלל, ולכן לא נעשה בה שימוש נרחב.בתכנית המסורתית, אלומת יונים מופקות מהפלזמה ומועברות למאיץ הראשוני לאורך קו אלומה עם מספר מגנטים ממקדים לעיצוב אלומת היונים בהתאם ליכולת האיסוף של המאיץ.באלומות כוח מטען בחלל, הקורות מתפצלות בצורה לא ליניארית, ונצפו הפסדי אלומה רציניים, במיוחד באזור המהירויות הנמוכות.כדי להתגבר על בעיה זו בפיתוח מאיצי פחמן רפואיים, מוצעת ערכת העברת קרן DPIS41 חדשה.יישמנו טכניקה זו כדי להאיץ קרן ליתיום-יון חזקה ממקור נויטרונים חדש.
כפי שמוצג באיור.4, החלל בו נוצרת ומתרחבת הפלזמה מוקף במיכל מתכת.החלל הסגור משתרע עד לכניסה לתהודה RFQ, כולל הנפח בתוך סליל הסולנואיד.על המיכל הופעל מתח של 52 קילו וולט.במהוד RFQ, יונים נמשכים על ידי פוטנציאל דרך חור בקוטר 6 מ"מ על ידי הארקת ה-RFQ.כוחות הדחייה הלא ליניאריים על קו האלומה מתבטלים כאשר היונים מועברים במצב הפלזמה.בנוסף, כפי שהוזכר לעיל, הפעלנו שדה סולנואיד בשילוב עם DPIS כדי לשלוט ולהגדיל את צפיפות היונים בצמצם החילוץ.
מאיץ ה-RFQ מורכב מתא ואקום גלילי כפי שמוצג באיור.9א.בתוכו, ארבעה מוטות של נחושת נטולת חמצן ממוקמים בצורה מרובעת-סימטרית סביב ציר הקורה (איור 9b).4 מוטות וחדרים יוצרים מעגל RF תהודה.שדה ה-RF המושרה יוצר מתח משתנה בזמן על פני המוט.יונים המושתלים לאורך הציר מוחזקים לרוחב על ידי שדה המרובע.במקביל, קצה המוט מאופנן ליצירת שדה חשמלי צירי.השדה הצירי מפצל את האלומה הרציפה המוזרקת לסדרה של פולסי אלומה הנקראים אלומה.כל אלומה מוכלת בתוך זמן מחזור RF מסוים (10 ns).אלומות סמוכות מרווחות בהתאם לתקופת תדר הרדיו.ב-RFQ linac, אלומת 2 מיקרון ממקור יוני לייזר מומרת לרצף של 200 קרניים.לאחר מכן מואצת האלומה לאנרגיה המחושבת.
מאיץ ליניארי RFQ.(א) (משמאל) מבט חיצוני של תא RFQ linac.(ב) (מימין) אלקטרודת ארבע מוטות בתא.
הפרמטרים העיצוביים העיקריים של RFQ linac הם מתח המוט, תדר התהודה, רדיוס חור קרן ואפנון אלקטרודות.בחר את המתח על המוט ± 29 קילוואט כך שהשדה החשמלי שלו יהיה מתחת לסף התמוטטות החשמל.ככל שתדר התהודה נמוך יותר, כוח המיקוד הרוחבי גדול יותר ושדה התאוצה הממוצע קטן יותר.רדיוסי צמצם גדולים מאפשרים להגדיל את גודל האלומה, וכתוצאה מכך להגדיל את זרם האלומה עקב דחיית מטען החלל הקטנה יותר.מצד שני, רדיוסי צמצם גדולים יותר דורשים יותר כוח RF כדי להפעיל את ה-RFQ linac.בנוסף, הוא מוגבל על ידי דרישות האיכות של האתר.בהתבסס על איזונים אלו, תדר התהודה (100 מגה-הרץ) ורדיוס הצמצם (4.5 מ"מ) נבחרו להאצת אלומת זרם גבוה.האפנון נבחר כדי למזער אובדן אלומה ולמקסם את יעילות התאוצה.העיצוב עבר אופטימיזציה פעמים רבות כדי לייצר עיצוב RFQ linac שיכול להאיץ יוני 7Li3+ ב-40 mA מ-22 keV/n ל-204 keV/n בתוך 2 מ'.הספק ה-RF שנמדד במהלך הניסוי היה 77 קילוואט.
RFQ linacs יכול להאיץ יונים עם טווח Q/A ספציפי.לכן, בעת ניתוח קרן המוזנת לקצה מאיץ ליניארי, יש צורך לקחת בחשבון איזוטופים וחומרים אחרים.בנוסף, היונים הרצויים, מואצים חלקית, אך יורדים בתנאי האצה באמצע המאיץ, עדיין יכולים לעמוד בכליאה לרוחב וניתנים להובלה עד הסוף.קרניים לא רצויות מלבד חלקיקי 7Li3+ מהונדסים נקראות זיהומים.בניסויים שלנו, זיהומים 14N6+ ו-16O7+ היו הדאגה הגדולה ביותר, מכיוון שרדיד מתכת הליתיום מגיב עם חמצן וחנקן באוויר.ליונים אלו יחס Q/A שניתן להאיץ עם 7Li3+.אנו משתמשים במגנטים דיפולים להפרדת אלומות באיכות ואיכות שונה לצורך ניתוח קרן לאחר ה-RFQ linac.
קו האלומה לאחר ה-RFQ linac מיועד לספק את אלומת 7Li3+ המואצת במלואה ל-FC לאחר המגנט הדיפול.אלקטרודות הטיה של -400 V משמשות לדיכוי אלקטרונים משניים בכוס כדי למדוד במדויק את זרם אלומת היונים.עם אופטיקה זו, מסלולי היונים מופרדים לדיפולים וממוקדים במקומות שונים בהתאם לשאלות/תשובות.בשל גורמים שונים כגון דיפוזיה של מומנטום ודחיפת מטענים בחלל, לקרן במוקד יש רוחב מסוים.ניתן להפריד את המינים רק אם המרחק בין מיקומי המוקד של שני מיני היונים גדול מרוחב האלומה.כדי לקבל את הרזולוציה הגבוהה ביותר האפשרית, מותקן חריץ אופקי ליד מותני הקורה, שם הקרן מרוכזת כמעט.בין החריץ למחשב הותקן מסך נצנוץ (CsI(Tl) מ-Saint-Gobain, 40 מ"מ × 40 מ"מ × 3 מ"מ.הניצוץ שימש לקביעת החריץ הקטן ביותר שדרכו החלקיקים המעוצבים נאלצו לעבור לרזולוציה אופטימלית ולהדגים גדלי אלומה מקובלים עבור קרני יונים כבדים בזרם גבוה.תמונת האלומה על הניצוץ מוקלטת על ידי מצלמת CCD דרך חלון ואקום.התאם את חלון זמן החשיפה כדי לכסות את כל רוחב פולס האלומה.
מערכי נתונים המשמשים או נותחו במחקר הנוכחי זמינים מהמחברים בהתאמה לפי בקשה סבירה.
Manke, I. et al.הדמיה תלת מימדית של תחומים מגנטיים.קומונה לאומית.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
אנדרסון, IS et al.אפשרויות לימוד מקורות נויטרונים קומפקטיים במאיצים.פיזיקה.נציג 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.מיקרוטומוגרפיה ממוחשבת מבוססת ניוטרונים: Pliobates cataloniae ו-Berberapithecus huerzeleri כמקרי בדיקה.כן.י. פיזיקה.אַנתרוֹפּוֹלוֹגִיָה.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).