Fornitori di tubi a spirale in acciaio inossidabile 304L 6,35 * 1 mm, Dimostrazione di un intenso fascio di litio per generare neutroni diretti pulsati

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Come alternativa allo studio dei reattori nucleari, un generatore di neutroni compatto azionato da un acceleratore che utilizzi un driver del fascio agli ioni di litio potrebbe essere un candidato promettente perché produce poche radiazioni indesiderate.Tuttavia, era difficile erogare un intenso fascio di ioni di litio e l’applicazione pratica di tali dispositivi era considerata impossibile.Il problema più acuto del flusso ionico insufficiente è stato risolto applicando uno schema di impianto diretto del plasma.In questo schema, un plasma pulsato ad alta densità generato mediante ablazione laser di un foglio di litio metallico viene iniettato e accelerato in modo efficiente da un acceleratore quadrupolare ad alta frequenza (acceleratore RFQ).Abbiamo raggiunto una corrente di picco del fascio di 35 mA accelerata a 1,43 MeV, che è due ordini di grandezza superiore a quella che i sistemi convenzionali di iniettori e acceleratori possono fornire.
A differenza dei raggi X o delle particelle cariche, i neutroni hanno una grande profondità di penetrazione e un'interazione unica con la materia condensata, che li rende sonde estremamente versatili per lo studio delle proprietà dei materiali1,2,3,4,5,6,7.In particolare, le tecniche di diffusione dei neutroni sono comunemente utilizzate per studiare la composizione, la struttura e le tensioni interne nella materia condensata e possono fornire informazioni dettagliate sui composti in tracce nelle leghe metalliche che sono difficili da rilevare utilizzando la spettroscopia a raggi X8.Questo metodo è considerato un potente strumento nella scienza di base e viene utilizzato dai produttori di metalli e altri materiali.Più recentemente, la diffrazione dei neutroni è stata utilizzata per rilevare le sollecitazioni residue in componenti meccanici come parti di ferrovie e aerei9,10,11,12.I neutroni vengono utilizzati anche nei pozzi di petrolio e gas perché vengono facilmente catturati da materiali ricchi di protoni13.Metodi simili vengono utilizzati anche nell'ingegneria civile.I test non distruttivi con neutroni sono uno strumento efficace per rilevare guasti nascosti negli edifici, nei tunnel e nei ponti.L'uso dei fasci di neutroni è utilizzato attivamente nella ricerca scientifica e nell'industria, molti dei quali sono stati storicamente sviluppati utilizzando reattori nucleari.
Tuttavia, con il consenso globale sulla non proliferazione nucleare, costruire piccoli reattori a fini di ricerca sta diventando sempre più difficile.Inoltre, il recente incidente di Fukushima ha reso la costruzione di reattori nucleari quasi socialmente accettabile.In connessione con questa tendenza, cresce la domanda di sorgenti di neutroni negli acceleratori2.In alternativa ai reattori nucleari, sono già in funzione diverse grandi sorgenti di neutroni che dividono gli acceleratori14,15.Tuttavia, per un utilizzo più efficiente delle proprietà dei fasci di neutroni, è necessario espandere l'uso di sorgenti compatte negli acceleratori, 16 che possono appartenere ad enti di ricerca industriali e universitari.Le fonti di neutroni degli acceleratori hanno aggiunto nuove capacità e funzioni oltre a fungere da sostituti dei reattori nucleari14.Ad esempio, un generatore azionato dal linac può facilmente creare un flusso di neutroni manipolando il raggio propulsore.Una volta emessi, i neutroni sono difficili da controllare e le misurazioni delle radiazioni sono difficili da analizzare a causa del rumore creato dai neutroni di fondo.I neutroni pulsati controllati da un acceleratore evitano questo problema.In tutto il mondo sono stati proposti numerosi progetti basati sulla tecnologia degli acceleratori di protoni17,18,19.Le reazioni 7Li(p, n)7Be e 9Be(p, n)9B sono utilizzate più frequentemente nei generatori di neutroni compatti azionati da protoni perché sono reazioni endotermiche20.Le radiazioni in eccesso e le scorie radioattive possono essere ridotte al minimo se l'energia scelta per eccitare il fascio di protoni è leggermente superiore al valore di soglia.Tuttavia, la massa del nucleo bersaglio è molto più grande di quella dei protoni e i neutroni risultanti si diffondono in tutte le direzioni.Un'emissione così vicina all'isotropa di un flusso di neutroni impedisce un trasporto efficiente dei neutroni verso l'oggetto di studio.Inoltre, per ottenere la dose richiesta di neutroni nella posizione dell'oggetto, è necessario aumentare significativamente sia il numero di protoni in movimento che la loro energia.Di conseguenza, grandi dosi di raggi gamma e neutroni si propagheranno attraverso ampi angoli, distruggendo il vantaggio delle reazioni endotermiche.Un tipico generatore di neutroni compatto basato su protoni azionato da un acceleratore ha una forte schermatura contro le radiazioni ed è la parte più ingombrante del sistema.La necessità di aumentare l'energia di propulsione dei protoni richiede solitamente un ulteriore aumento delle dimensioni dell'acceleratore.
Per superare i limiti generali delle sorgenti di neutroni compatte convenzionali negli acceleratori, è stato proposto uno schema di reazione cinematica di inversione21.In questo schema, un fascio di ioni di litio più pesante viene utilizzato come raggio guida invece di un fascio di protoni, mirando a materiali ricchi di idrogeno come plastiche a base di idrocarburi, idruri, gas di idrogeno o plasma di idrogeno.Sono state prese in considerazione delle alternative, come i raggi guidati da ioni berillio, tuttavia, il berillio è una sostanza tossica che richiede particolare attenzione nella manipolazione.Pertanto, un fascio di litio è il più adatto per schemi di reazione cinematica di inversione.Poiché la quantità di moto dei nuclei di litio è maggiore di quella dei protoni, il centro di massa delle collisioni nucleari si sposta costantemente in avanti e anche i neutroni vengono emessi in avanti.Questa caratteristica elimina notevolmente i raggi gamma indesiderati e le emissioni di neutroni ad alto angolo22.Un confronto tra il caso usuale di un motore a protoni e lo scenario cinematico inverso è mostrato nella Figura 1.
Illustrazione degli angoli di produzione di neutroni per fasci di protoni e litio (disegnata con Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) I neutroni possono essere espulsi in qualsiasi direzione come risultato della reazione poiché i protoni in movimento colpiscono gli atomi molto più pesanti del bersaglio di litio.(b) Al contrario, se un driver agli ioni di litio bombarda un bersaglio ricco di idrogeno, i neutroni vengono generati in un cono stretto nella direzione in avanti a causa dell'elevata velocità del centro di massa del sistema.
Tuttavia, esistono solo pochi generatori di neutroni a cinematica inversa a causa della difficoltà di generare il flusso richiesto di ioni pesanti con una carica elevata rispetto ai protoni.Tutti questi impianti utilizzano sorgenti di ioni sputter negativi in ​​combinazione con acceleratori elettrostatici tandem.Sono stati proposti altri tipi di sorgenti ioniche per aumentare l'efficienza dell'accelerazione del fascio26.In ogni caso, la corrente del fascio di ioni di litio disponibile è limitata a 100 µA.È stato proposto di utilizzare 1 mA di Li3+27, ma questa corrente del fascio ionico non è stata confermata con questo metodo.In termini di intensità, gli acceleratori a fascio di litio non possono competere con gli acceleratori a fascio di protoni la cui corrente di picco dei protoni supera i 10 mA28.
Per realizzare un pratico generatore di neutroni compatto basato su un fascio di ioni di litio, è vantaggioso generare alta intensità completamente priva di ioni.Gli ioni vengono accelerati e guidati da forze elettromagnetiche e un livello di carica più elevato si traduce in un'accelerazione più efficiente.I driver del fascio agli ioni di litio richiedono correnti di picco Li3+ superiori a 10 mA.
In questo lavoro dimostriamo l'accelerazione dei fasci di Li3+ con correnti di picco fino a 35 mA, paragonabili agli acceleratori di protoni avanzati.Il fascio originale di ioni di litio è stato creato utilizzando l’ablazione laser e uno schema di impianto di plasma diretto (DPIS) originariamente sviluppato per accelerare C6+.Un linac quadrupolo a radiofrequenza progettato su misura (linac RFQ) è stato fabbricato utilizzando una struttura risonante a quattro aste.Abbiamo verificato che il raggio in accelerazione ha l'energia del raggio ad alta purezza calcolata.Una volta che il fascio Li3+ viene effettivamente catturato e accelerato dall'acceleratore a radiofrequenza (RF), la successiva sezione del linac (acceleratore) viene utilizzata per fornire l'energia necessaria per generare un forte flusso di neutroni dal bersaglio.
L'accelerazione degli ioni ad alte prestazioni è una tecnologia ben consolidata.Il compito rimanente della realizzazione di un nuovo generatore di neutroni compatto ed altamente efficiente è quello di generare un gran numero di ioni di litio completamente spogliati e formare una struttura a grappolo costituita da una serie di impulsi ionici sincronizzati con il ciclo RF nell'acceleratore.I risultati degli esperimenti progettati per raggiungere questo obiettivo sono descritti nelle seguenti tre sottosezioni: (1) generazione di un fascio completamente privo di ioni di litio, (2) accelerazione del fascio utilizzando un linac RFQ appositamente progettato e (3) accelerazione dell'analisi del fascio per controllarne il contenuto.Al Brookhaven National Laboratory (BNL), abbiamo costruito l'apparato sperimentale mostrato nella Figura 2.
Panoramica dell'apparato sperimentale per l'analisi accelerata dei fasci di litio (illustrato da Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Da destra a sinistra, il plasma ablativo laser viene generato nella camera di interazione laser-bersaglio e inviato al linac RFQ.Entrando nell'acceleratore RFQ, gli ioni vengono separati dal plasma e iniettati nell'acceleratore RFQ attraverso un improvviso campo elettrico creato da una differenza di tensione di 52 kV tra l'elettrodo di estrazione e l'elettrodo RFQ nella regione di deriva.Gli ioni estratti vengono accelerati da 22 keV/n a 204 keV/n utilizzando elettrodi RFQ lunghi 2 metri.Un trasformatore di corrente (CT) installato all'uscita del linac RFQ fornisce una misurazione non distruttiva della corrente del fascio ionico.Il raggio viene focalizzato da tre magneti quadrupolari e diretto verso un magnete dipolare, che separa e dirige il raggio Li3+ nel rilevatore.Dietro la fenditura, uno scintillatore plastico retrattile e una tazza di Faraday (FC) con una polarizzazione fino a -400 V vengono utilizzati per rilevare il raggio in accelerazione.
Per generare ioni di litio completamente ionizzati (Li3+), è necessario creare un plasma con una temperatura superiore alla terza energia di ionizzazione (122,4 eV).Abbiamo provato a utilizzare l'ablazione laser per produrre plasma ad alta temperatura.Questo tipo di sorgente ionica laser non è comunemente utilizzato per generare fasci di ioni di litio perché il litio metallico è reattivo e richiede una manipolazione speciale.Abbiamo sviluppato un sistema di caricamento del target per ridurre al minimo l'umidità e la contaminazione dell'aria durante l'installazione della lamina di litio nella camera di interazione del laser a vuoto.Tutte le preparazioni dei materiali sono state effettuate in un ambiente controllato di argon secco.Dopo che la lamina di litio è stata installata nella camera del bersaglio laser, la lamina è stata irradiata con radiazione laser Nd:YAG pulsata con un'energia di 800 mJ per impulso.Al fuoco del bersaglio, si stima che la densità di potenza del laser sia di circa 1012 W/cm2.Il plasma viene creato quando un laser pulsato distrugge un bersaglio nel vuoto.Durante l'intero impulso laser di 6 ns, il plasma continua a riscaldarsi, principalmente a causa del processo di bremsstrahlung inverso.Poiché durante la fase di riscaldamento non viene applicato alcun campo esterno confinante, il plasma inizia ad espandersi in tre dimensioni.Quando il plasma inizia ad espandersi sulla superficie bersaglio, il centro di massa del plasma acquisisce una velocità perpendicolare alla superficie bersaglio con un'energia di 600 eV/n.Dopo il riscaldamento, il plasma continua a muoversi in direzione assiale dal bersaglio, espandendosi isotropicamente.
Come mostrato nella Figura 2, il plasma di ablazione si espande in un volume di vuoto circondato da un contenitore metallico con lo stesso potenziale del bersaglio.Pertanto, il plasma si sposta attraverso la regione priva di campo verso l'acceleratore RFQ.Un campo magnetico assiale viene applicato tra la camera di irradiazione laser e il linac RFQ mediante una bobina solenoide avvolta attorno alla camera a vuoto.Il campo magnetico del solenoide sopprime l'espansione radiale del plasma alla deriva per mantenere un'elevata densità del plasma durante l'erogazione all'apertura RFQ.D'altra parte, il plasma continua ad espandersi in direzione assiale durante la deriva, formando un plasma allungato.Una polarizzazione ad alta tensione viene applicata al recipiente metallico contenente il plasma davanti alla porta di uscita all'ingresso RFQ.La tensione di polarizzazione è stata scelta per fornire la velocità di iniezione 7Li3+ richiesta per un'adeguata accelerazione da parte del linac RFQ.
Il plasma di ablazione risultante contiene non solo 7Li3+, ma anche litio in altri stati di carica ed elementi inquinanti, che vengono contemporaneamente trasportati all'acceleratore lineare RFQ.Prima degli esperimenti accelerati utilizzando il linac RFQ, è stata eseguita un'analisi del tempo di volo (TOF) offline per studiare la composizione e la distribuzione energetica degli ioni nel plasma.La configurazione analitica dettagliata e le distribuzioni dello stato di carica osservate sono spiegate nella sezione Metodi.L'analisi ha mostrato che gli ioni 7Li3+ erano le particelle principali, rappresentando circa il 54% di tutte le particelle, come mostrato in Fig. 3. Secondo l'analisi, la corrente ionica 7Li3+ nel punto di uscita del fascio ionico è stimata a 1,87 mA.Durante i test accelerati, al plasma in espansione viene applicato un campo solenoidale di 79 mT.Di conseguenza, la corrente 7Li3+ estratta dal plasma e osservata sul rivelatore è aumentata di un fattore pari a 30.
Frazioni di ioni nel plasma generato dal laser ottenute mediante analisi del tempo di volo.Gli ioni 7Li1+ e 7Li2+ costituiscono rispettivamente il 5% e il 25% del fascio ionico.La frazione rilevata di particelle 6Li concorda con il contenuto naturale di 6Li (7,6%) nel target della lamina di litio entro l'errore sperimentale.È stata osservata una leggera contaminazione da ossigeno (6,2%), principalmente O1+ (2,1%) e O2+ (1,5%), che potrebbe essere dovuta all'ossidazione della superficie del target in lamina di litio.
Come accennato in precedenza, il plasma di litio si sposta in una regione priva di campo prima di entrare nel linac RFQ.L'ingresso del linac RFQ ha un foro di 6 mm di diametro in un contenitore metallico e la tensione di polarizzazione è di 52 kV.Sebbene la tensione dell'elettrodo RFQ cambi rapidamente di ±29 kV a 100 MHz, la tensione provoca un'accelerazione assiale perché gli elettrodi dell'acceleratore RFQ hanno un potenziale medio pari a zero.A causa del forte campo elettrico generato nello spazio di 10 mm tra l'apertura e il bordo dell'elettrodo RFQ, dal plasma in corrispondenza dell'apertura vengono estratti solo gli ioni positivi del plasma.Nei tradizionali sistemi di erogazione di ioni, gli ioni vengono separati dal plasma da un campo elettrico a una distanza considerevole davanti all'acceleratore RFQ e quindi focalizzati nell'apertura RFQ da un elemento di focalizzazione del raggio.Tuttavia, per gli intensi fasci di ioni pesanti richiesti per un'intensa sorgente di neutroni, le forze repulsive non lineari dovute agli effetti di carica spaziale possono portare a significative perdite di corrente del fascio nel sistema di trasporto ionico, limitando la corrente di picco che può essere accelerata.Nel nostro DPIS, gli ioni ad alta intensità vengono trasportati come plasma alla deriva direttamente al punto di uscita dell'apertura RFQ, quindi non vi è alcuna perdita del fascio ionico a causa della carica spaziale.Durante questa dimostrazione, il DPIS è stato applicato per la prima volta a un fascio di ioni di litio.
La struttura RFQ è stata sviluppata per focalizzare e accelerare fasci ionici ad alta corrente a bassa energia ed è diventata lo standard per l'accelerazione del primo ordine.Abbiamo utilizzato RFQ per accelerare gli ioni 7Li3+ da un'energia di impianto da 22 keV/n a 204 keV/n.Sebbene anche il litio e altre particelle con una carica inferiore nel plasma vengano estratti dal plasma e iniettati nell'apertura RFQ, il linac RFQ accelera solo gli ioni con un rapporto carica/massa (Q/A) vicino a 7Li3+.
Nella fig.La Figura 4 mostra le forme d'onda rilevate dal trasformatore di corrente (CT) all'uscita del linac RFQ e della tazza di Faraday (FC) dopo aver analizzato il magnete, come mostrato in fig.2. Lo spostamento temporale tra i segnali può essere interpretato come la differenza nel tempo di volo nella posizione del rilevatore.La corrente ionica di picco misurata al CT era di 43 mA.Nella posizione RT, il raggio registrato può contenere non solo ioni accelerati all'energia calcolata, ma anche ioni diversi da 7Li3+, che non sono sufficientemente accelerati.Tuttavia, la somiglianza delle forme di corrente ionica riscontrata mediante QD e PC indica che la corrente ionica consiste principalmente di 7Li3+ accelerato e la diminuzione del valore di picco della corrente su PC è causata dalle perdite del fascio durante il trasferimento ionico tra QD e PC. computer.Perdite Ciò è confermato anche dalla simulazione dell'inviluppo.Per misurare con precisione la corrente del fascio 7Li3+, il fascio viene analizzato con un magnete dipolo come descritto nella sezione successiva.
Oscillogrammi del raggio accelerato registrati nelle posizioni del rilevatore CT (curva nera) e FC (curva rossa).Queste misurazioni vengono attivate dal rilevamento della radiazione laser da parte di un fotorilevatore durante la generazione del plasma laser.La curva nera mostra la forma d'onda misurata su un CT collegato all'uscita RFQ del linac.A causa della sua vicinanza al linac RFQ, il rilevatore rileva rumore RF da 100 MHz, quindi è stato applicato un filtro FFT passa basso da 98 MHz per rimuovere il segnale RF risonante da 100 MHz sovrapposto al segnale di rilevamento.La curva rossa mostra la forma d'onda in FC dopo che il magnete analitico ha diretto il fascio ionico 7Li3+.In questo campo magnetico possono essere trasportati oltre a 7Li3+ anche N6+ e O7+.
Il fascio ionico dopo il linac RFQ viene focalizzato da una serie di tre magneti di focalizzazione quadrupolari e quindi analizzato da magneti dipolari per isolare le impurità nel fascio ionico.Un campo magnetico di 0,268 T dirige i raggi 7Li3+ nell'FC.La forma d'onda di rilevamento di questo campo magnetico è mostrata come curva rossa nella Figura 4. La corrente di picco del raggio raggiunge 35 mA, ovvero oltre 100 volte superiore a quella di un tipico raggio Li3+ prodotto negli acceleratori elettrostatici convenzionali esistenti.L'ampiezza dell'impulso del raggio è di 2,0 µs a larghezza massima a metà massimo.Il rilevamento di un fascio 7Li3+ con un campo magnetico dipolare indica un raggruppamento riuscito e un'accelerazione del fascio.La corrente del fascio ionico rilevata da FC durante la scansione del campo magnetico del dipolo è mostrata in Fig. 5. È stato osservato un singolo picco pulito, ben separato dagli altri picchi.Poiché tutti gli ioni accelerati all'energia di progetto dal linac RFQ hanno la stessa velocità, i fasci ionici con lo stesso Q/A sono difficili da separare dai campi magnetici dipolari.Pertanto, non possiamo distinguere 7Li3+ da N6+ o O7+.Tuttavia, la quantità di impurità può essere stimata in base agli stati di carica vicini.Ad esempio, N7+ e N5+ possono essere facilmente separati, mentre N6+ può far parte dell'impurezza e si prevede che sia presente all'incirca nella stessa quantità di N7+ e N5+.Il livello di inquinamento stimato è di circa il 2%.
Spettri dei componenti del fascio ottenuti scansionando un campo magnetico dipolare.Il picco a 0,268 T corrisponde a 7Li3+ e N6+.L'ampiezza del picco dipende dalla dimensione del raggio sulla fenditura.Nonostante gli ampi picchi, 7Li3+ si separa bene da 6Li3+, O6+ e N5+, ma si separa scarsamente da O7+ e N6+.
Nella posizione dell'FC, il profilo del fascio è stato confermato con uno scintillatore plug-in e registrato con una fotocamera digitale veloce come mostrato nella Figura 6. Viene mostrato che il fascio pulsato 7Li3+ con una corrente di 35 mA viene accelerato fino a una RFQ calcolata energia di 204 keV/n, che corrisponde a 1,4 MeV, e trasmessa al rivelatore FC.
Profilo del fascio osservato su uno schermo scintillatore pre-FC (colorato da Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Il campo magnetico del dipolo magnetico analitico è stato regolato per dirigere l'accelerazione del fascio di ioni Li3+ verso l'energia di progetto RFQ.I punti blu nell'area verde sono causati da materiale scintillatore difettoso.
Abbiamo ottenuto la generazione di ioni 7Li3+ mediante ablazione laser della superficie di un foglio di litio solido e un fascio ionico ad alta corrente è stato catturato e accelerato con un linac RFQ appositamente progettato utilizzando DPIS.Con un'energia del fascio di 1,4 MeV, la corrente di picco di 7Li3+ raggiunta sull'FC dopo l'analisi del magnete era di 35 mA.Ciò conferma che la parte più importante della realizzazione di una sorgente di neutroni con cinematica inversa è stata implementata sperimentalmente.In questa parte dell'articolo verrà discusso l'intero progetto di una sorgente di neutroni compatta, compresi gli acceleratori ad alta energia e le stazioni bersaglio di neutroni.La progettazione si basa sui risultati ottenuti con i sistemi esistenti nel nostro laboratorio.Va notato che la corrente di picco del fascio ionico può essere ulteriormente aumentata accorciando la distanza tra la lamina di litio e il linac RFQ.Riso.7 illustra l'intero concetto della sorgente di neutroni compatta proposta all'acceleratore.
Progettazione concettuale della sorgente di neutroni compatta proposta all'acceleratore (disegnata da Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Da destra a sinistra: sorgente ionica laser, magnete solenoide, linac RFQ, trasferimento del fascio di energia media (MEBT), linac IH e camera di interazione per la generazione di neutroni.La protezione dalle radiazioni è fornita principalmente nella direzione in avanti a causa della natura strettamente diretta dei fasci di neutroni prodotti.
Dopo il linac RFQ, è prevista un'ulteriore accelerazione del linac Inter-digital H-structure (IH linac)30.I linac IH utilizzano una struttura del tubo deriva in modalità π per fornire gradienti di campo elettrico elevati su un determinato intervallo di velocità.Lo studio concettuale è stato effettuato sulla base della simulazione della dinamica longitudinale 1D e della simulazione del guscio 3D.I calcoli mostrano che un linac IH da 100 MHz con una tensione ragionevole del tubo di deriva (meno di 450 kV) e un potente magnete di focalizzazione può accelerare un fascio di 40 mA da 1,4 a 14 MeV a una distanza di 1,8 m.La distribuzione dell'energia alla fine della catena dell'acceleratore è stimata a ± 0,4 MeV, che non influenza in modo significativo lo spettro energetico dei neutroni prodotti dal bersaglio di conversione dei neutroni.Inoltre, l'emissività del fascio è sufficientemente bassa da focalizzare il fascio in un punto più piccolo di quello normalmente richiesto per un magnete quadrupolare di media forza e dimensione.Nella trasmissione del fascio di energia media (MEBT) tra il linac RFQ e il linac IH, il risonatore del beamforming viene utilizzato per mantenere la struttura del beamforming.Tre magneti quadrupolari vengono utilizzati per controllare la dimensione del raggio laterale.Questa strategia di progettazione è stata utilizzata in molti acceleratori31,32,33.Si stima che la lunghezza totale dell'intero sistema dalla sorgente ionica alla camera target sia inferiore a 8 m, il che può adattarsi a un semirimorchio standard.
L'obiettivo di conversione dei neutroni sarà installato direttamente dopo l'acceleratore lineare.Discutiamo i progetti delle stazioni target basati su studi precedenti utilizzando scenari cinematici inversi23.Gli obiettivi di conversione segnalati includono materiali solidi (polipropilene (C3H6) e idruro di titanio (TiH2)) e sistemi target gassosi.Ogni obiettivo presenta vantaggi e svantaggi.I target solidi consentono un controllo preciso dello spessore.Più sottile è il bersaglio, più precisa è la disposizione spaziale della produzione di neutroni.Tuttavia, tali obiettivi potrebbero ancora presentare un certo grado di reazioni nucleari e radiazioni indesiderate.D’altro canto, un obiettivo a idrogeno può fornire un ambiente più pulito eliminando la produzione di 7Be, il prodotto principale della reazione nucleare.Tuttavia, l’idrogeno ha una debole capacità di barriera e richiede una grande distanza fisica per un rilascio di energia sufficiente.Ciò è leggermente svantaggioso per le misurazioni TOF.Inoltre, se si utilizza una pellicola sottile per sigillare un bersaglio di idrogeno, è necessario tenere conto delle perdite di energia dei raggi gamma generate dalla pellicola sottile e dal fascio di litio incidente.
LICORNE utilizza target in polipropilene e il sistema target è stato aggiornato con celle a idrogeno sigillate con un foglio di tantalio.Supponendo una corrente del fascio di 100 nA per 7Li34, entrambi i sistemi target possono produrre fino a 107 n/s/sr.Se applichiamo questa conversione della resa di neutroni dichiarata alla sorgente di neutroni proposta, è possibile ottenere un raggio guidato dal litio di 7 × 10–8 C per ciascun impulso laser.Ciò significa che sparando il laser solo due volte al secondo si produce il 40% in più di neutroni rispetto a quelli che LICORNE può produrre in un secondo con un raggio continuo.Il flusso totale può essere facilmente aumentato aumentando la frequenza di eccitazione del laser.Se assumiamo che sul mercato sia disponibile un sistema laser da 1 kHz, il flusso medio di neutroni può essere facilmente scalato fino a circa 7 × 109 n/s/sr.
Quando utilizziamo sistemi ad alto tasso di ripetizione con target in plastica, è necessario controllare la generazione di calore sui target perché, ad esempio, il polipropilene ha un basso punto di fusione di 145–175 °C e una bassa conduttività termica di 0,1–0,22 W/ m/K.Per un fascio di ioni di litio da 14 MeV, un bersaglio in polipropilene spesso 7 µm è sufficiente per ridurre l'energia del fascio alla soglia di reazione (13,098 MeV).Tenendo conto dell'effetto totale degli ioni generati da un colpo laser sul bersaglio, il rilascio di energia degli ioni di litio attraverso il polipropilene è stimato a 64 mJ/impulso.Supponendo che tutta l'energia venga trasferita in un cerchio con un diametro di 10 mm, ogni impulso corrisponde ad un aumento di temperatura di circa 18 K/impulso.Il rilascio di energia su bersagli in polipropilene si basa sul semplice presupposto che tutte le perdite di energia siano immagazzinate come calore, senza radiazioni o altre perdite di calore.Poiché l'aumento del numero di impulsi al secondo richiede l'eliminazione dell'accumulo di calore, possiamo utilizzare target a striscia per evitare il rilascio di energia nello stesso punto23.Supponendo un punto del raggio di 10 mm su un bersaglio con una frequenza di ripetizione del laser di 100 Hz, la velocità di scansione del nastro di polipropilene sarebbe di 1 m/s.Sono possibili frequenze di ripetizione più elevate se è consentita la sovrapposizione dei punti del fascio.
Abbiamo anche studiato obiettivi con batterie a idrogeno, perché si potrebbero utilizzare raggi propulsori più potenti senza danneggiare il bersaglio.Il fascio di neutroni può essere facilmente regolato modificando la lunghezza della camera a gas e la pressione dell'idrogeno all'interno.Sottili fogli metallici vengono spesso utilizzati negli acceleratori per separare la regione gassosa del bersaglio dal vuoto.Pertanto è necessario aumentare l’energia del fascio incidente di ioni di litio per compensare le perdite di energia sulla lamina.L'insieme bersaglio descritto nel rapporto 35 consisteva in un contenitore di alluminio lungo 3,5 cm con una pressione di gas H2 di 1,5 atm.Il fascio di ioni di litio da 16,75 MeV entra nella batteria attraverso la lamina di Ta da 2,7 µm raffreddata ad aria e l'energia del fascio di ioni di litio all'estremità della batteria viene decelerata fino alla soglia di reazione.Per aumentare l'energia del fascio delle batterie agli ioni di litio da 14,0 MeV a 16,75 MeV, il linac IH ha dovuto essere allungato di circa 30 cm.
È stata studiata anche l'emissione di neutroni dai bersagli delle celle a gas.Per i suddetti target di gas LICORNE, le simulazioni GEANT436 mostrano che all'interno del cono vengono generati neutroni altamente orientati, come mostrato nella Figura 1 in [37].Il riferimento 35 mostra l'intervallo di energia da 0,7 a 3,0 MeV con un'apertura massima del cono di 19,5° rispetto alla direzione di propagazione del fascio principale.I neutroni altamente orientati possono ridurre significativamente la quantità di materiale schermante alla maggior parte degli angoli, riducendo il peso della struttura e fornendo una maggiore flessibilità nell'installazione delle apparecchiature di misurazione.Dal punto di vista della radioprotezione, oltre ai neutroni, questo bersaglio gassoso emette raggi gamma a 478 keV in modo isotropico nel sistema di coordinate del baricentro38.Questi raggi γ sono prodotti come risultato del decadimento del 7Be e della diseccitazione del 7Li, che si verifica quando il fascio primario del Li colpisce la finestra di ingresso Ta.Tuttavia, aggiungendo un collimatore cilindrico spesso da 35 Pb/Cu, il fondo può essere ridotto significativamente.
Come bersaglio alternativo, si può usare una finestra al plasma [39, 40], che rende possibile ottenere una pressione dell'idrogeno relativamente elevata e una piccola regione spaziale di generazione di neutroni, sebbene sia inferiore ai bersagli solidi.
Stiamo studiando opzioni di targeting per la conversione dei neutroni per la distribuzione di energia prevista e la dimensione del fascio di un fascio di ioni di litio utilizzando GEANT4.Le nostre simulazioni mostrano una distribuzione coerente dell'energia dei neutroni e distribuzioni angolari per i bersagli dell'idrogeno nella letteratura di cui sopra.In qualsiasi sistema bersaglio, neutroni altamente orientati possono essere prodotti mediante una reazione cinematica inversa guidata da un forte fascio di 7Li3+ su un bersaglio ricco di idrogeno.Pertanto, nuove fonti di neutroni possono essere implementate combinando tecnologie già esistenti.
Le condizioni di irradiazione laser hanno riprodotto gli esperimenti di generazione del fascio ionico prima della dimostrazione accelerata.Il laser è un sistema Nd:YAG desktop a nanosecondi con una densità di potenza laser di 1012 W/cm2, una lunghezza d'onda fondamentale di 1064 nm, un'energia spot di 800 mJ e una durata dell'impulso di 6 ns.Il diametro dello spot sul target è stimato a 100 µm.Poiché il litio metallico (Alfa Aesar, puro al 99,9%) è piuttosto morbido, il materiale tagliato con precisione viene pressato nello stampo.Dimensioni lamina 25 mm × 25 mm, spessore 0,6 mm.Un danno simile a un cratere si verifica sulla superficie del bersaglio quando un laser lo colpisce, quindi il bersaglio viene spostato da una piattaforma motorizzata per fornire una nuova porzione della superficie del bersaglio con ogni colpo laser.Per evitare ricombinazioni dovute al gas residuo, la pressione nella camera è stata mantenuta al di sotto dell'intervallo di 10-4 Pa.
Il volume iniziale del plasma laser è piccolo, poiché la dimensione dello spot laser è di 100 μm ed entro 6 ns dalla sua generazione.Il volume può essere preso come un punto esatto ed espanso.Se il rilevatore è posizionato a una distanza xm dalla superficie target, il segnale ricevuto obbedisce alla relazione: corrente ionica I, tempo di arrivo degli ioni t e larghezza dell'impulso τ.
Il plasma generato è stato studiato mediante il metodo TOF con FC e un analizzatore di ioni di energia (EIA) situato a una distanza di 2,4 me 3,85 m dal bersaglio laser.L'FC ha una griglia soppressore polarizzata di -5 kV per impedire la formazione di elettroni.L'EIA ha un deflettore elettrostatico a 90 gradi costituito da due elettrodi cilindrici metallici coassiali con la stessa tensione ma polarità opposta, positivo all'esterno e negativo all'interno.Il plasma in espansione viene diretto nel deflettore dietro la fessura e deflesso dal campo elettrico che passa attraverso il cilindro.Gli ioni che soddisfano la relazione E/z = eKU vengono rilevati utilizzando un moltiplicatore di elettroni secondari (SEM) (Hamamatsu R2362), dove E, z, e, K e U sono l'energia ionica, lo stato di carica e la carica sono fattori geometrici EIA .elettroni, rispettivamente, e la differenza di potenziale tra gli elettrodi.Modificando la tensione ai capi del deflettore, è possibile ottenere la distribuzione dell'energia e della carica degli ioni nel plasma.La tensione di scansione U/2 EIA è compresa tra 0,2 V e 800 V, che corrisponde a un'energia ionica compresa tra 4 eV e 16 keV per stato di carica.
Le distribuzioni dello stato di carica degli ioni analizzate nelle condizioni di irradiazione laser descritte nella sezione “Generazione di fasci di litio completamente spogliati” sono mostrate nelle Figg.8.
Analisi della distribuzione dello stato di carica degli ioni.Di seguito è riportato il profilo temporale della densità di corrente ionica analizzato con EIA e scalato a 1 m dalla lamina di litio utilizzando l'equazione.(1) e (2).Utilizzare le condizioni di irradiazione laser descritte nella sezione “Generazione di un raggio di litio completamente esfoliato”.Integrando ciascuna densità di corrente, è stata calcolata la proporzione di ioni nel plasma, mostrata in Figura 3.
Le sorgenti ioniche laser possono erogare un intenso fascio ionico multi-mA con una carica elevata.Tuttavia, la consegna del raggio è molto difficile a causa della repulsione della carica spaziale, quindi non è stata ampiamente utilizzata.Nello schema tradizionale, i fasci ionici vengono estratti dal plasma e trasportati all'acceleratore primario lungo una linea di fascio con diversi magneti di focalizzazione per modellare il fascio ionico in base alla capacità di captazione dell'acceleratore.Nei fasci di forza di carica spaziale, i fasci divergono in modo non lineare e si osservano gravi perdite di fascio, specialmente nella regione delle basse velocità.Per superare questo problema nello sviluppo di acceleratori di carbonio medici, viene proposto un nuovo schema di consegna del fascio DPIS41.Abbiamo applicato questa tecnica per accelerare un potente fascio di ioni di litio proveniente da una nuova sorgente di neutroni.
Come mostrato in fig.4, lo spazio in cui il plasma viene generato ed espanso è circondato da un contenitore metallico.Lo spazio chiuso si estende fino all'ingresso del risonatore RFQ, compreso il volume all'interno della bobina del solenoide.Al contenitore è stata applicata una tensione di 52 kV.Nel risonatore RFQ, gli ioni vengono trascinati dal potenziale attraverso un foro di 6 mm di diametro mettendo a terra la RFQ.Le forze repulsive non lineari sulla linea del fascio vengono eliminate poiché gli ioni vengono trasportati nello stato di plasma.Inoltre, come accennato in precedenza, abbiamo applicato un campo solenoide in combinazione con DPIS per controllare e aumentare la densità degli ioni nell'apertura di estrazione.
L'acceleratore RFQ è costituito da una camera a vuoto cilindrica come mostrato in fig.9a.Al suo interno, quattro aste di rame privo di ossigeno sono posizionate simmetricamente a un quadrupolo attorno all'asse del fascio (Fig. 9b).4 aste e camere formano un circuito RF risonante.Il campo RF indotto crea una tensione variabile nel tempo attraverso l'asta.Gli ioni impiantati longitudinalmente attorno all'asse sono trattenuti lateralmente dal campo del quadrupolo.Allo stesso tempo, la punta dell'asta viene modulata per creare un campo elettrico assiale.Il campo assiale divide il fascio continuo iniettato in una serie di impulsi del fascio chiamati fascio.Ciascun raggio è contenuto entro un determinato tempo di ciclo RF (10 ns).I raggi adiacenti sono distanziati in base al periodo della radiofrequenza.Nel linac RFQ, un raggio da 2 µs proveniente da una sorgente ionica laser viene convertito in una sequenza di 200 raggi.Il raggio viene quindi accelerato all'energia calcolata.
Richiesta di offerta dell'acceleratore lineare.(a) (a sinistra) Vista esterna della camera del linac RFQ.(b) (a destra) Elettrodo a quattro aste nella camera.
I principali parametri di progettazione del linac RFQ sono la tensione dell'asta, la frequenza di risonanza, il raggio del foro del fascio e la modulazione dell'elettrodo.Selezionare la tensione sull'asta ± 29 kV in modo che il suo campo elettrico sia inferiore alla soglia di guasto elettrico.Minore è la frequenza di risonanza, maggiore è la forza di focalizzazione laterale e minore è il campo di accelerazione medio.Gli ampi raggi di apertura consentono di aumentare le dimensioni del fascio e, di conseguenza, aumentare la corrente del fascio a causa della minore repulsione della carica spaziale.D'altra parte, raggi di apertura maggiori richiedono più potenza RF per alimentare il linac RFQ.Inoltre, è limitato dai requisiti di qualità del sito.Sulla base di questi equilibri, sono stati scelti la frequenza di risonanza (100 MHz) e il raggio di apertura (4,5 mm) per l'accelerazione del fascio ad alta corrente.La modulazione viene scelta per ridurre al minimo la perdita del raggio e massimizzare l'efficienza dell'accelerazione.Il progetto è stato ottimizzato più volte per produrre un design linac RFQ in grado di accelerare gli ioni 7Li3+ a 40 mA da 22 keV/n a 204 keV/n entro 2 m.La potenza RF misurata durante l'esperimento è stata di 77 kW.
I linac RFQ possono accelerare gli ioni con uno specifico intervallo Q/A.Pertanto, quando si analizza un fascio alimentato all'estremità di un acceleratore lineare, è necessario tenere conto degli isotopi e di altre sostanze.Inoltre, gli ioni desiderati, parzialmente accelerati, ma scesi in condizioni di accelerazione al centro dell'acceleratore, possono ancora incontrare il confinamento laterale e possono essere trasportati fino alla fine.I raggi indesiderati diversi dalle particelle ingegnerizzate 7Li3+ sono chiamati impurità.Nei nostri esperimenti, le impurità 14N6+ e 16O7+ erano la più preoccupante, poiché la lamina metallica di litio reagisce con l'ossigeno e l'azoto nell'aria.Questi ioni hanno un rapporto Q/A che può essere accelerato con 7Li3+.Utilizziamo magneti dipolari per separare i raggi di diversa qualità e qualità per l'analisi dei raggi dopo il linac RFQ.
La linea del fascio dopo il linac RFQ è progettata per fornire il fascio 7Li3+ completamente accelerato all'FC dopo il magnete dipolo.Elettrodi polarizzati da -400 V vengono utilizzati per sopprimere gli elettroni secondari nella coppa per misurare con precisione la corrente del fascio ionico.Con questa ottica, le traiettorie degli ioni vengono separate in dipoli e focalizzate in punti diversi a seconda della Q/A.A causa di vari fattori come la diffusione della quantità di moto e la repulsione della carica spaziale, il raggio nel fuoco ha una certa larghezza.Le specie possono essere separate solo se la distanza tra le posizioni focali delle due specie ioniche è maggiore della larghezza del fascio.Per ottenere la massima risoluzione possibile, viene installata una fenditura orizzontale vicino alla vita del fascio, dove il fascio è praticamente concentrato.Uno schermo a scintillazione (CsI(Tl) di Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) è stato installato tra la fenditura e il PC.Lo scintillatore è stato utilizzato per determinare la fessura più piccola attraverso la quale le particelle progettate dovevano passare per una risoluzione ottimale e per dimostrare dimensioni del fascio accettabili per fasci di ioni pesanti ad alta corrente.L'immagine del fascio sullo scintillatore viene registrata da una telecamera CCD attraverso una finestra a vuoto.Regolare la finestra del tempo di esposizione per coprire l'intera larghezza dell'impulso del raggio.
I set di dati utilizzati o analizzati nel presente studio sono disponibili presso i rispettivi autori su ragionevole richiesta.
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