304L 6.35*1მმ უჟანგავი ფოლადის დახვეული მილების მომწოდებლები, ინტენსიური ლითიუმის სხივის დემონსტრირება იმპულსური პირდაპირი ნეიტრონების წარმოქმნისთვის

გმადლობთ Nature.com-ის მონახულებისთვის.თქვენ იყენებთ ბრაუზერის ვერსიას შეზღუდული CSS მხარდაჭერით.საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში).გარდა ამისა, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილის და JavaScript-ის გარეშე.
სლაიდერები, რომლებიც აჩვენებს სამ სტატიას თითო სლაიდზე.გამოიყენეთ უკანა და შემდეგი ღილაკები სლაიდებში გადასაადგილებლად, ან სლაიდის კონტროლერის ღილაკები ბოლოს თითოეულ სლაიდში გადასაადგილებლად.

როგორც ბირთვული რეაქტორების კვლევის ალტერნატივა, კომპაქტური ამაჩქარებლით მომუშავე ნეიტრონული გენერატორი, რომელიც იყენებს ლითიუმ-იონური სხივის ძრავას, შეიძლება იყოს პერსპექტიული კანდიდატი, რადგან ის წარმოქმნის მცირე არასასურველ გამოსხივებას.თუმცა, რთული იყო ლითიუმის იონების ინტენსიური სხივის მიწოდება და ასეთი მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება შეუძლებლად ითვლებოდა.არასაკმარისი იონების ნაკადის ყველაზე მწვავე პრობლემა მოგვარდა პირდაპირი პლაზმური იმპლანტაციის სქემის გამოყენებით.ამ სქემაში, მაღალი სიმკვრივის იმპულსური პლაზმა, რომელიც წარმოიქმნება ლითიუმის ლითონის ფოლგის ლაზერული აბლაციით, ეფექტურად ინექცია და აჩქარებულია მაღალი სიხშირის ოთხპოლუსიანი ამაჩქარებლით (RFQ ამაჩქარებელი).ჩვენ მივაღწიეთ სხივის პიკს 35 mA აჩქარებული 1,43 მევ-მდე, რაც ორი რიგით მეტია, ვიდრე ჩვეულებრივი ინჟექტორისა და ამაჩქარებლის სისტემების მოწოდება შეუძლიათ.
რენტგენის სხივებისა და დამუხტული ნაწილაკებისგან განსხვავებით, ნეიტრონებს აქვთ შეღწევადობის დიდი სიღრმე და უნიკალური ურთიერთქმედება შედედებულ მატერიასთან, რაც მათ უაღრესად მრავალმხრივ ზონდებს აქცევს მასალების თვისებების შესასწავლად1,2,3,4,5,6,7.კერძოდ, ნეიტრონების გაფანტვის ტექნიკა ჩვეულებრივ გამოიყენება შედედებულ მატერიაში შემადგენლობის, სტრუქტურისა და შინაგანი სტრესის შესასწავლად და შეუძლია დეტალური ინფორმაციის მიწოდება ლითონის შენადნობებში არსებული კვალი ნაერთების შესახებ, რომელთა აღმოჩენა ძნელია რენტგენის სპექტროსკოპიით8.ეს მეთოდი ითვლება ძლიერ იარაღად საბაზისო მეცნიერებაში და გამოიყენება ლითონებისა და სხვა მასალების მწარმოებლების მიერ.ახლახან ნეიტრონული დიფრაქცია გამოიყენებოდა ნარჩენი სტრესების გამოსავლენად მექანიკურ კომპონენტებში, როგორიცაა სარკინიგზო და თვითმფრინავის ნაწილები9,10,11,12.ნეიტრონები ასევე გამოიყენება ნავთობისა და გაზის ჭაბურღილებში, რადგან ისინი ადვილად ითვისება პროტონებით მდიდარი მასალებით13.მსგავსი მეთოდები გამოიყენება სამოქალაქო ინჟინერიაშიც.არადესტრუქციული ნეიტრონული ტესტირება არის ეფექტური ინსტრუმენტი შენობებში, გვირაბებსა და ხიდებში ფარული ხარვეზების გამოსავლენად.ნეიტრონული სხივების გამოყენება აქტიურად გამოიყენება სამეცნიერო კვლევებსა და ინდუსტრიაში, რომელთაგან ბევრი ისტორიულად განვითარდა ბირთვული რეაქტორების გამოყენებით.
თუმცა, ბირთვული იარაღის გაუვრცელებლობის შესახებ გლობალური კონსენსუსის გამო, კვლევითი მიზნებისთვის მცირე რეაქტორების მშენებლობა სულ უფრო რთული ხდება.უფრო მეტიც, ფუკუშიმას ბოლოდროინდელმა ავარიამ ატომური რეაქტორების მშენებლობა თითქმის სოციალურად მისაღები გახადა.ამ ტენდენციასთან დაკავშირებით, იზრდება მოთხოვნა ამაჩქარებლებზე ნეიტრონულ წყაროებზე2.როგორც ბირთვული რეაქტორების ალტერნატივა, რამდენიმე დიდი ამაჩქარებლის გაყოფის ნეიტრონული წყარო უკვე ფუნქციონირებს14,15.თუმცა, ნეიტრონული სხივების თვისებების უფრო ეფექტური გამოყენებისთვის, აუცილებელია ამაჩქარებლებზე კომპაქტური წყაროების გამოყენების გაფართოება, 16, რომლებიც შეიძლება მიეკუთვნებოდეს სამრეწველო და საუნივერსიტეტო კვლევით ინსტიტუტებს.ამაჩქარებლის ნეიტრონის წყაროებმა დაამატეს ახალი შესაძლებლობები და ფუნქციები, გარდა იმისა, რომ ემსახურება როგორც შემცვლელს ბირთვული რეაქტორებისთვის14.მაგალითად, ლინაკზე მომუშავე გენერატორს შეუძლია ადვილად შექმნას ნეიტრონების ნაკადი წამყვანი სხივის მანიპულირების გზით.გამოსხივების შემდეგ, ნეიტრონები ძნელია კონტროლირებადი და რადიაციის გაზომვების ანალიზი რთულია ფონის ნეიტრონების მიერ შექმნილი ხმაურის გამო.ამაჩქარებლის მიერ კონტროლირებადი პულსირებული ნეიტრონები თავიდან აიცილებენ ამ პრობლემას.პროტონების ამაჩქარებლის ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული რამდენიმე პროექტი შემოთავაზებულია მთელ მსოფლიოში17,18,19.რეაქციები 7Li(p, n)7Be და 9Be(p, n)9B ყველაზე ხშირად გამოიყენება პროტონებით მომუშავე კომპაქტურ ნეიტრონების გენერატორებში, რადგან ისინი ენდოთერმული რეაქციებია20.ჭარბი რადიაცია და რადიოაქტიური ნარჩენები შეიძლება მინიმუმამდე შემცირდეს, თუ პროტონის სხივის გასაღვიძებლად არჩეული ენერგია ოდნავ აღემატება ზღვრულ მნიშვნელობას.თუმცა, სამიზნე ბირთვის მასა პროტონების მასაზე გაცილებით დიდია და შედეგად მიღებული ნეიტრონები ყველა მიმართულებით იფანტება.ნეიტრონის ნაკადის იზოტროპულ ემისიასთან ასეთი მიახლოება ხელს უშლის ნეიტრონების ეფექტურ ტრანსპორტირებას კვლევის ობიექტამდე.გარდა ამისა, ობიექტის მდებარეობაზე ნეიტრონების საჭირო დოზის მისაღებად აუცილებელია მნიშვნელოვნად გაიზარდოს როგორც მოძრავი პროტონების რაოდენობა, ასევე მათი ენერგია.შედეგად, გამა სხივების და ნეიტრონების დიდი დოზები გავრცელდება დიდ კუთხეებში, რაც ანადგურებს ენდოთერმული რეაქციების უპირატესობას.ტიპიური ამაჩქარებლით მომუშავე კომპაქტური პროტონზე დაფუძნებული ნეიტრონული გენერატორი აქვს ძლიერი გამოსხივების დამცავი და წარმოადგენს სისტემის ყველაზე დიდ ნაწილს.მამოძრავებელი პროტონების ენერგიის გაზრდის საჭიროება ჩვეულებრივ მოითხოვს ამაჩქარებლის ზომის დამატებით გაზრდას.
ამაჩქარებლებზე ჩვეულებრივი კომპაქტური ნეიტრონული წყაროების ზოგადი ნაკლოვანებების დასაძლევად შემოთავაზებული იყო ინვერსიულ-კინემატიკური რეაქციის სქემა21.ამ სქემაში, უფრო მძიმე ლითიუმ-იონის სხივი გამოიყენება როგორც სახელმძღვანელო სხივი პროტონის სხივის ნაცვლად, რომელიც მიმართულია წყალბადით მდიდარ მასალებს, როგორიცაა ნახშირწყალბადის პლასტმასი, ჰიდრიდები, წყალბადის გაზი ან წყალბადის პლაზმა.განხილულია ალტერნატივები, როგორიცაა ბერილიუმის იონური სხივები, თუმცა, ბერილიუმი არის ტოქსიკური ნივთიერება, რომელიც მოითხოვს განსაკუთრებულ ზრუნვას.ამიტომ, ლითიუმის სხივი ყველაზე შესაფერისია ინვერსიულ-კინემატიკური რეაქციის სქემებისთვის.ვინაიდან ლითიუმის ბირთვების იმპულსი უფრო მეტია, ვიდრე პროტონების, ბირთვული შეჯახების მასის ცენტრი მუდმივად წინ მიიწევს და ნეიტრონები ასევე გამოიყოფა წინ.ეს ფუნქცია მნიშვნელოვნად აცილებს არასასურველ გამა სხივებს და მაღალი კუთხით ნეიტრონების ემისიებს22.პროტონული ძრავის ჩვეულებრივი შემთხვევისა და ინვერსიული კინემატიკის სცენარის შედარება ნაჩვენებია სურათზე 1.
პროტონისა და ლითიუმის სხივებისთვის ნეიტრონების წარმოების კუთხეების ილუსტრაცია (დახატული Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(ა) ნეიტრონები შეიძლება გამოიდევნებოდეს ნებისმიერი მიმართულებით რეაქციის შედეგად იმის გამო, რომ მოძრავი პროტონები მოხვდნენ ლითიუმის სამიზნის გაცილებით მძიმე ატომებს.(ბ) პირიქით, თუ ლითიუმ-იონის დრაივერი დაბომბავს წყალბადით მდიდარ სამიზნეს, ნეიტრონები წარმოიქმნება ვიწრო კონუსში, წინა მიმართულებით, სისტემის მასის ცენტრის მაღალი სიჩქარის გამო.
თუმცა, მხოლოდ რამდენიმე ინვერსიული კინემატიკური ნეიტრონის გენერატორი არსებობს პროტონებთან შედარებით მაღალი მუხტით მძიმე იონების საჭირო ნაკადის წარმოქმნის სირთულის გამო.ყველა ეს ქარხანა იყენებს ნეგატიური დაფრქვევის იონის წყაროებს ტანდემურ ელექტროსტატიკური ამაჩქარებლებთან ერთად.სხვა ტიპის იონური წყაროები შემოთავაზებულია სხივის აჩქარების ეფექტურობის გაზრდის მიზნით26.ნებისმიერ შემთხვევაში, ხელმისაწვდომი ლითიუმ-იონის სხივის დენი შემოიფარგლება 100 μA-მდე.შემოთავაზებული იყო Li3+27-ის 1 mA გამოყენება, მაგრამ ეს იონური სხივის დენი ამ მეთოდით არ დადასტურებულა.ინტენსივობის თვალსაზრისით, ლითიუმის სხივის ამაჩქარებლებს არ შეუძლიათ კონკურენცია გაუწიონ პროტონული სხივის ამაჩქარებლებს, რომელთა პროტონული დენი აღემატება 10 mA28-ს.
ლითიუმ-იონის სხივზე დაფუძნებული პრაქტიკული კომპაქტური ნეიტრონული გენერატორის განსახორციელებლად, ხელსაყრელია მაღალი ინტენსივობის გენერირება, სრულიად მოკლებული იონების.იონები აჩქარდებიან და ხელმძღვანელობენ ელექტრომაგნიტური ძალებით, ხოლო დატენვის უფრო მაღალი დონე იწვევს უფრო ეფექტურ აჩქარებას.Li-ion სხივის დრაივერებს სჭირდებათ Li3+ პიკური დენები 10 mA-ზე მეტი.
ამ ნამუშევარში ჩვენ ვაჩვენებთ Li3+ სხივების აჩქარებას პიკური დენებით 35 mA-მდე, რაც შედარებულია მოწინავე პროტონების ამაჩქარებლებთან.ორიგინალური ლითიუმის იონის სხივი შეიქმნა ლაზერული აბლაციისა და პირდაპირი პლაზმური იმპლანტაციის სქემის (DPIS) გამოყენებით, რომელიც თავდაპირველად შეიქმნა C6+-ის დასაჩქარებლად.შეკვეთით შექმნილი რადიოსიხშირული ოთხპოლუსიანი ლინაკი (RFQ linac) დამზადდა ოთხწახნაგა რეზონანსული სტრუქტურის გამოყენებით.ჩვენ დავადასტურეთ, რომ ამაჩქარებელ სხივს აქვს გამოთვლილი მაღალი სისუფთავის სხივის ენერგია.მას შემდეგ, რაც Li3+ სხივი ეფექტურად დაიჭერს და აჩქარებს რადიოსიხშირული (RF) ამაჩქარებლის მიერ, შემდგომი ლინაკის (ამაჩქარებლის) განყოფილება გამოიყენება სამიზნედან ძლიერი ნეიტრონული ნაკადის შესაქმნელად საჭირო ენერგიის უზრუნველსაყოფად.
მაღალი ხარისხის იონების აჩქარება კარგად დამკვიდრებული ტექნოლოგიაა.ახალი, მაღალეფექტური კომპაქტური ნეიტრონული გენერატორის რეალიზაციის დარჩენილი ამოცანაა წარმოქმნას დიდი რაოდენობით ლითიუმის იონები და ჩამოაყალიბოს კლასტერული სტრუქტურა, რომელიც შედგება იონური იმპულსების სერიისგან, სინქრონიზებული ამაჩქარებლის RF ციკლთან.ამ მიზნის მისაღწევად შექმნილი ექსპერიმენტების შედეგები აღწერილია შემდეგ სამ ქვეთავში: (1) ლითიუმ-იონური სხივის სრულიად დაცლილი სხივის წარმოქმნა, (2) სხივის აჩქარება სპეციალურად შექმნილი RFQ ლინაკის გამოყენებით და (3) ანალიზის აჩქარება. სხივის შიგთავსის შესამოწმებლად.ბრუკჰავენის ეროვნულ ლაბორატორიაში (BNL) ჩვენ ავაშენეთ ექსპერიმენტული კონფიგურაცია, რომელიც ნაჩვენებია სურათზე 2.
ლითიუმის სხივების დაჩქარებული ანალიზისთვის ექსპერიმენტული დაყენების მიმოხილვა (ილუსტრირებულია Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).მარჯვნიდან მარცხნივ ლაზერულ-აბლაციური პლაზმა წარმოიქმნება ლაზერ-სამიზნე ურთიერთქმედების პალატაში და მიეწოდება RFQ ლინაკს.RFQ ამაჩქარებელში შესვლისას იონები გამოიყოფა პლაზმიდან და შეჰყავთ RFQ ამაჩქარებელში უეცარი ელექტრული ველის მეშვეობით, რომელიც შექმნილია 52 კვ ძაბვის სხვაობით ექსტრაქციის ელექტროდსა და RFQ ელექტროდს შორის დრიფტის რეგიონში.მოპოვებული იონები აჩქარებულია 22 კევ/ნ-დან 204 კევ/ნ-მდე 2 მეტრი სიგრძის RFQ ელექტროდების გამოყენებით.დენის ტრანსფორმატორი (CT) დაყენებული RFQ linac-ის გამოსავალზე უზრუნველყოფს იონური სხივის დენის არადესტრუქციულ გაზომვას.სხივი ორიენტირებულია სამი ოთხპოლუსიანი მაგნიტით და მიმართულია დიპოლური მაგნიტისკენ, რომელიც ჰყოფს და მიმართავს Li3+ სხივს დეტექტორში.ჭრილის მიღმა, აჩქარებული სხივის გამოსავლენად გამოიყენება ასაწევი პლასტიკური სკინტილატორი და ფარადეის თასი (FC) -400 ვ-მდე მიკერძოებით.
სრულად იონიზებული ლითიუმის იონების (Li3+) წარმოქმნისთვის აუცილებელია პლაზმის შექმნა, რომლის ტემპერატურა აღემატება მის მესამე იონიზაციის ენერგიას (122,4 ევ).ჩვენ შევეცადეთ გამოგვეყენებინა ლაზერული აბლაცია მაღალი ტემპერატურის პლაზმის წარმოებისთვის.ამ ტიპის ლაზერული იონის წყარო ჩვეულებრივ არ გამოიყენება ლითიუმის იონური სხივების შესაქმნელად, რადგან ლითიუმის ლითონი რეაქტიულია და საჭიროებს სპეციალურ დამუშავებას.ჩვენ შევიმუშავეთ მიზნობრივი დატვირთვის სისტემა, რათა მინიმუმამდე დავიყვანოთ ტენიანობა და ჰაერის დაბინძურება ვაკუუმ ლაზერის ურთიერთქმედების პალატაში ლითიუმის ფოლგის დაყენებისას.მასალების ყველა მომზადება ხდებოდა მშრალი არგონის კონტროლირებად გარემოში.მას შემდეგ, რაც ლითიუმის ფოლგა დამონტაჟდა ლაზერულ სამიზნე კამერაში, ფოლგა დასხივებული იყო იმპულსური Nd:YAG ლაზერული გამოსხივებით 800 მჯ ენერგიით თითო იმპულსზე.სამიზნეზე ფოკუსირებისას, ლაზერის სიმძლავრის სიმკვრივე შეფასებულია დაახლოებით 1012 W/cm2.პლაზმა იქმნება, როდესაც პულსირებული ლაზერი ანადგურებს სამიზნეს ვაკუუმში.მთელი 6 ns ლაზერული პულსის განმავლობაში, პლაზმა აგრძელებს გათბობას, ძირითადად ბრემსტრაჰლუნგის საპირისპირო პროცესის გამო.იმის გამო, რომ გათბობის ფაზის დროს არ არის შემომფარველი გარე ველი, პლაზმა იწყებს გაფართოებას სამ განზომილებაში.როდესაც პლაზმა იწყებს გაფართოებას სამიზნე ზედაპირზე, პლაზმის მასის ცენტრი იძენს სამიზნე ზედაპირის პერპენდიკულარულ სიჩქარეს 600 ევ/ნ ენერგიით.გახურების შემდეგ პლაზმა აგრძელებს მოძრაობას სამიზნედან ღერძული მიმართულებით, იზოტროპულად ფართოვდება.
როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2, აბლაციის პლაზმა ფართოვდება ვაკუუმურ მოცულობაში, რომელიც გარშემორტყმულია ლითონის კონტეინერით, იგივე პოტენციალით, როგორც სამიზნე.ამრიგად, პლაზმა მიედინება ველის გარეშე რეგიონში RFQ ამაჩქარებლისკენ.ღერძული მაგნიტური ველი გამოიყენება ლაზერული დასხივების კამერასა და RFQ ლინაკს შორის ვაკუუმის კამერის ირგვლივ შემოჭრილი სოლენოიდის ხვეულის საშუალებით.სოლენოიდის მაგნიტური ველი თრგუნავს დრიფტიანი პლაზმის რადიალურ გაფართოებას, რათა შეინარჩუნოს პლაზმის მაღალი სიმკვრივე RFQ დიაფრაგში მიტანის დროს.მეორეს მხრივ, პლაზმა აგრძელებს გაფართოებას ღერძული მიმართულებით დრეიფის დროს, აყალიბებს წაგრძელებულ პლაზმას.მაღალი ძაბვის მიკერძოება გამოიყენება ლითონის ჭურჭელზე, რომელიც შეიცავს პლაზმას RFQ შესასვლელთან გასასვლელი პორტის წინ.მიკერძოებული ძაბვა არჩეული იყო 7Li3+ ინექციის საჭირო სიჩქარის უზრუნველსაყოფად RFQ ლინაკის მიერ სათანადო აჩქარებისთვის.
შედეგად მიღებული აბლაციის პლაზმა შეიცავს არა მხოლოდ 7Li3+, არამედ ლითიუმს სხვა მუხტის მდგომარეობებში და დამაბინძურებელ ელემენტებში, რომლებიც ერთდროულად ტრანსპორტირდება RFQ ხაზოვან ამაჩქარებელში.RFQ linac-ის გამოყენებით დაჩქარებული ექსპერიმენტების დაწყებამდე ჩატარდა ფრენის დროის ოფლაინ (TOF) ანალიზი პლაზმაში იონების შემადგენლობისა და ენერგიის განაწილების შესასწავლად.დეტალური ანალიტიკური დაყენება და დაკვირვებული გადასახადის მდგომარეობის განაწილება აღწერილია მეთოდების განყოფილებაში.ანალიზმა აჩვენა, რომ 7Li3+ იონები იყო მთავარი ნაწილაკები, რომლებიც შეადგენდნენ ყველა ნაწილაკების დაახლოებით 54%-ს, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 3-ში. ანალიზის მიხედვით, 7Li3+ იონური დენი იონის სხივის გამომავალ წერტილში შეფასებულია 1,87 mA-ზე.დაჩქარებული ტესტების დროს, 79 mT სოლენოიდის ველი გამოიყენება გაფართოებულ პლაზმაზე.შედეგად, პლაზმიდან ამოღებული და დეტექტორზე დაფიქსირებული 7Li3+ დენი გაიზარდა 30-ჯერ.
იონების ფრაქციები ლაზერით წარმოქმნილ პლაზმაში, რომლებიც მიღებულია ფრენის დროის ანალიზით.7Li1+ და 7Li2+ იონები შეადგენენ იონის სხივის 5% და 25% შესაბამისად.6Li ნაწილაკების აღმოჩენილი ფრაქცია ეთანხმება 6Li (7.6%) ბუნებრივ შემცველობას ლითიუმის ფოლგის სამიზნეში ექსპერიმენტული შეცდომის ფარგლებში.დაფიქსირდა ჟანგბადის მცირე დაბინძურება (6.2%), ძირითადად O1+ (2.1%) და O2+ (1.5%), რაც შეიძლება გამოწვეული იყოს ლითიუმის ფოლგის სამიზნის ზედაპირის დაჟანგვით.
როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ლითიუმის პლაზმა მოძრაობს უველო რეგიონში RFQ ლინაკში შესვლამდე.RFQ linac-ის შეყვანას აქვს 6 მმ დიამეტრის ხვრელი ლითონის კონტეინერში და მიკერძოებული ძაბვა არის 52 კვ.მიუხედავად იმისა, რომ RFQ ელექტროდის ძაბვა სწრაფად იცვლება ±29 კვ 100 MHz-ზე, ძაბვა იწვევს ღერძულ აჩქარებას, რადგან RFQ ამაჩქარებლის ელექტროდებს აქვთ საშუალო პოტენციალი ნულოვანი.დიაფრაგსა და RFQ ელექტროდის კიდეს შორის 10 მმ უფსკრულის გამო წარმოქმნილი ძლიერი ელექტრული ველის გამო, პლაზმურიდან მხოლოდ დადებითი პლაზმის იონები ამოღებულია დიაფრაგზე.იონის მიწოდების ტრადიციულ სისტემებში, იონები გამოყოფილია პლაზმიდან ელექტრული ველით RFQ ამაჩქარებლის წინ მნიშვნელოვან მანძილზე და შემდეგ ფოკუსირებულია RFQ დიაფრაგში სხივის ფოკუსირების ელემენტით.თუმცა, ინტენსიური მძიმე იონური სხივებისთვის, რომლებიც საჭიროა ინტენსიური ნეიტრონული წყაროსთვის, არაწრფივი მოგერიების ძალებმა სივრცის მუხტის ეფექტების გამო შეიძლება გამოიწვიოს სხივის დენის მნიშვნელოვანი დანაკარგები იონის სატრანსპორტო სისტემაში, რაც შეზღუდავს პიკის დენს, რომელიც შეიძლება აჩქარდეს.ჩვენს DPIS-ში მაღალი ინტენსივობის იონები ტრანსპორტირდება როგორც დრიფტი პლაზმური პირდაპირ RFQ დიაფრაგმის გასასვლელ წერტილში, ასე რომ არ ხდება იონური სხივის დაკარგვა სივრცის მუხტის გამო.ამ დემონსტრაციის დროს, DPIS პირველად იქნა გამოყენებული ლითიუმ-იონის სხივზე.
RFQ სტრუქტურა შეიქმნა დაბალი ენერგიის მაღალი დენის იონური სხივების ფოკუსირებისა და აჩქარებისთვის და გახდა პირველი რიგის აჩქარების სტანდარტი.ჩვენ გამოვიყენეთ RFQ 7Li3+ იონების დასაჩქარებლად იმპლანტის ენერგიიდან 22 კევ/ნ 204 კევ/ნ-მდე.მიუხედავად იმისა, რომ ლითიუმი და პლაზმაში უფრო დაბალი მუხტის მქონე სხვა ნაწილაკები ასევე გამოიყოფა პლაზმიდან და შეჰყავთ RFQ დიაფრაგში, RFQ linac მხოლოდ აჩქარებს იონებს მუხტის მასის თანაფარდობით (Q/A) ახლოს 7Li3+.
ნახ.სურათი 4 გვიჩვენებს დენის ტრანსფორმატორის (CT) მიერ გამოვლენილ ტალღურ ფორმებს RFQ ლინაკის და ფარადეის თასის (FC) გამოსავალზე მაგნიტის ანალიზის შემდეგ, როგორც ნაჩვენებია ნახ.2. სიგნალებს შორის დროის ცვლა შეიძლება განიმარტოს როგორც დეტექტორის ადგილას ფრენის დროის სხვაობა.პიკური იონის დენი გაზომილი CT იყო 43 mA.RT პოზიციაში რეგისტრირებული სხივი შეიძლება შეიცავდეს არა მხოლოდ გამოთვლილ ენერგიამდე აჩქარებულ იონებს, არამედ 7Li3+-ის გარდა სხვა იონებს, რომლებიც საკმარისად არ არის აჩქარებული.თუმცა, იონური დენის ფორმების მსგავსება, რომელიც ნაპოვნია QD-სა და PC-ს საშუალებით, მიუთითებს იმაზე, რომ იონური დენი ძირითადად შედგება აჩქარებული 7Li3+-ისგან, ხოლო დენის პიკური მნიშვნელობის დაქვეითება PC-ზე გამოწვეულია სხივის დანაკარგებით იონების გადაცემის დროს QD-ს და შორის. კომპიუტერი.დანაკარგები ამას ასევე ადასტურებს კონვერტის სიმულაცია.7Li3+ სხივის დენის ზუსტად გასაზომად, სხივი გაანალიზებულია დიპოლური მაგნიტით, როგორც ეს აღწერილია შემდეგ ნაწილში.
აჩქარებული სხივის ოსცილოგრამები ჩაწერილია დეტექტორის პოზიციებზე CT (შავი მრუდი) და FC (წითელი მრუდი).ეს გაზომვები გამოწვეულია ლაზერული გამოსხივების გამოვლენით ფოტოდეტექტორით ლაზერული პლაზმის წარმოქმნის დროს.შავი მრუდი გვიჩვენებს ტალღის ფორმას, რომელიც იზომება CT-ზე, რომელიც დაკავშირებულია RFQ linac გამომავალთან.RFQ linac-თან სიახლოვის გამო, დეტექტორი იღებს 100 MHz RF ხმაურს, ამიტომ გამოყენებული იქნა 98 MHz დაბალი გამტარი FFT ფილტრი, რათა ამოეღოთ 100 MHz რეზონანსული RF სიგნალი, რომელიც ზედმიყენებულია აღმოჩენის სიგნალზე.წითელი მრუდი აჩვენებს ტალღის ფორმას FC-ზე მას შემდეგ, რაც ანალიტიკური მაგნიტი მიმართავს 7Li3+ იონურ სხივს.ამ მაგნიტურ ველში, გარდა 7Li3+, N6+ და O7+ შეიძლება ტრანსპორტირება.
იონური სხივი RFQ linac-ის შემდეგ ფოკუსირებულია სამი ოთხპოლუსიანი ფოკუსირებული მაგნიტების სერიით და შემდეგ გაანალიზებულია დიპოლური მაგნიტებით იონურ სხივში მინარევების იზოლირებისთვის.მაგნიტური ველი 0,268 T მიმართავს 7Li3+ სხივებს FC-ში.ამ მაგნიტური ველის გამოვლენის ტალღის ფორმა ნაჩვენებია, როგორც წითელი მრუდი სურათზე 4. სხივის პიკური დენი აღწევს 35 mA-ს, რაც 100-ჯერ მეტია, ვიდრე ტიპიური Li3+ სხივი, რომელიც წარმოებულია არსებულ ჩვეულებრივ ელექტროსტატიკური ამაჩქარებლებში.სხივის პულსის სიგანე არის 2.0 μs სრული სიგანეზე მაქსიმუმ ნახევარზე.7Li3+ სხივის გამოვლენა დიპოლური მაგნიტური ველით მიუთითებს წარმატებულ შეკვრასა და სხივის აჩქარებაზე.იონური სხივის დენი, რომელიც აღმოჩენილია FC-ს მიერ დიპოლის მაგნიტური ველის სკანირებისას ნაჩვენებია ნახ. 5-ზე. დაფიქსირდა სუფთა ერთი პიკი, კარგად გამოყოფილი სხვა მწვერვალებისგან.მას შემდეგ, რაც RFQ linac-ის მიერ საპროექტო ენერგიამდე აჩქარებული ყველა იონს აქვს იგივე სიჩქარე, იონური სხივები იგივე Q/A ძნელია დიპოლური მაგნიტური ველებით გამოყოფა.მაშასადამე, ჩვენ ვერ განვასხვავებთ 7Li3+ N6+ ან O7+-ისგან.თუმცა, მინარევების რაოდენობა შეიძლება შეფასდეს მეზობელი მუხტი ქვეყნებიდან.მაგალითად, N7+ და N5+ შეიძლება ადვილად განცალკევდეს, ხოლო N6+ შეიძლება იყოს მინარევის ნაწილი და მოსალოდნელია იყოს დაახლოებით იგივე რაოდენობით, როგორც N7+ და N5+.დაბინძურების სავარაუდო დონე არის დაახლოებით 2%.
სხივის კომპონენტის სპექტრები მიღებული დიპოლური მაგნიტური ველის სკანირებით.პიკი 0.268 T-ზე შეესაბამება 7Li3+ და N6+.პიკის სიგანე დამოკიდებულია ნაპრალზე სხივის ზომაზე.ფართო მწვერვალების მიუხედავად, 7Li3+ კარგად გამოყოფს 6Li3+, O6+ და N5+, მაგრამ ცუდად გამოყოფს O7+ და N6+.
FC-ის მდებარეობაზე, სხივის პროფილი დადასტურდა დანამატი სკინტილატორით და ჩაიწერა სწრაფი ციფრული კამერით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 6. 7Li3+ იმპულსური სხივი 35 mA დენით ნაჩვენებია აჩქარებულად გამოთვლილ RFQ-მდე. ენერგია 204 კევ/ნ, რომელიც შეესაბამება 1.4 მევ-ს და გადაეცემა FC დეტექტორს.
სხივის პროფილი დაფიქსირდა წინასწარ FC სცინტილატორ ეკრანზე (ფერადი Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).ანალიტიკური დიპოლური მაგნიტის მაგნიტური ველი მორგებული იყო იმისათვის, რომ მიმართულიყო Li3+ იონური სხივის აჩქარება დიზაინის ენერგიის RFQ-ზე.მწვანე ზონაში ლურჯი წერტილები გამოწვეულია დეფექტური სცინტილატორული მასალისგან.
ჩვენ მივაღწიეთ 7Li3+ იონების გენერაციას მყარი ლითიუმის ფოლგის ზედაპირის ლაზერული აბლაციით, ხოლო მაღალი დენის იონური სხივი დაიჭირეს და დააჩქარეს სპეციალურად შექმნილი RFQ ლინაკით DPIS-ის გამოყენებით.სხივის ენერგიაზე 1.4 მევ, პიკური დენი 7Li3+ მიღწეულია FC-ზე მაგნიტის ანალიზის შემდეგ იყო 35 mA.ეს ადასტურებს, რომ შებრუნებული კინემატიკის მქონე ნეიტრონული წყაროს განხორციელების ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაწილი ექსპერიმენტულად განხორციელდა.ნაშრომის ამ ნაწილში განხილული იქნება კომპაქტური ნეიტრონული წყაროს მთელი დიზაინი, მათ შორის მაღალი ენერგიის ამაჩქარებლები და ნეიტრონული სამიზნე სადგურები.დიზაინი ეფუძნება ჩვენს ლაბორატორიაში არსებული სისტემებით მიღებულ შედეგებს.უნდა აღინიშნოს, რომ იონური სხივის პიკური დენი შეიძლება კიდევ უფრო გაიზარდოს ლითიუმის ფოლგასა და RFQ ლინაკს შორის მანძილის შემცირებით.ბრინჯი.7 ასახავს შემოთავაზებული კომპაქტური ნეიტრონული წყაროს მთელ კონცეფციას ამაჩქარებელზე.
შემოთავაზებული კომპაქტური ნეიტრონული წყაროს კონცეპტუალური დიზაინი ამაჩქარებელზე (დახატული Freecad-ის მიერ, 0.19, https://www.freecadweb.org/).მარჯვნიდან მარცხნივ: ლაზერული იონის წყარო, სოლენოიდის მაგნიტი, RFQ ლინაკი, საშუალო ენერგიის სხივის გადაცემა (MEBT), IH ლინაკი და ურთიერთქმედების კამერა ნეიტრონების წარმოქმნისთვის.რადიაციული დაცვა უზრუნველყოფილია ძირითადად წინა მიმართულებით წარმოებული ნეიტრონული სხივების ვიწრო მიმართულების გამო.
RFQ linac-ის შემდეგ დაგეგმილია ინტერციფრული H-სტრუქტურის (IH linac)30 ლინაკის შემდგომი აჩქარება.IH linacs იყენებენ π-რეჟიმს დრიფტის მილის სტრუქტურას, რათა უზრუნველყონ მაღალი ელექტრული ველის გრადიენტები სიჩქარის გარკვეულ დიაპაზონში.კონცეპტუალური კვლევა ჩატარდა 1D გრძივი დინამიკის სიმულაციისა და 3D გარსის სიმულაციის საფუძველზე.გამოთვლები აჩვენებს, რომ 100 MHz IH linac-ს გონივრული დრიფტის მილის ძაბვით (450 კვ-ზე ნაკლები) და ძლიერი ფოკუსირების მაგნიტით შეუძლია დააჩქაროს 40 mA სხივი 1.4-დან 14 MeV-მდე 1.8 მ მანძილზე.ენერგიის განაწილება ამაჩქარებლის ჯაჭვის ბოლოს შეფასებულია ± 0,4 მევ-ზე, რაც მნიშვნელოვან გავლენას არ ახდენს ნეიტრონების კონვერტაციის სამიზნის მიერ წარმოქმნილ ნეიტრონების ენერგეტიკულ სპექტრზე.გარდა ამისა, სხივის გამოსხივება საკმარისად დაბალია იმისათვის, რომ ფოკუსირება მოახდინოს სხივის უფრო პატარა სხივზე, ვიდრე ეს ჩვეულებრივ საჭიროა საშუალო სიმტკიცის და ზომის ოთხპოლუსიანი მაგნიტისთვის.საშუალო ენერგიის სხივის (MEBT) გადაცემაში RFQ ხაზსა და IH ხაზს შორის, სხივის ფორმირების რეზონატორი გამოიყენება სხივის ფორმირების სტრუქტურის შესანარჩუნებლად.სამი ოთხპოლუსიანი მაგნიტი გამოიყენება გვერდითი სხივის ზომის გასაკონტროლებლად.ეს დიზაინის სტრატეგია გამოყენებულია ბევრ ამაჩქარებელში31,32,33.მთლიანი სისტემის მთლიანი სიგრძე იონის წყაროდან სამიზნე კამერამდე შეფასებულია 8 მ-ზე ნაკლები, რომელიც შეიძლება მოთავსდეს სტანდარტულ ნახევრად მისაბმელ სატვირთო მანქანაში.
ნეიტრონების გარდაქმნის სამიზნე დამონტაჟდება უშუალოდ ხაზოვანი ამაჩქარებლის შემდეგ.ჩვენ განვიხილავთ სამიზნე სადგურის დიზაინებს წინა კვლევებზე დაყრდნობით, ინვერსიული კინემატიკური სცენარების გამოყენებით23.მოხსენებული კონვერტაციის მიზნები მოიცავს მყარ მასალებს (პოლიპროპილენს (C3H6) და ტიტანის ჰიდრიდს (TiH2)) და აირისებრ სამიზნე სისტემებს.თითოეულ მიზანს აქვს დადებითი და უარყოფითი მხარეები.მყარი სამიზნეები სისქის ზუსტი კონტროლის საშუალებას იძლევა.რაც უფრო თხელია სამიზნე, მით უფრო ზუსტია ნეიტრონების წარმოების სივრცითი მოწყობა.თუმცა, ასეთ სამიზნეებს შესაძლოა მაინც ჰქონდეთ არასასურველი ბირთვული რეაქციები და რადიაცია.მეორეს მხრივ, წყალბადის სამიზნეს შეუძლია უზრუნველყოს უფრო სუფთა გარემო 7Be-ის წარმოების აღმოფხვრის გზით, ბირთვული რეაქციის მთავარი პროდუქტი.თუმცა წყალბადს აქვს სუსტი ბარიერული უნარი და საჭიროებს დიდ ფიზიკურ მანძილს საკმარისი ენერგიის გამოყოფისთვის.ეს ოდნავ არახელსაყრელია TOF გაზომვებისთვის.გარდა ამისა, თუ თხელი ფილმი გამოიყენება წყალბადის სამიზნის დალუქვისთვის, აუცილებელია გავითვალისწინოთ გამა სხივების ენერგეტიკული დანაკარგები, რომლებიც წარმოიქმნება თხელი ფირისა და ლითიუმის შემხვედრი სხივით.
LICORNE იყენებს პოლიპროპილენის სამიზნეებს და სამიზნე სისტემა განახლდა წყალბადის უჯრედებად, რომლებიც დალუქულია ტანტალის ფოლგით.7Li34-ისთვის 100 nA სხივის დენის დაშვებით, ორივე სამიზნე სისტემას შეუძლია გამოიმუშაოს 107 n/s/sr-მდე.თუ ჩვენ გამოვიყენებთ ამ პრეტენზიულ ნეიტრონის გამოსავლიან კონვერტაციას ჩვენს შემოთავაზებულ ნეიტრონულ წყაროზე, მაშინ ლითიუმით მოქმედი სხივი 7 × 10-8 C შეიძლება მივიღოთ ლაზერის თითოეული პულსისთვის.ეს ნიშნავს, რომ ლაზერის გასროლა წამში მხოლოდ ორჯერ გამოიმუშავებს 40%-ით მეტ ნეიტრონს, ვიდრე LICORNE-ს შეუძლია ერთ წამში უწყვეტი სხივით.მთლიანი ნაკადი ადვილად შეიძლება გაიზარდოს ლაზერის აგზნების სიხშირის გაზრდით.თუ ვივარაუდებთ, რომ ბაზარზე არის 1 kHz ლაზერული სისტემა, ნეიტრონის საშუალო ნაკადი ადვილად შეიძლება მასშტაბირდეს დაახლოებით 7 × 109 n/s/sr.
როდესაც ჩვენ ვიყენებთ მაღალი განმეორების სიჩქარის სისტემებს პლასტმასის სამიზნეებთან, აუცილებელია სამიზნეებზე სითბოს წარმოქმნის კონტროლი, რადგან, მაგალითად, პოლიპროპილენს აქვს დაბალი დნობის წერტილი 145–175 °C და დაბალი თბოგამტარობა 0,1–0,22 W/. მ/კ.14 მევ ლითიუმ-იონური სხივისთვის საკმარისია 7 მკმ სისქის პოლიპროპილენის სამიზნე სხივის ენერგიის რეაქციის ზღურბლამდე შესამცირებლად (13,098 მევ).სამიზნეზე ერთი ლაზერული გასროლით წარმოქმნილი იონების მთლიანი ეფექტის გათვალისწინებით, ლითიუმის იონების ენერგიის გამოყოფა პოლიპროპილენის მეშვეობით შეფასებულია 64 მჯ/პულსი.თუ ვივარაუდებთ, რომ მთელი ენერგია გადაიცემა წრეში 10 მმ დიამეტრით, თითოეული პულსი შეესაბამება ტემპერატურის ზრდას დაახლოებით 18 კ/პულსზე.ენერგიის გამოყოფა პოლიპროპილენის სამიზნეებზე ეფუძნება მარტივ დაშვებას, რომ ენერგიის ყველა დანაკარგი ინახება სითბოს სახით, რადიაციის ან სხვა სითბოს დანაკარგების გარეშე.ვინაიდან წამში იმპულსების რაოდენობის გაზრდა მოითხოვს სითბოს დაგროვების აღმოფხვრას, ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ ზოლის სამიზნეები, რათა თავიდან ავიცილოთ ენერგიის გამოყოფა იმავე წერტილში23.ვივარაუდოთ, რომ სამიზნეზე 10 მმ სხივის ლაქა იქნება 100 ჰც ლაზერული გამეორების სიხშირით, პოლიპროპილენის ფირის სკანირების სიჩქარე იქნება 1 მ/წმ.გამეორების უფრო მაღალი სიხშირე შესაძლებელია, თუ დაშვებულია სხივის წერტილის გადახურვა.
ჩვენ ასევე გამოვიკვლიეთ სამიზნეები წყალბადის ბატარეებით, რადგან უფრო ძლიერი ამძრავი სხივების გამოყენება შეიძლებოდა სამიზნის დაზიანების გარეშე.ნეიტრონული სხივი ადვილად დარეგულირებულია გაზის კამერის სიგრძისა და შიგნით წყალბადის წნევის შეცვლით.თხელი ლითონის ფოლგა ხშირად გამოიყენება ამაჩქარებლებში სამიზნის აირისებრი რეგიონის ვაკუუმისგან გამოსაყოფად.ამიტომ აუცილებელია ლითიუმ-იონის შემხვედრი სხივის ენერგიის გაზრდა ფოლგაზე ენერგიის დანაკარგების კომპენსაციის მიზნით.35-ე მოხსენებაში აღწერილი სამიზნე შეკრება შედგებოდა 3,5 სმ სიგრძის ალუმინის კონტეინერისგან, H2 გაზის წნევით 1,5 ატმ.16,75 მევ ლითიუმის იონური სხივი შედის ბატარეაში ჰაერით გაგრილებული 2,7 μm Ta ფოლგის მეშვეობით და ბატარეის ბოლოში ლითიუმის იონური სხივის ენერგია ნელდება რეაქციის ზღურბლამდე.ლითიუმ-იონური ბატარეების სხივის ენერგიის გასაზრდელად 14,0 მევ-დან 16,75 მევ-მდე, IH ლინაკი უნდა გაგრძელდეს დაახლოებით 30 სმ-ით.
ასევე შესწავლილი იქნა ნეიტრონების ემისია გაზის უჯრედების სამიზნეებიდან.ზემოაღნიშნული LICORNE გაზის სამიზნეებისთვის, GEANT436 სიმულაციები აჩვენებს, რომ მაღალ ორიენტირებული ნეიტრონები წარმოიქმნება კონუსის შიგნით, როგორც ეს ნაჩვენებია 1-ლ სურათზე [37]-ში.მითითება 35 გვიჩვენებს ენერგიის დიაპაზონს 0,7-დან 3,0 მევ-მდე მაქსიმალური კონუსის გახსნით 19,5°-ით, მთავარი სხივის გავრცელების მიმართულების მიმართ.მაღალ ორიენტირებულ ნეიტრონებს შეუძლიათ მნიშვნელოვნად შეამცირონ დამცავი მასალის რაოდენობა უმეტესი კუთხით, შეამცირონ სტრუქტურის წონა და უზრუნველყონ მეტი მოქნილობა საზომი აღჭურვილობის დამონტაჟებაში.რადიაციული დაცვის თვალსაზრისით, ნეიტრონების გარდა, ეს აირისებრი სამიზნე ცენტრალურ კოორდინატულ სისტემაში იზოტროპულად გამოსცემს 478 კევ გამა სხივებს38.ეს γ-სხივები წარმოიქმნება 7Be დაშლისა და 7Li deexcitation-ის შედეგად, რაც ხდება მაშინ, როდესაც პირველადი Li სხივი ხვდება შეყვანის ფანჯარას Ta.თუმცა, სქელი 35 Pb/Cu ცილინდრული კოლიმატორის დამატებით, ფონი შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს.
როგორც ალტერნატიული სამიზნე, შეიძლება გამოვიყენოთ პლაზმური ფანჯარა [39, 40], რაც შესაძლებელს ხდის წყალბადის შედარებით მაღალი წნევის მიღწევას და ნეიტრონების წარმოქმნის მცირე სივრცულ რეგიონს, თუმცა ის ჩამოუვარდება მყარ სამიზნეებს.
ჩვენ ვიკვლევთ ნეიტრონების კონვერტაციის სამიზნე ვარიანტებს ლითიუმის იონური სხივის მოსალოდნელი ენერგიის განაწილებისა და სხივის ზომაზე GEANT4-ის გამოყენებით.ჩვენი სიმულაციები აჩვენებს ნეიტრონების ენერგიისა და კუთხური განაწილების თანმიმდევრულ განაწილებას წყალბადის სამიზნეებისთვის ზემოთ მოცემულ ლიტერატურაში.ნებისმიერ სამიზნე სისტემაში უაღრესად ორიენტირებული ნეიტრონები შეიძლება წარმოიქმნას ინვერსიული კინემატიკური რეაქციით, რომელსაც ამოძრავებს ძლიერი 7Li3+ სხივი წყალბადით მდიდარ სამიზნეზე.აქედან გამომდინარე, ახალი ნეიტრონული წყაროების დანერგვა შესაძლებელია უკვე არსებული ტექნოლოგიების კომბინაციით.
ლაზერული დასხივების პირობებში რეპროდუცირებული იყო იონის სხივის წარმოქმნის ექსპერიმენტები დაჩქარებულ დემონსტრაციამდე.ლაზერი არის დესკტოპის ნანოწამიანი Nd:YAG სისტემა, რომელსაც აქვს ლაზერული სიმძლავრის სიმკვრივე 1012 W/cm2, ფუნდამენტური ტალღის სიგრძე 1064 ნმ, წერტილოვანი ენერგია 800 mJ და პულსის ხანგრძლივობა 6 ns.სამიზნეზე ლაქის დიამეტრი შეფასებულია 100 მკმ-ად.იმის გამო, რომ ლითიუმის ლითონი (Alfa Aesar, 99,9% სისუფთავე) საკმაოდ რბილია, ზუსტად მოჭრილი მასალა ყალიბში იჭერება.ფოლგის ზომები 25 მმ × 25 მმ, სისქე 0,6 მმ.კრატერის მსგავსი დაზიანება ხდება სამიზნის ზედაპირზე ლაზერის მოხვედრისას, ამიტომ სამიზნე მოძრაობს მოტორიზებული პლატფორმით, რათა უზრუნველყოს სამიზნის ზედაპირის ახალი ნაწილი ყოველი ლაზერული გასროლით.ნარჩენი გაზის გამო რეკომბინაციის თავიდან აცილების მიზნით, პალატაში წნევა შენარჩუნებული იყო 10-4 Pa დიაპაზონში.
ლაზერული პლაზმის საწყისი მოცულობა მცირეა, ვინაიდან ლაზერული ლაქის ზომაა 100 მკმ და მისი წარმოქმნიდან 6 ნმ-ში.მოცულობა შეიძლება იქნას მიღებული, როგორც ზუსტი წერტილი და გაფართოვდეს.თუ დეტექტორი მოთავსებულია სამიზნე ზედაპირიდან xm მანძილზე, მაშინ მიღებული სიგნალი ემორჩილება ურთიერთობას: იონის დენი I, იონის ჩამოსვლის დრო t და პულსის სიგანე τ.
გენერირებული პლაზმა შესწავლილი იქნა TOF მეთოდით FC და ენერგიის იონური ანალიზატორით (EIA), რომელიც მდებარეობს ლაზერული სამიზნედან 2,4 მ და 3,85 მ მანძილზე.FC-ს აქვს დამთრგუნველი ბადე, რომელიც მიკერძოებულია -5 კვ-ით ელექტრონების თავიდან ასაცილებლად.EIA-ს აქვს 90 გრადუსიანი ელექტროსტატიკური დეფლექტორი, რომელიც შედგება ორი კოაქსიალური მეტალის ცილინდრული ელექტროდისგან, იგივე ძაბვით, მაგრამ საპირისპირო პოლარობით, გარედან დადებითი და შიგნიდან უარყოფითი.გაფართოებული პლაზმა მიმართულია დეფლექტორში ჭრილის უკან და იხრება ცილინდრში გამავალი ელექტრული ველით.იონები, რომლებიც აკმაყოფილებენ ურთიერთობას E/z = eKU გამოვლენილია მეორადი ელექტრონის მულტიპლიკატორის (SEM) გამოყენებით (Hamamatsu R2362), სადაც E, z, e, K და U არის იონის ენერგია, მუხტის მდგომარეობა და მუხტი არის EIA გეომეტრიული ფაქტორები. .ელექტრონები, შესაბამისად, და პოტენციური განსხვავება ელექტროდებს შორის.დეფლექტორზე ძაბვის შეცვლით, შეგიძლიათ მიიღოთ პლაზმაში იონების ენერგიისა და მუხტის განაწილება.გამწმენდი ძაბვა U/2 EIA არის 0,2 ვ-დან 800 ვ-მდე დიაპაზონში, რაც შეესაბამება იონის ენერგიას 4 ევ-დან 16 კევ-მდე დიაპაზონში დამუხტვის მდგომარეობაში.
იონების მუხტის მდგომარეობის განაწილება, რომელიც გაანალიზებულია ლაზერული დასხივების პირობებში, აღწერილია სექციაში „სრულიად გაშიშვლებული ლითიუმის სხივების გენერაცია“ ნაჩვენებია ნახ.8.
იონების მუხტის მდგომარეობის განაწილების ანალიზი.აქ არის იონის დენის სიმკვრივის დროის პროფილი, რომელიც გაანალიზებულია EIA-ით და მასშტაბირებულია ლითიუმის ფოლგადან 1 მ-ზე განტოლების გამოყენებით.(1) და (2).გამოიყენეთ ლაზერული დასხივების პირობები, რომლებიც აღწერილია განყოფილებაში „სრულად აქერცლილი ლითიუმის სხივის გენერაცია“.თითოეული დენის სიმკვრივის ინტეგრირებით, გამოითვალა იონების პროპორცია პლაზმაში, ნაჩვენებია სურათზე 3.
ლაზერულ იონურ წყაროებს შეუძლიათ გადასცენ ინტენსიური მრავალმA იონური სხივი მაღალი მუხტით.თუმცა, სხივის მიწოდება ძალიან რთულია კოსმოსური მუხტის მოგერიების გამო, ამიტომ ფართოდ არ გამოიყენებოდა.ტრადიციულ სქემაში, იონური სხივები ამოღებულია პლაზმიდან და ტრანსპორტირება ხდება პირველადი ამაჩქარებლისკენ სხივის ხაზის გასწვრივ რამდენიმე ფოკუსირებული მაგნიტით, რათა ჩამოაყალიბონ იონური სხივი ამაჩქარებლის პიკაპის შესაძლებლობის მიხედვით.კოსმოსური მუხტის ძალის სხივებში სხივები განსხვავდებიან არაწრფივად და შეინიშნება სხივის სერიოზული დანაკარგები, განსაკუთრებით დაბალი სიჩქარის რეგიონში.სამედიცინო ნახშირბადის ამაჩქარებლების შემუშავებაში ამ პრობლემის დასაძლევად შემოთავაზებულია DPIS41 სხივის მიწოდების ახალი სქემა.ჩვენ გამოვიყენეთ ეს ტექნიკა ახალი ნეიტრონული წყაროდან ძლიერი ლითიუმ-იონის სხივის დასაჩქარებლად.
როგორც ნაჩვენებია ნახ.4, სივრცე, რომელშიც პლაზმა წარმოიქმნება და გაფართოებულია, გარშემორტყმულია ლითონის კონტეინერით.დახურული სივრცე ვრცელდება RFQ რეზონატორის შესასვლელამდე, მოცულობის ჩათვლით სოლენოიდის კოჭის შიგნით.კონტეინერზე დაყენებული იყო 52 კვ ძაბვა.RFQ რეზონატორში იონები პოტენციალით გაიყვანება 6 მმ დიამეტრის ხვრელში RFQ-ის დამიწების გზით.სხივის ხაზზე არაწრფივი მოგერიების ძალები აღმოფხვრილია იონების პლაზმურ მდგომარეობაში ტრანსპორტირებისას.გარდა ამისა, როგორც ზემოთ აღინიშნა, ჩვენ გამოვიყენეთ სოლენოიდური ველი DPIS-თან ერთად, რათა გაკონტროლდეს და გავზარდოთ იონების სიმკვრივე ექსტრაქციის დიაფრაგში.
RFQ ამაჩქარებელი შედგება ცილინდრული ვაკუუმის კამერისგან, როგორც ნაჩვენებია ნახ.9ა.მის შიგნით, ჟანგბადის გარეშე სპილენძის ოთხი ღერო მოთავსებულია სხივის ღერძის გარშემო ოთხპოლუს-სიმეტრიულად (სურ. 9ბ).4 ღერო და კამერა ქმნის რეზონანსულ RF წრეს.ინდუცირებული RF ველი ქმნის დროში ცვალებად ძაბვას ღეროზე.ღერძის ირგვლივ გრძივად ჩადგმული იონები ლატერალურად იმართება ოთხპოლუსიანი ველით.ამავდროულად, ღეროს წვერი მოდულირებულია ღერძული ელექტრული ველის შესაქმნელად.ღერძული ველი ყოფს შეყვანილ უწყვეტ სხივს სხივის იმპულსების სერიად, რომელსაც ეწოდება სხივი.თითოეული სხივი მოთავსებულია RF ციკლის გარკვეულ დროს (10 ns).მიმდებარე სხივები დაშორებულია რადიოსიხშირული პერიოდის მიხედვით.RFQ ლინაკში, ლაზერული იონის წყაროდან 2 μs სხივი გარდაიქმნება 200 სხივის თანმიმდევრობაში.შემდეგ სხივი აჩქარებულია გამოთვლილ ენერგიამდე.
ხაზოვანი ამაჩქარებელი RFQ.(ა) (მარცხნივ) RFQ ლინაკის კამერის გარე ხედი.(ბ) (მარჯვნივ) ოთხწლიანი ელექტროდი პალატაში.
RFQ linac-ის ძირითადი დიზაინის პარამეტრებია ღეროს ძაბვა, რეზონანსული სიხშირე, სხივის ხვრელის რადიუსი და ელექტროდის მოდულაცია.აირჩიეთ ძაბვა ღეროზე ± 29 კვ, ისე, რომ მისი ელექტრული ველი იყოს ელექტრული ავარიის ზღურბლზე ქვემოთ.რაც უფრო დაბალია რეზონანსული სიხშირე, მით მეტია გვერდითი ფოკუსირების ძალა და უფრო მცირეა საშუალო აჩქარების ველი.დიაფრაგმის დიდი რადიუსი შესაძლებელს ხდის სხივის ზომის გაზრდას და, შესაბამისად, სხივის დენის გაზრდას მცირე სივრცის მუხტის მოგერიების გამო.მეორეს მხრივ, დიაფრაგმის უფრო დიდი რადიუსები საჭიროებს მეტ RF სიმძლავრეს RFQ ლინაკის გასაძლიერებლად.გარდა ამისა, ის შეზღუდულია საიტის ხარისხის მოთხოვნებით.ამ ნაშთებიდან გამომდინარე, მაღალი დენის სხივის აჩქარებისთვის შეირჩა რეზონანსული სიხშირე (100 MHz) და დიაფრაგმის რადიუსი (4,5 მმ).მოდულაცია არჩეულია სხივის დანაკარგის შესამცირებლად და აჩქარების ეფექტურობის მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით.დიზაინი არაერთხელ იქნა ოპტიმიზირებული RFQ ლინაკის დიზაინის შესაქმნელად, რომელსაც შეუძლია დააჩქაროს 7Li3+ იონები 40 mA-ზე 22 keV/n-დან 204 keV/n-მდე 2 მ-ის ფარგლებში.ექსპერიმენტის დროს გაზომილი RF სიმძლავრე იყო 77 კვტ.
RFQ ლინაკებს შეუძლიათ იონების დაჩქარება კონკრეტული Q/A დიაპაზონით.ამიტომ, ხაზოვანი ამაჩქარებლის ბოლომდე მიწოდებული სხივის ანალიზის დროს აუცილებელია იზოტოპების და სხვა ნივთიერებების გათვალისწინება.გარდა ამისა, სასურველ იონებს, ნაწილობრივ აჩქარებულს, მაგრამ აჩქარების პირობებში ჩამოშვებული ამაჩქარებლის შუაში, მაინც შეუძლიათ გვერდითი შეზღუდვა და მათი ტრანსპორტირება ბოლომდე.არასასურველ სხივებს, გარდა ინჟინერიული 7Li3+ ნაწილაკებისა, მინარევები ეწოდება.ჩვენს ექსპერიმენტებში 14N6+ და 16O7+ მინარევები იყო ყველაზე დიდი შეშფოთება, რადგან ლითიუმის ლითონის კილიტა რეაგირებს ჰაერში ჟანგბადთან და აზოტთან.ამ იონებს აქვთ Q/A თანაფარდობა, რომელიც შეიძლება დაჩქარდეს 7Li3+-ით.ჩვენ ვიყენებთ დიპოლურ მაგნიტებს სხვადასხვა ხარისხისა და ხარისხის სხივების გამოსაყოფად სხივის ანალიზისთვის RFQ ლინაკის შემდეგ.
სხივის ხაზი RFQ linac-ის შემდეგ შექმნილია იმისთვის, რომ სრულად აჩქარებული 7Li3+ სხივი მიაწოდოს FC-ს დიპოლური მაგნიტის შემდეგ.-400 ვ მიკერძოებული ელექტროდები გამოიყენება თასში მეორადი ელექტრონების ჩასახშობად იონური სხივის დენის ზუსტად გასაზომად.ამ ოპტიკით, იონური ტრაექტორიები იყოფა დიპოლებად და ფოკუსირებულია სხვადასხვა ადგილას Q/A-ის მიხედვით.სხვადასხვა ფაქტორების გამო, როგორიცაა იმპულსის დიფუზია და სივრცის მუხტის მოგერიება, ფოკუსში მყოფ სხივს აქვს გარკვეული სიგანე.სახეობების განცალკევება შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ორი იონის სახეობის ფოკუსურ პოზიციებს შორის მანძილი მეტია სხივის სიგანეზე.მაქსიმალური გარჩევადობის მისაღებად, სხივის წელის მახლობლად დამონტაჟებულია ჰორიზონტალური ჭრილი, სადაც სხივი პრაქტიკულად კონცენტრირებულია.ჭრილსა და კომპიუტერს შორის დამონტაჟდა სცინტილაციის ეკრანი (CsI(Tl) Saint-Gobain-ისგან, 40 მმ × 40 მმ × 3 მმ).სცინტილატორი გამოიყენებოდა უმცირესი ჭრილის დასადგენად, რომელიც უნდა გაევლოთ დაპროექტებულ ნაწილაკებს ოპტიმალური გარჩევადობისთვის და მაღალი დენის მძიმე იონური სხივებისთვის მისაღები სხივის ზომის დემონსტრირებისთვის.სცინტილატორზე სხივის გამოსახულება ჩაიწერება CCD კამერით ვაკუუმური ფანჯრის მეშვეობით.დაარეგულირეთ ექსპოზიციის დროის ფანჯარა ისე, რომ დაფაროს სხივის პულსის მთლიანი სიგანე.
მიმდინარე კვლევაში გამოყენებული ან გაანალიზებული მონაცემთა ნაკრები ხელმისაწვდომია შესაბამისი ავტორებისგან გონივრული მოთხოვნით.
მანკე, ი. და სხვ.მაგნიტური დომენების სამგანზომილებიანი გამოსახულება.ეროვნული კომუნა.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
ანდერსონი, IS და სხვ.კომპაქტური ნეიტრონული წყაროების შესწავლის შესაძლებლობები ამაჩქარებლებზე.ფიზიკა.რესპ. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016 წ.).
ურჩუოლი, ა. და სხვ.ნეიტრონზე დაფუძნებული კომპიუტერული მიკროტომოგრაფია: Pliobates cataloniae და Barberapithecus huerzeleri, როგორც ტესტის შემთხვევები.დიახ.ჯ.ფიზიკა.ანთროპოლოგია.166, 987–993 წწ.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).