304L 6.35*1 มม. ซัพพลายเออร์ท่อขดสแตนเลส, การสาธิตลำแสงลิเธียมเข้มข้นสำหรับการสร้างนิวตรอนโดยตรงแบบพัลซิ่ง

ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แถบเลื่อนแสดงสามบทความต่อสไลด์ใช้ปุ่มย้อนกลับและปุ่มถัดไปเพื่อเลื่อนไปตามสไลด์ หรือใช้ปุ่มตัวควบคุมสไลด์ที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนไปตามแต่ละสไลด์

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการศึกษาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เครื่องกำเนิดนิวตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องเร่งขนาดกะทัดรัดโดยใช้ตัวขับลำแสงลิเธียมไอออนอาจเป็นตัวเลือกที่น่าหวังเพราะมันผลิตรังสีที่ไม่พึงประสงค์เพียงเล็กน้อยอย่างไรก็ตาม การส่งลำแสงลิเธียมไอออนที่มีความเข้มข้นสูงเป็นเรื่องยาก และการใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวในทางปฏิบัติก็ถือว่าเป็นไปไม่ได้ปัญหาเฉียบพลันที่สุดของการไหลของไอออนไม่เพียงพอได้รับการแก้ไขโดยการใช้แผนการฝังพลาสมาโดยตรงในโครงการนี้ พลาสมาพัลส์ความหนาแน่นสูงที่สร้างขึ้นโดยการระเหยด้วยเลเซอร์ของฟอยล์โลหะลิเธียมจะถูกฉีดและเร่งความเร็วอย่างมีประสิทธิภาพด้วยเครื่องเร่งสี่ขั้วความถี่สูง (ตัวเร่ง RFQ)เราได้รับกระแสลำแสงสูงสุดที่ 35 mA เร่งความเร็วเป็น 1.43 MeV ซึ่งสูงกว่าระบบหัวฉีดและคันเร่งทั่วไปถึงสองเท่า
นิวตรอนต่างจากรังสีเอกซ์หรืออนุภาคที่มีประจุตรงที่มีความลึกทะลุผ่านได้มากและมีปฏิสัมพันธ์กับสสารควบแน่นโดยเฉพาะ ทำให้นิวตรอนเป็นโพรบอเนกประสงค์สำหรับศึกษาคุณสมบัติของวัสดุ1,2,3,4,5,6,7โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคนิคการกระเจิงนิวตรอนมักใช้เพื่อศึกษาองค์ประกอบ โครงสร้าง และความเค้นภายในในสสารควบแน่น และสามารถให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับสารประกอบปริมาณน้อยในโลหะผสมที่ตรวจพบได้ยากโดยใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปี8วิธีการนี้ถือเป็นเครื่องมืออันทรงพลังในทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน และผู้ผลิตโลหะและวัสดุอื่นๆ ใช้วิธีนี้เมื่อเร็วๆ นี้ การเลี้ยวเบนของนิวตรอนถูกนำมาใช้เพื่อตรวจจับความเค้นตกค้างในส่วนประกอบทางกล เช่น ชิ้นส่วนรางและเครื่องบิน9,10,11,12นิวตรอนยังใช้ในบ่อน้ำมันและก๊าซเนื่องจากถูกจับได้ง่ายด้วยวัสดุที่มีโปรตอนสูง13วิธีการที่คล้ายกันนี้ใช้ในงานวิศวกรรมโยธาด้วยการทดสอบนิวตรอนแบบไม่ทำลายเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการตรวจจับข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ในอาคาร อุโมงค์ และสะพานการใช้ลำนิวตรอนถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม ซึ่งหลายแห่งในอดีตได้รับการพัฒนาโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
อย่างไรก็ตาม ด้วยความเห็นพ้องต้องกันทั่วโลกเกี่ยวกับการไม่แพร่ขยายนิวเคลียร์ การสร้างเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัยจึงกลายเป็นเรื่องยากมากขึ้นยิ่งไปกว่านั้น อุบัติเหตุที่ฟุกุชิมะเมื่อเร็ว ๆ นี้ทำให้การสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เกือบจะเป็นที่ยอมรับของสังคมจากแนวโน้มนี้ ความต้องการแหล่งนิวตรอนที่เครื่องเร่งความเร็วจึงเพิ่มขึ้นแทนที่จะใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แหล่งกำเนิดนิวตรอนแยกด้วยเครื่องเร่งขนาดใหญ่หลายแห่งได้เปิดใช้งานแล้ว14,15อย่างไรก็ตาม เพื่อให้การใช้คุณสมบัติของคานนิวตรอนมีประสิทธิภาพมากขึ้น จำเป็นต้องขยายการใช้แหล่งกำเนิดขนาดกะทัดรัดที่เครื่องเร่งความเร็ว 16 ซึ่งอาจเป็นของสถาบันวิจัยอุตสาหกรรมและมหาวิทยาลัยแหล่งกำเนิดนิวตรอนของเครื่องเร่งได้เพิ่มความสามารถและฟังก์ชันใหม่ๆ นอกเหนือจากการทดแทนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์14ตัวอย่างเช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยไลแนกสามารถสร้างกระแสนิวตรอนได้อย่างง่ายดายโดยการควบคุมลำแสงขับเคลื่อนเมื่อปล่อยออกมา นิวตรอนจะควบคุมได้ยาก และการวัดรังสีก็ยากต่อการวิเคราะห์เนื่องจากสัญญาณรบกวนที่เกิดจากนิวตรอนพื้นหลังนิวตรอนพัลส์ที่ควบคุมโดยเครื่องเร่งความเร็วจะหลีกเลี่ยงปัญหานี้มีการเสนอโครงการหลายโครงการที่ใช้เทคโนโลยีเครื่องเร่งโปรตอนทั่วโลก17,18,19ปฏิกิริยา 7Li(p, n)7Be และ 9Be(p, n)9B ถูกใช้บ่อยที่สุดในเครื่องกำเนิดนิวตรอนคอมแพคนิวตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยโปรตอน เนื่องจากเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน20การแผ่รังสีส่วนเกินและกากกัมมันตภาพรังสีสามารถลดลงได้หากพลังงานที่เลือกเพื่อกระตุ้นลำแสงโปรตอนสูงกว่าค่าเกณฑ์เล็กน้อยอย่างไรก็ตาม มวลของนิวเคลียสเป้าหมายมีขนาดใหญ่กว่ามวลของโปรตอนมาก และส่งผลให้นิวตรอนกระจัดกระจายไปทุกทิศทางการปล่อยนิวตรอนฟลักซ์นิวตรอนใกล้กับไอโซโทรปิกเช่นนี้จะขัดขวางการเคลื่อนย้ายนิวตรอนไปยังวัตถุที่ทำการศึกษาอย่างมีประสิทธิภาพนอกจากนี้เพื่อให้ได้ปริมาณนิวตรอนที่ต้องการ ณ ตำแหน่งของวัตถุจำเป็นต้องเพิ่มทั้งจำนวนโปรตอนที่เคลื่อนที่และพลังงานของพวกมันอย่างมีนัยสำคัญเป็นผลให้รังสีแกมมาและนิวตรอนในปริมาณมากจะแพร่กระจายผ่านมุมที่กว้าง ซึ่งทำลายข้อดีของปฏิกิริยาดูดความร้อนเครื่องกำเนิดนิวตรอนที่มีพื้นฐานมาจากโปรตอนขนาดกะทัดรัดที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องเร่งทั่วไปมีเกราะป้องกันรังสีที่แข็งแกร่งและเป็นส่วนที่เทอะทะที่สุดของระบบความจำเป็นในการเพิ่มพลังงานในการขับเคลื่อนโปรตอนมักจะต้องเพิ่มขนาดของตัวเร่งความเร็วเพิ่มเติม
เพื่อเอาชนะข้อบกพร่องทั่วไปของแหล่งกำเนิดนิวตรอนคอมแพ็คธรรมดาที่เครื่องเร่งความเร็ว จึงเสนอแผนปฏิกิริยาผกผัน-จลน์ศาสตร์ในโครงการนี้ ลำแสงลิเธียมไอออนที่หนักกว่าจะถูกใช้เป็นลำแสงนำทางแทนลำแสงโปรตอน โดยกำหนดเป้าหมายไปที่วัสดุที่มีไฮโดรเจนสูง เช่น พลาสติกไฮโดรคาร์บอน ไฮไดรด์ ก๊าซไฮโดรเจน หรือพลาสมาไฮโดรเจนทางเลือกอื่นได้รับการพิจารณา เช่น คานที่ขับเคลื่อนด้วยไอออนของเบริลเลียม อย่างไรก็ตาม เบริลเลียมเป็นสารพิษที่ต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษในการจัดการดังนั้นลำแสงลิเธียมจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับแผนปฏิกิริยาผกผันและจลน์ศาสตร์เนื่องจากโมเมนตัมของนิวเคลียสลิเธียมมากกว่าโปรตอน จุดศูนย์กลางมวลของการชนของนิวเคลียร์จึงเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง และนิวตรอนก็ถูกปล่อยออกมาไปข้างหน้าเช่นกันคุณลักษณะนี้จะกำจัดรังสีแกมม่าที่ไม่ต้องการและการปล่อยนิวตรอนมุมสูง22 ได้อย่างมากการเปรียบเทียบกรณีปกติของเครื่องยนต์โปรตอนและสถานการณ์จลน์ศาสตร์แบบผกผันแสดงในรูปที่ 1
ภาพประกอบมุมการผลิตนิวตรอนสำหรับลำแสงโปรตอนและลิเธียม (วาดด้วย Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html)(ก) นิวตรอนสามารถถูกดีดออกไปในทิศทางใดก็ได้อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยา เนื่องจากโปรตอนที่กำลังเคลื่อนที่ชนอะตอมที่หนักกว่ามากของเป้าหมายลิเธียม(b) ในทางกลับกัน ถ้าตัวขับลิเธียมไอออนโจมตีเป้าหมายที่มีไฮโดรเจน นิวตรอนจะถูกสร้างขึ้นในกรวยแคบ ๆ ในทิศทางไปข้างหน้าเนื่องจากจุดศูนย์กลางมวลของระบบมีความเร็วสูง
อย่างไรก็ตาม มีเครื่องกำเนิดนิวตรอนจลนศาสตร์ผกผันเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่มีอยู่ เนื่องจากความยากลำบากในการสร้างฟลักซ์ของไอออนหนักที่มีประจุสูงตามที่ต้องการเมื่อเทียบกับโปรตอนโรงงานเหล่านี้ทั้งหมดใช้แหล่งกำเนิดไอออนสปัตเตอร์เชิงลบร่วมกับเครื่องเร่งไฟฟ้าสถิตแบบเรียงกันมีการเสนอแหล่งกำเนิดไอออนประเภทอื่นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเร่งความเร็วของลำแสงไม่ว่าในกรณีใด กระแสลำแสงลิเธียมไอออนที่มีอยู่จะถูกจำกัดไว้ที่ 100 µAมีการเสนอให้ใช้ Li3+27 1 mA แต่กระแสลำแสงไอออนนี้ไม่ได้รับการยืนยันด้วยวิธีนี้ในแง่ของความเข้ม เครื่องเร่งลำแสงลิเธียมไม่สามารถแข่งขันกับเครื่องเร่งลำแสงโปรตอนซึ่งมีกระแสโปรตอนสูงสุดเกิน 10 mA28
ในการใช้เครื่องกำเนิดนิวตรอนขนาดกะทัดรัดที่ใช้งานได้จริงโดยใช้ลำแสงลิเธียมไอออน จะเป็นประโยชน์ในการสร้างความเข้มสูงโดยปราศจากไอออนโดยสิ้นเชิงไอออนจะถูกเร่งและนำทางโดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า และระดับประจุที่สูงขึ้นจะส่งผลให้มีการเร่งความเร็วได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นตัวขับลำแสง Li-ion ต้องการกระแสสูงสุดของ Li3+ ที่เกิน 10 mA
ในงานนี้ เราสาธิตความเร่งของลำแสง Li3+ ที่มีกระแสสูงสุดสูงถึง 35 mA ซึ่งเทียบได้กับเครื่องเร่งโปรตอนขั้นสูงลำแสงลิเธียมไอออนดั้งเดิมถูกสร้างขึ้นโดยใช้เลเซอร์ระเหย และแผนการปลูกถ่ายพลาสมาโดยตรง (DPIS) ที่แต่เดิมพัฒนาขึ้นเพื่อเร่ง C6+ความถี่วิทยุสี่ขั้ว linac (RFQ linac) ที่ออกแบบเองได้รับการออกแบบโดยใช้โครงสร้างเรโซแนนซ์แบบสี่ก้านเราได้ตรวจสอบแล้วว่าลำแสงเร่งมีพลังงานลำแสงที่มีความบริสุทธิ์สูงที่คำนวณไว้เมื่อลำแสง Li3+ ถูกจับและเร่งความเร็วอย่างมีประสิทธิภาพด้วยเครื่องเร่งความถี่วิทยุ (RF) ส่วนไลแนก (เครื่องเร่งความเร็ว) ที่ตามมาจะถูกนำมาใช้เพื่อให้พลังงานที่จำเป็นในการสร้างฟลักซ์นิวตรอนที่รุนแรงจากเป้าหมาย
การเร่งความเร็วของไอออนประสิทธิภาพสูงเป็นเทคโนโลยีที่เป็นที่ยอมรับกันดีภารกิจที่เหลืออยู่ในการสร้างเครื่องกำเนิดนิวตรอนขนาดกะทัดรัดที่มีประสิทธิภาพสูงตัวใหม่คือการสร้างลิเธียมไอออนที่ถูกแยกออกอย่างสมบูรณ์จำนวนมาก และสร้างโครงสร้างคลัสเตอร์ที่ประกอบด้วยชุดของพัลส์ไอออนที่ซิงโครไนซ์กับวงจร RF ในเครื่องเร่งความเร็วผลลัพธ์ของการทดลองที่ออกแบบมาเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้อธิบายไว้ในสามส่วนย่อยต่อไปนี้: (1) การสร้างลำแสงลิเธียมไอออนโดยสิ้นเชิง (2) การเร่งความเร็วลำแสงโดยใช้ RFQ linac ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ และ (3) การเร่งความเร็วของการวิเคราะห์ ของลำแสงเพื่อตรวจสอบเนื้อหาที่ Brookhaven National Laboratory (BNL) เราได้สร้างการตั้งค่าการทดลองดังแสดงในรูปที่ 2
ภาพรวมของการตั้งค่าการทดลองสำหรับการวิเคราะห์ลำแสงลิเธียมแบบเร่ง (ภาพประกอบโดย Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/)จากขวาไปซ้าย พลาสมาแบบระเหยด้วยเลเซอร์จะถูกสร้างขึ้นในห้องโต้ตอบระหว่างเลเซอร์กับเป้าหมาย และส่งไปยัง RFQ linacเมื่อเข้าสู่เครื่องเร่ง RFQ ไอออนจะถูกแยกออกจากพลาสมาและฉีดเข้าไปในเครื่องเร่ง RFQ ผ่านสนามไฟฟ้าฉับพลันที่สร้างขึ้นโดยความแตกต่างแรงดันไฟฟ้า 52 kV ระหว่างอิเล็กโทรดสกัดและอิเล็กโทรด RFQ ในบริเวณดริฟท์ไอออนที่แยกออกมาจะถูกเร่งจาก 22 keV/n เป็น 204 keV/n โดยใช้อิเล็กโทรด RFQ ยาว 2 เมตรหม้อแปลงกระแส (CT) ที่ติดตั้งที่เอาต์พุตของ RFQ linac ให้การวัดกระแสลำแสงไอออนโดยไม่ทำลายลำแสงถูกโฟกัสด้วยแม่เหล็กสี่ขั้วสามอันและพุ่งตรงไปที่แม่เหล็กไดโพล ซึ่งจะแยกและนำลำแสง Li3+ เข้าไปในเครื่องตรวจจับด้านหลังช่องดังกล่าว จะใช้ตัวเรืองแสงวาบพลาสติกแบบยืดหดได้และถ้วยฟาราเดย์ (FC) ที่มีไบแอสสูงถึง -400 V เพื่อตรวจจับลำแสงเร่ง
ในการสร้างลิเธียมไอออนที่สมบูรณ์ (Li3+) จำเป็นต้องสร้างพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงกว่าพลังงานไอออไนเซชันที่สาม (122.4 eV)เราพยายามใช้เลเซอร์ระเหยเพื่อผลิตพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงแหล่งกำเนิดเลเซอร์ไอออนประเภทนี้ไม่ได้ใช้กันทั่วไปในการสร้างลำลิเธียมไอออน เนื่องจากโลหะลิเธียมมีปฏิกิริยาและต้องมีการจัดการเป็นพิเศษเราได้พัฒนาระบบการโหลดเป้าหมายเพื่อลดความชื้นและการปนเปื้อนในอากาศเมื่อติดตั้งฟอยล์ลิเธียมในห้องโต้ตอบเลเซอร์สุญญากาศการเตรียมวัสดุทั้งหมดดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมของอาร์กอนแห้งหลังจากติดตั้งลิเธียมฟอยล์ในห้องเป้าหมายเลเซอร์แล้ว ฟอยล์จะถูกฉายรังสีด้วยเลเซอร์ Nd:YAG แบบพัลส์ที่พลังงาน 800 mJ ต่อพัลส์เมื่อโฟกัสไปที่เป้าหมาย ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์จะอยู่ที่ประมาณ 1,012 W/cm2พลาสมาถูกสร้างขึ้นเมื่อเลเซอร์พัลซิ่งทำลายเป้าหมายในสุญญากาศในระหว่างพัลส์เลเซอร์ 6 ns ทั้งหมด พลาสมาจะยังคงร้อนต่อไป สาเหตุหลักมาจากกระบวนการรีเวอร์สสเตรห์ลุงเนื่องจากไม่มีการใช้สนามภายนอกที่จำกัดในระหว่างขั้นตอนการให้ความร้อน พลาสมาจึงเริ่มขยายตัวในสามมิติเมื่อพลาสมาเริ่มขยายตัวเหนือพื้นผิวเป้าหมาย จุดศูนย์กลางมวลของพลาสมาจะมีความเร็วตั้งฉากกับพื้นผิวเป้าหมายด้วยพลังงาน 600 eV/nหลังจากการให้ความร้อน พลาสมายังคงเคลื่อนที่ในทิศทางตามแนวแกนจากเป้าหมาย โดยขยายตัวแบบไอโซโทรปิก
ดังแสดงในรูปที่ 2 พลาสมาระเหยจะขยายเป็นปริมาตรสุญญากาศที่ล้อมรอบด้วยภาชนะโลหะที่มีศักยภาพเช่นเดียวกับเป้าหมายดังนั้น พลาสมาจึงลอยผ่านบริเวณที่ไม่มีสนามไปยังเครื่องเร่ง RFQสนามแม่เหล็กตามแนวแกนถูกใช้ระหว่างห้องฉายรังสีด้วยเลเซอร์และ RFQ linac โดยใช้ขดลวดโซลินอยด์พันรอบห้องสุญญากาศสนามแม่เหล็กของโซลินอยด์จะยับยั้งการขยายตัวในแนวรัศมีของพลาสมาแบบดริฟท์ เพื่อรักษาความหนาแน่นของพลาสมาสูงในระหว่างการส่งไปยังรูรับแสง RFQในทางกลับกัน พลาสมายังคงขยายตัวในทิศทางตามแนวแกนในระหว่างการดริฟท์ ทำให้เกิดพลาสมาที่ยาวขึ้นอคติไฟฟ้าแรงสูงถูกนำไปใช้กับภาชนะโลหะที่มีพลาสมาอยู่ด้านหน้าพอร์ตทางออกที่ทางเข้า RFQแรงดันไบอัสถูกเลือกเพื่อให้อัตราการฉีด 7Li3+ ที่ต้องการเพื่อการเร่งความเร็วที่เหมาะสมโดย RFQ linac
พลาสมาระเหยที่ได้นั้นไม่เพียงแต่ประกอบด้วย 7Li3+ เท่านั้น แต่ยังรวมถึงลิเธียมในสถานะประจุอื่นๆ และองค์ประกอบมลพิษ ซึ่งจะถูกส่งไปที่เครื่องเร่งเชิงเส้น RFQ พร้อมกันก่อนที่จะมีการทดลองแบบเร่งโดยใช้ RFQ linac ได้ทำการวิเคราะห์ Time-of-Flight (TOF) แบบออฟไลน์เพื่อศึกษาองค์ประกอบและการกระจายพลังงานของไอออนในพลาสมาการตั้งค่าการวิเคราะห์โดยละเอียดและการแจกแจงสถานะการชาร์จที่สังเกตได้จะอธิบายไว้ในส่วนวิธีการการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าไอออน 7Li3+ เป็นอนุภาคหลัก ซึ่งคิดเป็นประมาณ 54% ของอนุภาคทั้งหมด ดังแสดงในรูปที่ 3 จากการวิเคราะห์ กระแสไอออน 7Li3+ ที่จุดเอาท์พุตลำแสงไอออนอยู่ที่ประมาณ 1.87 mAในระหว่างการทดสอบแบบเร่ง สนามโซลินอยด์ 79 mT จะถูกนำไปใช้กับพลาสมาที่กำลังขยายตัวเป็นผลให้กระแส 7Li3+ ที่สกัดจากพลาสมาและสังเกตได้บนเครื่องตรวจจับเพิ่มขึ้น 30 เท่า
เศษส่วนของไอออนในพลาสมาที่สร้างด้วยเลเซอร์ซึ่งได้จากการวิเคราะห์ตามเวลาการบินไอออน 7Li1+ และ 7Li2+ คิดเป็น 5% และ 25% ของลำแสงไอออน ตามลำดับเศษส่วนที่ตรวจพบของอนุภาค 6Li สอดคล้องกับปริมาณตามธรรมชาติของ 6Li (7.6%) ในเป้าหมายลิเธียมฟอยล์ภายในข้อผิดพลาดจากการทดลองมีการตรวจพบการปนเปื้อนของออกซิเจนเล็กน้อย (6.2%) ส่วนใหญ่เป็น O1+ (2.1%) และ O2+ (1.5%) ซึ่งอาจเกิดจากการออกซิเดชันของพื้นผิวของเป้าหมายลิเธียมฟอยล์
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ลิเธียมพลาสมาจะลอยไปในพื้นที่ไร้สนามก่อนที่จะเข้าสู่ RFQ linacอินพุตของ RFQ linac มีรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. ในภาชนะโลหะ และแรงดันไบแอสคือ 52 kVแม้ว่าแรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรดตัวเร่ง RFQ จะเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว ±29 kV ที่ 100 MHz แต่แรงดันไฟฟ้าทำให้เกิดการเร่งความเร็วในแนวแกน เนื่องจากอิเล็กโทรดตัวเร่ง RFQ มีศักยภาพเฉลี่ยเป็นศูนย์เนื่องจากสนามไฟฟ้ากำลังแรงที่เกิดขึ้นในช่องว่าง 10 มม. ระหว่างรูรับแสงและขอบของอิเล็กโทรด RFQ จึงมีเพียงพลาสมาไอออนบวกเท่านั้นที่ถูกสกัดจากพลาสมาที่รูรับแสงในระบบการนำส่งไอออนแบบดั้งเดิม ไอออนจะถูกแยกออกจากพลาสมาด้วยสนามไฟฟ้าที่ระยะห่างพอสมควรที่ด้านหน้าเครื่องเร่ง RFQ จากนั้นจึงโฟกัสไปที่ช่อง RFQ ด้วยองค์ประกอบการโฟกัสลำแสงอย่างไรก็ตาม สำหรับลำแสงไอออนหนักเข้มข้นที่จำเป็นสำหรับแหล่งกำเนิดนิวตรอนเข้มข้น แรงผลักที่ไม่เป็นเชิงเส้นเนื่องจากผลกระทบของประจุในอวกาศสามารถนำไปสู่การสูญเสียกระแสลำแสงอย่างมีนัยสำคัญในระบบการขนส่งไอออน ซึ่งจำกัดกระแสสูงสุดที่สามารถเร่งความเร็วได้ใน DPIS ของเรา ไอออนความเข้มสูงจะถูกขนส่งเป็นพลาสมาแบบลอยโดยตรงไปยังจุดทางออกของรูรับแสง RFQ ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียลำแสงไอออนเนื่องจากประจุในอวกาศในระหว่างการสาธิตนี้ DPIS ถูกนำไปใช้กับลำแสงลิเธียมไอออนเป็นครั้งแรก
โครงสร้าง RFQ ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อเน้นและเร่งความเร็วลำแสงไอออนกระแสสูงพลังงานต่ำ และกลายเป็นมาตรฐานสำหรับการเร่งความเร็วลำดับแรกเราใช้ RFQ เพื่อเร่งไอออน 7Li3+ จากพลังงานการปลูกถ่าย 22 keV/n เป็น 204 keV/nแม้ว่าลิเธียมและอนุภาคอื่นๆ ที่มีประจุต่ำกว่าในพลาสมาจะถูกสกัดจากพลาสมาและฉีดเข้าไปในช่อง RFQ แต่ RFQ linac จะเร่งไอออนด้วยอัตราส่วนประจุต่อมวล (Q/A) ที่ใกล้เคียงกับ 7Li3+ เท่านั้น
บนรูปรูปที่ 4 แสดงรูปคลื่นที่ตรวจพบโดยหม้อแปลงกระแส (CT) ที่เอาต์พุตของ RFQ linac และฟาราเดย์คัพ (FC) หลังจากวิเคราะห์แม่เหล็ก ดังแสดงในรูป2. การเปลี่ยนแปลงเวลาระหว่างสัญญาณสามารถตีความได้ว่าเป็นความแตกต่างในเวลาบินที่ตำแหน่งของเครื่องตรวจจับกระแสไอออนสูงสุดที่วัดที่ CT คือ 43 mAในตำแหน่ง RT ลำแสงที่ลงทะเบียนสามารถบรรจุไอออนไม่เพียงแต่ถูกเร่งให้เป็นพลังงานที่คำนวณได้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงไอออนอื่นที่ไม่ใช่ 7Li3+ ซึ่งมีความเร่งไม่เพียงพออีกด้วยอย่างไรก็ตาม ความคล้ายคลึงกันของรูปแบบกระแสไอออนที่พบโดยใช้ QD และ PC บ่งชี้ว่ากระแสไอออนส่วนใหญ่ประกอบด้วย 7Li3+ ที่ถูกเร่ง และการลดลงของค่าสูงสุดของกระแสบน PC นั้นเกิดจากการสูญเสียลำแสงระหว่างการถ่ายโอนไอออนระหว่าง QD และ พีซีการสูญเสีย สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยการจำลองซองจดหมายด้วยเพื่อวัดกระแสลำแสง 7Li3+ ได้อย่างแม่นยำ ลำแสงจะถูกวิเคราะห์ด้วยแม่เหล็กไดโพลตามที่อธิบายไว้ในส่วนถัดไป
ออสซิลโลแกรมของลำแสงเร่งที่บันทึกไว้ในตำแหน่งเครื่องตรวจจับ CT (เส้นโค้งสีดำ) และ FC (เส้นโค้งสีแดง)การวัดเหล่านี้เกิดขึ้นจากการตรวจจับรังสีเลเซอร์โดยเครื่องตรวจจับแสงระหว่างการสร้างพลาสมาด้วยเลเซอร์เส้นโค้งสีดำแสดงรูปคลื่นที่วัดบน CT ที่เชื่อมต่อกับเอาต์พุต RFQ linacเนื่องจากอยู่ใกล้กับ RFQ linac อุปกรณ์ตรวจจับจึงจับสัญญาณรบกวน RF 100 MHz ได้ ดังนั้นจึงใช้ตัวกรอง FFT ผ่านความถี่ต่ำ 98 MHz เพื่อลบสัญญาณ RF เรโซแนนซ์ 100 MHz ที่ซ้อนทับบนสัญญาณการตรวจจับเส้นโค้งสีแดงแสดงรูปคลื่นที่ FC หลังจากที่แม่เหล็กวิเคราะห์กำหนดทิศทางลำแสงไอออน 7Li3+ในสนามแม่เหล็กนี้ นอกจาก 7Li3+ แล้ว ยังสามารถขนส่ง N6+ และ O7+ ได้อีกด้วย
ลำแสงไอออนหลังจาก RFQ linac ถูกโฟกัสโดยชุดแม่เหล็กโฟกัสสี่ขั้วสามชุด จากนั้นวิเคราะห์ด้วยแม่เหล็กไดโพลเพื่อแยกสิ่งเจือปนในลำแสงไอออนสนามแม่เหล็ก 0.268 T จะส่งลำแสง 7Li3+ เข้าสู่ FCรูปคลื่นการตรวจจับของสนามแม่เหล็กนี้จะแสดงเป็นเส้นโค้งสีแดงในรูปที่ 4 กระแสลำแสงสูงสุดถึง 35 mA ซึ่งสูงกว่าลำแสง Li3+ ทั่วไปมากกว่า 100 เท่าที่ผลิตในเครื่องเร่งไฟฟ้าสถิตแบบธรรมดาที่มีอยู่ความกว้างของพัลส์ลำแสงคือ 2.0 µs ที่ความกว้างเต็มที่สูงสุดครึ่งหนึ่งการตรวจจับลำแสง 7Li3+ พร้อมสนามแม่เหล็กไดโพลบ่งชี้ว่าการรวมกลุ่มและการเร่งความเร็วลำแสงทำได้สำเร็จกระแสลำแสงไอออนที่ FC ตรวจพบเมื่อสแกนสนามแม่เหล็กของไดโพลจะแสดงในรูปที่ 5 สังเกตเห็นพีคเดี่ยวที่สะอาด และแยกออกจากพีคอื่นๆ อย่างดีเนื่องจากไอออนทั้งหมดถูกเร่งให้เป็นพลังงานการออกแบบโดย RFQ linac มีความเร็วเท่ากัน คานไอออนที่มีค่า Q/A เท่ากันจึงแยกได้ยากด้วยสนามแม่เหล็กไดโพลดังนั้นเราจึงไม่สามารถแยกแยะ 7Li3+ จาก N6+ หรือ O7+ ได้อย่างไรก็ตาม สามารถประมาณปริมาณของสิ่งเจือปนได้จากสถานะประจุที่อยู่ใกล้เคียงตัวอย่างเช่น N7+ และ N5+ สามารถแยกออกได้อย่างง่ายดาย ในขณะที่ N6+ อาจเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งเจือปนและคาดว่าจะมีอยู่ในปริมาณประมาณเดียวกันกับ N7+ และ N5+ระดับมลพิษโดยประมาณคือประมาณ 2%
สเปกตรัมองค์ประกอบลำแสงที่ได้จากการสแกนสนามแม่เหล็กไดโพลจุดสูงสุดที่ 0.268 T สอดคล้องกับ 7Li3+ และ N6+ความกว้างสูงสุดขึ้นอยู่กับขนาดของลำแสงบนกรีดแม้จะมีจุดสูงสุดที่กว้าง แต่ 7Li3+ ก็แยกจาก 6Li3+, O6+ และ N5+ ได้ดี แต่แยกจาก O7+ และ N6+ ได้ไม่ดี
ที่ตำแหน่งของ FC โปรไฟล์ลำแสงได้รับการยืนยันด้วยเครื่องเรืองแสงวาบแบบปลั๊กอินและบันทึกด้วยกล้องดิจิตอลแบบเร็วดังแสดงในรูปที่ 6 ลำแสงแบบพัลส์ 7Li3+ ที่มีกระแส 35 mA แสดงให้เห็นว่าถูกเร่งไปยัง RFQ ที่คำนวณแล้ว พลังงาน 204 keV/n ซึ่งสอดคล้องกับ 1.4 MeV และส่งไปยังเครื่องตรวจจับ FC
โปรไฟล์บีมที่สังเกตได้บนหน้าจอตัวเรืองแสงวาบก่อน FC (ลงสีโดยฟิจิ, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/)สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กไดโพลเชิงวิเคราะห์ได้รับการปรับแต่งเพื่อควบคุมความเร่งของลำไอออน Li3+ ไปยัง RFQ พลังงานการออกแบบจุดสีน้ำเงินในพื้นที่สีเขียวมีสาเหตุมาจากวัสดุเรืองแสงวาบที่มีข้อบกพร่อง
เราประสบความสำเร็จในการสร้างไอออน 7Li3+ โดยการระเหยด้วยเลเซอร์ที่พื้นผิวของฟอยล์ลิเธียมแข็ง และลำแสงไอออนกระแสสูงถูกจับและเร่งความเร็วด้วย RFQ linac ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษโดยใช้ DPISที่พลังงานลำแสง 1.4 MeV กระแสสูงสุดของ 7Li3+ ไปถึง FC หลังจากการวิเคราะห์แม่เหล็กคือ 35 mAนี่เป็นการยืนยันว่าส่วนที่สำคัญที่สุดของการนำแหล่งกำเนิดนิวตรอนที่มีจลนศาสตร์ผกผันไปใช้นั้นได้ถูกนำมาใช้ในการทดลองแล้วในบทความนี้ส่วนนี้จะกล่าวถึงการออกแบบแหล่งกำเนิดนิวตรอนขนาดกะทัดรัดทั้งหมด รวมถึงเครื่องเร่งพลังงานสูงและสถานีเป้าหมายนิวตรอนการออกแบบขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ที่ได้รับจากระบบที่มีอยู่ในห้องปฏิบัติการของเราควรสังเกตว่ากระแสสูงสุดของลำแสงไอออนสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกโดยการลดระยะห่างระหว่างลิเธียมฟอยล์และ RFQ linacข้าว.เลข 7 แสดงให้เห็นแนวคิดทั้งหมดของแหล่งกำเนิดนิวตรอนคอมแพ็คที่เครื่องเร่งความเร็ว
การออกแบบแนวความคิดของแหล่งกำเนิดนิวตรอนคอมแพ็คที่เสนอที่เครื่องเร่งความเร็ว (วาดโดย Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/)จากขวาไปซ้าย: แหล่งกำเนิดไอออนเลเซอร์, แม่เหล็กโซลินอยด์, RFQ linac, การถ่ายโอนลำแสงพลังงานปานกลาง (MEBT), IH linac และห้องโต้ตอบสำหรับการสร้างนิวตรอนการป้องกันรังสีมีให้ในทิศทางไปข้างหน้าเป็นหลักเนื่องจากลักษณะของลำแสงนิวตรอนที่ผลิตออกมาจะมีทิศทางแคบ
หลังจาก RFQ linac จะมีการวางแผนการเร่งความเร็วเพิ่มเติมของโครงสร้าง H ระหว่างดิจิทัล (IH linac)30IH linac ใช้โครงสร้างท่อดริฟท์โหมด π เพื่อให้มีการไล่ระดับของสนามไฟฟ้าสูงในช่วงความเร็วที่กำหนดการศึกษาแนวความคิดดำเนินการโดยใช้การจำลองไดนามิกตามยาว 1 มิติ และการจำลองเปลือก 3 มิติการคำนวณแสดงให้เห็นว่า 100 MHz IH linac ที่มีแรงดันท่อดริฟท์ที่เหมาะสม (น้อยกว่า 450 kV) และแม่เหล็กโฟกัสที่แข็งแกร่งสามารถเร่งลำแสง 40 mA จาก 1.4 ถึง 14 MeV ที่ระยะ 1.8 ม.การกระจายพลังงานที่ปลายสายคันเร่งอยู่ที่ประมาณ ± 0.4 MeV ซึ่งไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อสเปกตรัมพลังงานของนิวตรอนที่เกิดจากเป้าหมายการแปลงนิวตรอนนอกจากนี้ การแผ่รังสีของลำแสงยังต่ำพอที่จะโฟกัสลำแสงไปที่ลำแสงขนาดเล็กกว่าปกติที่จำเป็นสำหรับแม่เหล็กสี่ขั้วที่มีกำลังปานกลางและขนาดในการส่งลำแสงพลังงานปานกลาง (MEBT) ระหว่าง RFQ linac และ IH linac ตัวสะท้อนเสียงแบบบีมฟอร์มมิ่งจะใช้เพื่อรักษาโครงสร้างบีมฟอร์มมิ่งแม่เหล็กสี่ขั้วสามอันใช้เพื่อควบคุมขนาดของลำแสงด้านข้างกลยุทธ์การออกแบบนี้ถูกนำมาใช้ในเครื่องเร่งความเร็วหลายตัว31,32,33ความยาวรวมของระบบทั้งหมดจากแหล่งกำเนิดไอออนไปยังห้องเป้าหมายคาดว่าจะน้อยกว่า 8 ม. ซึ่งสามารถบรรจุในรถบรรทุกกึ่งพ่วงมาตรฐานได้
เป้าหมายการแปลงนิวตรอนจะถูกติดตั้งโดยตรงหลังจากเครื่องเร่งเชิงเส้นเราหารือเกี่ยวกับการออกแบบสถานีเป้าหมายตามการศึกษาก่อนหน้านี้โดยใช้สถานการณ์จลน์ศาสตร์แบบผกผันเป้าหมายการแปลงที่รายงานประกอบด้วยวัสดุที่เป็นของแข็ง (โพลีโพรพีลีน (C3H6) และไทเทเนียมไฮไดรด์ (TiH2)) และระบบเป้าหมายที่เป็นก๊าซแต่ละเป้าหมายมีข้อดีและข้อเสียเป้าหมายที่มั่นคงช่วยให้ควบคุมความหนาได้อย่างแม่นยำยิ่งเป้าหมายมีขนาดเล็กลง การจัดเรียงเชิงพื้นที่ของการผลิตนิวตรอนก็จะยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้นอย่างไรก็ตาม เป้าหมายดังกล่าวอาจยังมีปฏิกิริยานิวเคลียร์และการแผ่รังสีที่ไม่พึงประสงค์อยู่บ้างในทางกลับกัน เป้าหมายไฮโดรเจนสามารถสร้างสภาพแวดล้อมที่สะอาดขึ้นได้โดยการกำจัดการผลิต 7Be ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์หลักของปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนมีความสามารถในการกั้นที่อ่อนแอและต้องใช้ระยะห่างทางกายภาพที่มากเพื่อปล่อยพลังงานที่เพียงพอนี่เป็นข้อเสียเล็กน้อยสำหรับการวัด TOFนอกจากนี้ หากใช้ฟิล์มบางเพื่อปิดผนึกเป้าหมายไฮโดรเจน ก็จำเป็นต้องคำนึงถึงการสูญเสียพลังงานของรังสีแกมมาที่เกิดจากฟิล์มบางและลำแสงลิเธียมที่ตกกระทบด้วย
LICORNE ใช้เป้าหมายที่เป็นโพลีโพรพีลีน และระบบเป้าหมายได้รับการอัพเกรดเป็นเซลล์ไฮโดรเจนที่ปิดผนึกด้วยฟอยล์แทนทาลัมสมมติว่ากระแสลำแสงอยู่ที่ 100 nA สำหรับ 7Li34 ระบบเป้าหมายทั้งสองระบบสามารถสร้างกระแสได้สูงถึง 107 n/s/srหากเราใช้การแปลงผลผลิตนิวตรอนที่อ้างสิทธิ์นี้กับแหล่งกำเนิดนิวตรอนที่เราเสนอ ก็จะได้ลำแสงที่ขับเคลื่อนด้วยลิเธียมที่ 7 × 10–8 C สำหรับแต่ละพัลส์เลเซอร์ซึ่งหมายความว่าการยิงเลเซอร์เพียงสองครั้งต่อวินาทีจะผลิตนิวตรอนมากกว่า 40% ซึ่งมากกว่าที่ LICORNE สามารถผลิตได้ในหนึ่งวินาทีด้วยลำแสงต่อเนื่องสามารถเพิ่มฟลักซ์ทั้งหมดได้อย่างง่ายดายโดยการเพิ่มความถี่การกระตุ้นของเลเซอร์หากเราสมมติว่ามีระบบเลเซอร์ 1 kHz ในท้องตลาด ฟลักซ์นิวตรอนเฉลี่ยสามารถขยายเป็นประมาณ 7 × 109 n/s/sr ได้อย่างง่ายดาย
เมื่อเราใช้ระบบอัตราการเกิดซ้ำสูงกับชิ้นงานที่เป็นพลาสติก จำเป็นต้องควบคุมการสร้างความร้อนบนชิ้นงาน เนื่องจาก ตัวอย่างเช่น โพลีโพรพีลีนมีจุดหลอมเหลวต่ำ 145–175 °C และค่าการนำความร้อนต่ำ 0.1–0.22 W/ ม/เคสำหรับลำแสงลิเธียมไอออน 14 MeV เป้าหมายโพลีโพรพีลีนหนา 7 µm ก็เพียงพอที่จะลดพลังงานของลำแสงให้ถึงขีดจำกัดปฏิกิริยา (13.098 MeV)เมื่อพิจารณาถึงผลกระทบทั้งหมดของไอออนที่เกิดจากการยิงเลเซอร์หนึ่งนัดไปยังเป้าหมาย พลังงานของลิเธียมไอออนที่ปล่อยออกมาผ่านโพลีโพรพีลีนจะอยู่ที่ประมาณ 64 mJ/พัลส์สมมติว่าพลังงานทั้งหมดถูกถ่ายโอนเป็นวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. แต่ละพัลส์จะสัมพันธ์กับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นประมาณ 18 K/พัลส์การปล่อยพลังงานบนเป้าหมายที่เป็นโพลีโพรพีลีนนั้นขึ้นอยู่กับสมมติฐานง่ายๆ ว่าการสูญเสียพลังงานทั้งหมดจะถูกเก็บไว้เป็นความร้อน โดยไม่มีรังสีหรือการสูญเสียความร้อนอื่นๆเนื่องจากการเพิ่มจำนวนพัลส์ต่อวินาทีจำเป็นต้องกำจัดการสะสมความร้อน เราจึงสามารถใช้เป้าหมายแถบเพื่อหลีกเลี่ยงการปล่อยพลังงานที่จุดเดียวกันสมมติว่ามีลำแสงขนาด 10 มม. บนชิ้นงานด้วยอัตราการทำซ้ำของเลเซอร์ที่ 100 เฮิรตซ์ ความเร็วในการสแกนของเทปโพลีโพรพีลีนจะเท่ากับ 1 ม./วินาทีอัตราการทำซ้ำที่สูงขึ้นเป็นไปได้หากอนุญาตให้ลำแสงซ้อนทับกัน
นอกจากนี้เรายังตรวจสอบเป้าหมายด้วยแบตเตอรี่ไฮโดรเจน เนื่องจากสามารถใช้ลำแสงขับเคลื่อนที่แข็งแกร่งขึ้นได้โดยไม่สร้างความเสียหายให้กับเป้าหมายลำแสงนิวตรอนสามารถปรับได้ง่ายโดยการเปลี่ยนความยาวของห้องแก๊สและแรงดันไฮโดรเจนภายในฟอยล์โลหะบางมักใช้ในเครื่องเร่งความเร็วเพื่อแยกบริเวณที่เป็นก๊าซของเป้าหมายออกจากสุญญากาศดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มพลังงานของลำแสงลิเธียมไอออนที่ตกกระทบเพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงานบนฟอยล์ส่วนประกอบเป้าหมายที่อธิบายไว้ในรายงาน 35 ประกอบด้วยภาชนะอะลูมิเนียมยาว 3.5 ซม. และมีแรงดันแก๊ส H2 อยู่ที่ 1.5 atmลำแสงลิเธียมไอออน 16.75 MeV เข้าสู่แบตเตอรี่ผ่านฟอยล์ 2.7 µm Ta ระบายความร้อนด้วยอากาศ และพลังงานของลำแสงลิเธียมไอออนที่ปลายแบตเตอรี่จะลดลงจนถึงเกณฑ์การเกิดปฏิกิริยาในการเพิ่มพลังงานลำแสงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจาก 14.0 MeV เป็น 16.75 MeV จะต้องขยาย IH linac ให้ยาวขึ้นประมาณ 30 ซม.
ยังได้ศึกษาการปล่อยนิวตรอนจากเป้าหมายเซลล์ก๊าซด้วยสำหรับเป้าหมายก๊าซ LICORNE ที่กล่าวมาข้างต้น การจำลอง GEANT436 แสดงให้เห็นว่านิวตรอนที่มีทิศทางสูงถูกสร้างขึ้นภายในกรวย ดังแสดงในรูปที่ 1 ใน [37]ข้อมูลอ้างอิง 35 แสดงช่วงพลังงานตั้งแต่ 0.7 ถึง 3.0 MeV โดยมีการเปิดกรวยสูงสุดที่ 19.5° สัมพันธ์กับทิศทางการแพร่กระจายของลำแสงหลักนิวตรอนที่มีทิศทางสูงสามารถลดปริมาณของวัสดุป้องกันที่มุมส่วนใหญ่ได้อย่างมาก ช่วยลดน้ำหนักของโครงสร้าง และให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นในการติดตั้งอุปกรณ์ตรวจวัดจากมุมมองของการป้องกันรังสี นอกเหนือจากนิวตรอนแล้ว เป้าหมายก๊าซนี้ยังปล่อยรังสีแกมมา 478 keV แบบไอโซโทรปิกในระบบพิกัดเซนทรอยด์38รังสี γ เหล่านี้เกิดขึ้นจากการสลายตัวของ 7Be และการลดการกระตุ้นของ 7Li ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อลำแสง Li หลักกระทบกับหน้าต่างอินพุต Taอย่างไรก็ตาม ด้วยการเพิ่มคอลลิเมเตอร์ทรงกระบอกหนา 35 Pb/Cu จะทำให้พื้นหลังลดลงได้อย่างมาก
ในฐานะเป้าหมายทางเลือก เราสามารถใช้หน้าต่างพลาสมา [39, 40] ซึ่งทำให้สามารถบรรลุความดันไฮโดรเจนที่ค่อนข้างสูงและมีพื้นที่การสร้างนิวตรอนในอวกาศขนาดเล็ก แม้ว่าจะด้อยกว่าเป้าหมายที่เป็นของแข็งก็ตาม
เรากำลังตรวจสอบตัวเลือกการกำหนดเป้าหมายการแปลงนิวตรอนสำหรับการกระจายพลังงานที่คาดหวังและขนาดลำแสงของลำลิเธียมไอออนโดยใช้ GEANT4การจำลองของเราแสดงการกระจายพลังงานนิวตรอนและการกระจายเชิงมุมอย่างสม่ำเสมอสำหรับเป้าหมายไฮโดรเจนในบทความข้างต้นในระบบเป้าหมายใดๆ นิวตรอนที่มีทิศทางสูงสามารถสร้างขึ้นได้จากปฏิกิริยาจลนศาสตร์ผกผันที่ขับเคลื่อนโดยลำแสง 7Li3+ ที่แข็งแกร่งบนเป้าหมายที่มีไฮโดรเจนอยู่มากดังนั้นแหล่งกำเนิดนิวตรอนใหม่จึงสามารถนำไปใช้ได้โดยการรวมเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วเข้าด้วยกัน
สภาวะการฉายรังสีด้วยเลเซอร์จะสร้างการทดลองการสร้างลำแสงไอออนขึ้นใหม่ก่อนการสาธิตแบบเร่งเลเซอร์เป็นระบบ Nd:YAG ระดับนาโนวินาทีบนเดสก์ท็อปที่มีความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ 1,012 W/cm2 ความยาวคลื่นพื้นฐาน 1,064 นาโนเมตร พลังงานสปอต 800 mJ และระยะเวลาพัลส์ 6 nsเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงบนเป้าหมายอยู่ที่ประมาณ 100 µmเนื่องจากโลหะลิเธียม (Alfa Aesar บริสุทธิ์ 99.9%) ค่อนข้างอ่อน วัสดุที่ตัดอย่างแม่นยำจึงถูกกดลงในแม่พิมพ์ขนาดฟอยล์ 25 มม. × 25 มม. หนา 0.6 มม.ความเสียหายคล้ายหลุมอุกกาบาตเกิดขึ้นบนพื้นผิวของเป้าหมายเมื่อเลเซอร์ยิงโดนเป้าหมาย ดังนั้นเป้าหมายจึงถูกเคลื่อนที่ด้วยแท่นมอเตอร์เพื่อให้พื้นผิวใหม่ของเป้าหมายในการยิงเลเซอร์แต่ละครั้งเพื่อหลีกเลี่ยงการรวมตัวกันอีกครั้งเนื่องจากก๊าซตกค้าง ความดันในห้องจะถูกเก็บไว้ต่ำกว่าช่วง 10-4 Pa
ปริมาตรเริ่มต้นของเลเซอร์พลาสมามีขนาดเล็ก เนื่องจากขนาดของจุดเลเซอร์คือ 100 μm และภายใน 6 ns หลังจากการสร้างปริมาตรสามารถใช้เป็นจุดที่แน่นอนและขยายได้หากวางอุปกรณ์ตรวจจับไว้ที่ระยะห่าง xm จากพื้นผิวเป้าหมาย สัญญาณที่ได้รับจะเป็นไปตามความสัมพันธ์: กระแสไอออน I, เวลาที่ไอออนมาถึง t และความกว้างพัลส์ τ
ศึกษาพลาสมาที่สร้างขึ้นโดยวิธี TOF ด้วย FC และเครื่องวิเคราะห์ไอออนพลังงาน (EIA) ซึ่งอยู่ห่างจากเป้าหมายเลเซอร์ 2.4 ม. และ 3.85 ม.FC มีกริดซับเพรสเซอร์ที่มีความเอนเอียงที่ -5 kV เพื่อป้องกันอิเล็กตรอนEIA มีตัวเบี่ยงไฟฟ้าสถิต 90 องศา ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กโทรดทรงกระบอกโลหะโคแอกเซียลสองตัวที่มีแรงดันไฟฟ้าเท่ากันแต่มีขั้วตรงข้าม คือขั้วบวกด้านนอกและขั้วลบด้านในพลาสมาที่กำลังขยายตัวจะถูกส่งไปยังตัวเบี่ยงด้านหลังช่อง และเบนไปตามสนามไฟฟ้าที่ผ่านกระบอกสูบไอออนที่เป็นไปตามความสัมพันธ์ E/z = eKU ตรวจพบโดยใช้ตัวคูณอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (SEM) (Hamamatsu R2362) โดยที่ E, z, e, K และ U คือพลังงานไอออน สถานะประจุ และประจุเป็นปัจจัยทางเรขาคณิตของ EIA .อิเล็กตรอนตามลำดับ และความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดโดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าข้ามแผงเบี่ยง เราจะได้รับพลังงานและการกระจายประจุของไอออนในพลาสมาแรงดันไฟฟ้ากวาด U/2 EIA อยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.2 V ถึง 800 V ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานไอออนในช่วงตั้งแต่ 4 eV ถึง 16 keV ต่อสถานะการชาร์จ
การกระจายตัวของสถานะประจุของไอออนที่วิเคราะห์ภายใต้เงื่อนไขของการฉายรังสีด้วยเลเซอร์ที่อธิบายไว้ในส่วน “การสร้างลำแสงลิเธียมที่แยกออกทั้งหมด” จะแสดงไว้ในรูปที่ 18.
การวิเคราะห์การกระจายตัวของสถานะประจุของไอออนนี่คือโปรไฟล์เวลาความหนาแน่นกระแสไอออนที่วิเคราะห์ด้วย EIA และปรับขนาดที่ 1 เมตรจากลิเธียมฟอยล์โดยใช้สมการ(1) และ (2)ใช้เงื่อนไขการฉายรังสีเลเซอร์ที่อธิบายไว้ในส่วน "การสร้างลำแสงลิเธียมที่ขัดผิวโดยสมบูรณ์"ด้วยการรวมความหนาแน่นกระแสแต่ละค่าเข้าด้วยกัน จะคำนวณสัดส่วนของไอออนในพลาสมา ดังแสดงในรูปที่ 3
แหล่งกำเนิดไอออนเลเซอร์สามารถส่งลำแสงไอออนหลาย mA เข้มข้นพร้อมประจุสูงอย่างไรก็ตาม การส่งลำแสงทำได้ยากมากเนื่องจากการผลักประจุในอวกาศ ดังนั้นจึงไม่ค่อยมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในรูปแบบดั้งเดิม ลำแสงไอออนจะถูกแยกออกจากพลาสมาและขนส่งไปยังเครื่องเร่งหลักตามแนวลำแสงด้วยแม่เหล็กโฟกัสหลายตัวเพื่อสร้างรูปร่างของลำแสงไอออนตามความสามารถในการรับของตัวเร่งความเร็วในคานแรงประจุอวกาศ คานจะเบี่ยงเบนแบบไม่เป็นเชิงเส้น และสังเกตการสูญเสียลำแสงอย่างรุนแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่มีความเร็วต่ำเพื่อเอาชนะปัญหานี้ในการพัฒนาเครื่องเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนทางการแพทย์ จึงได้มีการเสนอแผนการจัดส่งลำแสง DPIS41 ใหม่เราได้ใช้เทคนิคนี้เพื่อเร่งลำแสงลิเธียมไอออนอันทรงพลังจากแหล่งกำเนิดนิวตรอนใหม่
ดังแสดงในรูป4 พื้นที่ที่สร้างและขยายพลาสมาถูกล้อมรอบด้วยภาชนะโลหะพื้นที่ปิดขยายไปจนถึงทางเข้าตัวสะท้อน RFQ รวมถึงปริมาตรภายในขดลวดโซลินอยด์ใช้แรงดันไฟฟ้า 52 kV ที่ภาชนะในเครื่องสะท้อน RFQ ไอออนจะถูกดึงโดยศักย์ผ่านรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. โดยการต่อสายดิน RFQแรงผลักที่ไม่เป็นเชิงเส้นบนเส้นลำแสงจะถูกกำจัดออกไปในขณะที่ไอออนถูกขนส่งในสถานะพลาสมานอกจากนี้ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เรายังใช้สนามโซลินอยด์ร่วมกับ DPIS เพื่อควบคุมและเพิ่มความหนาแน่นของไอออนในช่องสกัด
เครื่องเร่ง RFQ ประกอบด้วยห้องสุญญากาศทรงกระบอกดังแสดงในรูป9ก.ข้างในนั้นมีแท่งทองแดงไร้ออกซิเจนสี่แท่งวางอยู่รอบแกนลำแสงแบบสมมาตร (รูปที่ 9b)แท่ง 4 อันและแชมเบอร์สร้างวงจร RF แบบเรโซแนนซ์สนาม RF เหนี่ยวนำจะสร้างแรงดันไฟฟ้าข้ามแกนที่แปรผันตามเวลาไอออนที่ฝังตามแนวยาวรอบแกนจะถูกยึดไว้ด้านข้างด้วยสนามสี่เท่าในเวลาเดียวกัน ส่วนปลายของก้านจะถูกมอดูเลตเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าตามแนวแกนสนามตามแนวแกนจะแยกลำแสงต่อเนื่องที่ถูกฉีดออกเป็นชุดของพัลส์ลำแสงที่เรียกว่าลำแสงลำแสงแต่ละลำจะอยู่ภายในรอบเวลา RF ที่แน่นอน (10 ns)ลำแสงที่อยู่ติดกันจะมีระยะห่างตามช่วงความถี่วิทยุใน RFQ linac ลำแสงขนาด 2 µs จากแหล่งกำเนิดไอออนเลเซอร์จะถูกแปลงเป็นลำดับลำแสง 200 ลำจากนั้นลำแสงจะถูกเร่งให้เป็นพลังงานที่คำนวณได้
RFQ เครื่องเร่งเชิงเส้น(a) (ซ้าย) มุมมองภายนอกของห้อง RFQ linac(b) (ขวา) อิเล็กโทรดสี่ก้านในห้อง
พารามิเตอร์การออกแบบหลักของ RFQ linac คือแรงดันไฟฟ้าของแท่ง ความถี่เรโซแนนซ์ รัศมีรูลำแสง และการมอดูเลตอิเล็กโทรดเลือกแรงดันไฟฟ้าบนแกน ± 29 kV เพื่อให้สนามไฟฟ้าอยู่ต่ำกว่าเกณฑ์การแยกย่อยทางไฟฟ้ายิ่งความถี่เรโซแนนซ์ต่ำ แรงโฟกัสด้านข้างก็จะยิ่งมากขึ้น และสนามความเร่งเฉลี่ยก็จะยิ่งน้อยลงรัศมีรูรับแสงกว้างทำให้สามารถเพิ่มขนาดลำแสงได้ ส่งผลให้กระแสลำแสงเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงผลักประจุในพื้นที่น้อยลงในทางกลับกัน รัศมีรูรับแสงที่ใหญ่ขึ้นต้องใช้พลังงาน RF มากขึ้นเพื่อจ่ายไฟให้กับ RFQ linacนอกจากนี้ยังถูกจำกัดด้วยข้อกำหนดด้านคุณภาพของเว็บไซต์จากความสมดุลเหล่านี้ ความถี่เรโซแนนซ์ (100 MHz) และรัศมีรูรับแสง (4.5 มม.) ได้ถูกเลือกสำหรับการเร่งความเร็วลำแสงกระแสสูงการมอดูเลตถูกเลือกเพื่อลดการสูญเสียลำแสงและเพิ่มประสิทธิภาพการเร่งความเร็วให้สูงสุดการออกแบบนี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมหลายครั้งเพื่อสร้างการออกแบบ RFQ linac ที่สามารถเร่งไอออน 7Li3+ ที่ 40 mA จาก 22 keV/n ถึง 204 keV/n ภายใน 2 เมตรกำลัง RF ที่วัดได้ระหว่างการทดลองคือ 77 kW
RFQ Linac สามารถเร่งไอออนด้วยช่วง Q/A ที่เฉพาะเจาะจงได้ดังนั้น เมื่อวิเคราะห์ลำแสงที่ป้อนเข้าที่ส่วนท้ายของเครื่องเร่งเชิงเส้น จึงจำเป็นต้องคำนึงถึงไอโซโทปและสารอื่นๆ ด้วยนอกจากนี้ ไอออนที่ต้องการซึ่งถูกเร่งบางส่วน แต่ลงมาภายใต้สภาวะความเร่งที่อยู่ตรงกลางของคันเร่ง ยังคงสามารถเกิดการจำกัดด้านข้างและสามารถเคลื่อนย้ายไปยังจุดสิ้นสุดได้รังสีที่ไม่พึงประสงค์นอกเหนือจากอนุภาค 7Li3+ ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเรียกว่าสิ่งเจือปนในการทดลองของเรา สิ่งเจือปน 14N6+ และ 16O7+ เป็นปัญหาที่น่ากังวลมากที่สุด เนื่องจากฟอยล์โลหะลิเธียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและไนโตรเจนในอากาศไอออนเหล่านี้มีอัตราส่วน Q/A ที่สามารถเร่งได้ด้วย 7Li3+เราใช้แม่เหล็กไดโพลเพื่อแยกลำแสงที่มีคุณภาพและคุณภาพต่างกันสำหรับการวิเคราะห์ลำแสงหลัง RFQ linac
แนวลำแสงหลัง RFQ linac ได้รับการออกแบบมาเพื่อส่งลำแสง 7Li3+ ที่มีการเร่งความเร็วเต็มที่ไปยัง FC หลังแม่เหล็กไดโพลอิเล็กโทรดไบแอส -400 V ใช้เพื่อระงับอิเล็กตรอนทุติยภูมิในถ้วยเพื่อวัดกระแสลำแสงไอออนได้อย่างแม่นยำด้วยเลนส์นี้ วิถีไอออนจะถูกแยกออกเป็นไดโพลและโฟกัสไปที่ตำแหน่งต่างๆ ขึ้นอยู่กับ Q/Aเนื่องจากปัจจัยหลายอย่าง เช่น การแพร่กระจายของโมเมนตัมและแรงผลักประจุอวกาศ ลำแสงที่จุดโฟกัสจึงมีความกว้างที่แน่นอนสามารถแยกสายพันธุ์ได้ก็ต่อเมื่อระยะห่างระหว่างตำแหน่งโฟกัสของไอออนทั้งสองชนิดนั้นมากกว่าความกว้างของลำแสงเพื่อให้ได้ความละเอียดสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จะมีการกรีดแนวนอนใกล้กับเอวของลำแสง ซึ่งเป็นจุดที่ลำแสงมีความเข้มข้นในทางปฏิบัติมีการติดตั้งตะแกรงเรืองแสง (CsI(Tl) จาก Saint-Gobain, 40 มม. × 40 มม. × 3 มม.) ระหว่างช่องกรีดและพีซีตัวเรืองแสงวาบถูกใช้เพื่อกำหนดหารอยตัดที่เล็กที่สุดที่อนุภาคที่ถูกออกแบบต้องผ่านเพื่อให้ได้ความละเอียดที่เหมาะสมที่สุด และเพื่อแสดงขนาดลำแสงที่ยอมรับได้สำหรับลำแสงไอออนหนักที่มีกระแสไฟฟ้าสูงภาพลำแสงบนตัวเรืองแสงวาบถูกบันทึกโดยกล้อง CCD ผ่านทางหน้าต่างสุญญากาศปรับหน้าต่างเวลาเปิดรับแสงให้ครอบคลุมความกว้างพัลส์ลำแสงทั้งหมด
ชุดข้อมูลที่ใช้หรือวิเคราะห์ในการศึกษาปัจจุบันมีให้จากผู้เขียนตามลำดับเมื่อมีการร้องขอที่สมเหตุสมผล
Manke ฉันและคณะการถ่ายภาพสามมิติของโดเมนแม่เหล็กชุมชนแห่งชาติ1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010)
แอนเดอร์สัน ไอเอส และคณะความเป็นไปได้ในการศึกษาแหล่งกำเนิดนิวตรอนคอมแพ็คที่เครื่องเร่งความเร็วฟิสิกส์.ตัวแทน 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016)
Urchuoli, A. และคณะการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ด้วยนิวตรอน: Pliobates cataloniae และ Barberapithecus huerzeleri เป็นกรณีทดสอบใช่.เจ. ฟิสิกส์.มานุษยวิทยา.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018)