304L 6.35*1mm स्टेनलेस स्टील कोइल्ड ट्युबिङ आपूर्तिकर्ताहरू, स्पंदित प्रत्यक्ष न्यूट्रोनहरू उत्पन्न गर्नको लागि तीव्र लिथियम बीमको प्रदर्शन

Nature.com भ्रमण गर्नुभएकोमा धन्यवाद।तपाईं सीमित CSS समर्थनको साथ ब्राउजर संस्करण प्रयोग गर्दै हुनुहुन्छ।उत्तम अनुभवको लागि, हामी तपाईंलाई अपडेट गरिएको ब्राउजर प्रयोग गर्न सिफारिस गर्छौं (वा इन्टरनेट एक्सप्लोररमा अनुकूलता मोड असक्षम गर्नुहोस्)।थप रूपमा, निरन्तर समर्थन सुनिश्चित गर्न, हामी शैलीहरू र जाभास्क्रिप्ट बिना साइट देखाउँछौं।
स्लाइडरहरू प्रति स्लाइड तीन लेखहरू देखाउँदै।स्लाइडहरू मार्फत सार्नको लागि पछाडि र अर्को बटनहरू प्रयोग गर्नुहोस्, वा प्रत्येक स्लाइडमा सार्नको लागि अन्तमा स्लाइड नियन्त्रक बटनहरू प्रयोग गर्नुहोस्।

आणविक रिएक्टरहरूको अध्ययनको विकल्पको रूपमा, लिथियम-आयन बीम ड्राइभर प्रयोग गरेर कम्प्याक्ट एक्सेलेरेटर-संचालित न्यूट्रोन जेनेरेटर एक आशाजनक उम्मेद्वार हुन सक्छ किनभने यसले थोरै अनावश्यक विकिरण उत्पादन गर्दछ।यद्यपि, लिथियम आयनहरूको तीव्र बीम प्रदान गर्न गाह्रो थियो, र त्यस्ता उपकरणहरूको व्यावहारिक अनुप्रयोग असम्भव मानिन्थ्यो।अपर्याप्त आयन प्रवाहको सबैभन्दा गम्भीर समस्या प्रत्यक्ष प्लाज्मा प्रत्यारोपण योजना लागू गरेर हल गरिएको थियो।यस योजनामा, लिथियम मेटल पन्नीको लेजर एब्लेशन द्वारा उत्पन्न उच्च घनत्व स्पंदित प्लाज्मा कुशलतापूर्वक इन्जेक्सन गरिन्छ र उच्च-फ्रिक्वेन्सी क्वाड्रपोल एक्सेलेरेटर (RFQ एक्सेलेटर) द्वारा द्रुत गरिन्छ।हामीले 1.43 MeV मा 35 एमए एक्सेलेरेटेड पीक बीम करेन्ट हासिल गरेका छौँ, जुन परम्परागत इन्जेक्टर र एक्सेलेटर प्रणालीहरूले प्रदान गर्न सक्ने भन्दा ठूलो परिमाणको दुई अर्डर हो।
एक्स-रे वा चार्ज गरिएको कणहरूको विपरीत, न्यूट्रोनहरूको ठूलो प्रवेश गहिराइ र सघन पदार्थसँग अनौठो अन्तरक्रिया हुन्छ, जसले तिनीहरूलाई १,२,३,४,५,६,७ सामग्रीका गुणहरू अध्ययन गर्न अत्यन्त बहुमुखी प्रोबहरू बनाउँछ।विशेष गरी, न्यूट्रोन स्क्याटरिङ प्रविधिहरू सामान्यतया कन्डेन्स्ड पदार्थमा संरचना, संरचना र आन्तरिक तनावहरू अध्ययन गर्न प्रयोग गरिन्छ र एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी8 प्रयोग गरेर पत्ता लगाउन गाह्रो हुने धातु मिश्रहरूमा ट्रेस यौगिकहरूमा विस्तृत जानकारी प्रदान गर्न सक्छ।यो विधि आधारभूत विज्ञान मा एक शक्तिशाली उपकरण मानिन्छ र धातु र अन्य सामग्री को निर्माताहरु द्वारा प्रयोग गरिन्छ।हालसालै, रेल र विमानका भागहरू 9,10,11,12 जस्ता मेकानिकल घटकहरूमा अवशिष्ट तनावहरू पत्ता लगाउन न्यूट्रोन विवर्तन प्रयोग गरिएको छ।न्युट्रोनहरू तेल र ग्याँसको कुवाहरूमा पनि प्रयोग गरिन्छ किनभने तिनीहरू सजिलैसँग प्रोटोन-धनी सामग्रीहरूद्वारा कब्जा गरिन्छन्।सिभिल इन्जिनियरिङमा पनि यस्तै विधिहरू प्रयोग गरिन्छ।गैर-विनाशकारी न्यूट्रोन परीक्षण भवन, सुरुङ र पुलहरूमा लुकेका त्रुटिहरू पत्ता लगाउनको लागि एक प्रभावकारी उपकरण हो।न्यूट्रोन बीमको प्रयोग वैज्ञानिक अनुसन्धान र उद्योगमा सक्रिय रूपमा प्रयोग गरिन्छ, जसमध्ये धेरै ऐतिहासिक रूपमा परमाणु रिएक्टरहरू प्रयोग गरेर विकसित भएका छन्।
यद्यपि, आणविक अप्रसारमा विश्वव्यापी सहमति भएसँगै अनुसन्धान उद्देश्यका लागि साना रिएक्टरहरू निर्माण गर्न कठिन हुँदै गइरहेको छ।यसबाहेक, भर्खरको फुकुशिमा दुर्घटनाले आणविक रिएक्टरहरू निर्माण गर्न लगभग सामाजिक रूपमा स्वीकार्य बनाएको छ।यस प्रवृत्तिको सम्बन्धमा, एक्सेलेटरहरूमा न्यूट्रोन स्रोतहरूको माग बढ्दै गइरहेको छ।आणविक रिएक्टरहरूको विकल्पको रूपमा, धेरै ठूला एक्सेलेटर-विभाजन न्यूट्रोन स्रोतहरू पहिले नै सञ्चालनमा छन् 14,15।यद्यपि, न्यूट्रोन बीमहरूको गुणहरूको अझ प्रभावकारी प्रयोगको लागि, एक्सेलेटरहरूमा कम्प्याक्ट स्रोतहरूको प्रयोग विस्तार गर्न आवश्यक छ, 16 जुन औद्योगिक र विश्वविद्यालय अनुसन्धान संस्थाहरूसँग सम्बन्धित हुन सक्छ।एक्सेलरेटर न्यूट्रोन स्रोतहरूले आणविक रिएक्टरहरू 14 को प्रतिस्थापनको रूपमा सेवा गर्नुको अतिरिक्त नयाँ क्षमताहरू र कार्यहरू थपेका छन्।उदाहरणका लागि, लिनाक-संचालित जनरेटरले ड्राइभ बीमलाई हेरफेर गरेर सजिलैसँग न्यूट्रोनको स्ट्रिम सिर्जना गर्न सक्छ।एक पटक उत्सर्जित भएपछि, न्यूट्रोनहरू नियन्त्रण गर्न गाह्रो हुन्छ र पृष्ठभूमि न्यूट्रोनहरू द्वारा सिर्जना गरिएको आवाजको कारण विकिरण मापन विश्लेषण गर्न गाह्रो हुन्छ।एक्सेलेरेटरद्वारा नियन्त्रित पल्स्ड न्यूट्रोनहरू यस समस्याबाट बच्न्छन्।प्रोटोन एक्सेलेरेटर प्रविधिमा आधारित धेरै परियोजनाहरू विश्वभर प्रस्तावित छन् 17,18,19।प्रतिक्रियाहरू 7Li(p, n)7Be र 9Be(p, n)9B प्राय: प्रोटोन-संचालित कम्प्याक्ट न्यूट्रोन जेनरेटरहरूमा प्रयोग गरिन्छ किनभने तिनीहरू एन्डोथर्मिक प्रतिक्रियाहरू हुन्।यदि प्रोटोन बीमलाई उत्तेजित गर्न छनौट गरिएको ऊर्जा थ्रेसहोल्ड मान भन्दा अलि माथि छ भने अतिरिक्त विकिरण र रेडियोधर्मी फोहोरलाई कम गर्न सकिन्छ।यद्यपि, लक्ष्य न्यूक्लियसको द्रव्यमान प्रोटोनको तुलनामा धेरै ठूलो छ, र परिणामस्वरूप न्यूट्रोनहरू सबै दिशाहरूमा छर्छन्।न्यूट्रोन फ्लक्सको आइसोट्रोपिक उत्सर्जनको यस्तो नजिकले अध्ययनको वस्तुमा न्यूट्रोनको कुशल यातायातलाई रोक्छ।थप रूपमा, वस्तुको स्थानमा न्युट्रोनको आवश्यक खुराक प्राप्त गर्न, गतिशील प्रोटोनको संख्या र तिनीहरूको ऊर्जा दुवैलाई उल्लेखनीय रूपमा वृद्धि गर्न आवश्यक छ।नतिजाको रूपमा, गामा किरणहरू र न्यूट्रोनहरूको ठूलो मात्राले ठूला कोणहरू मार्फत प्रचार गर्नेछ, एन्डोथर्मिक प्रतिक्रियाहरूको फाइदालाई नष्ट गर्नेछ।एक सामान्य गतिवर्धक-संचालित कम्प्याक्ट प्रोटोन-आधारित न्यूट्रोन जेनरेटरसँग बलियो विकिरण संरक्षण हुन्छ र यो प्रणालीको सबैभन्दा ठूलो भाग हो।ड्राइभिङ प्रोटोनको ऊर्जा बढाउनको लागि सामान्यतया एक्सेलेटर सुविधाको आकारमा थप वृद्धि आवश्यक हुन्छ।
एक्सेलेटरहरूमा परम्परागत कम्प्याक्ट न्यूट्रोन स्रोतहरूको सामान्य कमजोरीहरू हटाउनको लागि, एक उल्टो-किनेमेटिक प्रतिक्रिया योजना प्रस्ताव गरिएको थियो21।यस योजनामा, एक भारी लिथियम-आयन बीमलाई प्रोटोन बीमको सट्टा गाइड बीमको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, हाइड्रोजन-युक्त सामग्रीहरू जस्तै हाइड्रोकार्बन प्लास्टिक, हाइड्राइड्स, हाइड्रोजन ग्यास, वा हाइड्रोजन प्लाज्मालाई लक्षित गर्दै।बेरिलियम आयन-संचालित बीमहरू जस्ता विकल्पहरू विचार गरिएको छ, तथापि, बेरिलियम एक विषाक्त पदार्थ हो जसलाई ह्यान्डलिङमा विशेष हेरचाह चाहिन्छ।तसर्थ, एक लिथियम बीम उल्टो-किनेमेटिक प्रतिक्रिया योजनाहरूको लागि सबैभन्दा उपयुक्त छ।लिथियम न्यूक्लीको गति प्रोटोन भन्दा ठूलो भएकोले, आणविक टक्करको द्रव्यमानको केन्द्र निरन्तर अगाडि बढिरहेको छ, र न्यूट्रोनहरू पनि अगाडि उत्सर्जित हुन्छन्।यो सुविधाले अनावश्यक गामा किरणहरू र उच्च कोण न्यूट्रोन उत्सर्जन22 लाई हटाउँछ।प्रोटोन इन्जिनको सामान्य केस र उल्टो किनेमेटिक्स परिदृश्यको तुलना चित्र १ मा देखाइएको छ।
प्रोटोन र लिथियम बीमहरूको लागि न्यूट्रोन उत्पादन कोणहरूको चित्रण (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html सँग कोरिएको)।(a) गतिशील प्रोटोनहरूले लिथियम लक्ष्यको धेरै भारी परमाणुहरूलाई हिट गर्ने तथ्यको कारण प्रतिक्रियाको परिणाम स्वरूप न्युट्रोनहरू कुनै पनि दिशामा बाहिर निकाल्न सकिन्छ।(b) यसको विपरित, यदि लिथियम-आयन चालकले हाइड्रोजन युक्त लक्ष्यमा बमबारी गर्छ भने, प्रणालीको द्रव्यमान केन्द्रको उच्च गतिको कारण अगाडि दिशामा साँघुरो कोनमा न्यूट्रोनहरू उत्पन्न हुन्छन्।
यद्यपि, प्रोटोनको तुलनामा उच्च चार्ज भएका भारी आयनहरूको आवश्यक प्रवाह उत्पन्न गर्न कठिनाइको कारण केही इन्वर्स किनेमेटिक न्यूट्रोन जेनेरेटरहरू मात्र अवस्थित छन्।यी सबै बिरुवाहरूले ट्यान्डम इलेक्ट्रोस्टेटिक एक्सेलेरेटरहरूसँग संयोजनमा नकारात्मक स्पटर आयन स्रोतहरू प्रयोग गर्छन्।अन्य प्रकारका आयन स्रोतहरू बीम एक्सेलेरेशनको दक्षता बढाउन प्रस्ताव गरिएको छ।कुनै पनि अवस्थामा, उपलब्ध लिथियम-आयन बीम वर्तमान 100 µA मा सीमित छ।यो Li3+27 को 1 mA प्रयोग गर्न प्रस्ताव गरिएको छ, तर यो आयन बीम वर्तमान यस विधि द्वारा पुष्टि गरिएको छैन।तीव्रताको सन्दर्भमा, लिथियम बीम एक्सेलेरेटरहरूले प्रोटोन बीम एक्सेलेरेटरहरूसँग प्रतिस्पर्धा गर्न सक्दैनन् जसको पीक प्रोटोन वर्तमान 10 mA28 भन्दा बढी छ।
लिथियम-आयन बीममा आधारित व्यावहारिक कम्प्याक्ट न्यूट्रोन जेनरेटर लागू गर्न, आयनहरू रहित उच्च-तीव्रता उत्पन्न गर्न फाइदाजनक छ।आयनहरू विद्युत चुम्बकीय बलहरूद्वारा द्रुत र निर्देशित हुन्छन्, र उच्च चार्ज स्तरले अधिक कुशल त्वरणमा परिणाम दिन्छ।ली-आयन बीम चालकहरूलाई 10 एमए भन्दा बढीमा Li3+ शिखर प्रवाहहरू आवश्यक पर्दछ।
यस कार्यमा, हामीले 35 mA सम्मको चुचुरो प्रवाहको साथ Li3+ बीमहरूको प्रवेग प्रदर्शन गर्छौं, जुन उन्नत प्रोटोन एक्सेलेटरहरूसँग तुलना गर्न सकिन्छ।मूल लिथियम आयन बीम लेजर एब्लेसन प्रयोग गरेर सिर्जना गरिएको थियो र प्रत्यक्ष प्लाज्मा इम्प्लान्टेसन योजना (DPIS) मूल रूपमा C6+ को गति बढाउन विकसित गरिएको थियो।एक कस्टम-डिजाइन गरिएको रेडियो फ्रिक्वेन्सी क्वाड्रपोल लिनाक (RFQ लिनाक) फोर-रोड रेजोनन्ट संरचना प्रयोग गरेर बनाइएको थियो।हामीले प्रमाणित गरेका छौँ कि एक्सेलेरेटिङ बीममा गणना गरिएको उच्च शुद्धता बीम ऊर्जा छ।Li3+ बिमलाई रेडियो फ्रिक्वेन्सी (RF) एक्सेलेरेटरले प्रभावकारी रूपमा क्याप्चर गरिसकेपछि, त्यसपछिको लिनाक (एक्सिलेटर) खण्डलाई लक्ष्यबाट बलियो न्यूट्रोन फ्लक्स उत्पन्न गर्न आवश्यक ऊर्जा प्रदान गर्न प्रयोग गरिन्छ।
उच्च प्रदर्शन आयनहरूको प्रवेग एक राम्रो स्थापित प्रविधि हो।नयाँ अत्यधिक कुशल कम्प्याक्ट न्यूट्रोन जेनेरेटरलाई साकार गर्ने बाँकी कार्य भनेको ठूलो संख्यामा पूर्ण रूपमा स्ट्रिप गरिएको लिथियम आयनहरू उत्पन्न गर्नु हो र एक्सेलेटरमा आरएफ चक्रसँग सिंक्रोनाइज गरिएको आयन पल्सहरूको श्रृंखला समावेश गरी क्लस्टर संरचना बनाउनु हो।यो लक्ष्य हासिल गर्न डिजाइन गरिएका प्रयोगहरूको नतिजा निम्न तीन उपखण्डहरूमा वर्णन गरिएको छ: (1) लिथियम-आयन बीमको पूर्ण रूपमा रहित उत्पादन, (2) विशेष रूपमा डिजाइन गरिएको आरएफक्यू लिनाक प्रयोग गरेर बीम प्रवेग, र (3) विश्लेषणको प्रवेग। यसको सामग्री जाँच गर्न बीम को।Brookhaven राष्ट्रिय प्रयोगशाला (BNL) मा, हामीले चित्र 2 मा देखाइएको प्रयोगात्मक सेटअप निर्माण गर्यौं।
लिथियम बीमहरूको द्रुत विश्लेषणको लागि प्रयोगात्मक सेटअपको सिंहावलोकन (इन्क्सस्केप, 1.0.2, https://inkscape.org/ द्वारा चित्रित)।दायाँबाट बायाँ, लेजर-अवकाश प्लाज्मा लेजर-लक्ष्य अन्तरक्रिया कक्षमा उत्पन्न हुन्छ र RFQ लिनाकमा डेलिभर गरिन्छ।RFQ एक्सेलेरेटरमा प्रवेश गर्दा, आयनहरूलाई प्लाज्माबाट अलग गरी RFQ एक्सेलेरेटरमा एक्स्ट्र्यासन इलेक्ट्रोड र ड्रिफ्ट क्षेत्रमा RFQ इलेक्ट्रोड बीचको 52 kV भोल्टेज भिन्नताद्वारा सिर्जना गरिएको अचानक विद्युतीय क्षेत्र मार्फत इन्जेक्ट गरिन्छ।निकालिएका आयनहरूलाई 22 keV/n बाट 204 keV/n सम्म 2 मिटर लामो RFQ इलेक्ट्रोडहरू प्रयोग गरेर द्रुत गरिन्छ।RFQ linac को आउटपुट मा स्थापित वर्तमान ट्रान्सफर्मर (CT) ले आयन बीम वर्तमान को गैर विनाशकारी मापन प्रदान गर्दछ।बीमलाई तीन क्वाड्रपोल म्याग्नेटद्वारा केन्द्रित गरिएको छ र एक द्विध्रुव चुम्बकमा निर्देशित गरिएको छ, जसले Li3+ बिमलाई डिटेक्टरमा छुट्याउन र निर्देशित गर्दछ।स्लिटको पछाडि, एक रिट्र्याटेबल प्लास्टिक सिन्टिलेटर र -400 V सम्मको पूर्वाग्रहको साथ एक फराडे कप (FC) एक्सेलेरेटिङ बीम पत्ता लगाउन प्रयोग गरिन्छ।
पूर्ण ionized लिथियम आयनहरू (Li3+) उत्पन्न गर्न, यसको तेस्रो आयनीकरण ऊर्जा (122.4 eV) भन्दा माथिको तापक्रम भएको प्लाज्मा सिर्जना गर्न आवश्यक छ।हामीले उच्च-तापमान प्लाज्मा उत्पादन गर्न लेजर एब्लेशन प्रयोग गर्ने प्रयास गर्यौं।यस प्रकारको लेजर आयन स्रोत सामान्यतया लिथियम आयन बीमहरू उत्पन्न गर्न प्रयोग हुँदैन किनभने लिथियम धातु प्रतिक्रियाशील हुन्छ र विशेष ह्यान्डलिंग आवश्यक पर्दछ।हामीले भ्याकुम लेजर अन्तरक्रिया कक्षमा लिथियम पन्नी स्थापना गर्दा आर्द्रता र वायु प्रदूषणलाई कम गर्न लक्ष्य लोडिङ प्रणाली विकास गरेका छौं।सामग्रीको सबै तयारी सुक्खा आर्गनको नियन्त्रित वातावरणमा गरिएको थियो।लेजर लक्ष्य कक्षमा लिथियम पन्नी स्थापना गरिसकेपछि, पन्नीलाई 800 mJ प्रति पल्सको ऊर्जामा स्पंदित Nd:YAG लेजर विकिरणको साथ विकिरण गरिएको थियो।लक्ष्यमा फोकसमा, लेजर पावर घनत्व लगभग 1012 W/cm2 अनुमान गरिएको छ।प्लाज्मा बनाइन्छ जब स्पंदित लेजरले भ्याकुममा लक्ष्य नष्ट गर्दछ।सम्पूर्ण 6 ns लेजर पल्सको समयमा, प्लाज्मा तातो हुन जारी रहन्छ, मुख्यतया उल्टो ब्रेम्सस्ट्रालुङ प्रक्रियाको कारणले।तापक्रमको समयमा कुनै पनि सीमित बाह्य क्षेत्र लागू नगरिएको हुनाले, प्लाज्मा तीन आयामहरूमा विस्तार हुन थाल्छ।जब प्लाज्मा लक्ष्य सतहमा विस्तार हुन थाल्छ, प्लाज्माको द्रव्यमानको केन्द्रले 600 eV/n को ऊर्जाको साथ लक्ष्य सतहमा लम्बवत गति प्राप्त गर्दछ।ताप पछि, प्लाज्मा टार्गेटबाट अक्षीय दिशामा सार्न जारी राख्छ, आइसोट्रोपिक रूपमा विस्तार हुन्छ।
चित्र 2 मा देखाइए अनुसार, एब्लेसन प्लाज्मा लक्ष्यको रूपमा समान क्षमताको साथ धातुको कन्टेनरले घेरिएको भ्याकुम भोल्युममा विस्तार हुन्छ।यसरी, प्लाज्मा फिल्ड-फ्री क्षेत्र हुँदै RFQ एक्सेलेटर तिर बग्छ।एक अक्षीय चुम्बकीय क्षेत्र लेजर विकिरण कक्ष र RFQ लिनाक बीच भ्याकुम चेम्बर वरिपरि सोलेनोइड कुण्डल घाउको माध्यमबाट लागू गरिन्छ।सोलेनोइडको चुम्बकीय क्षेत्रले RFQ एपर्चरमा डेलिभरीको समयमा उच्च प्लाज्मा घनत्व कायम राख्न बहिर्गमन प्लाज्माको रेडियल विस्तारलाई दबाउँछ।अर्कोतर्फ, प्लाज्मा बहावको समयमा अक्षीय दिशामा विस्तार हुन जारी राख्छ, एक लम्बिएको प्लाज्मा बनाउँछ।RFQ इनलेटमा बाहिर निस्कने पोर्टको अगाडि प्लाज्मा भएको धातुको भाँडामा उच्च भोल्टेज पूर्वाग्रह लागू हुन्छ।RFQ linac द्वारा उचित प्रवेगको लागि आवश्यक 7Li3+ इंजेक्शन दर प्रदान गर्न पूर्वाग्रह भोल्टेज छनौट गरिएको थियो।
नतिजा हुने एब्लेसन प्लाज्माले 7Li3+ मात्र होइन, तर अन्य चार्ज अवस्थाहरूमा लिथियम र प्रदूषक तत्वहरू पनि समावेश गर्दछ, जुन एकै साथ RFQ रैखिक गतिवर्धकमा सारिन्छ।RFQ linac प्रयोग गरी द्रुत प्रयोगहरू गर्नु अघि, प्लाज्मामा आयनहरूको संरचना र ऊर्जा वितरण अध्ययन गर्न अफलाइन टाइम-अफ-फ्लाइट (TOF) विश्लेषण गरिएको थियो।विस्तृत विश्लेषणात्मक सेटअप र अवलोकन गरिएको अवस्था-प्रभारी वितरण विधिहरू खण्डमा व्याख्या गरिएको छ।विश्लेषणले देखाएको छ कि 7Li3+ आयनहरू मुख्य कणहरू थिए, चित्र 3 मा देखाइए अनुसार, सबै कणहरूको लगभग 54% हो। विश्लेषणका अनुसार, आयन बीम आउटपुट बिन्दुमा 7Li3+ आयन वर्तमान 1.87 mA अनुमान गरिएको छ।द्रुत परीक्षणको समयमा, विस्तारित प्लाज्मामा 79 mT सोलेनोइड फिल्ड लागू गरिन्छ।नतिजाको रूपमा, 7Li3+ वर्तमान प्लाज्माबाट निकालिएको र डिटेक्टरमा अवलोकन गरिएको 30 को कारकले बढ्यो।
समय-को-फ्लाइट विश्लेषण द्वारा प्राप्त लेजर-उत्पन्न प्लाज्मामा आयनहरूको अंश।7Li1+ र 7Li2+ आयनहरूले क्रमशः आयन बीमको 5% र 25% बनाउँछन्।6Li कणहरूको पत्ता लगाइएको अंश प्रयोगात्मक त्रुटि भित्र लिथियम पन्नी लक्ष्यमा 6Li (7.6%) को प्राकृतिक सामग्रीसँग सहमत छ।थोरै अक्सिजन प्रदूषण (6.2%) देखियो, मुख्यतया O1+ (2.1%) र O2+ (1.5%), जुन लिथियम पन्नी लक्ष्यको सतहको अक्सीकरणको कारण हुन सक्छ।
पहिले उल्लेख गरिएझैं, लिथियम प्लाज्मा RFQ लिनाकमा प्रवेश गर्नु अघि क्षेत्रविहीन क्षेत्रमा बग्छ।RFQ linac को इनपुटमा धातुको कन्टेनरमा 6 मिमी व्यासको प्वाल छ, र बायस भोल्टेज 52 kV छ।यद्यपि RFQ इलेक्ट्रोड भोल्टेज 100 मेगाहर्ट्जमा ±29 kV द्रुत रूपमा परिवर्तन हुन्छ, भोल्टेजले अक्षीय त्वरण निम्त्याउँछ किनभने RFQ एक्सेलेरेटर इलेक्ट्रोडको औसत क्षमता शून्य हुन्छ।एपर्चर र RFQ इलेक्ट्रोडको किनारा बीचको 10 मिमी अन्तरमा उत्पन्न भएको बलियो बिजुली क्षेत्रको कारण, एपर्चरमा प्लाज्माबाट केवल सकारात्मक प्लाज्मा आयनहरू निकालिन्छन्।परम्परागत आयन वितरण प्रणालीहरूमा, आयनहरूलाई प्लाज्माबाट विद्युतीय क्षेत्रद्वारा RFQ एक्सेलेरेटरको अगाडि पर्याप्त दूरीमा छुट्याइन्छ र त्यसपछि बीम फोकस गर्ने तत्वद्वारा RFQ एपर्चरमा केन्द्रित गरिन्छ।यद्यपि, तीव्र न्यूट्रोन स्रोतको लागि आवश्यक तीव्र भारी आयन बीमहरूका लागि, स्पेस चार्ज प्रभावहरूको कारणले गैर-रैखिक प्रतिकर्षण बलहरूले आयन यातायात प्रणालीमा महत्त्वपूर्ण बीम वर्तमान घाटा निम्त्याउन सक्छ, शिखर करन्टलाई सीमित गर्दै जुन द्रुत हुन सक्छ।हाम्रो DPIS मा, उच्च-तीव्रता आयनहरू बहिरा प्लाज्माको रूपमा सीधै RFQ एपर्चरको निकास बिन्दुमा ढुवानी गरिन्छ, त्यसैले स्पेस चार्जको कारणले आयन बीमको कुनै हानि हुँदैन।यस प्रदर्शनको क्रममा, DPIS लाई पहिलो पटक लिथियम-आयन बीममा लागू गरिएको थियो।
RFQ संरचना फोकस र कम ऊर्जा उच्च वर्तमान आयन बीम को गति को लागी विकसित गरिएको थियो र पहिलो अर्डर एक्सेलेरेशन को लागी मानक भएको छ।हामीले 22 keV/n सम्मको प्रत्यारोपण ऊर्जाबाट 204 keV/n सम्म 7Li3+ आयनहरूलाई गति दिन RFQ प्रयोग गर्यौं।यद्यपि प्लाज्मामा कम चार्ज भएका लिथियम र अन्य कणहरू पनि प्लाज्माबाट निकालिन्छन् र RFQ एपर्चरमा इन्जेक्सन गरिन्छ, RFQ लिनाकले मात्र 7Li3+ को नजिक चार्ज-टू-मास अनुपात (Q/A) सँग आयनहरूलाई गति दिन्छ।
अंजीर मा।चित्र 4 ले चुम्बकको विश्लेषण गरिसकेपछि RFQ लिनाक र फराडे कप (FC) को आउटपुटमा हालको ट्रान्सफर्मर (CT) द्वारा पत्ता लगाइएको तरंगरूपहरू देखाउँछ, जस्तै चित्रमा देखाइएको छ।2. सिग्नलहरू बीचको समय परिवर्तनलाई डिटेक्टरको स्थानमा उडानको समयको भिन्नताको रूपमा व्याख्या गर्न सकिन्छ।CT मा मापन गरिएको शिखर आयन वर्तमान 43 mA थियो।RT स्थितिमा, दर्ता गरिएको बीमले गणना गरिएको ऊर्जामा द्रुत आयनहरू मात्र समावेश गर्दैन, तर 7Li3+ बाहेकका अन्य आयनहरू पनि समावेश गर्न सक्छ, जुन पर्याप्त रूपमा द्रुत हुँदैन।जे होस्, QD र PC को माध्यमबाट फेला परेको आयन वर्तमान फारमहरूको समानताले संकेत गर्दछ कि आयन वर्तमान मुख्यतया द्रुत 7Li3+ समावेश गर्दछ, र PC मा वर्तमानको शिखर मूल्यमा कमी QD र बीचको आयन स्थानान्तरणको क्रममा बीम हानिको कारणले हुन्छ। पीसी।घाटा यो खाम सिमुलेशन द्वारा पनि पुष्टि हुन्छ।7Li3+ बीमको सही मापन गर्न, बीमलाई अर्को खण्डमा वर्णन गरिए अनुसार द्विध्रुव चुम्बकसँग विश्लेषण गरिन्छ।
डिटेक्टर स्थिति CT (ब्ल्याक कर्भ) र FC (रातो वक्र) मा रेकर्ड गरिएको एक्सेलेरेटेड बीमको ओसिलोग्राम।यी मापनहरू लेजर प्लाज्मा उत्पादनको क्रममा फोटोडेटेक्टरद्वारा लेजर विकिरण पत्ता लगाएर ट्रिगर हुन्छन्।कालो वक्रले RFQ लिनाक आउटपुटमा जडान भएको CT मा नापिएको तरंगरूप देखाउँछ।RFQ linac सँग यसको निकटताको कारण, डिटेक्टरले 100 MHz RF आवाज उठाउँछ, त्यसैले पत्ता लगाउने संकेतमा सुपरइम्पोज गरिएको 100 MHz resonant RF सिग्नल हटाउन 98 MHz कम पास FFT फिल्टर लागू गरियो।विश्लेषणात्मक चुम्बकले 7Li3+ आयन बीमलाई निर्देशित गरेपछि रातो वक्रले FC मा वेभफॉर्म देखाउँछ।यस चुम्बकीय क्षेत्रमा, 7Li3+ बाहेक, N6+ र O7+ ढुवानी गर्न सकिन्छ।
RFQ linac पछिको आयन बीमलाई तीन क्वाड्रपोल फोकस गर्ने चुम्बकहरूको श्रृंखलाद्वारा केन्द्रित गरिन्छ र त्यसपछि आयन बीममा अशुद्धताहरू अलग गर्न द्विध्रुव चुम्बकद्वारा विश्लेषण गरिन्छ।0.268 T को चुम्बकीय क्षेत्रले 7Li3+ बिमहरूलाई FC मा निर्देशित गर्दछ।यस चुम्बकीय क्षेत्रको पत्ता लगाउने तरंगलाई चित्र 4 मा रातो वक्रको रूपमा देखाइएको छ। शिखर बीम वर्तमान 35 mA पुग्छ, जुन अवस्थित परम्परागत इलेक्ट्रोस्टेटिक एक्सेलेरेटरहरूमा उत्पादन गरिएको विशिष्ट Li3+ बीम भन्दा 100 गुणा बढी हुन्छ।बीम पल्स चौडाइ आधा अधिकतममा पूर्ण चौडाइमा 2.0 µs छ।द्विध्रुव चुम्बकीय क्षेत्रको साथ 7Li3+ बीमको पहिचानले सफल गुच्छा र बीम प्रवेगलाई संकेत गर्दछ।द्विध्रुवको चुम्बकीय क्षेत्र स्क्यान गर्दा FC द्वारा पत्ता लगाइएको आयन बीम वर्तमान चित्र 5 मा देखाइएको छ। अन्य चुचुराहरूबाट राम्रोसँग अलग गरिएको, सफा एकल चुचुरा अवलोकन गरिएको थियो।RFQ linac द्वारा डिजाइन उर्जामा सबै आयनहरूको गति उस्तै भएकोले, समान Q/A भएका आयन बीमहरूलाई द्विध्रुव चुम्बकीय क्षेत्रहरूद्वारा छुट्याउन गाह्रो हुन्छ।त्यसैले, हामी N6+ वा O7+ बाट 7Li3+ छुट्याउन सक्दैनौं।यद्यपि, अशुद्धताको मात्रा छिमेकी चार्ज राज्यहरूबाट अनुमान गर्न सकिन्छ।उदाहरणका लागि, N7+ र N5+ सजिलैसँग छुट्याउन सकिन्छ, जबकि N6+ अशुद्धताको अंश हुन सक्छ र N7+ र N5+ जत्तिकै मात्रामा उपस्थित हुने अपेक्षा गरिन्छ।अनुमानित प्रदूषण स्तर लगभग 2% छ।
द्विध्रुव चुम्बकीय क्षेत्र स्क्यान गरेर प्राप्त बीम घटक स्पेक्ट्रा।0.268 T मा शिखर 7Li3+ र N6+ सँग मेल खान्छ।शिखर चौडाइ स्लिट मा बीम को आकार मा निर्भर गर्दछ।फराकिलो चुचुराहरूको बावजुद, 7Li3+ 6Li3+, O6+ र N5+ बाट राम्रोसँग अलग हुन्छ, तर O7+ र N6+ बाट राम्रोसँग अलग हुन्छ।
FC को स्थानमा, बिम प्रोफाइल प्लग-इन सिन्टिलेटरको साथ पुष्टि गरिएको थियो र चित्र 6 मा देखाइए अनुसार द्रुत डिजिटल क्यामेराको साथ रेकर्ड गरिएको थियो। 7Li3+ 35 mA को करेन्टको साथ स्पंदित बीमलाई गणना गरिएको RFQ मा द्रुत रूपमा देखाइएको छ। 204 keV/n को ऊर्जा, जुन 1.4 MeV सँग मेल खान्छ, र FC डिटेक्टरमा प्रसारित हुन्छ।
पूर्व-FC सिन्टिलेटर स्क्रिनमा अवलोकन गरिएको बीम प्रोफाइल (फिजी, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/ द्वारा रंगिएको)।विश्लेषणात्मक द्विध्रुव चुम्बकको चुम्बकीय क्षेत्रलाई डिजाइन ऊर्जा RFQ मा Li3+ आयन बीमको प्रवेग निर्देशित गर्न ट्युन गरिएको थियो।हरियो क्षेत्रमा निलो थोप्लाहरू दोषपूर्ण सिन्टिलेटर सामग्रीको कारणले गर्दा हुन्छन्।
हामीले ठोस लिथियम पन्नीको सतहको लेजर एब्लेसनद्वारा 7Li3+ आयनहरूको उत्पादन हासिल गर्‍यौं, र DPIS प्रयोग गरेर विशेष रूपमा डिजाइन गरिएको RFQ लिनाकको साथ उच्च वर्तमान आयन बीमलाई क्याप्चर र द्रुत बनाइयो।1.4 MeV को बीम ऊर्जामा, चुम्बकको विश्लेषण पछि FC मा 7Li3+ को उच्चतम प्रवाह 35 mA थियो।यसले पुष्टि गर्छ कि इन्वर्स किनेमेटिक्सको साथ न्यूट्रोन स्रोतको कार्यान्वयनको सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण भाग प्रयोगात्मक रूपमा लागू गरिएको छ।कागजको यस भागमा, उच्च ऊर्जा गतिवर्धकहरू र न्यूट्रोन लक्ष्य स्टेशनहरू सहित, कम्प्याक्ट न्यूट्रोन स्रोतको सम्पूर्ण डिजाइन छलफल गरिनेछ।डिजाइन हाम्रो प्रयोगशालामा अवस्थित प्रणालीहरूसँग प्राप्त परिणामहरूमा आधारित छ।लिथियम पन्नी र RFQ लिनाक बीचको दूरी छोटो पारेर आयन बीमको चुचुरो प्रवाहलाई अझ बढाउन सकिन्छ।चामल।7 ले एक्सेलेटरमा प्रस्तावित कम्प्याक्ट न्यूट्रोन स्रोतको सम्पूर्ण अवधारणालाई चित्रण गर्दछ।
एक्सेलेटरमा प्रस्तावित कम्प्याक्ट न्यूट्रोन स्रोतको अवधारणात्मक डिजाइन (Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/ द्वारा कोरिएको)।दायाँबाट बायाँ: लेजर आयन स्रोत, सोलेनोइड चुम्बक, RFQ लिनाक, मध्यम ऊर्जा बीम स्थानान्तरण (MEBT), IH लिनाक, र न्यूट्रोन उत्पादनको लागि अन्तरक्रिया कक्ष।उत्पादित न्यूट्रोन बीमहरूको संकुचित रूपमा निर्देशित प्रकृतिको कारणले विकिरण सुरक्षा मुख्य रूपमा अगाडि दिशामा प्रदान गरिन्छ।
RFQ linac पछि, Inter-digital H-structure (IH linac) 30 linac को थप प्रवेग योजना गरिएको छ।IH linacs गति को एक निश्चित दायरा मा उच्च विद्युत क्षेत्र ग्रेडियन्ट प्रदान गर्न एक π-मोड बहाव ट्यूब संरचना प्रयोग गर्दछ।अवधारणात्मक अध्ययन 1D अनुदैर्ध्य गतिशीलता सिमुलेशन र 3D शेल सिमुलेशनमा आधारित थियो।गणनाले देखाउँछ कि उचित ड्रिफ्ट ट्यूब भोल्टेज (४५० kV भन्दा कम) र बलियो फोकस गर्ने चुम्बक भएको १०० MHz IH लिनाकले १.८ मिटरको दूरीमा १.४ देखि १४ MeV सम्म ४० mA बिमलाई गति दिन सक्छ।एक्सेलरेटर चेनको अन्त्यमा ऊर्जा वितरण ± ०.४ MeV मा अनुमान गरिएको छ, जसले न्यूट्रोन रूपान्तरण लक्ष्यद्वारा उत्पादित न्यूट्रोनको ऊर्जा स्पेक्ट्रमलाई महत्त्वपूर्ण असर गर्दैन।थप रूपमा, बीम उत्सर्जनशीलता पर्याप्त कम छ किरणलाई सानो बीम स्थानमा केन्द्रित गर्न सामान्यतया मध्यम बल र आकारको क्वाड्रपोल चुम्बकको लागि आवश्यक हुन्छ।RFQ linac र IH linac बीचको मध्यम उर्जा बीम (MEBT) प्रसारणमा, बीमफर्मिङ संरचनालाई कायम राख्न बीमफर्मिङ रेजोनेटर प्रयोग गरिन्छ।साइड बीमको साइज नियन्त्रण गर्न तीन क्वाड्रपोल म्याग्नेटहरू प्रयोग गरिन्छ।यो डिजाइन रणनीति धेरै एक्सेलेटरहरू 31,32,33 मा प्रयोग गरिएको छ।आयन स्रोतबाट लक्ष्य कक्ष सम्म सम्पूर्ण प्रणालीको कुल लम्बाइ 8 मिटर भन्दा कम हुने अनुमान गरिएको छ, जुन मानक अर्ध-ट्रेलर ट्रकमा फिट हुन सक्छ।
न्यूट्रोन रूपान्तरण लक्ष्य सिधै रैखिक एक्सेलेरेटर पछि स्थापित हुनेछ।हामी उल्टो किनेमेटिक परिदृश्यहरू23 प्रयोग गरेर अघिल्लो अध्ययनहरूमा आधारित लक्ष्य स्टेशन डिजाइनहरू छलफल गर्छौं।रिपोर्ट गरिएका रूपान्तरण लक्ष्यहरूमा ठोस सामग्रीहरू (पोलीप्रोपाइलिन (C3H6) र टाइटेनियम हाइड्राइड (TiH2)) र ग्यासयुक्त लक्ष्य प्रणालीहरू समावेश छन्।प्रत्येक लक्ष्यका फाइदा र बेफाइदाहरू छन्।ठोस लक्ष्यहरूले सटीक मोटाई नियन्त्रणलाई अनुमति दिन्छ।लक्ष्य जति पातलो हुन्छ, न्यूट्रोन उत्पादनको स्थानिय व्यवस्था त्यति नै सटीक हुन्छ।यद्यपि, त्यस्ता लक्ष्यहरूमा अझै पनि केही हदसम्म अनावश्यक आणविक प्रतिक्रिया र विकिरण हुन सक्छ।अर्कोतर्फ, हाइड्रोजन लक्ष्यले आणविक प्रतिक्रियाको मुख्य उत्पादन 7Be को उत्पादन हटाएर सफा वातावरण प्रदान गर्न सक्छ।यद्यपि, हाइड्रोजनसँग कमजोर अवरोध क्षमता छ र पर्याप्त ऊर्जा रिलीजको लागि ठूलो भौतिक दूरी चाहिन्छ।यो TOF मापनको लागि थोरै हानिकारक छ।थप रूपमा, यदि हाइड्रोजन लक्ष्यलाई सील गर्न पातलो फिल्म प्रयोग गरिन्छ भने, पातलो फिल्म र घटना लिथियम बीमबाट उत्पन्न गामा किरणहरूको ऊर्जा हानिलाई ध्यानमा राख्न आवश्यक छ।
LICORNE ले पोलीप्रोपाइलिन लक्ष्यहरू प्रयोग गर्दछ र लक्ष्य प्रणालीलाई ट्यान्टलम पन्नीले बन्द गरिएको हाइड्रोजन सेलहरूमा अपग्रेड गरिएको छ।7Li34 को लागि 100 nA को बीम करेन्ट मान्दै, दुबै लक्ष्य प्रणालीहरूले 107 n/s/sr सम्म उत्पादन गर्न सक्छन्।यदि हामीले यो दाबी गरिएको न्यूट्रोन उपज रूपान्तरणलाई हाम्रो प्रस्तावित न्यूट्रोन स्रोतमा लागू गर्छौं भने, प्रत्येक लेजर पल्सको लागि 7 × 10-8 C को लिथियम-संचालित बीम प्राप्त गर्न सकिन्छ।यसको मतलब यो हो कि प्रति सेकेन्ड मात्र दुई पटक लेजर फायर गर्दा LICORNE ले एक सेकेन्डमा लगातार बीमले उत्पादन गर्न सक्ने भन्दा 40% बढी न्यूट्रोन उत्पादन गर्दछ।लेजरको उत्तेजना आवृत्ति बढाएर कुल प्रवाह सजिलै बढाउन सकिन्छ।यदि हामीले बजारमा १ kHz लेजर प्रणाली छ भनी मान्यौं भने, औसत न्यूट्रोन फ्लक्स सजिलैसँग लगभग 7 × 109 n/s/sr मा मापन गर्न सकिन्छ।
जब हामीले प्लास्टिक लक्ष्यहरू सहित उच्च दोहोरिने दर प्रणालीहरू प्रयोग गर्छौं, लक्ष्यहरूमा तातो उत्पादनलाई नियन्त्रण गर्न आवश्यक छ किनभने, उदाहरणका लागि, पोलीप्रोपाइलिनमा 145–175 °C को कम पिघलने बिन्दु र 0.1-0.22 W/ को कम थर्मल चालकता छ। m/K14 MeV लिथियम-आयन बीमको लागि, 7 µm बाक्लो पोलीप्रोपाइलीन लक्ष्य प्रतिक्रिया थ्रेसहोल्ड (13.098 MeV) मा बीम ऊर्जा घटाउन पर्याप्त छ।लक्ष्यमा एक लेजर शट द्वारा उत्पन्न आयनहरूको कुल प्रभावलाई ध्यानमा राख्दै, पोलीप्रोपाइलिन मार्फत लिथियम आयनहरूको ऊर्जा रिलीज 64 mJ/पल्स अनुमान गरिएको छ।सबै ऊर्जा 10 मिमी व्यासको सर्कलमा स्थानान्तरण गरिएको छ भनी मान्दै, प्रत्येक पल्स लगभग 18 के/पल्सको तापमान वृद्धिसँग मेल खान्छ।Polypropylene लक्ष्यहरूमा ऊर्जा रिलीज सबै ऊर्जा हानिहरू कुनै विकिरण वा अन्य ताप हानि बिना तापको रूपमा भण्डारण गरिन्छ भन्ने साधारण धारणामा आधारित छ।प्रति सेकेन्ड दालहरूको संख्या बढाउनको लागि ताप निर्माणको उन्मूलन आवश्यक भएकोले, हामी एउटै बिन्दुमा ऊर्जा रिलीजबाट बच्न स्ट्रिप लक्ष्यहरू प्रयोग गर्न सक्छौं।100 Hz को लेजर दोहोरिने दरको साथ लक्ष्यमा 10 एमएम बीम स्पट मान्दै, पोलीप्रोपाइलीन टेपको स्क्यानिङ गति 1 m/s हुनेछ।उच्च पुनरावृत्ति दरहरू सम्भव छन् यदि बीम स्पट ओभरल्याप अनुमति दिइएको छ।
हामीले हाइड्रोजन ब्याट्रीहरूसँग लक्ष्यहरू पनि जाँच गर्यौं, किनभने बलियो ड्राइभ बीमहरू लक्ष्यलाई हानी नगरी प्रयोग गर्न सकिन्छ।ग्यास च्याम्बरको लम्बाइ र भित्र हाइड्रोजन दबाब परिवर्तन गरेर न्यूट्रोन बीम सजिलैसँग ट्युन गर्न सकिन्छ।पातलो धातु पन्नीहरू प्रायः एक्सेलेटरहरूमा लक्ष्यको ग्यास क्षेत्रलाई भ्याकुमबाट अलग गर्न प्रयोग गरिन्छ।तसर्थ, पन्नीमा ऊर्जा हानिको लागि क्षतिपूर्ति गर्न घटना लिथियम-आयन बीमको ऊर्जा बढाउन आवश्यक छ।रिपोर्ट 35 मा वर्णन गरिएको लक्ष्य एसेम्बलीमा 1.5 एटीएमको H2 ग्यास दबावको साथ 3.5 सेमी लामो एल्युमिनियम कन्टेनर समावेश थियो।16.75 MeV लिथियम आयन बीम एयर-कूल्ड 2.7 µm टा फोइल मार्फत ब्याट्रीमा प्रवेश गर्दछ, र ब्याट्रीको अन्त्यमा लिथियम आयन बीमको ऊर्जा प्रतिक्रिया थ्रेसहोल्डमा घटाइन्छ।लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको बीम ऊर्जा 14.0 MeV बाट 16.75 MeV मा बढाउन, IH linac लगभग 30 सेन्टिमिटर लम्बाइनु पर्थ्यो।
ग्यास सेल लक्ष्यहरूबाट न्यूट्रोनको उत्सर्जन पनि अध्ययन गरिएको थियो।माथि उल्लिखित LICORNE ग्यास लक्ष्यहरूका लागि, GEANT436 सिमुलेशनहरूले देखाउँछ कि कोन भित्र अत्यधिक उन्मुख न्यूट्रोनहरू उत्पन्न हुन्छन्, जस्तै [३७] मा चित्र १ मा देखाइएको छ।सन्दर्भ 35 ले 0.7 देखि 3.0 MeV सम्मको ऊर्जा दायरा देखाउँछ जुन मुख्य किरणको प्रसारको दिशाको सापेक्ष 19.5° को अधिकतम कोन खोलिएको छ।उच्च उन्मुख न्युट्रोनहरूले धेरै कोणहरूमा ढाल सामग्रीको मात्रालाई महत्त्वपूर्ण रूपमा घटाउन सक्छ, संरचनाको तौल घटाउन र मापन उपकरणहरूको स्थापनामा अधिक लचिलोपन प्रदान गर्दछ।विकिरण संरक्षणको दृष्टिकोणबाट, न्यूट्रोनका अतिरिक्त, यो ग्यासीय लक्ष्यले केन्द्रिय समन्वय प्रणालीमा आइसोट्रोपिक रूपमा 478 keV गामा किरणहरू उत्सर्जन गर्दछ।यी γ-किरणहरू 7Be decay र 7Li deexcitation को परिणामको रूपमा उत्पादन गरिन्छ, जुन तब हुन्छ जब प्राथमिक Li beam इनपुट विन्डो Ta मा हिट हुन्छ।यद्यपि, बाक्लो 35 Pb/Cu बेलनाकार कोलिमिटर थपेर, पृष्ठभूमिलाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्न सकिन्छ।
वैकल्पिक लक्ष्यको रूपमा, कसैले प्लाज्मा सञ्झ्याल [39, 40] प्रयोग गर्न सक्छ, जसले यसलाई अपेक्षाकृत उच्च हाइड्रोजन दबाव र न्यूट्रोन उत्पादनको सानो स्थानिय क्षेत्र हासिल गर्न सम्भव बनाउँछ, यद्यपि यो ठोस लक्ष्यहरू भन्दा कम छ।
हामी अपेक्षित ऊर्जा वितरण र GEANT4 प्रयोग गरेर लिथियम आयन बीमको बीम आकारको लागि न्यूट्रोन रूपान्तरण लक्ष्यीकरण विकल्पहरूको खोजी गर्दैछौं।हाम्रो सिमुलेशनले माथिको साहित्यमा हाइड्रोजन लक्ष्यहरूको लागि न्यूट्रोन ऊर्जा र कोणीय वितरणको निरन्तर वितरण देखाउँछ।कुनै पनि लक्ष्य प्रणालीमा, हाइड्रोजन युक्त लक्ष्यमा बलियो 7Li3+ बीमद्वारा संचालित व्युत्क्रम किनेमेटिक प्रतिक्रियाद्वारा उच्च उन्मुख न्यूट्रोनहरू उत्पादन गर्न सकिन्छ।तसर्थ, पहिले नै अवस्थित प्रविधिहरू संयोजन गरेर नयाँ न्यूट्रोन स्रोतहरू लागू गर्न सकिन्छ।
लेजर विकिरण अवस्थाले एक्सेलेरेटेड प्रदर्शन अघि आयन बीम उत्पादन प्रयोगहरू पुन: उत्पादन गर्यो।लेजर एक डेस्कटप नानोसेकेन्ड Nd:YAG प्रणाली हो जसको लेजर पावर घनत्व 1012 W/cm2, 1064 nm को आधारभूत तरंग लम्बाइ, 800 mJ को स्पट ऊर्जा, र 6 ns को पल्स अवधि छ।लक्ष्यमा स्पट व्यास 100 µm मा अनुमानित छ।किनभने लिथियम धातु (अल्फा एसर, 99.9% शुद्ध) एकदम नरम छ, ठ्याक्कै काटिएको सामग्री मोल्डमा थिचिन्छ।पन्नी आयामहरू 25 मिमी × 25 मिमी, मोटाई 0.6 मिमी।लेजरले प्रहार गर्दा लक्ष्यको सतहमा क्रेटर-जस्तो क्षति हुन्छ, त्यसैले प्रत्येक लेजर शटको साथ लक्ष्यको सतहको ताजा भाग प्रदान गर्न मोटर चालित प्लेटफर्मद्वारा लक्ष्यलाई सारिन्छ।अवशिष्ट ग्याँसको कारण पुन: संयोजनबाट बच्नको लागि, चेम्बरमा दबाब 10-4 Pa को दायरा भन्दा तल राखिएको थियो।
लेजर प्लाज्माको प्रारम्भिक भोल्युम सानो छ, किनकि लेजर स्पटको आकार 100 μm छ र यसको उत्पादन पछि 6 ns भित्र छ।भोल्युमलाई सही बिन्दुको रूपमा लिन सकिन्छ र विस्तार गर्न सकिन्छ।यदि डिटेक्टर लक्ष्य सतहबाट xm दूरीमा राखिएको छ भने, प्राप्त संकेतले सम्बन्ध पालन गर्दछ: आयन वर्तमान I, आयन आगमन समय t, र पल्स चौडाई τ।
उत्पन्न प्लाज्मा लेजर लक्ष्यबाट 2.4 मिटर र 3.85 मिटरको दूरीमा रहेको FC र ऊर्जा आयन विश्लेषक (EIA) को TOF विधिद्वारा अध्ययन गरिएको थियो।FC सँग इलेक्ट्रोनहरू रोक्नको लागि -5 kV द्वारा पक्षपाती सप्रेसर ग्रिड छ।EIA सँग ९० डिग्री इलेक्ट्रोस्टेटिक डिफ्लेक्टर छ जसमा दुई समाक्षीय धातु बेलनाकार इलेक्ट्रोडहरू छन् जसमा समान भोल्टेज तर विपरीत ध्रुवता, बाहिर सकारात्मक र भित्र नकारात्मक हुन्छ।विस्तारित प्लाज्मालाई स्लटको पछाडिको डिफ्लेक्टरमा निर्देशित गरिन्छ र सिलिन्डरको माध्यमबाट बिजुली क्षेत्रबाट विचलित हुन्छ।E/z = eKU सम्बन्धलाई सन्तुष्ट पार्ने आयनहरू माध्यमिक इलेक्ट्रोन गुणक (SEM) (Hamamatsu R2362) को प्रयोग गरेर पत्ता लगाइन्छ, जहाँ E, z, e, K, र U आयन ऊर्जा, चार्जको अवस्था, र चार्ज EIA ज्यामितीय कारकहरू हुन्। ।इलेक्ट्रोनहरू, क्रमशः, र इलेक्ट्रोडहरू बीचको सम्भावित भिन्नता।डिफ्लेक्टरमा भोल्टेज परिवर्तन गरेर, कसैले प्लाज्मामा आयनहरूको ऊर्जा र चार्ज वितरण प्राप्त गर्न सक्छ।स्वीप भोल्टेज U/2 EIA 0.2 V देखि 800 V को दायरामा छ, जुन 4 eV देखि 16 keV प्रति चार्ज अवस्थाको दायरामा आयन ऊर्जासँग मेल खान्छ।
"पूर्ण रूपमा स्ट्रिप गरिएको लिथियम बीमहरूको उत्पादन" खण्डमा वर्णन गरिएको लेजर विकिरणको अवस्था अन्तर्गत विश्लेषण गरिएको आयनको चार्ज अवस्थाको वितरण चित्रमा देखाइएको छ।८।
आयन को चार्ज को राज्य को वितरण को विश्लेषण।यहाँ EIA सँग विश्लेषण गरिएको आयन वर्तमान घनत्व समय प्रोफाइल छ र समीकरण प्रयोग गरेर लिथियम पन्नीबाट 1 मिटरमा मापन गरिएको छ।(1) र (2)।"पूर्ण रूपमा एक्सफोलिएटेड लिथियम बीमको उत्पादन" खण्डमा वर्णन गरिएको लेजर विकिरण अवस्थाहरू प्रयोग गर्नुहोस्।प्रत्येक वर्तमान घनत्वलाई एकीकृत गरेर, प्लाज्मामा आयनहरूको अनुपात गणना गरिएको थियो, चित्र 3 मा देखाइएको छ।
लेजर आयन स्रोतहरूले उच्च चार्जको साथ तीव्र बहु-एमए आयन बीम प्रदान गर्न सक्छ।यद्यपि, स्पेस चार्ज रिपुल्सनका कारण बीम वितरण धेरै गाह्रो छ, त्यसैले यसलाई व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको थिएन।परम्परागत योजनामा, आयन बीमहरू प्लाज्माबाट निकालिन्छन् र एक्सेलेटरको पिकअप क्षमता अनुसार आयन बीमलाई आकार दिन धेरै फोकस गर्ने चुम्बकहरूको साथ बीम लाइनको साथ प्राथमिक एक्सेलेटरमा पठाइन्छ।स्पेस चार्ज फोर्स बीमहरूमा, बीमहरू गैर-रेखीय रूपमा भिन्न हुन्छन्, र गम्भीर बीम हानिहरू अवलोकन गरिन्छ, विशेष गरी कम गतिको क्षेत्रमा।मेडिकल कार्बन एक्सेलेटरहरूको विकासमा यो समस्यालाई हटाउन, नयाँ DPIS41 बीम वितरण योजना प्रस्तावित छ।हामीले नयाँ न्यूट्रोन स्रोतबाट शक्तिशाली लिथियम-आयन बीमलाई गति दिन यो प्रविधि लागू गरेका छौं।
अंजीर मा देखाइएको छ।4, ठाउँ जसमा प्लाज्मा उत्पन्न र विस्तार गरिएको छ एक धातु कन्टेनर द्वारा घेरिएको छ।सोलेनोइड कुण्डल भित्रको भोल्युम सहित RFQ रेजोनेटरको प्रवेशद्वारमा संलग्न ठाउँ विस्तार हुन्छ।कन्टेनरमा 52 kV को भोल्टेज लागू गरिएको थियो।RFQ रेजोनेटरमा, आयनहरूलाई RFQ ग्राउन्डिङ गरेर 6 मिमी व्यासको प्वालबाट सम्भाव्यताद्वारा तानिन्छ।बीम लाइनमा गैर-रैखिक प्रतिकर्मक बलहरू हटाइन्छ किनभने आयनहरू प्लाज्मा राज्यमा ढुवानी गरिन्छ।थप रूपमा, माथि उल्लेखित रूपमा, हामीले निकासी एपर्चरमा आयनहरूको घनत्व नियन्त्रण र बढाउन DPIS सँग संयोजनमा सोलेनोइड क्षेत्र लागू गर्यौं।
चित्रमा देखाइए अनुसार RFQ एक्सेलेटरमा बेलनाकार भ्याकुम चेम्बर हुन्छ।९ क।यसको भित्र, अक्सिजन-रहित तामाका चार रडहरू बिम अक्ष (चित्र 9b) वरिपरि क्वाड्रपोल-सममित रूपमा राखिएका छन्।4 रडहरू र चेम्बरहरू एक गुंजनशील RF सर्किट बनाउँछन्।प्रेरित RF फिल्डले रड भरि समय-भिन्न भोल्टेज सिर्जना गर्दछ।अक्षको वरिपरि अनुदैर्ध्य रूपमा प्रत्यारोपित आयनहरू क्वाड्रपोल फिल्डद्वारा पार्श्व रूपमा राखिन्छन्।एकै समयमा, रडको टिप एक अक्षीय विद्युत क्षेत्र सिर्जना गर्न मोड्युलेट गरिएको छ।अक्षीय क्षेत्रले इन्जेक्ट गरिएको निरन्तर बीमलाई बीम पल्सको श्रृंखलामा विभाजन गर्दछ जसलाई बीम भनिन्छ।प्रत्येक बीम एक निश्चित RF चक्र समय (10 ns) भित्र समावेश छ।रेडियो फ्रिक्वेन्सी अवधि अनुसार छेउछाउका बीमहरू स्पेस गरिएका छन्।RFQ linac मा, लेजर आयन स्रोतबाट 2 µs बीमलाई 200 बीमहरूको अनुक्रममा रूपान्तरण गरिन्छ।बीम त्यसपछि गणना गरिएको ऊर्जामा द्रुत हुन्छ।
रैखिक प्रवेगक RFQ।(a) (बायाँ) RFQ लिनाक च्याम्बरको बाह्य दृश्य।(b) (दायाँ) च्याम्बरमा चार-रड इलेक्ट्रोड।
RFQ linac को मुख्य डिजाइन प्यारामिटरहरू रड भोल्टेज, रेजोनन्ट फ्रिक्वेन्सी, बीम होल रेडियस, र इलेक्ट्रोड मोडुलेशन हुन्।रडमा भोल्टेज चयन गर्नुहोस् ± 29 kV ताकि यसको विद्युतीय क्षेत्र विद्युतीय ब्रेकडाउन थ्रेसहोल्ड भन्दा तल छ।रेजोनन्ट फ्रिक्वेन्सी जति कम हुन्छ, पार्श्व फोकस गर्ने बल जति बढी हुन्छ र औसत एक्सेलेरेशन फिल्ड जति सानो हुन्छ।ठूला एपर्चर रेडिआईले बीमको साइज बढाउन सम्भव बनाउँछ र फलस्वरूप, सानो स्पेस चार्ज रिपुल्सनका कारण बीमको प्रवाह बढाउँछ।अर्कोतर्फ, ठूला एपर्चर रेडिआईलाई RFQ linac लाई पावर गर्न थप RF पावर चाहिन्छ।थप रूपमा, यो साइटको गुणस्तर आवश्यकताहरू द्वारा सीमित छ।यी सन्तुलनहरूको आधारमा, रेजोनन्ट फ्रिक्वेन्सी (100 मेगाहर्ट्ज) र एपर्चर त्रिज्या (4.5 मिमी) उच्च-वर्तमान बीम प्रवेगका लागि छनोट गरियो।मोड्युलेसन बीम हानि कम गर्न र एक्सेलेरेशन दक्षता अधिकतम गर्न छनौट गरिएको छ।RFQ लिनाक डिजाइन उत्पादन गर्न डिजाइनलाई धेरै पटक अप्टिमाइज गरिएको छ जसले 7Li3+ आयनहरूलाई 22 keV/n बाट 204 keV/n मा 40 mA मा गति दिन सक्छ।प्रयोगको क्रममा मापन गरिएको आरएफ शक्ति 77 किलोवाट थियो।
RFQ linacs ले विशिष्ट Q/A दायराको साथ आयनहरूलाई गति दिन सक्छ।त्यसकारण, रैखिक गतिवर्धकको अन्त्यमा खुवाइएको बीमको विश्लेषण गर्दा, आइसोटोप र अन्य पदार्थहरूलाई ध्यानमा राख्न आवश्यक छ।थप रूपमा, वांछित आयनहरू, आंशिक रूपमा द्रुत, तर एक्सेलेटरको बीचमा प्रवेग अवस्थाहरूमा तल झरेका, अझै पनि पार्श्व कैद पूरा गर्न सक्छन् र अन्तमा ढुवानी गर्न सकिन्छ।इन्जिनियर गरिएको 7Li3+ कणहरू बाहेक अन्य अनावश्यक किरणहरूलाई अशुद्धता भनिन्छ।हाम्रा प्रयोगहरूमा, 14N6+ र 16O7+ अशुद्धताहरू सबैभन्दा ठूलो चिन्ताको विषय थिए, किनकि लिथियम धातुको पन्नीले हावामा अक्सिजन र नाइट्रोजनसँग प्रतिक्रिया गर्छ।यी आयनहरूसँग Q/A अनुपात छ जसलाई 7Li3+ मार्फत द्रुत गर्न सकिन्छ।हामी RFQ linac पछि बिम विश्लेषणको लागि विभिन्न गुणस्तर र गुणस्तरको बीमहरू अलग गर्न द्विध्रुव म्याग्नेट प्रयोग गर्छौं।
RFQ linac पछिको बीम लाइन डिपोल चुम्बक पछि FC लाई पूर्ण रूपमा द्रुत 7Li3+ बीम प्रदान गर्न डिजाइन गरिएको छ।-400 V पूर्वाग्रह इलेक्ट्रोडहरू आयन बीम वर्तमानलाई सही रूपमा मापन गर्न कपमा माध्यमिक इलेक्ट्रोनहरूलाई दबाउन प्रयोग गरिन्छ।यस अप्टिक्सको साथ, आयन प्रक्षेपणहरू द्विध्रुवहरूमा विभाजित हुन्छन् र Q/A को आधारमा विभिन्न ठाउँहरूमा केन्द्रित हुन्छन्।मोमेन्टम डिफ्युजन र स्पेस चार्ज रिपल्सन जस्ता विभिन्न कारकहरूका कारण, फोकसमा रहेको बीमको निश्चित चौडाइ हुन्छ।यदि दुई आयन प्रजातिहरूको फोकल स्थानहरू बीचको दूरी बीम चौडाइ भन्दा ठूलो छ भने मात्र प्रजातिहरू अलग गर्न सकिन्छ।उच्चतम सम्भावित रिजोल्युसन प्राप्त गर्न, बीम कम्मर नजिकै एक तेर्सो स्लिट स्थापना गरिएको छ, जहाँ बीम व्यावहारिक रूपमा केन्द्रित छ।सेन्ट-गोबेनबाट सिन्टिलेशन स्क्रिन (CsI(Tl), 40 mm × 40 mm × 3 mm) स्लिट र PC बीच स्थापना गरिएको थियो।सिन्टिलेटरलाई इष्टतम रिजोल्युसनको लागि डिजाइन गरिएको कणहरूले पार गर्नुपर्ने सबैभन्दा सानो स्लिट निर्धारण गर्न र उच्च वर्तमान भारी आयन बीमहरूको लागि स्वीकार्य बीम आकारहरू प्रदर्शन गर्न प्रयोग गरिएको थियो।सिन्टिलेटरमा रहेको बीम छवि एक भ्याकुम विन्डो मार्फत सीसीडी क्यामेराद्वारा रेकर्ड गरिएको छ।सम्पूर्ण बीम पल्स चौडाइ कभर गर्न एक्सपोजर समय विन्डो समायोजन गर्नुहोस्।
हालको अध्ययनमा प्रयोग वा विश्लेषण गरिएका डाटासेटहरू उचित अनुरोधमा सम्बन्धित लेखकहरूबाट उपलब्ध छन्।
मान्के, I. et al।चुम्बकीय डोमेनहरूको त्रि-आयामी इमेजिङ।राष्ट्रिय कम्युन।१, १२५। https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010)।
एन्डरसन, IS et al।एक्सेलेटरहरूमा कम्प्याक्ट न्यूट्रोन स्रोतहरू अध्ययन गर्ने सम्भावनाहरू।भौतिक विज्ञान।रिप. 654, 1-58।https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016)।
Urchuoli, A. et al।न्यूट्रोन-आधारित कम्प्युटेड माइक्रोटोमोग्राफी: परीक्षण केसहरूको रूपमा प्लियोबेट्स क्याटालोनिया र बारबेरापिथेकस ह्युरजेलेरी।हो।जे भौतिकशास्त्र।मानवविज्ञान।१६६, ९८७–९९३।https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018)।