Proveedores de tubos flexibles de acero inoxidable 304L 6,35*1 mm, demostración de un intenso haz de litio para generar neutrones directos pulsados

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Como alternativa al estudio de los reactores nucleares, un generador de neutrones compacto impulsado por un acelerador que utilice un controlador de haz de iones de litio puede ser un candidato prometedor porque produce poca radiación no deseada.Sin embargo, era difícil emitir un haz intenso de iones de litio y la aplicación práctica de tales dispositivos se consideraba imposible.El problema más grave del flujo insuficiente de iones se resolvió aplicando un esquema de implantación directa de plasma.En este esquema, un plasma pulsado de alta densidad generado por ablación con láser de una lámina de metal de litio se inyecta y acelera de manera eficiente mediante un acelerador cuadrupolo de alta frecuencia (acelerador RFQ).Hemos logrado una corriente máxima del haz de 35 mA acelerada a 1,43 MeV, que es dos órdenes de magnitud mayor que la que pueden proporcionar los sistemas convencionales de inyector y acelerador.
A diferencia de los rayos X o las partículas cargadas, los neutrones tienen una gran profundidad de penetración y una interacción única con la materia condensada, lo que los convierte en sondas extremadamente versátiles para estudiar las propiedades de los materiales1,2,3,4,5,6,7.En particular, las técnicas de dispersión de neutrones se utilizan comúnmente para estudiar la composición, la estructura y las tensiones internas en la materia condensada y pueden proporcionar información detallada sobre trazas de compuestos en aleaciones metálicas que son difíciles de detectar mediante espectroscopía de rayos X8.Este método se considera una herramienta poderosa en la ciencia básica y lo utilizan los fabricantes de metales y otros materiales.Más recientemente, la difracción de neutrones se ha utilizado para detectar tensiones residuales en componentes mecánicos como piezas de ferrocarriles y aviones9,10,11,12.Los neutrones también se utilizan en pozos de petróleo y gas porque son fácilmente capturados por materiales ricos en protones13.También se utilizan métodos similares en ingeniería civil.Las pruebas de neutrones no destructivas son una herramienta eficaz para detectar fallos ocultos en edificios, túneles y puentes.El uso de haces de neutrones se utiliza activamente en la investigación científica y en la industria, muchos de los cuales se han desarrollado históricamente utilizando reactores nucleares.
Sin embargo, con el consenso mundial sobre la no proliferación nuclear, la construcción de pequeños reactores con fines de investigación se está volviendo cada vez más difícil.Además, el reciente accidente de Fukushima ha hecho que la construcción de reactores nucleares sea casi socialmente aceptable.En relación con esta tendencia, está creciendo la demanda de fuentes de neutrones en los aceleradores2.Como alternativa a los reactores nucleares, ya están en funcionamiento varias grandes fuentes de neutrones que dividen aceleradores14,15.Sin embargo, para un uso más eficiente de las propiedades de los haces de neutrones, es necesario ampliar el uso de fuentes compactas en los aceleradores 16, que pueden pertenecer a instituciones de investigación industriales y universitarias.Las fuentes de neutrones aceleradores han añadido nuevas capacidades y funciones además de servir como sustitutos de los reactores nucleares14.Por ejemplo, un generador impulsado por linac puede crear fácilmente una corriente de neutrones manipulando el haz impulsor.Una vez emitidos, los neutrones son difíciles de controlar y las mediciones de radiación son difíciles de analizar debido al ruido creado por los neutrones de fondo.Los neutrones pulsados ​​controlados por un acelerador evitan este problema.Se han propuesto en todo el mundo varios proyectos basados ​​en la tecnología de aceleradores de protones17,18,19.Las reacciones 7Li(p, n)7Be y 9Be(p, n)9B se utilizan con mayor frecuencia en generadores de neutrones compactos impulsados ​​por protones porque son reacciones endotérmicas20.El exceso de radiación y los desechos radiactivos se pueden minimizar si la energía elegida para excitar el haz de protones está ligeramente por encima del valor umbral.Sin embargo, la masa del núcleo objetivo es mucho mayor que la de los protones y los neutrones resultantes se dispersan en todas direcciones.Una emisión tan cercana a isotrópica de un flujo de neutrones impide el transporte eficiente de neutrones al objeto de estudio.Además, para obtener la dosis necesaria de neutrones en la ubicación del objeto, es necesario aumentar significativamente tanto el número de protones en movimiento como su energía.Como resultado, grandes dosis de rayos gamma y neutrones se propagarán en grandes ángulos, destruyendo la ventaja de las reacciones endotérmicas.Un típico generador de neutrones compacto basado en protones impulsado por un acelerador tiene un fuerte blindaje contra la radiación y es la parte más voluminosa del sistema.La necesidad de aumentar la energía de los protones impulsores suele requerir un aumento adicional en el tamaño de la instalación del acelerador.
Para superar las deficiencias generales de las fuentes de neutrones compactas convencionales en los aceleradores, se propuso un esquema de reacción cinemática de inversión21.En este esquema, se utiliza un haz de iones de litio más pesado como haz guía en lugar de un haz de protones, dirigido a materiales ricos en hidrógeno como plásticos de hidrocarburos, hidruros, gas hidrógeno o plasma de hidrógeno.Se han considerado alternativas, como los haces impulsados ​​por iones de berilio; sin embargo, el berilio es una sustancia tóxica que requiere especial cuidado en su manipulación.Por tanto, un haz de litio es el más adecuado para esquemas de reacción cinemática de inversión.Dado que el impulso de los núcleos de litio es mayor que el de los protones, el centro de masa de las colisiones nucleares avanza constantemente y también se emiten neutrones hacia adelante.Esta característica elimina en gran medida los rayos gamma no deseados y las emisiones de neutrones de alto ángulo22.En la Figura 1 se muestra una comparación del caso habitual de un motor de protones y el escenario de cinemática inversa.
Ilustración de ángulos de producción de neutrones para haces de protones y litio (dibujada con Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Los neutrones pueden ser expulsados ​​en cualquier dirección como resultado de la reacción debido al hecho de que los protones en movimiento golpean los átomos mucho más pesados ​​del objetivo de litio.(b) Por el contrario, si un controlador de iones de litio bombardea un objetivo rico en hidrógeno, los neutrones se generan en un cono estrecho en dirección hacia adelante debido a la alta velocidad del centro de masa del sistema.
Sin embargo, sólo existen unos pocos generadores de neutrones cinemáticos inversos debido a la dificultad de generar el flujo necesario de iones pesados ​​con una carga elevada en comparación con los protones.Todas estas plantas utilizan fuentes de iones negativos en combinación con aceleradores electrostáticos en tándem.Se han propuesto otros tipos de fuentes de iones para aumentar la eficiencia de la aceleración del haz26.En cualquier caso, la corriente del haz de iones de litio disponible está limitada a 100 µA.Se ha propuesto utilizar 1 mA de Li3+27, pero esta corriente del haz de iones no ha sido confirmada por este método.En términos de intensidad, los aceleradores de haz de litio no pueden competir con los aceleradores de haz de protones cuya corriente máxima de protones supera los 10 mA28.
Para implementar un práctico generador de neutrones compacto basado en un haz de iones de litio, resulta ventajoso generar alta intensidad completamente desprovisto de iones.Los iones son acelerados y guiados por fuerzas electromagnéticas, y un nivel de carga más alto da como resultado una aceleración más eficiente.Los controladores de haz de iones de litio requieren corrientes máximas de Li3+ superiores a 10 mA.
En este trabajo, demostramos la aceleración de haces de Li3+ con corrientes máximas de hasta 35 mA, que es comparable a los aceleradores de protones avanzados.El haz de iones de litio original se creó mediante ablación láser y un esquema de implantación directa de plasma (DPIS) desarrollado originalmente para acelerar C6+.Se fabricó un linac cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ linac) de diseño personalizado utilizando una estructura resonante de cuatro varillas.Hemos verificado que el haz de aceleración tiene la energía de haz de alta pureza calculada.Una vez que el haz de Li3+ es capturado y acelerado efectivamente por el acelerador de radiofrecuencia (RF), la sección linac (acelerador) posterior se utiliza para proporcionar la energía necesaria para generar un fuerte flujo de neutrones desde el objetivo.
La aceleración de iones de alto rendimiento es una tecnología bien establecida.La tarea restante de realizar un nuevo generador de neutrones compacto y altamente eficiente es generar una gran cantidad de iones de litio completamente despojados y formar una estructura de grupo que consta de una serie de pulsos de iones sincronizados con el ciclo de RF en el acelerador.Los resultados de los experimentos diseñados para lograr este objetivo se describen en las tres subsecciones siguientes: (1) generación de un haz completamente desprovisto de iones de litio, (2) aceleración del haz utilizando un linac RFQ especialmente diseñado y (3) aceleración del análisis. de la viga para comprobar su contenido.En el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL), construimos la configuración experimental que se muestra en la Figura 2.
Descripción general de la configuración experimental para el análisis acelerado de haces de litio (ilustrado por Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).De derecha a izquierda, se genera plasma ablativo con láser en la cámara de interacción láser-objetivo y se entrega al linac RFQ.Al ingresar al acelerador RFQ, los iones se separan del plasma y se inyectan en el acelerador RFQ a través de un campo eléctrico repentino creado por una diferencia de voltaje de 52 kV entre el electrodo de extracción y el electrodo RFQ en la región de deriva.Los iones extraídos se aceleran de 22 keV/n a 204 keV/n utilizando electrodos RFQ de 2 metros de largo.Un transformador de corriente (CT) instalado en la salida del RFQ linac proporciona una medición no destructiva de la corriente del haz de iones.El haz se enfoca mediante tres imanes cuadrupolares y se dirige a un imán dipolo, que separa y dirige el haz de Li3+ hacia el detector.Detrás de la rendija, se utilizan un centelleador de plástico retráctil y una copa de Faraday (FC) con una polarización de hasta -400 V para detectar el haz acelerador.
Para generar iones de litio completamente ionizados (Li3+), es necesario crear un plasma con una temperatura superior a su tercera energía de ionización (122,4 eV).Intentamos utilizar la ablación láser para producir plasma de alta temperatura.Este tipo de fuente de iones láser no se usa comúnmente para generar haces de iones de litio porque el metal de litio es reactivo y requiere un manejo especial.Hemos desarrollado un sistema de carga de objetivos para minimizar la humedad y la contaminación del aire al instalar lámina de litio en la cámara de interacción del láser de vacío.Todas las preparaciones de materiales se llevaron a cabo en un ambiente controlado de argón seco.Después de instalar la lámina de litio en la cámara objetivo del láser, la lámina se irradió con radiación láser Nd:YAG pulsada a una energía de 800 mJ por pulso.Cuando se enfoca el objetivo, se estima que la densidad de potencia del láser es de aproximadamente 1012 W/cm2.El plasma se crea cuando un láser pulsado destruye un objetivo en el vacío.Durante todo el pulso láser de 6 ns, el plasma continúa calentándose, principalmente debido al proceso de bremsstrahlung inverso.Como no se aplica ningún campo externo limitante durante la fase de calentamiento, el plasma comienza a expandirse en tres dimensiones.Cuando el plasma comienza a expandirse sobre la superficie objetivo, el centro de masa del plasma adquiere una velocidad perpendicular a la superficie objetivo con una energía de 600 eV/n.Después del calentamiento, el plasma continúa moviéndose en dirección axial desde el objetivo, expandiéndose isotrópicamente.
Como se muestra en la Figura 2, el plasma de ablación se expande en un volumen de vacío rodeado por un recipiente metálico con el mismo potencial que el objetivo.De este modo, el plasma se desplaza a través de la región libre de campo hacia el acelerador RFQ.Se aplica un campo magnético axial entre la cámara de irradiación láser y el linac RFQ mediante una bobina solenoide enrollada alrededor de la cámara de vacío.El campo magnético del solenoide suprime la expansión radial del plasma a la deriva para mantener una alta densidad del plasma durante el envío a la apertura RFQ.Por otro lado, el plasma continúa expandiéndose en dirección axial durante la deriva, formando un plasma alargado.Se aplica una polarización de alto voltaje al recipiente metálico que contiene el plasma frente al puerto de salida en la entrada de RFQ.El voltaje de polarización se eligió para proporcionar la tasa de inyección de 7Li3+ requerida para una aceleración adecuada por parte del linac RFQ.
El plasma de ablación resultante contiene no sólo 7Li3+, sino también litio en otros estados de carga y elementos contaminantes, que se transportan simultáneamente al acelerador lineal RFQ.Antes de los experimentos acelerados utilizando el RFQ linac, se realizó un análisis de tiempo de vuelo (TOF) fuera de línea para estudiar la composición y distribución de energía de los iones en el plasma.La configuración analítica detallada y las distribuciones de estado de carga observadas se explican en la sección Métodos.El análisis mostró que los iones 7Li3+ eran las partículas principales, representando aproximadamente el 54% de todas las partículas, como se muestra en la Fig. 3. Según el análisis, la corriente del ión 7Li3+ en el punto de salida del haz de iones se estima en 1,87 mA.Durante las pruebas aceleradas, se aplica un campo solenoide de 79 mT al plasma en expansión.Como resultado, la corriente de 7Li3+ extraída del plasma y observada en el detector aumentó en un factor de 30.
Fracciones de iones en plasma generado por láser obtenidos mediante análisis de tiempo de vuelo.Los iones 7Li1+ y 7Li2+ constituyen el 5% y el 25% del haz de iones, respectivamente.La fracción detectada de partículas de 6Li concuerda con el contenido natural de 6Li (7,6%) en el objetivo de lámina de litio dentro del error experimental.Se observó una ligera contaminación por oxígeno (6,2%), principalmente O1+ (2,1%) y O2+ (1,5%), que puede deberse a la oxidación de la superficie del objetivo de lámina de litio.
Como se mencionó anteriormente, el plasma de litio se desplaza en una región sin campo antes de ingresar al linac RFQ.La entrada del RFQ linac tiene un orificio de 6 mm de diámetro en un recipiente de metal y el voltaje de polarización es de 52 kV.Aunque el voltaje del electrodo RFQ cambia rápidamente ±29 kV a 100 MHz, el voltaje provoca una aceleración axial porque los electrodos del acelerador RFQ tienen un potencial promedio de cero.Debido al fuerte campo eléctrico generado en el espacio de 10 mm entre la apertura y el borde del electrodo RFQ, sólo se extraen iones de plasma positivos del plasma en la apertura.En los sistemas tradicionales de suministro de iones, los iones se separan del plasma mediante un campo eléctrico a una distancia considerable frente al acelerador RFQ y luego se enfocan en la apertura del RFQ mediante un elemento de enfoque del haz.Sin embargo, para los intensos haces de iones pesados ​​necesarios para una intensa fuente de neutrones, las fuerzas repulsivas no lineales debidas a los efectos de la carga espacial pueden provocar pérdidas significativas de corriente del haz en el sistema de transporte de iones, limitando la corriente máxima que puede acelerarse.En nuestro DPIS, los iones de alta intensidad se transportan como un plasma a la deriva directamente al punto de salida de la apertura RFQ, por lo que no hay pérdida del haz de iones debido a la carga espacial.Durante esta demostración, se aplicó DPIS por primera vez a un haz de iones de litio.
La estructura RFQ se desarrolló para enfocar y acelerar haces de iones de alta corriente y baja energía y se ha convertido en el estándar para la aceleración de primer orden.Utilizamos RFQ para acelerar iones 7Li3+ desde una energía de implante de 22 keV/n a 204 keV/n.Aunque el litio y otras partículas con una carga más baja en el plasma también se extraen del plasma y se inyectan en la apertura RFQ, el linac RFQ solo acelera iones con una relación carga-masa (Q/A) cercana a 7Li3+.
En la fig.La Figura 4 muestra las formas de onda detectadas por el transformador de corriente (CT) en la salida del RFQ linac y la copa de Faraday (FC) después de analizar el imán, como se muestra en la fig.2. El cambio de tiempo entre las señales se puede interpretar como la diferencia en el tiempo de vuelo en la ubicación del detector.La corriente iónica máxima medida en CT fue de 43 mA.En la posición RT, el haz registrado puede contener no sólo iones acelerados hasta la energía calculada, sino también iones distintos de 7Li3+, que no están suficientemente acelerados.Sin embargo, la similitud de las formas de corriente iónica encontradas mediante QD y PC indica que la corriente iónica consiste principalmente en 7Li3+ acelerado, y la disminución en el valor máximo de la corriente en PC es causada por pérdidas del haz durante la transferencia de iones entre QD y ORDENADOR PERSONAL.Pérdidas Esto también lo confirma la simulación de la envolvente.Para medir con precisión la corriente del haz de 7Li3+, el haz se analiza con un imán dipolo como se describe en la siguiente sección.
Oscilogramas del haz acelerado registrados en las posiciones del detector CT (curva negra) y FC (curva roja).Estas mediciones se activan mediante la detección de radiación láser mediante un fotodetector durante la generación de plasma láser.La curva negra muestra la forma de onda medida en un CT conectado a la salida linac RFQ.Debido a su proximidad al linac RFQ, el detector capta ruido de RF de 100 MHz, por lo que se aplicó un filtro FFT de paso bajo de 98 MHz para eliminar la señal de RF resonante de 100 MHz superpuesta a la señal de detección.La curva roja muestra la forma de onda en FC después de que el imán analítico dirige el haz de iones 7Li3+.En este campo magnético, además de 7Li3+, se pueden transportar N6+ y O7+.
El haz de iones después del RFQ linac se enfoca mediante una serie de tres imanes de enfoque cuadrupolo y luego se analiza mediante imanes dipolo para aislar las impurezas en el haz de iones.Un campo magnético de 0,268 T dirige los haces de 7Li3+ hacia el FC.La forma de onda de detección de este campo magnético se muestra como la curva roja en la Figura 4. La corriente máxima del haz alcanza los 35 mA, que es más de 100 veces mayor que un haz típico de Li3+ producido en los aceleradores electrostáticos convencionales existentes.El ancho del pulso del haz es de 2,0 µs en su ancho máximo a la mitad del máximo.La detección de un haz de 7Li3+ con un campo magnético dipolo indica una agrupación y aceleración del haz exitosas.La corriente del haz de iones detectada por FC al escanear el campo magnético del dipolo se muestra en la Fig. 5. Se observó un pico único limpio, bien separado de otros picos.Dado que todos los iones acelerados a la energía de diseño por el RFQ linac tienen la misma velocidad, los haces de iones con la misma Q/A son difíciles de separar mediante campos magnéticos dipolares.Por tanto, no podemos distinguir 7Li3+ de N6+ u O7+.Sin embargo, la cantidad de impurezas se puede estimar a partir de los estados de carga vecinos.Por ejemplo, N7+ y N5+ se pueden separar fácilmente, mientras que N6+ puede ser parte de la impureza y se espera que esté presente en aproximadamente la misma cantidad que N7+ y N5+.El nivel de contaminación estimado es de alrededor del 2%.
Espectros de componentes del haz obtenidos escaneando un campo magnético dipolo.El pico en 0,268 T corresponde a 7Li3+ y N6+.El ancho del pico depende del tamaño del haz en la rendija.A pesar de los amplios picos, 7Li3+ se separa bien de 6Li3+, O6+ y N5+, pero se separa mal de O7+ y N6+.
En la ubicación del FC, el perfil del haz se confirmó con un centelleador enchufable y se registró con una cámara digital rápida como se muestra en la Figura 6. Se muestra que el haz pulsado 7Li3+ con una corriente de 35 mA se acelera hasta una RFQ calculada. energía de 204 keV/n, que corresponde a 1,4 MeV, y se transmite al detector FC.
Perfil del haz observado en una pantalla centelleadora anterior a FC (coloreada por Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).El campo magnético del imán dipolo analítico se ajustó para dirigir la aceleración del haz de iones Li3+ a la energía de diseño RFQ.Los puntos azules en el área verde son causados ​​por material centelleador defectuoso.
Logramos la generación de iones 7Li3+ mediante ablación láser de la superficie de una lámina de litio sólida, y se capturó y aceleró un haz de iones de alta corriente con un linac RFQ especialmente diseñado utilizando DPIS.Con una energía del haz de 1,4 MeV, la corriente máxima de 7Li3+ alcanzada en el FC después del análisis del imán fue de 35 mA.Esto confirma que la parte más importante de la implementación de una fuente de neutrones con cinemática inversa se ha implementado de forma experimental.En esta parte del artículo, se analizará todo el diseño de una fuente de neutrones compacta, incluidos los aceleradores de alta energía y las estaciones objetivo de neutrones.El diseño se basa en los resultados obtenidos con los sistemas existentes en nuestro laboratorio.Cabe señalar que la corriente máxima del haz de iones se puede aumentar aún más acortando la distancia entre la lámina de litio y el linac RFQ.Arroz.7 ilustra el concepto completo de la fuente compacta de neutrones propuesta en el acelerador.
Diseño conceptual de la fuente compacta de neutrones propuesta en el acelerador (dibujado por Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).De derecha a izquierda: fuente de iones láser, imán solenoide, linac RFQ, transferencia de haz de energía media (MEBT), linac IH y cámara de interacción para generación de neutrones.La protección radiológica se proporciona principalmente en la dirección de avance debido a la naturaleza estrechamente dirigida de los haces de neutrones producidos.
Después del RFQ linac, se planea una mayor aceleración del linac Inter-digital H-structure (IH linac)30.Los linacs IH utilizan una estructura de tubo de deriva en modo π para proporcionar altos gradientes de campo eléctrico en un cierto rango de velocidades.El estudio conceptual se llevó a cabo basándose en simulación de dinámica longitudinal 1D y simulación de carcasa 3D.Los cálculos muestran que un linac IH de 100 MHz con un voltaje de tubo de deriva razonable (menos de 450 kV) y un fuerte imán de enfoque puede acelerar un haz de 40 mA de 1,4 a 14 MeV a una distancia de 1,8 m.La distribución de energía al final de la cadena del acelerador se estima en ± 0,4 MeV, lo que no afecta significativamente el espectro de energía de los neutrones producidos por el objetivo de conversión de neutrones.Además, la emisividad del haz es lo suficientemente baja como para enfocar el haz en un punto de haz más pequeño de lo que normalmente se requeriría para un imán cuadrupolo de tamaño y fuerza media.En la transmisión de haz de energía media (MEBT) entre el linac RFQ y el linac IH, el resonador de formación de haces se utiliza para mantener la estructura de formación de haces.Se utilizan tres imanes cuadrupolares para controlar el tamaño del haz lateral.Esta estrategia de diseño se ha utilizado en muchos aceleradores31,32,33.Se estima que la longitud total de todo el sistema desde la fuente de iones hasta la cámara objetivo es inferior a 8 m, que puede caber en un camión semirremolque estándar.
El objetivo de conversión de neutrones se instalará directamente después del acelerador lineal.Discutimos diseños de estaciones objetivo basados ​​en estudios previos que utilizan escenarios cinemáticos inversos23.Los objetivos de conversión informados incluyen materiales sólidos (polipropileno (C3H6) e hidruro de titanio (TiH2)) y sistemas objetivo gaseosos.Cada objetivo tiene ventajas y desventajas.Los objetivos sólidos permiten un control preciso del espesor.Cuanto más delgado sea el objetivo, más precisa será la disposición espacial de la producción de neutrones.Sin embargo, esos objetivos aún pueden tener cierto grado de reacciones nucleares y radiación no deseadas.Por otro lado, un objetivo de hidrógeno puede proporcionar un medio ambiente más limpio al eliminar la producción de 7Be, el principal producto de la reacción nuclear.Sin embargo, el hidrógeno tiene una capacidad de barrera débil y requiere una gran distancia física para liberar suficiente energía.Esto es ligeramente desventajoso para las mediciones TOF.Además, si se utiliza una película delgada para sellar un objetivo de hidrógeno, es necesario tener en cuenta las pérdidas de energía de los rayos gamma generadas por la película delgada y el haz de litio incidente.
LICORNE utiliza objetivos de polipropileno y el sistema de objetivos se ha actualizado a celdas de hidrógeno selladas con lámina de tantalio.Suponiendo una corriente de haz de 100 nA para 7Li34, ambos sistemas objetivo pueden producir hasta 107 n/s/sr.Si aplicamos esta conversión de rendimiento de neutrones a nuestra fuente de neutrones propuesta, entonces se puede obtener un haz impulsado por litio de 7 × 10–8 C para cada pulso láser.Esto significa que disparar el láser sólo dos veces por segundo produce un 40% más de neutrones que los que LICORNE puede producir en un segundo con un haz continuo.El flujo total se puede aumentar fácilmente aumentando la frecuencia de excitación del láser.Si suponemos que existe un sistema láser de 1 kHz en el mercado, el flujo de neutrones promedio puede ampliarse fácilmente hasta aproximadamente 7 × 109 n/s/sr.
Cuando utilizamos sistemas de alta tasa de repetición con objetivos de plástico, es necesario controlar la generación de calor en los objetivos porque, por ejemplo, el polipropileno tiene un punto de fusión bajo de 145-175 °C y una conductividad térmica baja de 0,1-0,22 W/ m/k.Para un haz de iones de litio de 14 MeV, un objetivo de polipropileno de 7 µm de espesor es suficiente para reducir la energía del haz al umbral de reacción (13,098 MeV).Teniendo en cuenta el efecto total de los iones generados por un disparo de láser sobre el objetivo, la liberación de energía de los iones de litio a través del polipropileno se estima en 64 mJ/pulso.Suponiendo que toda la energía se transfiere en un círculo con un diámetro de 10 mm, cada pulso corresponde a un aumento de temperatura de aproximadamente 18 K/pulso.La liberación de energía en objetivos de polipropileno se basa en la simple suposición de que todas las pérdidas de energía se almacenan como calor, sin radiación ni otras pérdidas de calor.Dado que aumentar el número de pulsos por segundo requiere la eliminación de la acumulación de calor, podemos utilizar objetivos de tira para evitar la liberación de energía en el mismo punto23.Suponiendo un punto de haz de 10 mm sobre un objetivo con una tasa de repetición del láser de 100 Hz, la velocidad de escaneo de la cinta de polipropileno sería de 1 m/s.Es posible obtener tasas de repetición más altas si se permite la superposición de los puntos del haz.
También investigamos objetivos con baterías de hidrógeno, porque se podían utilizar haces de propulsión más potentes sin dañar el objetivo.El haz de neutrones se puede sintonizar fácilmente cambiando la longitud de la cámara de gas y la presión del hidrógeno en su interior.A menudo se utilizan láminas metálicas finas en los aceleradores para separar la región gaseosa del objetivo del vacío.Por lo tanto, es necesario aumentar la energía del haz de iones de litio incidente para compensar las pérdidas de energía en la lámina.El objetivo descrito en el informe 35 consistía en un recipiente de aluminio de 3,5 cm de largo con una presión de gas H2 de 1,5 atm.El haz de iones de litio de 16,75 MeV ingresa a la batería a través de la lámina de Ta de 2,7 µm enfriada por aire, y la energía del haz de iones de litio en el extremo de la batería se desacelera hasta el umbral de reacción.Para aumentar la energía del haz de las baterías de iones de litio de 14,0 MeV a 16,75 MeV, el IH linac tuvo que alargarse unos 30 cm.
También se estudió la emisión de neutrones de objetivos de células de gas.Para los objetivos de gas LICORNE antes mencionados, las simulaciones GEANT436 muestran que se generan neutrones altamente orientados dentro del cono, como se muestra en la Figura 1 en [37].La referencia 35 muestra el rango de energía de 0,7 a 3,0 MeV con una apertura máxima del cono de 19,5° con respecto a la dirección de propagación del haz principal.Los neutrones altamente orientados pueden reducir significativamente la cantidad de material de protección en la mayoría de los ángulos, reduciendo el peso de la estructura y proporcionando una mayor flexibilidad en la instalación de equipos de medición.Desde el punto de vista de la protección radiológica, además de neutrones, este objetivo gaseoso emite rayos gamma de 478 keV de forma isotrópica en el sistema de coordenadas centroide38.Estos rayos γ se producen como resultado de la desintegración del 7Be y la desexcitación del 7Li, que ocurre cuando el haz de Li primario golpea la ventana de entrada Ta.Sin embargo, añadiendo un colimador cilíndrico grueso de 35 Pb/Cu, el fondo se puede reducir significativamente.
Como objetivo alternativo, se puede utilizar una ventana de plasma [39, 40], que permite alcanzar una presión de hidrógeno relativamente alta y una pequeña región espacial de generación de neutrones, aunque es inferior a los objetivos sólidos.
Estamos investigando opciones de conversión de neutrones para la distribución de energía esperada y el tamaño del haz de un haz de iones de litio utilizando GEANT4.Nuestras simulaciones muestran una distribución consistente de energía de neutrones y distribuciones angulares para objetivos de hidrógeno en la literatura anterior.En cualquier sistema objetivo, se pueden producir neutrones altamente orientados mediante una reacción cinemática inversa impulsada por un potente haz de 7Li3+ sobre un objetivo rico en hidrógeno.Por tanto, se pueden implementar nuevas fuentes de neutrones combinando tecnologías ya existentes.
Las condiciones de irradiación láser reprodujeron los experimentos de generación de haces de iones anteriores a la demostración acelerada.El láser es un sistema Nd:YAG de nanosegundos de escritorio con una densidad de potencia láser de 1012 W/cm2, una longitud de onda fundamental de 1064 nm, una energía puntual de 800 mJ y una duración de pulso de 6 ns.El diámetro del punto en el objetivo se estima en 100 µm.Como el litio metálico (Alfa Aesar, 99,9 % de pureza) es bastante blando, el material cortado con precisión se presiona en el molde.Dimensiones de la lámina 25 mm × 25 mm, espesor 0,6 mm.Se produce un daño similar a un cráter en la superficie del objetivo cuando un láser lo golpea, por lo que el objetivo se mueve mediante una plataforma motorizada para proporcionar una porción nueva de la superficie del objetivo con cada disparo de láser.Para evitar la recombinación debida al gas residual, la presión en la cámara se mantuvo por debajo del rango de 10-4 Pa.
El volumen inicial del plasma láser es pequeño, ya que el tamaño del punto láser es de 100 μm y dentro de los 6 ns posteriores a su generación.El volumen se puede tomar como un punto exacto y ampliar.Si el detector se coloca a una distancia xm de la superficie objetivo, entonces la señal recibida obedece a la relación: corriente iónica I, tiempo de llegada de iones t y ancho de pulso τ.
El plasma generado se estudió mediante el método TOF con FC y un analizador de energía de iones (EIA) ubicado a una distancia de 2,4 my 3,85 m del objetivo láser.El FC tiene una rejilla supresora polarizada en -5 kV para evitar electrones.El EIA tiene un deflector electrostático de 90 grados que consta de dos electrodos cilíndricos metálicos coaxiales con el mismo voltaje pero de polaridad opuesta, positivo por fuera y negativo por dentro.El plasma en expansión se dirige hacia el deflector situado detrás de la ranura y es desviado por el campo eléctrico que atraviesa el cilindro.Los iones que satisfacen la relación E/z = eKU se detectan utilizando un multiplicador de electrones secundario (SEM) (Hamamatsu R2362), donde E, z, e, K y U son la energía del ion, el estado de carga y la carga son factores geométricos EIA. .electrones, respectivamente, y la diferencia de potencial entre los electrodos.Al cambiar el voltaje a través del deflector, se puede obtener la distribución de energía y carga de los iones en el plasma.La tensión de barrido U/2 EIA se encuentra en el intervalo de 0,2 V a 800 V, lo que corresponde a una energía iónica en el intervalo de 4 eV a 16 keV por estado de carga.
Las distribuciones del estado de carga de los iones analizados en las condiciones de irradiación láser descritas en la sección "Generación de haces de litio completamente despojados" se muestran en las Figs.8.
Análisis de la distribución del estado de carga de iones.Aquí está el perfil de tiempo de densidad de corriente iónica analizado con EIA y escalado a 1 m de la lámina de litio usando la ecuación.(1) y (2).Utilice las condiciones de irradiación láser descritas en la sección "Generación de un haz de litio completamente exfoliado".Integrando cada densidad de corriente, se calculó la proporción de iones en el plasma, como se muestra en la Figura 3.
Las fuentes de iones láser pueden emitir un intenso haz de iones multimA con una carga elevada.Sin embargo, la emisión del haz es muy difícil debido a la repulsión de las cargas espaciales, por lo que no se utilizó ampliamente.En el esquema tradicional, los haces de iones se extraen del plasma y se transportan al acelerador primario a lo largo de una línea de haz con varios imanes de enfoque para dar forma al haz de iones de acuerdo con la capacidad de captación del acelerador.En los haces de fuerza de carga espacial, los haces divergen de forma no lineal y se observan importantes pérdidas en los haces, especialmente en la región de bajas velocidades.Para superar este problema en el desarrollo de aceleradores de carbono médicos, se propone un nuevo esquema de entrega de haz DPIS41.Hemos aplicado esta técnica para acelerar un potente haz de iones de litio procedente de una nueva fuente de neutrones.
Como se muestra en la fig.4, el espacio en el que se genera y expande el plasma está rodeado por un recipiente metálico.El espacio cerrado se extiende hasta la entrada del resonador RFQ, incluido el volumen dentro de la bobina del solenoide.Se aplicó al contenedor una tensión de 52 kV.En el resonador RFQ, los iones son atraídos por potencial a través de un orificio de 6 mm de diámetro poniendo a tierra el RFQ.Las fuerzas repulsivas no lineales en la línea del haz se eliminan a medida que los iones se transportan en estado de plasma.Además, como se mencionó anteriormente, aplicamos un campo de solenoide en combinación con DPIS para controlar y aumentar la densidad de iones en la apertura de extracción.
El acelerador RFQ consta de una cámara de vacío cilíndrica como se muestra en la fig.9a.En su interior, se colocan cuatro varillas de cobre libre de oxígeno de forma cuadrupolo simétrica alrededor del eje del haz (Fig. 9b).4 varillas y cámaras forman un circuito de RF resonante.El campo de RF inducido crea un voltaje variable en el tiempo a través de la varilla.Los iones implantados longitudinalmente alrededor del eje son retenidos lateralmente por el campo cuadrupolar.Al mismo tiempo, la punta de la varilla se modula para crear un campo eléctrico axial.El campo axial divide el haz continuo inyectado en una serie de pulsos de haz llamado haz.Cada haz está contenido dentro de un cierto tiempo de ciclo de RF (10 ns).Los haces adyacentes están espaciados según el período de radiofrecuencia.En el RFQ linac, un haz de 2 µs procedente de una fuente de iones láser se convierte en una secuencia de 200 haces.A continuación, el haz se acelera hasta alcanzar la energía calculada.
RFQ de acelerador lineal.(a) (izquierda) Vista externa de la cámara linac RFQ.(b) (derecha) Electrodo de cuatro varillas en la cámara.
Los principales parámetros de diseño del RFQ linac son el voltaje de la varilla, la frecuencia de resonancia, el radio del orificio del haz y la modulación del electrodo.Seleccione el voltaje en la varilla ± 29 kV para que su campo eléctrico esté por debajo del umbral de ruptura eléctrica.Cuanto menor sea la frecuencia de resonancia, mayor será la fuerza de enfoque lateral y menor será el campo de aceleración promedio.Los radios de apertura grandes permiten aumentar el tamaño del haz y, en consecuencia, aumentar la corriente del haz debido a la menor repulsión de la carga espacial.Por otro lado, los radios de apertura más grandes requieren más potencia de RF para alimentar el linac RFQ.Además, está limitado por los requisitos de calidad del sitio.Con base en estos equilibrios, se eligieron la frecuencia de resonancia (100 MHz) y el radio de apertura (4,5 mm) para la aceleración del haz de alta corriente.La modulación se elige para minimizar la pérdida del haz y maximizar la eficiencia de aceleración.El diseño se ha optimizado muchas veces para producir un diseño linac RFQ que puede acelerar iones 7Li3+ a 40 mA de 22 keV/n a 204 keV/n en 2 m.La potencia de RF medida durante el experimento fue de 77 kW.
Los linacs RFQ pueden acelerar iones con un rango Q/A específico.Por lo tanto, al analizar un haz alimentado al final de un acelerador lineal, es necesario tener en cuenta los isótopos y otras sustancias.Además, los iones deseados, parcialmente acelerados, pero descendidos en condiciones de aceleración en el centro del acelerador, aún pueden encontrarse confinados lateralmente y pueden ser transportados hasta el final.Los rayos no deseados distintos de las partículas 7Li3+ diseñadas se denominan impurezas.En nuestros experimentos, las impurezas 14N6+ y 16O7+ fueron las más preocupantes, ya que la lámina de metal de litio reacciona con el oxígeno y el nitrógeno del aire.Estos iones tienen una relación Q/A que puede acelerarse con 7Li3+.Utilizamos imanes dipolo para separar haces de diferente calidad y calidad para el análisis de haces después del RFQ linac.
La línea de haz después del RFQ linac está diseñada para entregar el haz 7Li3+ completamente acelerado al FC después del imán dipolo.Se utilizan electrodos de polarización de -400 V para suprimir los electrones secundarios en la copa para medir con precisión la corriente del haz de iones.Con esta óptica, las trayectorias de los iones se separan en dipolos y se enfocan en diferentes lugares dependiendo del Q/A.Debido a diversos factores, como la difusión del momento y la repulsión de la carga espacial, el haz en el foco tiene una cierta anchura.Las especies sólo pueden separarse si la distancia entre las posiciones focales de las dos especies de iones es mayor que el ancho del haz.Para obtener la mayor resolución posible, se instala una hendidura horizontal cerca de la cintura del haz, donde prácticamente se concentra el haz.Se instaló una pantalla de centelleo (CsI (Tl) de Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) entre la rendija y la PC.El centelleador se utilizó para determinar la rendija más pequeña por la que debían pasar las partículas diseñadas para obtener una resolución óptima y demostrar tamaños de haz aceptables para haces de iones pesados ​​de alta corriente.La imagen del haz del centelleador es grabada por una cámara CCD a través de una ventana de vacío.Ajuste la ventana de tiempo de exposición para cubrir todo el ancho del pulso del haz.
Los conjuntos de datos utilizados o analizados en el estudio actual están disponibles a través de los respectivos autores previa solicitud razonable.
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