Fornecedores de tubos enrolados de aço inoxidável 304L 6,35 * 1mm, demonstração de um feixe de lítio intenso para gerar nêutrons diretos pulsados

Obrigado por visitar Nature.com.Você está usando uma versão de navegador com suporte CSS limitado.Para obter a melhor experiência, recomendamos que você use um navegador atualizado (ou desative o Modo de Compatibilidade no Internet Explorer).Além disso, para garantir suporte contínuo, mostramos o site sem estilos e JavaScript.
Sliders mostrando três artigos por slide.Use os botões voltar e avançar para percorrer os slides ou os botões do controlador de slides no final para percorrer cada slide.

Como alternativa ao estudo de reatores nucleares, um gerador de nêutrons compacto movido por acelerador usando um driver de feixe de íons de lítio pode ser um candidato promissor porque produz pouca radiação indesejada.No entanto, era difícil fornecer um feixe intenso de íons de lítio e a aplicação prática de tais dispositivos era considerada impossível.O problema mais agudo de fluxo iônico insuficiente foi resolvido pela aplicação de um esquema de implantação direta de plasma.Neste esquema, um plasma pulsado de alta densidade gerado pela ablação a laser de uma folha metálica de lítio é injetado eficientemente e acelerado por um acelerador quadrupolo de alta frequência (acelerador RFQ).Alcançamos uma corrente de feixe de pico de 35 mA acelerada para 1,43 MeV, que é duas ordens de grandeza maior do que os sistemas convencionais de injetores e aceleradores podem fornecer.
Ao contrário dos raios X ou das partículas carregadas, os nêutrons têm uma grande profundidade de penetração e uma interação única com a matéria condensada, tornando-os sondas extremamente versáteis para estudar as propriedades dos materiais .Em particular, as técnicas de dispersão de nêutrons são comumente usadas para estudar a composição, estrutura e tensões internas na matéria condensada e podem fornecer informações detalhadas sobre vestígios de compostos em ligas metálicas que são difíceis de detectar usando espectroscopia de raios X8.Este método é considerado uma ferramenta poderosa na ciência básica e é utilizado por fabricantes de metais e outros materiais.Mais recentemente, a difração de nêutrons tem sido usada para detectar tensões residuais em componentes mecânicos, como peças ferroviárias e de aeronaves9,10,11,12.Os nêutrons também são usados ​​em poços de petróleo e gás porque são facilmente capturados por materiais ricos em prótons13.Métodos semelhantes também são usados ​​na engenharia civil.O teste não destrutivo de nêutrons é uma ferramenta eficaz para detectar falhas ocultas em edifícios, túneis e pontes.O uso de feixes de nêutrons é ativamente utilizado na pesquisa científica e na indústria, muitos dos quais foram historicamente desenvolvidos com reatores nucleares.
Contudo, com o consenso mundial sobre a não-proliferação nuclear, a construção de pequenos reactores para fins de investigação está a tornar-se cada vez mais difícil.Além disso, o recente acidente de Fukushima tornou a construção de reactores nucleares quase socialmente aceitável.Em conexão com esta tendência, a procura por fontes de neutrões em aceleradores está a crescer2.Como alternativa aos reatores nucleares, várias grandes fontes de nêutrons de divisão de aceleradores já estão em operação14,15.Porém, para um uso mais eficiente das propriedades dos feixes de nêutrons, é necessária a ampliação do uso de fontes compactas em aceleradores, 16 que podem pertencer a instituições de pesquisa industriais e universitárias.As fontes de nêutrons aceleradores acrescentaram novas capacidades e funções, além de servirem como substitutos para reatores nucleares14.Por exemplo, um gerador acionado por linac pode facilmente criar um fluxo de nêutrons manipulando o feixe de transmissão.Uma vez emitidos, os nêutrons são difíceis de controlar e as medições de radiação são difíceis de analisar devido ao ruído criado pelos nêutrons de fundo.Nêutrons pulsados ​​controlados por um acelerador evitam esse problema.Vários projetos baseados na tecnologia de aceleradores de prótons têm sido propostos em todo o mundo17,18,19.As reações 7Li (p, n) 7Be e 9Be (p, n) 9B são mais frequentemente utilizadas em geradores de nêutrons compactos movidos a prótons porque são reações endotérmicas .O excesso de radiação e os resíduos radioativos podem ser minimizados se a energia escolhida para excitar o feixe de prótons estiver ligeiramente acima do valor limite.No entanto, a massa do núcleo alvo é muito maior que a dos prótons, e os nêutrons resultantes se espalham em todas as direções.Uma emissão tão próxima da isotrópica de um fluxo de nêutrons impede o transporte eficiente de nêutrons para o objeto de estudo.Além disso, para obter a dose necessária de nêutrons no local do objeto, é necessário aumentar significativamente o número de prótons em movimento e sua energia.Como resultado, grandes doses de raios gama e nêutrons se propagarão em grandes ângulos, destruindo a vantagem das reações endotérmicas.Um típico gerador de nêutrons compacto baseado em prótons, acionado por acelerador, possui forte proteção contra radiação e é a parte mais volumosa do sistema.A necessidade de aumentar a energia de condução dos prótons geralmente requer um aumento adicional no tamanho da instalação do acelerador.
Para superar as deficiências gerais das fontes de nêutrons compactas convencionais em aceleradores, foi proposto um esquema de reação cinemática de inversão21.Neste esquema, um feixe de íons de lítio mais pesado é usado como feixe guia em vez de um feixe de prótons, visando materiais ricos em hidrogênio, como plásticos de hidrocarbonetos, hidretos, gás hidrogênio ou plasma de hidrogênio.Alternativas foram consideradas, como feixes acionados por íons de berílio, no entanto, o berílio é uma substância tóxica que requer cuidados especiais no manuseio.Portanto, um feixe de lítio é o mais adequado para esquemas de reação cinemática de inversão.Como o momento dos núcleos de lítio é maior que o dos prótons, o centro de massa das colisões nucleares avança constantemente e os nêutrons também são emitidos para frente.Esse recurso elimina bastante os raios gama indesejados e as emissões de nêutrons de alto ângulo22.Uma comparação entre o caso usual de um motor de prótons e o cenário de cinemática inversa é mostrada na Figura 1.
Ilustração dos ângulos de produção de nêutrons para feixes de prótons e lítio (desenhados com Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Os nêutrons podem ser ejetados em qualquer direção como resultado da reação devido ao fato de que os prótons em movimento atingem os átomos muito mais pesados ​​do alvo de lítio.(b) Por outro lado, se um propulsor de íons de lítio bombardear um alvo rico em hidrogênio, os nêutrons serão gerados em um cone estreito na direção direta devido à alta velocidade do centro de massa do sistema.
No entanto, existem apenas alguns geradores de nêutrons cinemáticos inversos devido à dificuldade de gerar o fluxo necessário de íons pesados ​​​​com carga elevada em comparação aos prótons.Todas essas plantas usam fontes de íons de pulverização catódica negativa em combinação com aceleradores eletrostáticos tandem.Outros tipos de fontes de íons foram propostos para aumentar a eficiência da aceleração do feixe26.Em qualquer caso, a corrente disponível do feixe de íons de lítio é limitada a 100 µA.Foi proposto o uso de 1 mA de Li3+27, mas esta corrente de feixe de íons não foi confirmada por este método.Em termos de intensidade, os aceleradores de feixe de lítio não podem competir com os aceleradores de feixe de prótons cujo pico de corrente de prótons excede 10 mA28.
Para implementar um gerador de nêutrons compacto e prático baseado em um feixe de íons de lítio, é vantajoso gerar alta intensidade completamente desprovido de íons.Os íons são acelerados e guiados por forças eletromagnéticas, e um nível de carga mais alto resulta em uma aceleração mais eficiente.Os drivers de feixe de íons de lítio requerem correntes de pico de Li3+ superiores a 10 mA.
Neste trabalho, demonstramos a aceleração de feixes de Li3+ com correntes de pico de até 35 mA, o que é comparável a aceleradores de prótons avançados.O feixe original de íons de lítio foi criado usando ablação a laser e um Esquema de Implantação Direta de Plasma (DPIS) originalmente desenvolvido para acelerar C6+.Um linac quadrupolo de radiofrequência personalizado (RFQ linac) foi fabricado usando uma estrutura ressonante de quatro hastes.Verificamos que o feixe de aceleração possui a energia de feixe de alta pureza calculada.Uma vez que o feixe de Li3+ é efetivamente capturado e acelerado pelo acelerador de radiofrequência (RF), a seção subsequente do linac (acelerador) é usada para fornecer a energia necessária para gerar um forte fluxo de nêutrons a partir do alvo.
A aceleração de íons de alto desempenho é uma tecnologia bem estabelecida.A tarefa restante de realizar um novo gerador de nêutrons compacto altamente eficiente é gerar um grande número de íons de lítio completamente despojados e formar uma estrutura de cluster que consiste em uma série de pulsos de íons sincronizados com o ciclo de RF no acelerador.Os resultados dos experimentos projetados para atingir esse objetivo são descritos nas três subseções a seguir: (1) geração de um feixe de íons de lítio completamente desprovido, (2) aceleração do feixe usando um linac RFQ especialmente projetado e (3) aceleração da análise do feixe para verificar seu conteúdo.No Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL), construímos a configuração experimental mostrada na Figura 2.
Visão geral da configuração experimental para análise acelerada de feixes de lítio (ilustrado por Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Da direita para a esquerda, o plasma ablativo a laser é gerado na câmara de interação laser-alvo e entregue ao linac RFQ.Ao entrar no acelerador RFQ, os íons são separados do plasma e injetados no acelerador RFQ através de um campo elétrico repentino criado por uma diferença de tensão de 52 kV entre o eletrodo de extração e o eletrodo RFQ na região de deriva.Os íons extraídos são acelerados de 22 keV/n a 204 keV/n usando eletrodos RFQ de 2 metros de comprimento.Um transformador de corrente (TC) instalado na saída do linac RFQ fornece medição não destrutiva da corrente do feixe de íons.O feixe é focado por três ímãs quadrupolos e direcionado para um ímã dipolo, que separa e direciona o feixe de Li3+ para o detector.Atrás da fenda, um cintilador plástico retrátil e um copo de Faraday (FC) com polarização de até -400 V são usados ​​para detectar o feixe de aceleração.
Para gerar íons de lítio totalmente ionizados (Li3+), é necessário criar um plasma com temperatura acima de sua terceira energia de ionização (122,4 eV).Tentamos usar ablação a laser para produzir plasma de alta temperatura.Este tipo de fonte de íons laser não é comumente usado para gerar feixes de íons de lítio porque o lítio metálico é reativo e requer manuseio especial.Desenvolvemos um sistema de carregamento de alvo para minimizar a umidade e a contaminação do ar ao instalar a folha de lítio na câmara de interação do laser a vácuo.Todas as preparações de materiais foram realizadas em ambiente controlado de argônio seco.Depois que a folha de lítio foi instalada na câmara alvo do laser, a folha foi irradiada com radiação laser Nd:YAG pulsada a uma energia de 800 mJ por pulso.No foco no alvo, a densidade de potência do laser é estimada em cerca de 1012 W/cm2.O plasma é criado quando um laser pulsado destrói um alvo no vácuo.Durante todo o pulso do laser de 6 ns, o plasma continua a aquecer, principalmente devido ao processo reverso de Bremsstrahlung.Como nenhum campo externo confinante é aplicado durante a fase de aquecimento, o plasma começa a se expandir em três dimensões.Quando o plasma começa a se expandir sobre a superfície alvo, o centro de massa do plasma adquire uma velocidade perpendicular à superfície alvo com uma energia de 600 eV/n.Após o aquecimento, o plasma continua a se mover na direção axial do alvo, expandindo-se isotropicamente.
Conforme mostrado na Figura 2, o plasma de ablação se expande em um volume de vácuo cercado por um recipiente metálico com o mesmo potencial do alvo.Assim, o plasma passa pela região livre de campo em direção ao acelerador RFQ.Um campo magnético axial é aplicado entre a câmara de irradiação laser e o linac RFQ por meio de uma bobina solenóide enrolada em torno da câmara de vácuo.O campo magnético do solenóide suprime a expansão radial do plasma à deriva, a fim de manter uma alta densidade de plasma durante a entrega à abertura RFQ.Por outro lado, o plasma continua a expandir-se na direção axial durante a deriva, formando um plasma alongado.Uma polarização de alta tensão é aplicada ao recipiente metálico que contém o plasma na frente da porta de saída na entrada RFQ.A tensão de polarização foi escolhida para fornecer a taxa de injeção de 7Li3+ necessária para aceleração adequada pelo linac RFQ.
O plasma de ablação resultante contém não apenas 7Li3+, mas também lítio em outros estados de carga e elementos poluentes, que são simultaneamente transportados para o acelerador linear RFQ.Antes dos experimentos acelerados usando o linac RFQ, uma análise offline do tempo de voo (TOF) foi realizada para estudar a composição e distribuição de energia dos íons no plasma.A configuração analítica detalhada e as distribuições de estado de carga observadas são explicadas na seção Métodos.A análise mostrou que os íons 7Li3+ eram as partículas principais, representando cerca de 54% de todas as partículas, conforme mostrado na Fig. 3. De acordo com a análise, a corrente do íon 7Li3+ no ponto de saída do feixe de íons é estimada em 1,87 mA.Durante os testes acelerados, um campo solenóide de 79 mT é aplicado ao plasma em expansão.Como resultado, a corrente 7Li3+ extraída do plasma e observada no detector aumentou por um fator de 30.
Frações de íons em plasma gerado por laser obtidas por análise de tempo de voo.Os íons 7Li1+ e 7Li2+ constituem 5% e 25% do feixe de íons, respectivamente.A fração detectada de partículas de 6Li está de acordo com o conteúdo natural de 6Li (7,6%) no alvo da folha de lítio dentro do erro experimental.Foi observada leve contaminação por oxigênio (6,2%), principalmente O1+ (2,1%) e O2+ (1,5%), o que pode ser devido à oxidação da superfície do alvo da folha de lítio.
Como mencionado anteriormente, o plasma de lítio flutua em uma região sem campo antes de entrar no linac RFQ.A entrada do linac RFQ possui um orifício de 6 mm de diâmetro em um recipiente metálico e a tensão de polarização é de 52 kV.Embora a tensão do eletrodo RFQ mude rapidamente ±29 kV a 100 MHz, a tensão causa aceleração axial porque os eletrodos aceleradores RFQ têm um potencial médio de zero.Devido ao forte campo eléctrico gerado no intervalo de 10 mm entre a abertura e a borda do eléctrodo RFQ, apenas iões de plasma positivos são extraídos do plasma na abertura.Nos sistemas tradicionais de entrega de íons, os íons são separados do plasma por um campo elétrico a uma distância considerável na frente do acelerador RFQ e depois focados na abertura RFQ por um elemento de foco de feixe.No entanto, para os intensos feixes de íons pesados ​​necessários para uma fonte intensa de nêutrons, forças repulsivas não lineares devido a efeitos de carga espacial podem levar a perdas significativas de corrente de feixe no sistema de transporte de íons, limitando a corrente de pico que pode ser acelerada.No nosso DPIS, os íons de alta intensidade são transportados como um plasma à deriva diretamente para o ponto de saída da abertura RFQ, de modo que não há perda do feixe de íons devido à carga espacial.Durante esta demonstração, o DPIS foi aplicado pela primeira vez a um feixe de íons de lítio.
A estrutura RFQ foi desenvolvida para focar e acelerar feixes de íons de baixa energia e alta corrente e se tornou o padrão para aceleração de primeira ordem.Usamos RFQ para acelerar íons 7Li3+ de uma energia de implante de 22 keV/n para 204 keV/n.Embora o lítio e outras partículas com carga mais baixa no plasma também sejam extraídos do plasma e injetados na abertura RFQ, o linac RFQ acelera apenas íons com uma relação carga-massa (Q/A) próxima de 7Li3+.
Na fig.A Figura 4 mostra as formas de onda detectadas pelo transformador de corrente (TC) na saída do linac RFQ e do copo Faraday (FC) após análise do ímã, conforme mostrado na fig.2. A mudança de tempo entre os sinais pode ser interpretada como a diferença no tempo de voo no local do detector.A corrente iônica de pico medida no CT foi de 43 mA.Na posição RT, o feixe registrado pode conter não apenas íons acelerados até a energia calculada, mas também outros íons além de 7Li3+, que não são suficientemente acelerados.No entanto, a semelhança das formas de corrente iônica encontrada por meio de QD e PC indica que a corrente iônica consiste principalmente em 7Li3+ acelerado, e a diminuição no valor de pico da corrente em PC é causada por perdas de feixe durante a transferência de íons entre QD e PC.Perdas Isto também é confirmado pela simulação do envelope.Para medir com precisão a corrente do feixe 7Li3+, o feixe é analisado com um ímã dipolo conforme descrito na próxima seção.
Oscilogramas do feixe acelerado registrados nas posições do detector CT (curva preta) e FC (curva vermelha).Estas medições são desencadeadas pela detecção de radiação laser por um fotodetector durante a geração de plasma laser.A curva preta mostra a forma de onda medida em um TC conectado à saída RFQ linac.Devido à sua proximidade com o linac RFQ, o detector capta ruído de RF de 100 MHz, portanto, um filtro FFT passa-baixo de 98 MHz foi aplicado para remover o sinal de RF ressonante de 100 MHz sobreposto ao sinal de detecção.A curva vermelha mostra a forma de onda em FC após o ímã analítico direcionar o feixe de íons 7Li3+.Neste campo magnético, além do 7Li3+, podem ser transportados N6+ e O7+.
O feixe de íons após o linac RFQ é focado por uma série de três ímãs de focagem quadrupolo e depois analisado por ímãs dipolo para isolar impurezas no feixe de íons.Um campo magnético de 0,268 T direciona os feixes de 7Li3+ para o FC.A forma de onda de detecção deste campo magnético é mostrada como a curva vermelha na Figura 4. A corrente de pico do feixe atinge 35 mA, que é mais de 100 vezes maior do que um feixe típico de Li3+ produzido em aceleradores eletrostáticos convencionais existentes.A largura de pulso do feixe é de 2,0 µs em largura total e metade do máximo.A detecção de um feixe 7Li3+ com um campo magnético dipolo indica agrupamento e aceleração do feixe bem-sucedidos.A corrente do feixe de íons detectada pelo FC ao varrer o campo magnético do dipolo é mostrada na Fig. 5. Foi observado um único pico limpo, bem separado dos outros picos.Como todos os íons acelerados até a energia projetada pelo linac RFQ têm a mesma velocidade, os feixes de íons com o mesmo Q/A são difíceis de separar por campos magnéticos dipolo.Portanto, não podemos distinguir 7Li3+ de N6+ ou O7+.No entanto, a quantidade de impurezas pode ser estimada a partir dos estados de carga vizinhos.Por exemplo, N7+ e N5+ podem ser facilmente separados, enquanto N6+ pode fazer parte da impureza e espera-se que esteja presente aproximadamente na mesma quantidade que N7+ e N5+.O nível de poluição estimado é de cerca de 2%.
Espectros de componentes de feixe obtidos pela varredura de um campo magnético dipolo.O pico em 0,268 T corresponde a 7Li3+ e N6+.A largura do pico depende do tamanho do feixe na fenda.Apesar dos picos amplos, 7Li3+ separa-se bem de 6Li3+, O6+ e N5+, mas separa-se mal de O7+ e N6+.
No local do FC, o perfil do feixe foi confirmado com um cintilador plug-in e gravado com uma câmera digital rápida conforme mostrado na Figura 6. O feixe pulsado 7Li3+ com corrente de 35 mA é mostrado acelerado para um RFQ calculado energia de 204 keV/n, o que corresponde a 1,4 MeV, e transmitida ao detector FC.
Perfil de feixe observado em uma tela cintiladora pré-FC (colorida por Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).O campo magnético do ímã dipolo analítico foi ajustado para direcionar a aceleração do feixe de íons Li3+ para a energia de projeto RFQ.Os pontos azuis na área verde são causados ​​por material cintilador defeituoso.
Conseguimos a geração de íons 7Li3+ por ablação a laser da superfície de uma folha sólida de lítio, e um feixe de íons de alta corrente foi capturado e acelerado com um linac RFQ especialmente projetado usando DPIS.Com uma energia de feixe de 1,4 MeV, a corrente de pico de 7Li3+ alcançada no FC após análise do ímã foi de 35 mA.Isto confirma que a parte mais importante da implementação de uma fonte de nêutrons com cinemática inversa foi implementada experimentalmente.Nesta parte do artigo, será discutido todo o projeto de uma fonte compacta de nêutrons, incluindo aceleradores de alta energia e estações alvo de nêutrons.O projeto é baseado em resultados obtidos com sistemas existentes em nosso laboratório.Deve-se notar que a corrente de pico do feixe de íons pode ser aumentada ainda mais encurtando a distância entre a folha de lítio e o linac RFQ.Arroz.7 ilustra todo o conceito da fonte compacta de nêutrons proposta no acelerador.
Projeto conceitual da fonte compacta de nêutrons proposta no acelerador (desenhado por Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Da direita para a esquerda: fonte de íons laser, ímã solenóide, linac RFQ, transferência de feixe de energia média (MEBT), linac IH e câmara de interação para geração de nêutrons.A proteção contra radiação é fornecida principalmente na direção direta devido à natureza estreitamente direcionada dos feixes de nêutrons produzidos.
Após o RFQ linac, está planejada uma maior aceleração da estrutura H interdigital (IH linac)30 linac.Os linacs IH usam uma estrutura de tubo de deriva no modo π para fornecer altos gradientes de campo elétrico em uma determinada faixa de velocidades.O estudo conceitual foi realizado com base em simulação de dinâmica longitudinal 1D e simulação de casca 3D.Os cálculos mostram que um linac IH de 100 MHz com uma tensão de tubo de deriva razoável (menos de 450 kV) e um forte ímã de focagem pode acelerar um feixe de 40 mA de 1,4 a 14 MeV a uma distância de 1,8 m.A distribuição de energia no final da cadeia do acelerador é estimada em ± 0,4 MeV, o que não afeta significativamente o espectro de energia dos nêutrons produzidos pelo alvo de conversão de nêutrons.Além disso, a emissividade do feixe é baixa o suficiente para focar o feixe em um ponto de feixe menor do que normalmente seria necessário para um ímã quadrupolo de força e tamanho médios.Na transmissão de feixe de energia média (MEBT) entre o linac RFQ e o linac IH, o ressonador de formação de feixe é usado para manter a estrutura de formação de feixe.Três ímãs quadrupolos são usados ​​para controlar o tamanho do feixe lateral.Essa estratégia de design tem sido utilizada em muitos aceleradores31,32,33.O comprimento total de todo o sistema, desde a fonte de íons até a câmara alvo, é estimado em menos de 8 m, o que pode caber em um caminhão semirreboque padrão.
O alvo de conversão de nêutrons será instalado diretamente após o acelerador linear.Discutimos projetos de estações alvo com base em estudos anteriores usando cenários cinemáticos inversos .Os alvos de conversão relatados incluem materiais sólidos (polipropileno (C3H6) e hidreto de titânio (TiH2)) e sistemas alvo gasosos.Cada objetivo tem vantagens e desvantagens.Alvos sólidos permitem um controle preciso da espessura.Quanto mais fino o alvo, mais preciso será o arranjo espacial da produção de nêutrons.No entanto, tais alvos ainda podem ter algum grau de reações nucleares e radiação indesejadas.Por outro lado, um alvo de hidrogénio pode proporcionar um ambiente mais limpo ao eliminar a produção de 7Be, o principal produto da reação nuclear.No entanto, o hidrogénio tem uma capacidade de barreira fraca e requer uma grande distância física para libertação de energia suficiente.Isto é ligeiramente desvantajoso para medições TOF.Além disso, se um filme fino for usado para selar um alvo de hidrogênio, é necessário levar em consideração as perdas de energia dos raios gama gerados pelo filme fino e pelo feixe de lítio incidente.
LICORNE usa alvos de polipropileno e o sistema de alvos foi atualizado para células de hidrogênio seladas com folha de tântalo.Assumindo uma corrente de feixe de 100 nA para 7Li34, ambos os sistemas alvo podem produzir até 107 n/s/sr.Se aplicarmos esta alegada conversão de rendimento de nêutrons à nossa fonte de nêutrons proposta, então um feixe movido a lítio de 7 × 10–8 C pode ser obtido para cada pulso de laser.Isto significa que disparar o laser apenas duas vezes por segundo produz 40% mais nêutrons do que o LICORNE pode produzir em um segundo com um feixe contínuo.O fluxo total pode ser facilmente aumentado aumentando a frequência de excitação do laser.Se assumirmos que existe um sistema laser de 1 kHz no mercado, o fluxo médio de nêutrons pode facilmente ser aumentado para cerca de 7 × 109 n/s/sr.
Quando utilizamos sistemas de alta taxa de repetição com alvos plásticos, é necessário controlar a geração de calor nos alvos porque, por exemplo, o polipropileno tem um baixo ponto de fusão de 145–175 °C e uma baixa condutividade térmica de 0,1–0,22 W/ m/K.Para um feixe de íons de lítio de 14 MeV, um alvo de polipropileno com 7 µm de espessura é suficiente para reduzir a energia do feixe até o limiar de reação (13,098 MeV).Levando em consideração o efeito total dos íons gerados por um disparo de laser no alvo, a liberação de energia dos íons de lítio através do polipropileno é estimada em 64 mJ/pulso.Supondo que toda a energia seja transferida em um círculo com diâmetro de 10 mm, cada pulso corresponde a um aumento de temperatura de aproximadamente 18 K/pulso.A liberação de energia em alvos de polipropileno baseia-se na simples suposição de que todas as perdas de energia são armazenadas como calor, sem radiação ou outras perdas de calor.Como aumentar o número de pulsos por segundo requer a eliminação do acúmulo de calor, podemos usar alvos de faixa para evitar a liberação de energia no mesmo ponto23.Supondo um ponto de feixe de 10 mm em um alvo com taxa de repetição do laser de 100 Hz, a velocidade de varredura da fita de polipropileno seria de 1 m/s.Taxas de repetição mais altas são possíveis se a sobreposição pontual do feixe for permitida.
Também investigamos alvos com baterias de hidrogênio, porque feixes de transmissão mais fortes poderiam ser usados ​​sem danificar o alvo.O feixe de nêutrons pode ser facilmente ajustado alterando o comprimento da câmara de gás e a pressão do hidrogênio em seu interior.Folhas metálicas finas são frequentemente usadas em aceleradores para separar a região gasosa do alvo do vácuo.Portanto, é necessário aumentar a energia do feixe de íons de lítio incidente para compensar as perdas de energia na folha.A montagem do alvo descrita no relatório 35 consistia em um recipiente de alumínio com 3,5 cm de comprimento e pressão de gás H2 de 1,5 atm.O feixe de íons de lítio de 16,75 MeV entra na bateria através da folha Ta de 2,7 µm resfriada a ar, e a energia do feixe de íons de lítio na extremidade da bateria é desacelerada até o limite de reação.Para aumentar a energia do feixe das baterias de íon-lítio de 14,0 MeV para 16,75 MeV, o linac IH teve que ser alongado em cerca de 30 cm.
A emissão de nêutrons de alvos de células de gás também foi estudada.Para os alvos de gás LICORNE mencionados acima, as simulações do GEANT436 mostram que nêutrons altamente orientados são gerados dentro do cone, conforme mostrado na Figura 1 em [37].A referência 35 mostra a faixa de energia de 0,7 a 3,0 MeV com abertura máxima do cone de 19,5° em relação à direção de propagação do feixe principal.Nêutrons altamente orientados podem reduzir significativamente a quantidade de material de blindagem na maioria dos ângulos, reduzindo o peso da estrutura e proporcionando maior flexibilidade na instalação de equipamentos de medição.Do ponto de vista da proteção radiológica, além dos nêutrons, esse alvo gasoso emite raios gama de 478 keV isotropicamente no sistema de coordenadas centroide38.Esses raios γ são produzidos como resultado do decaimento 7Be e da desexcitação 7Li, que ocorre quando o feixe primário de Li atinge a janela de entrada Ta.No entanto, ao adicionar um colimador cilíndrico espesso de 35 Pb/Cu, o fundo pode ser significativamente reduzido.
Como alvo alternativo, pode-se utilizar uma janela de plasma [39, 40], que permite atingir uma pressão de hidrogênio relativamente alta e uma pequena região espacial de geração de nêutrons, embora seja inferior aos alvos sólidos.
Estamos investigando opções de direcionamento de conversão de nêutrons para a distribuição de energia esperada e tamanho do feixe de um feixe de íons de lítio usando GEANT4.Nossas simulações mostram uma distribuição consistente de energia de nêutrons e distribuições angulares para alvos de hidrogênio na literatura acima.Em qualquer sistema alvo, nêutrons altamente orientados podem ser produzidos por uma reação cinemática inversa conduzida por um forte feixe de 7Li3+ em um alvo rico em hidrogênio.Portanto, novas fontes de nêutrons podem ser implementadas combinando tecnologias já existentes.
As condições de irradiação do laser reproduziram experimentos de geração de feixe de íons antes da demonstração acelerada.O laser é um sistema Nd:YAG de nanossegundos de mesa com densidade de potência do laser de 1.012 W/cm2, comprimento de onda fundamental de 1.064 nm, energia pontual de 800 mJ e duração de pulso de 6 ns.O diâmetro do ponto no alvo é estimado em 100 µm.Como o lítio metálico (Alfa Aesar, 99,9% puro) é bastante macio, o material cortado com precisão é pressionado no molde.Dimensões da folha 25 mm × 25 mm, espessura 0,6 mm.Danos semelhantes a crateras ocorrem na superfície do alvo quando um laser o atinge, de modo que o alvo é movido por uma plataforma motorizada para fornecer uma nova porção da superfície do alvo a cada disparo do laser.Para evitar a recombinação devido ao gás residual, a pressão na câmara foi mantida abaixo da faixa de 10-4 Pa.
O volume inicial do plasma laser é pequeno, pois o tamanho do ponto laser é de 100 μm e dentro de 6 ns após sua geração.O volume pode ser tomado como um ponto exato e expandido.Se o detector for colocado a uma distância xm da superfície alvo, então o sinal recebido obedece à relação: corrente iônica I, tempo de chegada iônica t e largura de pulso τ.
O plasma gerado foi estudado pelo método TOF com FC e um analisador de íons de energia (EIA) localizado a uma distância de 2,4 m e 3,85 m do alvo do laser.O FC possui uma grade supressora polarizada em -5 kV para evitar elétrons.O EIA possui um defletor eletrostático de 90 graus composto por dois eletrodos cilíndricos metálicos coaxiais com a mesma tensão, mas polaridade oposta, positivo por fora e negativo por dentro.O plasma em expansão é direcionado para o defletor atrás da fenda e desviado pelo campo elétrico que passa pelo cilindro.Os íons que satisfazem a relação E/z = eKU são detectados usando um multiplicador de elétrons secundário (SEM) (Hamamatsu R2362), onde E, z, e, K e U são a energia do íon, estado de carga e carga são fatores geométricos EIA .elétrons, respectivamente, e a diferença de potencial entre os eletrodos.Ao alterar a tensão no defletor, pode-se obter a energia e a distribuição de carga dos íons no plasma.A tensão de varredura U/2 EIA está na faixa de 0,2 V a 800 V, o que corresponde a uma energia iônica na faixa de 4 eV a 16 keV por estado de carga.
As distribuições do estado de carga dos íons analisados ​​sob as condições de irradiação laser descritas na seção “Geração de feixes de lítio totalmente despojados” são mostradas nas Figs.8.
Análise da distribuição do estado de carga dos íons.Aqui está o perfil de tempo da densidade da corrente iônica analisado com EIA e dimensionado a 1 m da folha de lítio usando a equação.(1) e (2).Use as condições de irradiação do laser descritas na seção “Geração de um feixe de lítio completamente esfoliado”.Ao integrar cada densidade de corrente, foi calculada a proporção de íons no plasma, mostrada na Figura 3.
Fontes de íons laser podem fornecer um intenso feixe de íons multimA com alta carga.No entanto, a entrega do feixe é muito difícil devido à repulsão da carga espacial, por isso não foi amplamente utilizado.No esquema tradicional, os feixes de íons são extraídos do plasma e transportados para o acelerador primário ao longo de uma linha de feixe com vários ímãs de foco para moldar o feixe de íons de acordo com a capacidade de captação do acelerador.Em feixes de força de carga espacial, os feixes divergem de forma não linear e são observadas graves perdas de feixe, especialmente na região de baixas velocidades.Para superar este problema no desenvolvimento de aceleradores médicos de carbono, é proposto um novo esquema de entrega de feixe DPIS41.Aplicamos esta técnica para acelerar um poderoso feixe de íons de lítio de uma nova fonte de nêutrons.
Como mostrado na fig.4, o espaço no qual o plasma é gerado e expandido é circundado por um recipiente metálico.O espaço fechado se estende até a entrada do ressonador RFQ, incluindo o volume dentro da bobina solenóide.Uma voltagem de 52 kV foi aplicada ao contêiner.No ressonador RFQ, os íons são puxados pelo potencial através de um orifício de 6 mm de diâmetro, aterrando o RFQ.As forças repulsivas não lineares na linha do feixe são eliminadas à medida que os íons são transportados no estado de plasma.Além disso, conforme mencionado acima, aplicamos um campo solenóide em combinação com DPIS para controlar e aumentar a densidade de íons na abertura de extração.
O acelerador RFQ consiste em uma câmara de vácuo cilíndrica conforme mostrado na fig.9h.Dentro dele, quatro hastes de cobre isento de oxigênio são colocadas quadrupolo simetricamente em torno do eixo do feixe (Fig. 9b).4 hastes e câmaras formam um circuito de RF ressonante.O campo RF induzido cria uma tensão variável no tempo através da haste.Os íons implantados longitudinalmente em torno do eixo são mantidos lateralmente pelo campo quadrupolo.Ao mesmo tempo, a ponta da haste é modulada para criar um campo elétrico axial.O campo axial divide o feixe contínuo injetado em uma série de pulsos de feixe chamados feixe.Cada feixe está contido em um determinado tempo de ciclo de RF (10 ns).Os feixes adjacentes são espaçados de acordo com o período de radiofrequência.No linac RFQ, um feixe de 2 µs de uma fonte de íons laser é convertido em uma sequência de 200 feixes.O feixe é então acelerado até a energia calculada.
RFQ do acelerador linear.(a) (esquerda) Vista externa da câmara linac RFQ.(b) (direita) Eletrodo de quatro hastes na câmara.
Os principais parâmetros de projeto do linac RFQ são a tensão da haste, frequência de ressonância, raio do furo do feixe e modulação do eletrodo.Selecione a tensão na haste ± 29 kV para que seu campo elétrico fique abaixo do limite de ruptura elétrica.Quanto mais baixa for a frequência de ressonância, maior será a força de focagem lateral e menor será o campo de aceleração médio.Grandes raios de abertura permitem aumentar o tamanho do feixe e, conseqüentemente, aumentar a corrente do feixe devido à menor repulsão da carga espacial.Por outro lado, raios de abertura maiores requerem mais potência de RF para alimentar o linac RFQ.Além disso, é limitado pelos requisitos de qualidade do site.Com base nesses balanços, a frequência de ressonância (100 MHz) e o raio de abertura (4,5 mm) foram escolhidos para aceleração do feixe de alta corrente.A modulação é escolhida para minimizar a perda do feixe e maximizar a eficiência da aceleração.O projeto foi otimizado muitas vezes para produzir um projeto de linac RFQ que pode acelerar íons 7Li3+ a 40 mA de 22 keV/n a 204 keV/n em 2 m.A potência de RF medida durante o experimento foi de 77 kW.
Os linacs RFQ podem acelerar íons com uma faixa específica de Q/A.Portanto, ao analisar um feixe alimentado na extremidade de um acelerador linear, é necessário levar em consideração isótopos e outras substâncias.Além disso, os íons desejados, parcialmente acelerados, mas que descem em condições de aceleração no meio do acelerador, ainda podem encontrar confinamento lateral e serem transportados até o final.Os raios indesejados, exceto as partículas 7Li3+ projetadas, são chamados de impurezas.Em nossos experimentos, as impurezas 14N6+ e 16O7+ foram as mais preocupantes, uma vez que a folha metálica de lítio reage com o oxigênio e o nitrogênio do ar.Esses íons têm uma relação Q/A que pode ser acelerada com 7Li3+.Usamos ímãs dipolo para separar feixes de diferentes qualidades e qualidades para análise de feixes após o RFQ linac.
A linha de feixe após o linac RFQ é projetada para fornecer o feixe 7Li3+ totalmente acelerado ao FC após o ímã dipolo.Eletrodos de polarização de -400 V são usados ​​para suprimir elétrons secundários no copo para medir com precisão a corrente do feixe de íons.Com esta óptica, as trajetórias dos íons são separadas em dipolos e focadas em locais diferentes dependendo do Q/A.Devido a vários fatores, como difusão de momento e repulsão de carga espacial, o feixe no foco tem uma certa largura.As espécies só podem ser separadas se a distância entre as posições focais das duas espécies de íons for maior que a largura do feixe.Para obter a maior resolução possível, é instalada uma fenda horizontal próxima à cintura do feixe, onde o feixe fica praticamente concentrado.Uma tela de cintilação (CsI(Tl) da Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) foi instalada entre a fenda e o PC.O cintilador foi usado para determinar a menor fenda pela qual as partículas projetadas tiveram que passar para uma resolução ideal e para demonstrar tamanhos de feixe aceitáveis ​​para feixes de íons pesados ​​de alta corrente.A imagem do feixe no cintilador é gravada por uma câmera CCD através de uma janela de vácuo.Ajuste a janela de tempo de exposição para cobrir toda a largura de pulso do feixe.
Os conjuntos de dados utilizados ou analisados ​​no presente estudo estão disponíveis aos respectivos autores mediante solicitação razoável.
Manke, I. et al.Imagem tridimensional de domínios magnéticos.Comuna nacional.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Possibilidades de estudo de fontes compactas de nêutrons em aceleradores.física.654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Microtomografia computadorizada baseada em nêutrons: Pliobates cataloniae e Barberapithecus huerzeleri como casos de teste.Sim.J. Física.antropologia.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).