304L 6,35*1 մմ Չժանգոտվող պողպատից փաթաթված խողովակների մատակարարներ, ինտենսիվ լիթիումի ճառագայթի ցուցադրում իմպուլսային ուղղակի նեյտրոններ ստեղծելու համար

Շնորհակալություն Nature.com այցելելու համար:Դուք օգտագործում եք զննարկչի տարբերակ՝ CSS-ի սահմանափակ աջակցությամբ:Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում):Բացի այդ, շարունակական աջակցություն ապահովելու համար մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Սլայդերներ, որոնք ցույց են տալիս երեք հոդված յուրաքանչյուր սլայդում:Օգտագործեք հետևի և հաջորդ կոճակները՝ սլայդների միջով շարժվելու համար, կամ սլայդ կարգավորիչի կոճակները վերջում՝ յուրաքանչյուր սլայդով շարժվելու համար:

Որպես միջուկային ռեակտորների ուսումնասիրության այլընտրանք՝ լիթիում-իոնային ճառագայթով աշխատող կոմպակտ արագացուցչի վրա հիմնված նեյտրոնային գեներատորը կարող է խոստումնալից թեկնածու լինել, քանի որ այն արտադրում է քիչ անցանկալի ճառագայթում:Այնուամենայնիվ, դժվար էր լիթիումի իոնների ինտենսիվ ճառագայթ փոխանցելը, և նման սարքերի գործնական կիրառումը համարվում էր անհնար:Անբավարար իոնային հոսքի ամենասուր խնդիրը լուծվել է ուղղակի պլազմայի իմպլանտացիայի սխեմայի կիրառմամբ։Այս սխեմայի համաձայն, բարձր խտության իմպուլսային պլազման, որը առաջանում է լիթիումի մետաղական փայլաթիթեղի լազերային աբլյացիայի արդյունքում, արդյունավետորեն ներարկվում և արագացվում է բարձր հաճախականության քառաբևեռ արագացուցիչով (RFQ արագացուցիչ):Մենք հասել ենք 35 մԱ ճառագայթային հոսանքի՝ արագացված մինչև 1,43 ՄԷՎ, ինչը երկու կարգով ավելի մեծ է, քան կարող են ապահովել սովորական ներարկիչ և արագացուցիչ համակարգերը:
Ի տարբերություն ռենտգենյան ճառագայթների կամ լիցքավորված մասնիկների՝ նեյտրոններն ունեն ներթափանցման մեծ խորություն և յուրահատուկ փոխազդեցություն խտացված նյութի հետ, ինչը նրանց դարձնում է չափազանց բազմակողմանի զոնդ՝ նյութերի հատկությունները ուսումնասիրելու համար1,2,3,4,5,6,7:Մասնավորապես, նեյտրոնների ցրման մեթոդները սովորաբար օգտագործվում են խտացված նյութի բաղադրությունը, կառուցվածքը և ներքին լարումները ուսումնասիրելու համար և կարող են մանրամասն տեղեկատվություն տրամադրել մետաղական համաձուլվածքների հետքի միացությունների մասին, որոնք դժվար է հայտնաբերել ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիայի միջոցով8:Այս մեթոդը հիմնական գիտության մեջ համարվում է հզոր գործիք և օգտագործվում է մետաղների և այլ նյութերի արտադրողների կողմից:Վերջերս նեյտրոնային դիֆրակցիան օգտագործվել է մեխանիկական բաղադրիչների մնացորդային սթրեսները հայտնաբերելու համար, ինչպիսիք են երկաթուղային և օդանավերի մասերը9,10,11,12:Նեյտրոններն օգտագործվում են նաև նավթի և գազի հորերում, քանի որ դրանք հեշտությամբ գրավվում են պրոտոններով հարուստ նյութերով13:Նմանատիպ մեթոդներ կիրառվում են նաև ինժեներության մեջ։Ոչ կործանարար նեյտրոնային փորձարկումը արդյունավետ գործիք է շենքերում, թունելներում և կամուրջներում թաքնված անսարքությունները հայտնաբերելու համար:Նեյտրոնային ճառագայթների օգտագործումը ակտիվորեն օգտագործվում է գիտական ​​հետազոտությունների և արդյունաբերության մեջ, որոնցից շատերը պատմականորեն մշակվել են միջուկային ռեակտորների միջոցով:
Այնուամենայնիվ, միջուկային զենքի չտարածման վերաբերյալ գլոբալ կոնսենսուսով, հետազոտական ​​նպատակներով փոքր ռեակտորների կառուցումը գնալով ավելի դժվար է դառնում:Ավելին, Ֆուկուսիմայի վերջին վթարը միջուկային ռեակտորների կառուցումը դարձրեց գրեթե սոցիալապես ընդունելի:Այս միտումի հետ կապված աճում է արագացուցիչներում նեյտրոնային աղբյուրների պահանջարկը2:Որպես միջուկային ռեակտորների այլընտրանք, մի քանի խոշոր արագացուցիչներ բաժանող նեյտրոնային աղբյուրներ արդեն գործում են14,15:Այնուամենայնիվ, նեյտրոնային ճառագայթների հատկությունների առավել արդյունավետ օգտագործման համար անհրաժեշտ է ընդլայնել կոմպակտ աղբյուրների օգտագործումը արագացուցիչներում 16, որոնք կարող են պատկանել արդյունաբերական և համալսարանական գիտահետազոտական ​​հաստատություններին:Արագացուցիչ նեյտրոնային աղբյուրներն ավելացրել են նոր հնարավորություններ և գործառույթներ՝ ի հավելումն միջուկային ռեակտորների փոխարինման:Օրինակ, linac-ի վրա հիմնված գեներատորը հեշտությամբ կարող է ստեղծել նեյտրոնների հոսք՝ մանիպուլյացիայի ենթարկելով շարժիչի ճառագայթը:Արտանետվելուց հետո նեյտրոնները դժվար է վերահսկել, իսկ ճառագայթման չափումները դժվար է վերլուծել ֆոնային նեյտրոնների կողմից ստեղծված աղմուկի պատճառով:Արագացուցիչի կողմից կառավարվող իմպուլսային նեյտրոնները խուսափում են այս խնդրից:Պրոտոնային արագացուցիչի տեխնոլոգիայի վրա հիմնված մի քանի նախագծեր առաջարկվել են ամբողջ աշխարհում17,18,19:7Li(p, n)7Be և 9Be(p, n)9B ռեակցիաները առավել հաճախ օգտագործվում են պրոտոնով պայմանավորված կոմպակտ նեյտրոնային գեներատորներում, քանի որ դրանք էնդոթերմային ռեակցիաներ են20:Ավելորդ ճառագայթումը և ռադիոակտիվ թափոնները կարելի է նվազագույնի հասցնել, եթե պրոտոնային ճառագայթը գրգռելու համար ընտրված էներգիան մի փոքր բարձր է շեմային արժեքից:Այնուամենայնիվ, թիրախային միջուկի զանգվածը շատ ավելի մեծ է, քան պրոտոններինը, և ստացված նեյտրոնները ցրվում են բոլոր ուղղություններով։Նեյտրոնային հոսքի իզոտրոպային արտանետումը թույլ չի տալիս նեյտրոնների արդյունավետ տեղափոխումը դեպի ուսումնասիրության օբյեկտ:Բացի այդ, օբյեկտի տեղակայման վայրում նեյտրոնների անհրաժեշտ չափաբաժին ստանալու համար անհրաժեշտ է զգալիորեն ավելացնել ինչպես շարժվող պրոտոնների քանակը, այնպես էլ դրանց էներգիան։Արդյունքում գամմա ճառագայթների և նեյտրոնների մեծ չափաբաժինները կտարածվեն մեծ անկյուններով՝ ոչնչացնելով էնդոթերմային ռեակցիաների առավելությունը։Տիպիկ արագացուցիչի վրա հիմնված կոմպակտ պրոտոնի վրա հիմնված նեյտրոնային գեներատորն ունի ուժեղ ճառագայթային պաշտպանություն և հանդիսանում է համակարգի ամենամեծ մասը:Շարժիչ պրոտոնների էներգիան մեծացնելու անհրաժեշտությունը սովորաբար պահանջում է արագացուցիչի օբյեկտի չափի լրացուցիչ մեծացում:
Արագացուցիչներում սովորական կոմպակտ նեյտրոնային աղբյուրների ընդհանուր թերությունները հաղթահարելու համար առաջարկվել է ինվերսիոն-կինեմատիկական ռեակցիայի սխեման21:Այս սխեմայում ավելի ծանր լիթիում-իոնային ճառագայթը օգտագործվում է որպես ուղղորդող ճառագայթ՝ պրոտոնային ճառագայթի փոխարեն՝ ուղղված ջրածնով հարուստ նյութերին, ինչպիսիք են ածխաջրածնային պլաստմասսաները, հիդրիդները, ջրածնի գազը կամ ջրածնի պլազման:Դիտարկվել են այլընտրանքներ, ինչպիսիք են բերիլիումի իոնային ճառագայթները, այնուամենայնիվ, բերիլիումը թունավոր նյութ է, որը պահանջում է հատուկ խնամք:Հետևաբար, լիթիումի ճառագայթը ամենահարմարն է ինվերսիոն-կինեմատիկական ռեակցիաների սխեմաների համար:Քանի որ լիթիումի միջուկների իմպուլսը ավելի մեծ է, քան պրոտոններինը, միջուկային բախումների զանգվածի կենտրոնն անընդհատ առաջ է շարժվում, և նեյտրոնները նույնպես առաջ են արտանետվում։Այս հատկությունը մեծապես վերացնում է անցանկալի գամմա ճառագայթները և բարձր անկյան նեյտրոնների արտանետումները22:Պրոտոնային շարժիչի սովորական դեպքի և հակադարձ կինեմատիկական սցենարի համեմատությունը ներկայացված է Նկար 1-ում:
Պրոտոնի և լիթիումի ճառագայթների նեյտրոնների արտադրության անկյունների նկարազարդում (նկարված է Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html):ա) Ռեակցիայի արդյունքում նեյտրոնները կարող են արտանետվել ցանկացած ուղղությամբ, քանի որ շարժվող պրոտոնները հարվածում են լիթիումի թիրախի շատ ավելի ծանր ատոմներին:(բ) Եվ հակառակը, եթե լիթիում-իոնային շարժիչը ռմբակոծում է ջրածնով հարուստ թիրախը, նեյտրոնները առաջանում են նեղ կոնի մեջ՝ առաջի ուղղությամբ՝ շնորհիվ համակարգի զանգվածի կենտրոնի բարձր արագության:
Այնուամենայնիվ, գոյություն ունեն միայն մի քանի հակադարձ կինեմատիկական նեյտրոնային գեներատորներ՝ պրոտոնների համեմատությամբ, ծանր իոնների պահանջվող հոսքի առաջացման դժվարության պատճառով:Այս բոլոր կայաններն օգտագործում են բացասական ցրված իոնների աղբյուրներ՝ տանդեմ էլեկտրաստատիկ արագացուցիչների հետ համատեղ:Առաջարկվել են իոնային աղբյուրների այլ տեսակներ՝ ճառագայթների արագացման արդյունավետությունը բարձրացնելու համար26:Ամեն դեպքում, հասանելի լիթիում-իոնային ճառագայթի հոսանքը սահմանափակված է 100 µA-ով:Առաջարկվել է օգտագործել 1 մԱ Li3+27, սակայն այս իոնային ճառագայթի հոսանքը չի հաստատվել այս մեթոդով։Ինտենսիվության առումով լիթիումի ճառագայթների արագացուցիչները չեն կարող մրցակցել պրոտոնային ճառագայթների արագացուցիչների հետ, որոնց պրոտոնային հոսանքի գագաթնակետը գերազանցում է 10 մԱ28-ը։
Գործնական կոմպակտ նեյտրոնային գեներատոր իրականացնելու համար, որը հիմնված է լիթիում-իոնային ճառագայթի վրա, ձեռնտու է իոններից բացարձակապես զուրկ բարձր ինտենսիվության առաջացումը:Իոնները արագանում և առաջնորդվում են էլեկտրամագնիսական ուժերով, և լիցքավորման ավելի բարձր մակարդակը հանգեցնում է ավելի արդյունավետ արագացման:Li-ion ճառագայթների շարժիչները պահանջում են Li3+ գագաթնակետային հոսանքներ 10 մԱ-ից ավելի:
Այս աշխատանքում մենք ցույց ենք տալիս Li3+ ճառագայթների արագացումը մինչև 35 մԱ գագաթնակետային հոսանքներով, ինչը համեմատելի է առաջադեմ պրոտոնային արագացուցիչների հետ:Բնօրինակ լիթիումի իոնային ճառագայթը ստեղծվել է լազերային աբլյացիայի և ուղղակի պլազմայի իմպլանտացիայի սխեմայի (DPIS) միջոցով, որն ի սկզբանե մշակվել է C6+ արագացման համար:Պատվերով նախագծված ռադիոհաճախականության քառաբևեռ linac (RFQ linac) արտադրվել է չորս գավազանով ռեզոնանսային կառուցվածքի միջոցով:Մենք ստուգել ենք, որ արագացնող ճառագայթն ունի հաշվարկված բարձր մաքրության ճառագայթի էներգիա:Այն բանից հետո, երբ Li3+ ճառագայթը արդյունավետորեն գրավվում և արագանում է ռադիոհաճախականության (RF) արագացուցիչով, հաջորդ լինաք (արագացուցիչի) հատվածն օգտագործվում է թիրախից ուժեղ նեյտրոնային հոսք առաջացնելու համար անհրաժեշտ էներգիան ապահովելու համար:
Բարձր արդյունավետության իոնների արագացումը լավ կայացած տեխնոլոգիա է:Նոր բարձր արդյունավետ կոմպակտ նեյտրոնային գեներատորի ստեղծման մնացած խնդիրը մեծ թվով լիթիումի իոնների առաջացումն է և կլաստերի կառուցվածքի ձևավորումը, որը բաղկացած է արագացուցիչի ռադիոհաղորդման ցիկլի հետ սինխրոնացված մի շարք իոնային իմպուլսներից:Այս նպատակին հասնելու համար նախատեսված փորձերի արդյունքները նկարագրված են հետևյալ երեք ենթաբաժիններում. (1) լիթիում-իոնային ճառագայթից բացարձակապես զուրկ ճառագայթի առաջացում, (2) հատուկ նախագծված RFQ linac-ի միջոցով ճառագայթի արագացում և (3) վերլուծության արագացում։ ճառագայթի պարունակությունը ստուգելու համար:Բրուքհավենի ազգային լաբորատորիայում (BNL) մենք կառուցեցինք Նկար 2-ում ներկայացված փորձարարական կարգավորումը:
Լիթիումի ճառագայթների արագացված վերլուծության փորձարարական կազմաձևի ակնարկ (պատկերված է Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/):Աջից ձախ լազերային-աբլատիվ պլազմա առաջանում է լազերային-թիրախ փոխազդեցության պալատում և առաքվում RFQ linac-ին:Մտնելով RFQ արագացուցիչ, իոնները բաժանվում են պլազմայից և ներարկվում RFQ արագացուցիչի մեջ հանկարծակի էլեկտրական դաշտի միջոցով, որը ստեղծվել է 52 կՎ լարման տարբերությամբ արդյունահանման էլեկտրոդի և RFQ էլեկտրոդի միջև դրեյֆ տարածքում:Արդյունահանված իոնները արագացվում են 22 կՎ/ն-ից մինչև 204 կՎ/ն՝ օգտագործելով 2 մետր երկարությամբ RFQ էլեկտրոդներ:RFQ linac-ի ելքում տեղադրված ընթացիկ տրանսֆորմատորը (CT) ապահովում է իոնային ճառագայթի հոսանքի ոչ կործանարար չափում:Ճառագայթը կենտրոնացված է երեք քառաբևեռ մագնիսներով և ուղղվում դեպի դիպոլային մագնիս, որը բաժանում և ուղղում է Li3+ ճառագայթը դետեկտորի մեջ։Ճեղքի հետևում օգտագործվում են հետ քաշվող պլաստիկ ցինտիլյատոր և մինչև -400 Վ կողմնակալությամբ Ֆարադեյի գավաթ (FC)՝ արագացնող ճառագայթը հայտնաբերելու համար:
Լիթիումի լրիվ իոնացված իոններ (Li3+) առաջացնելու համար անհրաժեշտ է ստեղծել պլազմա, որի ջերմաստիճանը գերազանցում է իր երրորդ իոնացման էներգիան (122,4 էՎ):Մենք փորձեցինք օգտագործել լազերային աբլացիա՝ բարձր ջերմաստիճանի պլազմա արտադրելու համար:Այս տեսակի լազերային իոնային աղբյուրը սովորաբար չի օգտագործվում լիթիումի իոնային ճառագայթներ ստեղծելու համար, քանի որ լիթիում մետաղը ռեակտիվ է և պահանջում է հատուկ մշակում:Մենք մշակել ենք թիրախային բեռնման համակարգ՝ նվազագույնի հասցնելու խոնավությունը և օդի աղտոտումը վակուումային լազերային փոխազդեցության խցիկում լիթիումային փայլաթիթեղի տեղադրման ժամանակ:Նյութերի բոլոր պատրաստումներն իրականացվել են չոր արգոնի վերահսկվող միջավայրում:Այն բանից հետո, երբ լիթիումային փայլաթիթեղը տեղադրվեց լազերային թիրախային խցիկում, փայլաթիթեղը ճառագայթվեց իմպուլսային Nd:YAG լազերային ճառագայթմամբ մեկ իմպուլսի 800 մՋ էներգիայով:Թիրախի վրա կիզակետում լազերային հզորության խտությունը գնահատվում է մոտ 1012 Վտ/սմ2։Պլազման ստեղծվում է, երբ իմպուլսային լազերը ոչնչացնում է թիրախը վակուումում:Ամբողջ 6 ns լազերային իմպուլսի ընթացքում պլազման շարունակում է տաքանալ՝ հիմնականում հակառակ bremsstrahlung պրոցեսի պատճառով։Քանի որ ջեռուցման փուլում սահմանափակ արտաքին դաշտ չի կիրառվում, պլազման սկսում է ընդլայնվել եռաչափ:Երբ պլազման սկսում է ընդլայնվել թիրախային մակերեսի վրա, պլազմայի զանգվածի կենտրոնը ձեռք է բերում թիրախային մակերեսին ուղղահայաց արագություն՝ 600 էՎ/ն էներգիայով։Տաքացումից հետո պլազման թիրախից շարունակում է շարժվել առանցքային ուղղությամբ՝ իզոտրոպորեն ընդլայնվելով։
Ինչպես ցույց է տրված Նկար 2-ում, աբլյացիոն պլազման ընդարձակվում է վակուումային ծավալի մեջ, որը շրջապատված է մետաղական կոնտեյներով, որն ունի նույն պոտենցիալը, ինչ թիրախը:Այսպիսով, պլազման շարժվում է դաշտից ազատ շրջանով դեպի RFQ արագացուցիչ:Լազերային ճառագայթման պալատի և RFQ linac-ի միջև կիրառվում է առանցքային մագնիսական դաշտ՝ վակուումային խցիկի շուրջ փաթաթված էլեկտրամագնիսական կծիկի միջոցով:Solenoid-ի մագնիսական դաշտը ճնշում է շառավղային ընդլայնումը շառավղային պլազմայի, որպեսզի պահպանի պլազմայի բարձր խտությունը RFQ բացվածք հասցնելու ժամանակ:Մյուս կողմից, պլազման շարունակում է ընդլայնվել սռնու ուղղությամբ՝ դրեյֆի ընթացքում՝ ձևավորելով երկարացված պլազմա։Բարձր լարման շեղումը կիրառվում է պլազմա պարունակող մետաղական նավի վրա RFQ մուտքի ելքի պորտի դիմաց:Կողմնակալության լարումն ընտրվել է ապահովելու համար պահանջվող 7Li3+ ներարկման արագությունը RFQ linac-ի կողմից պատշաճ արագացման համար:
Ստացված աբլյացիոն պլազման պարունակում է ոչ միայն 7Li3+, այլ նաև լիթիում այլ լիցքավորված վիճակներում և աղտոտող տարրերում, որոնք միաժամանակ տեղափոխվում են RFQ գծային արագացուցիչ:Նախքան RFQ linac-ի օգտագործմամբ արագացված փորձերը, անցկացվել է թռիչքի ժամանակի անցանց (TOF) վերլուծություն՝ պլազմայում իոնների բաղադրությունը և էներգիայի բաշխումն ուսումնասիրելու համար:Մանրամասն վերլուծական կարգավորումը և դիտարկված լիցքավորման վիճակի բաշխումը բացատրված են «Մեթոդներ» բաժնում:Վերլուծությունը ցույց տվեց, որ 7Li3+ իոնները հիմնական մասնիկներն են, որոնք կազմում են բոլոր մասնիկների մոտ 54%-ը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 3-ում: Ըստ վերլուծության, 7Li3+ իոնային հոսանքը իոնային ճառագայթի ելքային կետում գնահատվում է 1,87 մԱ:Արագացված փորձարկումների ժամանակ ընդլայնվող պլազմայի վրա կիրառվում է 79 մՏ էլեկտրամագնիսական դաշտ:Արդյունքում պլազմայից արդյունահանվող և դետեկտորի վրա նկատվող 7Li3+ հոսանքն ավելացել է 30 անգամ։
Լազերային գեներացվող պլազմայում իոնների ֆրակցիաներ, որոնք ստացվել են թռիչքի ժամանակի վերլուծությամբ:7Li1+ և 7Li2+ իոնները կազմում են իոնային ճառագայթի համապատասխանաբար 5% և 25%:6Li մասնիկների հայտնաբերված մասնաբաժինը համաձայն է 6Li-ի (7.6%) բնական պարունակության հետ լիթիումի փայլաթիթեղի թիրախում փորձնական սխալի շրջանակներում:Դիտարկվել է թթվածնային աննշան աղտոտվածություն (6.2%), հիմնականում O1+ (2.1%) և O2+ (1.5%), ինչը կարող է պայմանավորված լինել լիթիումային փայլաթիթեղի մակերևույթի օքսիդացումով:
Ինչպես նախկինում նշվեց, լիթիումի պլազման շարժվում է դաշտազուրկ տարածքում՝ նախքան RFQ linac մտնելը:RFQ linac-ի մուտքը մետաղական տարայի մեջ ունի 6 մմ տրամագծով անցք, իսկ կողմնակալության լարումը 52 կՎ է:Չնայած RFQ էլեկտրոդի լարումը արագ փոխվում է ±29 կՎ-ով 100 ՄՀց հաճախականությամբ, լարումը առաջացնում է առանցքային արագացում, քանի որ RFQ արագացուցիչ էլեկտրոդների միջին պոտենցիալը զրոյական է:Շնորհիվ RFQ էլեկտրոդի բացվածքի և եզրի միջև 10 մմ բացվածքում առաջացած ուժեղ էլեկտրական դաշտի, բացվածքի պլազմայից արդյունահանվում են միայն դրական պլազմայի իոնները:Ավանդական իոնների առաքման համակարգերում իոնները պլազմայից անջատվում են էլեկտրական դաշտով RFQ արագացուցիչի առջև զգալի հեռավորության վրա և այնուհետև կենտրոնանում են RFQ բացվածքի մեջ ճառագայթը կենտրոնացնող տարրով:Այնուամենայնիվ, ինտենսիվ նեյտրոնային աղբյուրի համար պահանջվող ինտենսիվ ծանր իոնային ճառագայթների համար, տիեզերական լիցքավորման հետևանքով առաջացած ոչ գծային վանող ուժերը կարող են հանգեցնել ճառագայթի հոսանքի զգալի կորուստների իոնային տրանսպորտային համակարգում՝ սահմանափակելով գագաթնակետային հոսանքը, որը կարող է արագացվել:Մեր DPIS-ում բարձր ինտենսիվության իոնները տեղափոխվում են որպես շեղվող պլազմա անմիջապես RFQ բացվածքի ելքի կետ, ուստի տիեզերական լիցքավորման պատճառով իոնային ճառագայթի կորուստ չկա:Այս ցուցադրության ժամանակ DPIS-ն առաջին անգամ կիրառվեց լիթիում-իոնային ճառագայթի վրա:
RFQ կառուցվածքը մշակվել է ցածր էներգիայի բարձր հոսանքի իոնային ճառագայթների կենտրոնացման և արագացման համար և դարձել է առաջին կարգի արագացման ստանդարտ:Մենք օգտագործեցինք RFQ՝ 7Li3+ իոնները 22 կՎ/ն իմպլանտի էներգիայից մինչև 204 կՎ/ն արագացնելու համար:Թեև լիթիումը և պլազմայում ավելի ցածր լիցք ունեցող այլ մասնիկներ նույնպես արդյունահանվում են պլազմայից և ներարկվում RFQ բացվածք, RFQ linac-ը միայն արագացնում է իոնները լիցք-զանգվածի հարաբերակցությամբ (Q/A) մոտ 7Li3+:
Նկ.Նկար 4-ը ցույց է տալիս ընթացիկ տրանսֆորմատորի (CT) կողմից հայտնաբերված ալիքի ձևերը RFQ linac-ի և Faraday բաժակի (FC) ելքում մագնիսը վերլուծելուց հետո, ինչպես ցույց է տրված նկ.2. Ազդանշանների միջև ժամանակային տեղաշարժը կարող է մեկնաբանվել որպես դետեկտորի տեղակայման վայրում թռիչքի ժամանակի տարբերություն:CT-ում չափված իոնային հոսանքի գագաթնակետը 43 մԱ էր:RT դիրքում գրանցված ճառագայթը կարող է պարունակել ոչ միայն իոններ, որոնք արագացել են մինչև հաշվարկված էներգիան, այլ նաև 7Li3+-ից տարբեր իոններ, որոնք բավականաչափ արագացված չեն:Այնուամենայնիվ, QD-ի և PC-ի միջոցով հայտնաբերված իոնային հոսանքի ձևերի նմանությունը ցույց է տալիս, որ իոնային հոսանքը հիմնականում բաղկացած է արագացված 7Li3+-ից, իսկ ԱՀ-ի վրա հոսանքի գագաթնակետային արժեքի նվազումը պայմանավորված է QD-ի և միջակայքում իոնների փոխանցման ժամանակ ճառագայթների կորուստներով: ԱՀ.Կորուստներ Սա հաստատում է նաև ծրարային մոդելավորումը:7Li3+ ճառագայթի հոսանքը ճշգրիտ չափելու համար ճառագայթը վերլուծվում է դիպոլային մագնիսով, ինչպես նկարագրված է հաջորդ բաժնում:
Արագացված ճառագայթի օսցիլոգրամները գրանցված են դետեկտորի դիրքերում CT (սև կոր) և FC (կարմիր կոր):Այս չափումները առաջանում են լազերային պլազմայի արտադրության ընթացքում ֆոտոդետեկտորի կողմից լազերային ճառագայթման հայտնաբերմամբ:Սև կորը ցույց է տալիս ալիքի ձևը, որը չափվում է CT-ի վրա, որը միացված է RFQ linac ելքին:RFQ linac-ին մոտ լինելու պատճառով դետեկտորն ընդունում է 100 ՄՀց RF աղմուկ, ուստի 98 ՄՀց ցածր անցումային FFT ֆիլտրը կիրառվել է հայտնաբերման ազդանշանի վրա դրված 100 ՄՀց ռեզոնանսային ռադիոհաղորդիչ ազդանշանը հեռացնելու համար:Կարմիր կորը ցույց է տալիս ալիքի ձևը FC-ում այն ​​բանից հետո, երբ անալիտիկ մագնիսը ուղղորդում է 7Li3+ իոնային ճառագայթը:Այս մագնիսական դաշտում, բացի 7Li3+-ից, կարող են տեղափոխվել N6+ և O7+:
RFQ linac-ից հետո իոնային ճառագայթը կենտրոնացվում է երեք քառաբևեռ կենտրոնացնող մագնիսների մի շարքով և այնուհետև վերլուծվում դիպոլային մագնիսներով՝ իոնային ճառագայթում կեղտերը մեկուսացնելու համար:0,268 T մագնիսական դաշտը 7Li3+ ճառագայթներն ուղղում է դեպի FC:Այս մագնիսական դաշտի հայտնաբերման ալիքի ձևը ցույց է տրված Նկար 4-ում կարմիր կորի տեսքով: Ճառագայթային հոսանքի գագաթնակետը հասնում է 35 մԱ-ի, ինչը ավելի քան 100 անգամ ավելի է, քան սովորական էլեկտրաստատիկ արագացուցիչներում արտադրված սովորական Li3+ ճառագայթը:Ճառագայթի իմպուլսի լայնությունը 2,0 մկվ է ամբողջ լայնությամբ՝ առավելագույնը կեսով:Դիպոլի մագնիսական դաշտով 7Li3+ ճառագայթի հայտնաբերումը ցույց է տալիս հաջող փունջ և ճառագայթի արագացում:Իոնային ճառագայթի հոսանքը, որը հայտնաբերվում է FC-ի կողմից դիպոլի մագնիսական դաշտը սկանավորելիս, ցույց է տրված Նկար 5-ում: Դիտարկվել է մաքուր մեկ գագաթ՝ լավ առանձնացված մյուս գագաթներից:Քանի որ RFQ linac-ի կողմից նախագծային էներգիայի արագացված բոլոր իոններն ունեն նույն արագությունը, նույն Q/A-ով իոնային ճառագայթները դժվար է առանձնացնել դիպոլային մագնիսական դաշտերով:Հետևաբար, մենք չենք կարող տարբերել 7Li3+-ը N6+-ից կամ O7+-ից:Այնուամենայնիվ, կեղտերի քանակը կարելի է գնահատել հարևան լիցքավորող պետություններից:Օրինակ, N7+-ը և N5+-ը կարելի է հեշտությամբ բաժանել, մինչդեռ N6+-ը կարող է լինել աղտոտվածության մաս և ակնկալվում է, որ այն առկա է մոտավորապես նույն քանակությամբ, ինչ N7+ և N5+-ը:Աղտոտվածության գնահատված մակարդակը կազմում է մոտ 2%:
Ճառագայթների բաղադրիչ սպեկտրները, որոնք ստացվում են դիպոլային մագնիսական դաշտի սկանավորման միջոցով:0,268 T-ի գագաթնակետը համապատասխանում է 7Li3+ և N6+:Պիկ լայնությունը կախված է ճեղքի վրա գտնվող փնջի չափից:Չնայած լայն գագաթներին, 7Li3+-ը լավ է բաժանվում 6Li3+, O6+ և N5+-ից, բայց վատ է բաժանվում O7+ և N6+-ից:
FC-ի գտնվելու վայրում ճառագայթի պրոֆիլը հաստատվել է միացված ցինտիլյատորով և գրանցվել արագ թվային տեսախցիկով, ինչպես ցույց է տրված Նկար 6-ում: 7Li3+ իմպուլսային ճառագայթը 35 մԱ հոսանքով ցույց է տրված, որ արագացված է մինչև հաշվարկված RFQ: 204 կէՎ/ն էներգիա, որը համապատասխանում է 1,4 ՄէՎ-ին և փոխանցվում է ՖԿ դետեկտորին:
Ճառագայթային պրոֆիլը դիտվել է նախա-FC ցինտիլյատորի էկրանին (գունավոր՝ Ֆիջի, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/):Անալիտիկ դիպոլային մագնիսի մագնիսական դաշտը կարգավորվել է այնպես, որ Li3+ իոնային ճառագայթի արագացումը ուղղորդվի նախագծային էներգիայի RFQ:Կանաչ հատվածում կապույտ կետերը առաջանում են ցինտիլատորի թերի նյութի պատճառով:
Մենք հասանք 7Li3+ իոնների առաջացմանը՝ պինդ լիթիումային փայլաթիթեղի մակերեսի լազերային աբլյացիայի միջոցով, և բարձր հոսանքի իոնային ճառագայթը գրավվեց և արագացվեց հատուկ նախագծված RFQ linac-ով, օգտագործելով DPIS:1.4 ՄէՎ ճառագայթի էներգիայի դեպքում մագնիսի վերլուծությունից հետո 7Li3+-ի գագաթնակետային հոսանքը, որը հասել է FC-ի վրա, եղել է 35 մԱ:Սա հաստատում է, որ հակադարձ կինեմատիկայով նեյտրոնային աղբյուրի իրականացման ամենակարևոր մասը իրականացվել է փորձարարական եղանակով։Աշխատանքի այս մասում կքննարկվի կոմպակտ նեյտրոնային աղբյուրի ամբողջ դիզայնը, ներառյալ բարձր էներգիայի արագացուցիչները և նեյտրոնային թիրախային կայանները:Դիզայնը հիմնված է մեր լաբորատորիայում առկա համակարգերով ստացված արդյունքների վրա:Հարկ է նշել, որ իոնային ճառագայթի գագաթնակետային հոսանքը կարող է հետագայում ավելացվել՝ կրճատելով լիթիումի փայլաթիթեղի և RFQ linac-ի միջև հեռավորությունը:Բրինձ.7-ը ցույց է տալիս արագացուցիչի մոտ առաջարկվող կոմպակտ նեյտրոնային աղբյուրի ողջ հայեցակարգը:
Առաջարկվող կոմպակտ նեյտրոնային աղբյուրի կոնցեպտուալ ձևավորում արագացուցիչի մոտ (նկարված է Freecad-ի կողմից, 0.19, https://www.freecadweb.org/):Աջից ձախ՝ լազերային իոնային աղբյուր, solenoid մագնիս, RFQ linac, միջին էներգիայի ճառագայթի փոխանցում (MEBT), IH linac և նեյտրոնների առաջացման փոխազդեցության խցիկ:Ճառագայթային պաշտպանությունն ապահովվում է հիմնականում առաջի ուղղությամբ՝ արտադրված նեյտրոնային ճառագայթների նեղ ուղղվածության պատճառով:
RFQ linac-ից հետո նախատեսվում է Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac-ի հետագա արագացում:IH linacs-ները օգտագործում են π-ռեժիմի դրեյֆ խողովակի կառուցվածքը, որպեսզի ապահովեն էլեկտրական դաշտի բարձր գրադիենտ արագությունների որոշակի տիրույթում:Հայեցակարգային ուսումնասիրությունն իրականացվել է 1D երկայնական դինամիկայի սիմուլյացիայի և 3D պատյանների մոդելավորման հիման վրա:Հաշվարկները ցույց են տալիս, որ 100 ՄՀց IH linac-ը խելամիտ դրեյֆ խողովակի լարմամբ (450 կՎ-ից պակաս) և ուժեղ կենտրոնացող մագնիսով կարող է արագացնել 40 մԱ ճառագայթը 1,4-ից մինչև 14 ՄէՎ 1,8 մ հեռավորության վրա:Էներգիայի բաշխումը արագացուցիչ շղթայի վերջում գնահատվում է ± 0,4 ՄէՎ, ինչը էականորեն չի ազդում նեյտրոնների փոխակերպման թիրախի կողմից արտադրվող նեյտրոնների էներգիայի սպեկտրի վրա:Բացի այդ, ճառագայթի արտանետումը բավական ցածր է, որպեսզի ճառագայթը կենտրոնացնի ավելի փոքր փնջի վրա, քան սովորաբար պահանջվում է միջին ուժի և չափի քառաբևեռ մագնիսների համար:Միջին էներգիայի փնջի (MEBT) փոխանցման ժամանակ RFQ linac-ի և IH linac-ի միջև ճառագայթային ռեզոնատորը օգտագործվում է ճառագայթային կառուցվածքը պահպանելու համար:Երեք քառաբևեռ մագնիսներ օգտագործվում են կողային ճառագայթի չափը վերահսկելու համար:Դիզայնի այս ռազմավարությունը օգտագործվել է շատ արագացուցիչներում31,32,33:Ամբողջ համակարգի ընդհանուր երկարությունը իոնային աղբյուրից մինչև թիրախային խցիկը գնահատվում է 8 մ-ից պակաս, որը կարող է տեղավորվել ստանդարտ կիսակցորդով բեռնատարում:
Նեյտրոնների փոխակերպման թիրախը կտեղադրվի անմիջապես գծային արագացուցիչից հետո:Մենք քննարկում ենք թիրախային կայանների նախագծերը՝ հիմնված նախորդ ուսումնասիրությունների վրա՝ օգտագործելով հակադարձ կինեմատիկական սցենարներ23:Զեկուցված փոխակերպման թիրախները ներառում են պինդ նյութեր (պոլիպրոպիլեն (C3H6) և տիտանի հիդրիդ (TiH2)) և գազային թիրախային համակարգեր:Յուրաքանչյուր նպատակ ունի առավելություններ և թերություններ:Կոշտ թիրախները թույլ են տալիս ճշգրիտ վերահսկել հաստությունը:Որքան բարակ է թիրախը, այնքան ավելի ճշգրիտ է նեյտրոնների արտադրության տարածական դասավորությունը:Այնուամենայնիվ, նման թիրախները դեռևս կարող են ունենալ որոշ աստիճանի անցանկալի միջուկային ռեակցիաներ և ճառագայթում:Մյուս կողմից, ջրածնային թիրախը կարող է ապահովել ավելի մաքուր միջավայր՝ վերացնելով միջուկային ռեակցիայի հիմնական արտադրանքի՝ 7Be-ի արտադրությունը։Այնուամենայնիվ, ջրածինն ունի թույլ խոչընդոտող ունակություն և պահանջում է մեծ ֆիզիկական հեռավորություն էներգիայի բավարար արտազատման համար:Սա մի փոքր անբարենպաստ է TOF չափումների համար:Բացի այդ, եթե բարակ թաղանթն օգտագործվում է ջրածնային թիրախը կնքելու համար, ապա անհրաժեշտ է հաշվի առնել գամմա ճառագայթների էներգիայի կորուստները, որոնք առաջանում են բարակ թաղանթից և ընկած լիթիումի ճառագայթից:
LICORNE-ն օգտագործում է պոլիպրոպիլենային թիրախներ, և թիրախային համակարգը վերածվել է ջրածնային բջիջների, որոնք կնքված են տանտալի փայլաթիթեղով:Ենթադրելով 7Li34-ի համար 100 nA ճառագայթային հոսանք, երկու թիրախային համակարգերը կարող են արտադրել մինչև 107 n/s/sr:Եթե ​​մենք կիրառենք նեյտրոնների ելքի այս հայտարարված փոխարկումը մեր առաջարկած նեյտրոնային աղբյուրին, ապա յուրաքանչյուր լազերային իմպուլսի համար կարելի է ձեռք բերել լիթիումով շարժվող ճառագայթ 7 × 10–8 C:Սա նշանակում է, որ լազերային վայրկյանում ընդամենը երկու անգամ կրակելը 40%-ով ավելի շատ նեյտրոններ է արտադրում, քան LICORNE-ը կարող է արտադրել մեկ վայրկյանում շարունակական ճառագայթով:Ընդհանուր հոսքը կարելի է հեշտությամբ մեծացնել՝ ավելացնելով լազերի գրգռման հաճախականությունը:Եթե ​​ենթադրենք, որ շուկայում կա 1 կՀց լազերային համակարգ, ապա միջին նեյտրոնային հոսքը հեշտությամբ կարող է չափվել մինչև մոտ 7 × 109 n/s/sr:
Երբ մենք օգտագործում ենք պլաստիկ թիրախներով բարձր արագությամբ համակարգեր, անհրաժեշտ է վերահսկել թիրախների վրա ջերմության առաջացումը, քանի որ, օրինակ, պոլիպրոպիլենն ունի ցածր հալման կետ՝ 145–175 °C և ցածր ջերմային հաղորդունակություն՝ 0,1–0,22 Վտ/։ մ/Կ.14 ՄէՎ լիթիում-իոնային ճառագայթի համար 7 մկմ հաստությամբ պոլիպրոպիլենային թիրախը բավարար է ճառագայթի էներգիան մինչև ռեակցիայի շեմը (13,098 ՄէՎ) նվազեցնելու համար:Հաշվի առնելով թիրախի վրա մեկ լազերային կրակոցի արդյունքում առաջացած իոնների ընդհանուր ազդեցությունը՝ պոլիպրոպիլենի միջոցով լիթիումի իոնների էներգիայի արտազատումը գնահատվում է 64 մՋ/պուլս։Ենթադրելով, որ ամբողջ էներգիան փոխանցվում է 10 մմ տրամագծով շրջանագծի մեջ, յուրաքանչյուր իմպուլս համապատասխանում է մոտավորապես 18 Կ/պուլս ջերմաստիճանի բարձրացմանը:Պոլիպրոպիլենային թիրախների վրա էներգիայի արտազատումը հիմնված է այն պարզ ենթադրության վրա, որ էներգիայի բոլոր կորուստները պահվում են որպես ջերմություն՝ առանց ճառագայթման կամ ջերմային այլ կորուստների:Քանի որ վայրկյանում իմպուլսների քանակի ավելացումը պահանջում է ջերմության կուտակման վերացում, մենք կարող ենք օգտագործել ժապավենային թիրախներ՝ նույն կետում էներգիայի արտանետումից խուսափելու համար23:Ենթադրելով 100 Հց լազերային կրկնության արագությամբ թիրախի վրա 10 մմ ճառագայթային կետ, պոլիպրոպիլենային ժապավենի սկանավորման արագությունը կլինի 1 մ/վ:Կրկնման ավելի բարձր տեմպերը հնարավոր են, եթե թույլատրվում է ճառագայթի կետի համընկնումը:
Մենք նաև հետազոտել ենք թիրախները ջրածնային մարտկոցներով, քանի որ ավելի ուժեղ շարժիչ ճառագայթներ կարող էին օգտագործվել առանց թիրախը վնասելու:Նեյտրոնային ճառագայթը կարելի է հեշտությամբ կարգավորել՝ փոխելով գազի խցիկի երկարությունը և ներսում ջրածնի ճնշումը:Բարակ մետաղական փայլաթիթեղները հաճախ օգտագործվում են արագացուցիչներում՝ թիրախի գազային հատվածը վակուումից առանձնացնելու համար։Հետևաբար, անհրաժեշտ է մեծացնել հարվածող լիթիում-իոնային ճառագայթի էներգիան՝ փայլաթիթեղի վրա էներգիայի կորուստները փոխհատուցելու համար։35-րդ հաշվետվության մեջ նկարագրված թիրախային հավաքակազմը բաղկացած էր 3,5 սմ երկարությամբ ալյումինե կոնտեյներից՝ H2 գազի ճնշումով 1,5 ատմ:16,75 ՄէՎ լիթիումի իոնային ճառագայթը մտնում է մարտկոց օդով սառեցված 2,7 մկմ Ta փայլաթիթեղի միջով, և մարտկոցի վերջում գտնվող լիթիումի իոնային ճառագայթի էներգիան դանդաղում է մինչև ռեակցիայի շեմը:Լիթիում-իոնային մարտկոցների ճառագայթային էներգիան 14,0 ՄէՎ-ից մինչև 16,75 ՄէՎ մեծացնելու համար, IH linac-ը պետք է երկարացվեր մոտ 30 սմ-ով:
Ուսումնասիրվել է նաև գազային բջիջների թիրախներից նեյտրոնների արտանետումները։LICORNE-ի վերոհիշյալ գազային թիրախների համար GEANT436 մոդելավորումը ցույց է տալիս, որ բարձր կողմնորոշված ​​նեյտրոններ առաջանում են կոնի ներսում, ինչպես ցույց է տրված [37] Նկար 1-ում:35-րդ տեղեկանքը ցույց է տալիս էներգիայի միջակայքը 0,7-ից մինչև 3,0 ՄԷՎ՝ 19,5° կոնի առավելագույն բացվածքով գլխավոր փնջի տարածման ուղղությամբ:Բարձր կողմնորոշված ​​նեյտրոնները կարող են զգալիորեն նվազեցնել պաշտպանիչ նյութի քանակը շատ անկյուններում՝ նվազեցնելով կառուցվածքի քաշը և ապահովելով ավելի մեծ ճկունություն չափիչ սարքավորումների տեղադրման ժամանակ:Ճառագայթային պաշտպանության տեսանկյունից, բացի նեյտրոններից, այս գազային թիրախը կենտրոնական կոորդինատային համակարգում իզոտրոպ կերպով արձակում է 478 կէՎ գամմա ճառագայթներ38։Այս γ-ճառագայթները առաջանում են 7Be քայքայման և 7Li deexcitation-ի արդյունքում, որը տեղի է ունենում, երբ առաջնային Li-ի ճառագայթը հարվածում է մուտքային Ta պատուհանին:Այնուամենայնիվ, ավելացնելով հաստ 35 Pb/Cu գլանաձև կոլիմատոր, ֆոնը կարող է զգալիորեն կրճատվել:
Որպես այլընտրանքային թիրախ կարելի է օգտագործել պլազմային պատուհանը [39, 40], որը հնարավորություն է տալիս հասնել համեմատաբար բարձր ջրածնի ճնշման և նեյտրոնների առաջացման փոքր տարածական շրջանի, թեև այն զիջում է պինդ թիրախներին։
Մենք ուսումնասիրում ենք նեյտրոնների փոխակերպման թիրախավորման տարբերակները էներգիայի ակնկալվող բաշխման և լիթիումի իոնային ճառագայթի ճառագայթի չափի համար՝ օգտագործելով GEANT4:Մեր սիմուլյացիան ցույց է տալիս նեյտրոնային էներգիայի և ջրածնի թիրախների անկյունային բաշխման հետևողական բաշխումը վերը նշված գրականության մեջ:Ցանկացած թիրախային համակարգում բարձր կողմնորոշված ​​նեյտրոններ կարող են առաջանալ հակադարձ կինեմատիկական ռեակցիայի միջոցով, որն առաջանում է ուժեղ 7Li3+ ճառագայթով ջրածնով հարուստ թիրախի վրա:Հետևաբար, նեյտրոնների նոր աղբյուրները կարող են ներդրվել արդեն գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաների համադրմամբ:
Լազերային ճառագայթման պայմանները վերարտադրեցին իոնային ճառագայթների առաջացման փորձերը՝ մինչև արագացված ցուցադրումը:Լազերը աշխատասեղանի նանվայրկյան Nd:YAG համակարգ է՝ 1012 Վտ/սմ2 լազերային հզորության խտությամբ, 1064 նմ ալիքի հիմնական երկարությամբ, 800 մՋ կետային էներգիայով և 6 նս իմպուլսի տևողությամբ։Թիրախի վրա կետի տրամագիծը գնահատվում է 100 մկմ:Քանի որ լիթիումի մետաղը (Alfa Aesar, 99,9% մաքուր) բավականին փափուկ է, ճշգրիտ կտրված նյութը սեղմվում է կաղապարի մեջ:Փայլաթիթեղի չափսերը 25 մմ × 25 մմ, հաստությունը 0,6 մմ։Խառնարանի նման վնասը տեղի է ունենում թիրախի մակերեսին, երբ լազերը հարվածում է դրան, ուստի թիրախը շարժվում է շարժիչային հարթակի միջոցով՝ յուրաքանչյուր լազերային կրակոցով թիրախի մակերեսի թարմ հատված ապահովելու համար:Գազի մնացորդային պատճառով վերահամակցումից խուսափելու համար խցիկում ճնշումը պահվել է 10-4 Պա միջակայքից ցածր:
Լազերային պլազմայի սկզբնական ծավալը փոքր է, քանի որ լազերային կետի չափը 100 մկմ է և դրա առաջացումից հետո 6 նվ-ի ընթացքում:Ծավալը կարելի է ընդունել որպես ճշգրիտ կետ և ընդլայնել։Եթե ​​դետեկտորը տեղադրված է թիրախային մակերեսից xm հեռավորության վրա, ապա ստացված ազդանշանը ենթարկվում է հարաբերություններին՝ իոնային հոսանք I, իոնների ժամանման ժամանակը t և զարկերակային լայնությունը τ։
Ստեղծված պլազման ուսումնասիրվել է TOF մեթոդով FC-ով և էներգիայի իոնային անալիզատորով (EIA), որը գտնվում է լազերային թիրախից 2,4 մ և 3,85 մ հեռավորության վրա:FC-ն ունի ճնշող ցանց, որը շեղված է -5 կՎ-ով, որպեսզի կանխի էլեկտրոնները:ՇՄԱԳ-ն ունի 90 աստիճանի էլեկտրաստատիկ դեֆլեկտոր, որը բաղկացած է նույն լարման, բայց հակառակ բևեռականությամբ երկու կոաքսիալ մետաղական գլանաձև էլեկտրոդներից, դրսից դրական և ներսից բացասական:Ընդարձակվող պլազման ուղղվում է անցքի հետևում գտնվող դեֆլեկտորի մեջ և շեղվում է մխոցի միջով անցնող էլեկտրական դաշտից:E/z = eKU կապը բավարարող իոնները հայտնաբերվում են երկրորդական էլեկտրոնի բազմապատկիչի (SEM) միջոցով (Hamamatsu R2362), որտեղ E, z, e, K և U իոնային էներգիան, լիցքի վիճակը և լիցքը ՇՄԱԳ երկրաչափական գործոններն են: .էլեկտրոնները, համապատասխանաբար, և էլեկտրոդների միջև պոտենցիալ տարբերությունը:Փոխելով լարումը դեֆլեկտորի վրա՝ կարելի է ստանալ պլազմայում իոնների էներգիայի և լիցքի բաշխումը։Մաքրող լարման U/2 ՇՄԱԳ-ը գտնվում է 0,2 Վ-ից մինչև 800 Վ-ի միջակայքում, որը համապատասխանում է իոնային էներգիայի 4 էՎ-ից մինչև 16 կՎ միջակայքում մեկ լիցքավորման վիճակի համար:
Լազերային ճառագայթման պայմաններում վերլուծված իոնների լիցքավորման վիճակի բաշխումները, որոնք նկարագրված են «Լիթիումի լիթիումային ճառագայթների առաջացում» բաժնում ներկայացված են Նկ.8.
Իոնների լիցքավորման վիճակի բաշխման վերլուծություն.Ահա իոնային հոսանքի խտության ժամանակի պրոֆիլը, որը վերլուծվել է ՇՄԱԳ-ով և չափվել է լիթիումի փայլաթիթեղից 1 մ հեռավորության վրա՝ օգտագործելով հավասարումը:(1) և (2):Օգտագործեք լազերային ճառագայթման պայմանները, որոնք նկարագրված են «Լրիվ շերտազատված լիթիումի ճառագայթի առաջացում» բաժնում:Յուրաքանչյուր հոսանքի խտությունը ինտեգրելով՝ հաշվարկվել է պլազմայում իոնների մասնաբաժինը, որը ներկայացված է Նկար 3-ում:
Լազերային իոնային աղբյուրները կարող են փոխանցել ինտենսիվ բազմամԱ իոնային ճառագայթ՝ բարձր լիցքով:Այնուամենայնիվ, ճառագայթների առաքումը շատ դժվար է տիեզերական լիցքի վանման պատճառով, ուստի այն լայնորեն չի կիրառվել:Ավանդական սխեմայի համաձայն, իոնային ճառագայթները արդյունահանվում են պլազմայից և տեղափոխվում են առաջնային արագացուցիչ՝ մի քանի կենտրոնացնող մագնիսներով ճառագայթային գծի երկայնքով՝ իոնային ճառագայթը ձևավորելու համար՝ ըստ արագացուցիչի պիկապ հնարավորության:Տիեզերական լիցքավորման ուժային ճառագայթներում ճառագայթները շեղվում են ոչ գծային, և ճառագայթների լուրջ կորուստներ են նկատվում հատկապես ցածր արագությունների շրջանում:Բժշկական ածխածնային արագացուցիչների մշակման մեջ այս խնդիրը հաղթահարելու համար առաջարկվում է DPIS41 ճառագայթի առաքման նոր սխեման:Մենք կիրառել ենք այս տեխնիկան՝ արագացնելու հզոր լիթիում-իոնային ճառագայթը նոր նեյտրոնային աղբյուրից:
Ինչպես ցույց է տրված նկ.4, տարածությունը, որում առաջանում և ընդլայնվում է պլազման, շրջապատված է մետաղական կոնտեյներով:Փակ տարածությունը տարածվում է մինչև RFQ ռեզոնատորի մուտքը, ներառյալ էլեկտրամագնիսական կծիկի ներսում ծավալը:Կոնտեյների վրա կիրառվել է 52 կՎ լարում։RFQ ռեզոնատորում իոնները պոտենցիալով քաշվում են 6 մմ տրամագծով անցքի միջով՝ հողակցելով RFQ:Ճառագայթային գծի վրա ոչ գծային վանող ուժերը վերանում են, քանի որ իոնները տեղափոխվում են պլազմային վիճակում:Բացի այդ, ինչպես նշվեց վերևում, մենք կիրառեցինք solenoid դաշտը DPIS-ի հետ համատեղ՝ վերահսկելու և բարձրացնելու իոնների խտությունը արդյունահանման բացվածքում:
RFQ արագացուցիչը բաղկացած է գլանաձև վակուումային խցիկից, ինչպես ցույց է տրված նկ.9 ա.Նրա ներսում չորս ձողեր թթվածնազուրկ պղնձից դրված են ճառագայթի առանցքի շուրջ քառաբևեռ-սիմետրիկ (նկ. 9բ):4 ձողեր և խցիկներ կազմում են ռեզոնանսային ՌԴ միացում:Ինդուկտացված ՌԴ դաշտը ստեղծում է ժամանակի փոփոխվող լարում ձողի վրա:Առանցքի շուրջ երկայնական իմպլանտացված իոնները պահվում են կողային քառաբևեռ դաշտով:Միևնույն ժամանակ, ձողի ծայրը մոդուլացվում է առանցքային էլեկտրական դաշտ ստեղծելու համար:Առանցքային դաշտը բաժանում է ներարկվող շարունակական ճառագայթը ճառագայթային իմպուլսների շարքի, որը կոչվում է ճառագայթ:Յուրաքանչյուր ճառագայթ պարունակվում է ՌԴ ցիկլի որոշակի ժամանակում (10 ns):Հարակից ճառագայթները բաժանված են ըստ ռադիոհաճախականության ժամանակաշրջանի:RFQ linac-ում լազերային իոնային աղբյուրից 2 µs ճառագայթը վերածվում է 200 ճառագայթների հաջորդականության:Այնուհետև ճառագայթը արագացվում է մինչև հաշվարկված էներգիան:
Գծային արագացուցիչ RFQ.(ա) (ձախ) RFQ linac պալատի արտաքին տեսքը:բ) (աջ) Չորս գավազանով էլեկտրոդ խցիկում:
RFQ linac-ի նախագծման հիմնական պարամետրերն են ձողի լարումը, ռեզոնանսային հաճախականությունը, ճառագայթի անցքի շառավիղը և էլեկտրոդի մոդուլյացիան:Ընտրեք գավազանի վրա ± 29 կՎ լարումը, որպեսզի դրա էլեկտրական դաշտը ցածր լինի էլեկտրական խզման շեմից:Որքան ցածր է ռեզոնանսային հաճախականությունը, այնքան մեծ է կողային կենտրոնացման ուժը և այնքան փոքր է միջին արագացման դաշտը:Մեծ բացվածքի շառավիղները հնարավորություն են տալիս մեծացնել ճառագայթի չափը և, հետևաբար, մեծացնել ճառագայթի հոսանքը՝ ավելի փոքր տիեզերական լիցքի վանման պատճառով:Մյուս կողմից, ավելի մեծ բացվածքի շառավիղները պահանջում են ավելի շատ ՌԴ հզորություն RFQ linac-ը սնուցելու համար:Բացի այդ, այն սահմանափակված է կայքի որակի պահանջներով:Այս մնացորդների հիման վրա ռեզոնանսային հաճախականությունը (100 ՄՀց) և բացվածքի շառավիղը (4,5 մմ) ընտրվել են բարձր հոսանքի ճառագայթի արագացման համար:Մոդուլյացիան ընտրված է ճառագայթի կորուստը նվազագույնի հասցնելու և արագացման արդյունավետությունը առավելագույնի հասցնելու համար:Դիզայնը բազմիցս օպտիմիզացվել է, որպեսզի ստեղծվի RFQ linac դիզայն, որը կարող է արագացնել 7Li3+ իոնները 40 մԱ-ով 22 կՎ/ն-ից մինչև 204 կՎ/ն 2 մ-ի ընթացքում:Փորձի ընթացքում չափված ՌԴ հզորությունը 77 կՎտ էր։
RFQ linacs-ը կարող է արագացնել իոնները հատուկ Q/A միջակայքով:Ուստի գծային արագացուցիչի ծայրին սնվող ճառագայթը վերլուծելիս անհրաժեշտ է հաշվի առնել իզոտոպները և այլ նյութեր։Բացի այդ, ցանկալի իոնները, մասամբ արագացված, բայց արագացման պայմաններում իջած արագացուցիչի մեջտեղում, դեռ կարող են հանդիպել կողային սահմանափակման և կարող են տեղափոխվել մինչև վերջ:Անցանկալի ճառագայթները, բացի մշակված 7Li3+ մասնիկներից, կոչվում են կեղտեր:Մեր փորձերում 14N6+ և 16O7+ կեղտերը մեծագույն մտահոգություն էին առաջացնում, քանի որ լիթիումի մետաղական փայլաթիթեղը արձագանքում է օդի թթվածնի և ազոտի հետ:Այս իոնները ունեն Q/A հարաբերակցություն, որը կարելի է արագացնել 7Li3+-ով:Մենք օգտագործում ենք դիպոլային մագնիսներ՝ տարբեր որակի և որակի ճառագայթներ բաժանելու համար՝ RFQ linac-ից հետո ճառագայթների վերլուծության համար:
RFQ linac-ից հետո ճառագայթային գիծը նախատեսված է դիպոլային մագնիսից հետո ամբողջությամբ արագացված 7Li3+ ճառագայթը FC հասցնելու համար:-400 Վ կողմնակալության էլեկտրոդներ օգտագործվում են բաժակի մեջ երկրորդական էլեկտրոնները ճնշելու համար՝ իոնային ճառագայթի հոսանքը ճշգրիտ չափելու համար:Այս օպտիկայի միջոցով իոնային հետագծերը բաժանվում են դիպոլների և կենտրոնանում տարբեր վայրերում՝ կախված Q/A-ից:Տարբեր գործոնների պատճառով, ինչպիսիք են իմպուլսի դիֆուզիան և տիեզերական լիցքի վանումը, կիզակետում գտնվող ճառագայթն ունի որոշակի լայնություն:Տեսակները կարող են առանձնացվել միայն այն դեպքում, եթե երկու իոնային տեսակների կիզակետային դիրքերի միջև հեռավորությունը ավելի մեծ է, քան ճառագայթի լայնությունը:Առավելագույն հնարավոր լուծում ստանալու համար ճառագայթի գոտկատեղի մոտ տեղադրվում է հորիզոնական ճեղք, որտեղ ճառագայթը գործնականում կենտրոնացված է։Ճեղքի և ԱՀ-ի միջև տեղադրվել է ցինտիլացիոն էկրան (CsI(Tl) Saint-Gobain-ից, 40 մմ × 40 մմ × 3 մմ):Սցինտիլյատորն օգտագործվել է որոշելու ամենափոքր ճեղքը, որով պետք է անցնեին նախագծված մասնիկները՝ օպտիմալ լուծաչափման համար և ցույց տալու համար ընդունելի ճառագայթների չափսերը բարձր հոսանքի ծանր իոնային ճառագայթների համար:Ցինտիլյատորի վրա ճառագայթային պատկերը գրանցվում է CCD տեսախցիկով վակուումային պատուհանի միջոցով:Կարգավորեք ազդեցության ժամանակի պատուհանը, որպեսզի ծածկի ճառագայթի իմպուլսի ամբողջ լայնությունը:
Ընթացիկ ուսումնասիրության մեջ օգտագործված կամ վերլուծված տվյալների հավաքածուները հասանելի են համապատասխան հեղինակների կողմից ողջամիտ պահանջով:
Manke, I. et al.Մագնիսական տիրույթների եռաչափ պատկերում.Ազգային կոմունա.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010):
Անդերսոնը, IS և այլք:Արագացուցիչներում կոմպակտ նեյտրոնային աղբյուրների ուսումնասիրության հնարավորությունները:ֆիզիկա.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016 թ.):
Urchuoli, A. et al.Նեյտրոնների վրա հիմնված հաշվարկված միկրոտոմոգրաֆիա. Pliobates cataloniae և Barberapithecus huerzeleri որպես թեստային դեպքեր:Այո՛։Ջ.Ֆիզիկա.մարդաբանություն։166, 987–993 թթ.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018):