Pemasok tabung melingkar baja tahan karat 304L 6,35*1mm, Demonstrasi sinar litium yang intens untuk menghasilkan neutron langsung berdenyut

Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Slider menampilkan tiga artikel per slide.Gunakan tombol kembali dan berikutnya untuk menelusuri slide, atau tombol pengontrol slide di akhir untuk menelusuri setiap slide.

Sebagai alternatif dari studi reaktor nuklir, generator neutron kompak yang digerakkan oleh akselerator yang menggunakan penggerak berkas litium-ion mungkin merupakan kandidat yang menjanjikan karena menghasilkan sedikit radiasi yang tidak diinginkan.Namun, sulit untuk mengirimkan sinar ion litium yang kuat, dan penerapan praktis perangkat tersebut dianggap tidak mungkin.Masalah paling akut dari aliran ion yang tidak mencukupi diselesaikan dengan menerapkan skema implantasi plasma langsung.Dalam skema ini, plasma berdenyut kepadatan tinggi yang dihasilkan oleh ablasi laser pada foil logam litium secara efisien disuntikkan dan dipercepat oleh akselerator quadrupole frekuensi tinggi (akselerator RFQ).Kami telah mencapai arus pancaran puncak sebesar 35 mA yang dipercepat menjadi 1,43 MeV, yang merupakan dua kali lipat lebih tinggi daripada yang dapat disediakan oleh sistem injektor dan akselerator konvensional.
Tidak seperti sinar-X atau partikel bermuatan, neutron memiliki kedalaman penetrasi yang besar dan interaksi unik dengan materi terkondensasi, menjadikannya probe yang sangat serbaguna untuk mempelajari sifat-sifat material1,2,3,4,5,6,7.Secara khusus, teknik hamburan neutron umumnya digunakan untuk mempelajari komposisi, struktur, dan tekanan internal pada zat terkondensasi dan dapat memberikan informasi rinci mengenai senyawa jejak dalam paduan logam yang sulit dideteksi menggunakan spektroskopi sinar-X8.Metode ini dianggap sebagai alat yang ampuh dalam ilmu pengetahuan dasar dan digunakan oleh produsen logam dan bahan lainnya.Baru-baru ini, difraksi neutron telah digunakan untuk mendeteksi tegangan sisa pada komponen mekanis seperti bagian kereta api dan pesawat9,10,11,12.Neutron juga digunakan dalam sumur minyak dan gas karena mudah ditangkap oleh bahan kaya proton13.Metode serupa juga digunakan dalam teknik sipil.Pengujian neutron non-destruktif adalah alat yang efektif untuk mendeteksi kesalahan tersembunyi pada bangunan, terowongan, dan jembatan.Penggunaan berkas neutron secara aktif digunakan dalam penelitian ilmiah dan industri, banyak di antaranya secara historis dikembangkan menggunakan reaktor nuklir.
Namun, dengan konsensus global mengenai non-proliferasi nuklir, membangun reaktor kecil untuk tujuan penelitian menjadi semakin sulit.Terlebih lagi, kecelakaan di Fukushima baru-baru ini telah membuat pembangunan reaktor nuklir hampir dapat diterima secara sosial.Sehubungan dengan tren ini, permintaan sumber neutron pada akselerator semakin meningkat2.Sebagai alternatif pengganti reaktor nuklir, beberapa sumber neutron pemecah akselerator besar sudah beroperasi14,15.Namun, untuk penggunaan sifat-sifat berkas neutron yang lebih efisien, perlu untuk memperluas penggunaan sumber kompak pada akselerator, 16 yang mungkin dimiliki oleh lembaga penelitian industri dan universitas.Sumber neutron akselerator telah menambah kemampuan dan fungsi baru selain berfungsi sebagai pengganti reaktor nuklir14.Misalnya, generator yang digerakkan oleh linac dapat dengan mudah membuat aliran neutron dengan memanipulasi berkas penggerak.Setelah dipancarkan, neutron sulit dikendalikan dan pengukuran radiasi sulit dianalisis karena kebisingan yang ditimbulkan oleh neutron latar belakang.Neutron berdenyut yang dikendalikan oleh akselerator menghindari masalah ini.Beberapa proyek berdasarkan teknologi akselerator proton telah diusulkan di seluruh dunia17,18,19.Reaksi 7Li(p, n)7Be dan 9Be(p, n)9B paling sering digunakan dalam generator neutron kompak yang digerakkan oleh proton karena merupakan reaksi endotermik20.Kelebihan radiasi dan limbah radioaktif dapat diminimalkan jika energi yang dipilih untuk mengeksitasi berkas proton sedikit di atas nilai ambang batas.Namun, massa inti target jauh lebih besar daripada massa proton, dan neutron yang dihasilkan tersebar ke segala arah.Emisi fluks neutron yang mendekati isotropik mencegah pengangkutan neutron yang efisien ke objek penelitian.Selain itu, untuk mendapatkan dosis neutron yang dibutuhkan di lokasi suatu benda, perlu ditingkatkan secara signifikan baik jumlah proton yang bergerak maupun energinya.Akibatnya, sinar gamma dan neutron dalam dosis besar akan merambat melalui sudut yang besar, sehingga merusak keunggulan reaksi endotermik.Generator neutron kompak berbasis proton yang digerakkan oleh akselerator memiliki pelindung radiasi yang kuat dan merupakan bagian paling besar dari sistem.Kebutuhan untuk meningkatkan energi penggerak proton biasanya memerlukan tambahan peningkatan ukuran fasilitas akselerator.
Untuk mengatasi kekurangan umum sumber neutron kompak konvensional pada akselerator, skema reaksi kinematik inversi diusulkan21.Dalam skema ini, berkas litium-ion yang lebih berat digunakan sebagai berkas pemandu, bukan berkas proton, dan menargetkan material kaya hidrogen seperti plastik hidrokarbon, hidrida, gas hidrogen, atau plasma hidrogen.Alternatif telah dipertimbangkan, seperti sinar yang digerakkan oleh ion berilium, namun berilium adalah zat beracun yang memerlukan perawatan khusus dalam penanganannya.Oleh karena itu, berkas litium adalah yang paling cocok untuk skema reaksi inversi-kinematika.Karena momentum inti litium lebih besar daripada momentum proton, pusat massa tumbukan nuklir terus bergerak maju, dan neutron juga dipancarkan ke depan.Fitur ini sangat menghilangkan sinar gamma yang tidak diinginkan dan emisi neutron sudut tinggi22.Perbandingan kasus biasa mesin proton dan skenario kinematika terbalik ditunjukkan pada Gambar 1.
Ilustrasi sudut produksi neutron untuk berkas proton dan litium (digambar dengan Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutron dapat terlempar ke segala arah sebagai akibat dari reaksi karena fakta bahwa proton yang bergerak mengenai atom target litium yang jauh lebih berat.(b) Sebaliknya, jika penggerak lithium-ion membombardir target yang kaya hidrogen, neutron akan dihasilkan dalam kerucut sempit ke arah depan karena kecepatan pusat massa sistem yang tinggi.
Namun, hanya sedikit generator neutron kinematik terbalik yang ada karena sulitnya menghasilkan fluks ion berat yang dibutuhkan dengan muatan tinggi dibandingkan proton.Semua pabrik ini menggunakan sumber ion sputter negatif yang dikombinasikan dengan akselerator elektrostatis tandem.Jenis sumber ion lain telah diusulkan untuk meningkatkan efisiensi percepatan berkas26.Bagaimanapun, arus berkas litium-ion yang tersedia dibatasi hingga 100 µA.Telah diusulkan untuk menggunakan 1 mA Li3+27, namun arus berkas ion ini belum dikonfirmasi dengan metode ini.Dari segi intensitas, akselerator berkas litium tidak mampu bersaing dengan akselerator berkas proton yang arus puncak protonnya melebihi 10 mA28.
Untuk menerapkan generator neutron kompak praktis berdasarkan berkas litium-ion, akan bermanfaat jika menghasilkan intensitas tinggi yang sama sekali tanpa ion.Ion-ion tersebut dipercepat dan dipandu oleh gaya elektromagnetik, dan tingkat muatan yang lebih tinggi menghasilkan percepatan yang lebih efisien.Driver berkas Li-ion memerlukan arus puncak Li3+ yang melebihi 10 mA.
Dalam karya ini, kami mendemonstrasikan percepatan berkas Li3+ dengan arus puncak hingga 35 mA, yang sebanding dengan akselerator proton canggih.Sinar ion litium asli dibuat menggunakan ablasi laser dan Skema Implantasi Plasma Langsung (DPIS) yang awalnya dikembangkan untuk mempercepat C6+.Linac quadrupole frekuensi radio (RFQ linac) yang dirancang khusus dibuat menggunakan struktur resonansi empat batang.Kami telah memverifikasi bahwa berkas percepatan memiliki energi berkas dengan kemurnian tinggi yang dihitung.Setelah berkas Li3+ ditangkap dan dipercepat secara efektif oleh akselerator frekuensi radio (RF), bagian linac (akselerator) berikutnya digunakan untuk menyediakan energi yang diperlukan untuk menghasilkan fluks neutron yang kuat dari target.
Akselerasi ion berkinerja tinggi adalah teknologi yang sudah mapan.Tugas tersisa untuk mewujudkan generator neutron kompak baru yang sangat efisien adalah menghasilkan sejumlah besar ion litium yang terkelupas seluruhnya dan membentuk struktur cluster yang terdiri dari serangkaian pulsa ion yang disinkronkan dengan siklus RF di akselerator.Hasil percobaan yang dirancang untuk mencapai tujuan ini dijelaskan dalam tiga subbagian berikut: (1) pembuatan berkas litium-ion yang sama sekali tidak ada, (2) percepatan berkas menggunakan linac RFQ yang dirancang khusus, dan (3) percepatan analisis balok untuk memeriksa isinya.Di Brookhaven National Laboratory (BNL), kami membuat pengaturan eksperimental yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Ikhtisar pengaturan eksperimental untuk percepatan analisis berkas litium (diilustrasikan oleh Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Dari kanan ke kiri, plasma laser-ablatif dihasilkan di ruang interaksi target laser dan dikirim ke linac RFQ.Saat memasuki akselerator RFQ, ion-ion dipisahkan dari plasma dan disuntikkan ke dalam akselerator RFQ melalui medan listrik mendadak yang diciptakan oleh perbedaan tegangan 52 kV antara elektroda ekstraksi dan elektroda RFQ di wilayah drift.Ion yang diekstraksi dipercepat dari 22 keV/n menjadi 204 keV/n menggunakan elektroda RFQ sepanjang 2 meter.Transformator arus (CT) yang dipasang pada keluaran linac RFQ menyediakan pengukuran arus berkas ion yang non-destruktif.Berkas tersebut difokuskan oleh tiga magnet kuadrupol dan diarahkan ke magnet dipol, yang memisahkan dan mengarahkan berkas Li3+ ke dalam detektor.Di belakang celah tersebut, sintilator plastik yang dapat ditarik dan cangkir Faraday (FC) dengan bias hingga -400 V digunakan untuk mendeteksi berkas percepatan.
Untuk menghasilkan ion litium yang terionisasi penuh (Li3+), perlu dibuat plasma dengan suhu di atas energi ionisasi ketiganya (122,4 eV).Kami mencoba menggunakan ablasi laser untuk menghasilkan plasma bersuhu tinggi.Sumber ion laser jenis ini tidak umum digunakan untuk menghasilkan berkas ion litium karena logam litium bersifat reaktif dan memerlukan penanganan khusus.Kami telah mengembangkan sistem pemuatan target untuk meminimalkan kontaminasi kelembapan dan udara saat memasang litium foil di ruang interaksi laser vakum.Semua persiapan bahan dilakukan dalam lingkungan argon kering yang terkendali.Setelah litium foil dipasang di ruang target laser, foil tersebut diiradiasi dengan radiasi laser Nd:YAG berdenyut dengan energi 800 mJ per pulsa.Pada fokus target, kepadatan daya laser diperkirakan sekitar 1012 W/cm2.Plasma tercipta ketika laser berdenyut menghancurkan target dalam ruang hampa.Selama seluruh pulsa laser 6 ns, plasma terus memanas, terutama karena proses bremsstrahlung terbalik.Karena tidak ada medan luar yang membatasi yang diterapkan selama fase pemanasan, plasma mulai mengembang dalam tiga dimensi.Ketika plasma mulai mengembang di atas permukaan target, pusat massa plasma memperoleh kecepatan tegak lurus permukaan target dengan energi 600 eV/n.Setelah pemanasan, plasma terus bergerak dalam arah aksial dari target, mengembang secara isotropis.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, plasma ablasi mengembang menjadi volume vakum yang dikelilingi oleh wadah logam dengan potensi yang sama dengan target.Dengan demikian, plasma melayang melalui wilayah bebas medan menuju akselerator RFQ.Medan magnet aksial diterapkan antara ruang iradiasi laser dan linac RFQ melalui kumparan solenoid yang dililitkan di sekitar ruang vakum.Medan magnet solenoid menekan ekspansi radial plasma yang melayang untuk mempertahankan kepadatan plasma yang tinggi selama pengiriman ke bukaan RFQ.Di sisi lain, plasma terus mengembang ke arah aksial selama penyimpangan, membentuk plasma memanjang.Bias tegangan tinggi diterapkan pada bejana logam berisi plasma di depan port keluar pada saluran masuk RFQ.Tegangan bias dipilih untuk memberikan laju injeksi 7Li3+ yang diperlukan untuk akselerasi yang tepat oleh linac RFQ.
Plasma ablasi yang dihasilkan tidak hanya mengandung 7Li3+, tetapi juga litium dalam kondisi muatan lain dan elemen polutan, yang secara bersamaan diangkut ke akselerator linier RFQ.Sebelum percobaan yang dipercepat menggunakan RFQ linac, analisis waktu penerbangan offline (TOF) dilakukan untuk mempelajari komposisi dan distribusi energi ion dalam plasma.Pengaturan analitik terperinci dan distribusi status muatan yang diamati dijelaskan di bagian Metode.Analisis menunjukkan bahwa ion 7Li3+ merupakan partikel utama, terhitung sekitar 54% dari seluruh partikel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Menurut analisis, arus ion 7Li3+ pada titik keluaran berkas ion diperkirakan sebesar 1,87 mA.Selama pengujian yang dipercepat, medan solenoid 79 mT diterapkan pada plasma yang mengembang.Hasilnya, arus 7Li3+ yang diekstraksi dari plasma dan diamati pada detektor meningkat sebesar 30 kali lipat.
Fraksi ion dalam plasma yang dihasilkan laser diperoleh dengan analisis waktu penerbangan.Ion 7Li1+ dan 7Li2+ masing-masing membentuk 5% dan 25% berkas ion.Fraksi partikel 6Li yang terdeteksi sesuai dengan kandungan alami 6Li (7,6%) dalam target litium foil dalam kesalahan eksperimen.Sedikit kontaminasi oksigen (6,2%) diamati, terutama O1+ (2,1%) dan O2+ (1,5%), yang mungkin disebabkan oleh oksidasi permukaan target litium foil.
Seperti disebutkan sebelumnya, plasma litium melayang di wilayah tanpa medan sebelum memasuki linac RFQ.Input RFQ linac memiliki lubang berdiameter 6 mm pada wadah logam, dan tegangan bias 52 kV.Meskipun tegangan elektroda RFQ berubah dengan cepat ±29 kV pada 100 MHz, tegangan tersebut menyebabkan percepatan aksial karena elektroda akselerator RFQ mempunyai potensial rata-rata nol.Karena medan listrik kuat yang dihasilkan dalam celah 10 mm antara bukaan dan tepi elektroda RFQ, hanya ion plasma positif yang diekstraksi dari plasma pada bukaan.Dalam sistem pengiriman ion tradisional, ion dipisahkan dari plasma oleh medan listrik pada jarak yang cukup jauh di depan akselerator RFQ dan kemudian difokuskan ke dalam bukaan RFQ oleh elemen pemfokusan sinar.Namun, untuk berkas ion berat intens yang diperlukan untuk sumber neutron intens, gaya tolak non-linier akibat efek muatan ruang dapat menyebabkan hilangnya arus berkas secara signifikan dalam sistem transpor ion, sehingga membatasi arus puncak yang dapat dipercepat.Dalam DPIS kami, ion berintensitas tinggi diangkut sebagai plasma yang melayang langsung ke titik keluar bukaan RFQ, sehingga tidak ada hilangnya berkas ion karena muatan ruang.Selama demonstrasi ini, DPIS diaplikasikan pada sinar lithium-ion untuk pertama kalinya.
Struktur RFQ dikembangkan untuk memfokuskan dan mempercepat berkas ion arus tinggi berenergi rendah dan telah menjadi standar untuk percepatan orde pertama.Kami menggunakan RFQ untuk mempercepat ion 7Li3+ dari energi implan 22 keV/n menjadi 204 keV/n.Meskipun litium dan partikel lain dengan muatan lebih rendah dalam plasma juga diekstraksi dari plasma dan disuntikkan ke dalam bukaan RFQ, linac RFQ hanya mempercepat ion dengan rasio muatan terhadap massa (Q/A) mendekati 7Li3+.
Pada gambar.Gambar 4 menunjukkan bentuk gelombang yang terdeteksi oleh transformator arus (CT) pada keluaran RFQ linac dan cangkir Faraday (FC) setelah menganalisis magnet, seperti yang ditunjukkan pada gambar.2. Pergeseran waktu antar sinyal dapat diartikan sebagai perbedaan waktu terbang pada lokasi detektor.Arus ion puncak yang diukur pada CT adalah 43 mA.Pada posisi RT, pancaran yang tercatat tidak hanya mengandung ion-ion yang dipercepat hingga mencapai energi yang dihitung, tetapi juga ion-ion selain 7Li3+, yang tidak dipercepat secara memadai.Namun, kesamaan bentuk arus ion yang ditemukan melalui QD dan PC menunjukkan bahwa arus ion sebagian besar terdiri dari percepatan 7Li3+, dan penurunan nilai puncak arus pada PC disebabkan oleh hilangnya berkas selama transfer ion antara QD dan PC. komputer.Kerugian Hal ini juga dikonfirmasi oleh simulasi envelope.Untuk mengukur arus berkas 7Li3+ secara akurat, berkas tersebut dianalisis dengan magnet dipol seperti dijelaskan pada bagian berikutnya.
Osilogram berkas percepatan dicatat pada posisi detektor CT (kurva hitam) dan FC (kurva merah).Pengukuran ini dipicu oleh deteksi radiasi laser oleh fotodetektor selama pembuatan plasma laser.Kurva hitam menunjukkan bentuk gelombang yang diukur pada CT yang terhubung ke output linac RFQ.Karena kedekatannya dengan RFQ linac, detektor menangkap noise RF 100 MHz, sehingga filter FFT low pass 98 MHz diterapkan untuk menghilangkan sinyal RF resonansi 100 MHz yang ditumpangkan pada sinyal deteksi.Kurva merah menunjukkan bentuk gelombang pada FC setelah magnet analitik mengarahkan berkas ion 7Li3+.Dalam medan magnet ini, selain 7Li3+, N6+ dan O7+ dapat diangkut.
Berkas ion setelah linac RFQ difokuskan oleh serangkaian tiga magnet pemfokusan kuadrupol dan kemudian dianalisis dengan magnet dipol untuk mengisolasi pengotor dalam berkas ion.Medan magnet 0,268 T mengarahkan berkas 7Li3+ ke FC.Bentuk gelombang deteksi medan magnet ini ditunjukkan sebagai kurva merah pada Gambar 4. Arus pancaran puncak mencapai 35 mA, yang lebih dari 100 kali lebih tinggi dibandingkan pancaran sinar Li3+ yang dihasilkan pada akselerator elektrostatik konvensional yang ada.Lebar pulsa pancaran adalah 2,0 µs pada lebar penuh dan setengah maksimum.Deteksi berkas 7Li3+ dengan medan magnet dipol menunjukkan keberhasilan pengelompokan dan percepatan berkas.Arus berkas ion yang terdeteksi oleh FC saat memindai medan magnet dipol ditunjukkan pada Gambar. 5. Sebuah puncak tunggal yang bersih diamati, terpisah dengan baik dari puncak lainnya.Karena semua ion yang dipercepat ke energi desain oleh RFQ linac memiliki kecepatan yang sama, berkas ion dengan Q/A yang sama sulit dipisahkan oleh medan magnet dipol.Oleh karena itu, kita tidak dapat membedakan 7Li3+ dari N6+ atau O7+.Namun, jumlah pengotor dapat diperkirakan dari keadaan muatan di sekitarnya.Misalnya, N7+ dan N5+ dapat dengan mudah dipisahkan, sedangkan N6+ ​​mungkin merupakan bagian dari pengotor dan diharapkan terdapat dalam jumlah yang kira-kira sama dengan N7+ dan N5+.Perkiraan tingkat polusi sekitar 2%.
Spektrum komponen berkas diperoleh dengan memindai medan magnet dipol.Puncaknya pada 0,268 T setara dengan 7Li3+ dan N6+.Lebar puncak tergantung pada besar kecilnya balok pada celah.Meskipun puncaknya lebar, 7Li3+ dapat terpisah dengan baik dari 6Li3+, O6+, dan N5+, namun sulit dipisahkan dari O7+ dan N6+.
Di lokasi FC, profil sinar dikonfirmasi dengan sintilator plug-in dan direkam dengan kamera digital cepat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Sinar berdenyut 7Li3+ dengan arus 35 mA ditunjukkan dipercepat hingga RFQ yang dihitung energi 204 keV/n, yang setara dengan 1,4 MeV, dan ditransmisikan ke detektor FC.
Profil sinar diamati pada layar sintilator pra-FC (diwarnai oleh Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Medan magnet magnet dipol analitik disetel untuk mengarahkan percepatan berkas ion Li3+ ke energi desain RFQ.Titik-titik biru di area hijau disebabkan oleh bahan sintilator yang rusak.
Kami mencapai pembentukan ion 7Li3+ melalui ablasi laser pada permukaan foil litium padat, dan berkas ion arus tinggi ditangkap dan dipercepat dengan linac RFQ yang dirancang khusus menggunakan DPIS.Pada energi pancaran 1,4 MeV, arus puncak 7Li3+ yang dicapai pada FC setelah analisis magnet adalah 35 mA.Hal ini menegaskan bahwa bagian terpenting dari implementasi sumber neutron dengan kinematika terbalik telah dilaksanakan secara eksperimental.Pada bagian makalah ini, keseluruhan desain sumber neutron kompak akan dibahas, termasuk akselerator energi tinggi dan stasiun target neutron.Perancangan didasarkan pada hasil yang diperoleh dengan sistem yang ada di laboratorium kami.Perlu dicatat bahwa arus puncak berkas ion dapat lebih ditingkatkan dengan memperpendek jarak antara litium foil dan linac RFQ.Beras.Gambar 7 mengilustrasikan keseluruhan konsep sumber neutron kompak yang diusulkan pada akselerator.
Desain konseptual dari sumber neutron kompak yang diusulkan pada akselerator (digambar oleh Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Dari kanan ke kiri: sumber ion laser, magnet solenoid, RFQ linac, medium energy beam transfer (MEBT), IH linac, dan ruang interaksi untuk pembangkitan neutron.Proteksi radiasi diberikan terutama pada arah depan karena sifat pancaran neutron yang dihasilkan memiliki arah yang sempit.
Setelah linac RFQ, akselerasi lebih lanjut dari linac Inter-digital H-structure (IH linac)30 direncanakan.Linac IH menggunakan struktur tabung drift mode π untuk memberikan gradien medan listrik yang tinggi pada rentang kecepatan tertentu.Kajian konseptual dilakukan berdasarkan simulasi dinamika longitudinal 1D dan simulasi cangkang 3D.Perhitungan menunjukkan bahwa linac IH 100 MHz dengan tegangan tabung drift yang wajar (kurang dari 450 kV) dan magnet pemfokusan yang kuat dapat mempercepat berkas 40 mA dari 1,4 menjadi 14 MeV pada jarak 1,8 m.Distribusi energi pada ujung rantai akselerator diperkirakan sebesar ± 0,4 MeV, sehingga tidak mempengaruhi spektrum energi neutron yang dihasilkan oleh target konversi neutron secara signifikan.Selain itu, emisivitas berkas cukup rendah untuk memfokuskan berkas ke titik berkas yang lebih kecil daripada yang biasanya diperlukan untuk magnet kuadrupol berkekuatan dan berukuran sedang.Dalam transmisi sinar energi menengah (MEBT) antara linac RFQ dan linac IH, resonator pembentuk sinar digunakan untuk mempertahankan struktur pembentuk sinar.Tiga magnet quadrupole digunakan untuk mengontrol ukuran sinar samping.Strategi desain ini telah digunakan di banyak akselerator31,32,33.Panjang total keseluruhan sistem dari sumber ion hingga ruang target diperkirakan kurang dari 8 m, yang dapat ditampung dalam truk semi-trailer standar.
Target konversi neutron akan dipasang langsung setelah akselerator linier.Kami membahas desain stasiun target berdasarkan penelitian sebelumnya menggunakan skenario kinematik terbalik23.Target konversi yang dilaporkan mencakup bahan padat (polipropilena (C3H6) dan titanium hidrida (TiH2)) dan sistem target gas.Setiap tujuan mempunyai kelebihan dan kekurangan.Target padat memungkinkan kontrol ketebalan yang tepat.Semakin tipis targetnya, semakin akurat penataan ruang produksi neutron.Namun, target tersebut mungkin masih memiliki reaksi nuklir dan radiasi yang tidak diinginkan.Di sisi lain, target hidrogen dapat menciptakan lingkungan yang lebih bersih dengan menghilangkan produksi 7Be, produk utama reaksi nuklir.Namun, hidrogen memiliki kemampuan penghalang yang lemah dan memerlukan jarak fisik yang jauh untuk melepaskan energi yang cukup.Hal ini sedikit merugikan untuk pengukuran TOF.Selain itu, jika film tipis digunakan untuk menyegel target hidrogen, kehilangan energi sinar gamma yang dihasilkan oleh film tipis dan sinar litium yang terjadi perlu diperhitungkan.
LICORNE menggunakan target polipropilen dan sistem target telah ditingkatkan menjadi sel hidrogen yang disegel dengan foil tantalum.Dengan asumsi arus pancaran 100 nA untuk 7Li34, kedua sistem target dapat menghasilkan hingga 107 n/s/sr.Jika kita menerapkan konversi hasil neutron yang diklaim ini ke sumber neutron yang diusulkan, maka sinar yang digerakkan litium sebesar 7 × 10–8 C dapat diperoleh untuk setiap pulsa laser.Artinya, menembakkan laser sebanyak dua kali per detik akan menghasilkan 40% lebih banyak neutron dibandingkan yang dapat dihasilkan LICORNE dalam satu detik dengan pancaran sinar kontinu.Fluks total dapat dengan mudah ditingkatkan dengan meningkatkan frekuensi eksitasi laser.Jika kita berasumsi bahwa terdapat sistem laser 1 kHz di pasaran, fluks neutron rata-rata dapat dengan mudah ditingkatkan hingga sekitar 7 × 109 n/s/sr.
Ketika kita menggunakan sistem tingkat pengulangan yang tinggi dengan target plastik, maka perlu untuk mengontrol pembangkitan panas pada target karena, misalnya, polipropilen memiliki titik leleh rendah yaitu 145–175 °C dan konduktivitas termal rendah sebesar 0,1–0,22 W/ m/K.Untuk berkas litium-ion 14 MeV, target polipropilena setebal 7 µm cukup untuk mengurangi energi berkas hingga ambang batas reaksi (13,098 MeV).Dengan mempertimbangkan efek total ion yang dihasilkan oleh satu tembakan laser pada target, pelepasan energi ion litium melalui polipropilena diperkirakan mencapai 64 mJ/pulsa.Dengan asumsi bahwa seluruh energi ditransfer dalam lingkaran dengan diameter 10 mm, setiap pulsa berhubungan dengan kenaikan suhu sekitar 18 K/pulsa.Pelepasan energi pada target polipropilen didasarkan pada asumsi sederhana bahwa seluruh energi yang hilang disimpan sebagai panas, tanpa radiasi atau kehilangan panas lainnya.Karena peningkatan jumlah pulsa per detik memerlukan penghapusan penumpukan panas, kita dapat menggunakan target strip untuk menghindari pelepasan energi pada titik yang sama23.Dengan asumsi titik sinar 10 mm pada target dengan tingkat pengulangan laser 100 Hz, kecepatan pemindaian pita polipropilen akan menjadi 1 m/s.Tingkat pengulangan yang lebih tinggi dimungkinkan jika titik sinar tumpang tindih diperbolehkan.
Kami juga menyelidiki target dengan baterai hidrogen, karena pancaran sinar yang lebih kuat dapat digunakan tanpa merusak target.Sinar neutron dapat dengan mudah disetel dengan mengubah panjang kamar gas dan tekanan hidrogen di dalamnya.Foil logam tipis sering digunakan dalam akselerator untuk memisahkan daerah gas target dari ruang hampa.Oleh karena itu, energi pancaran sinar lithium-ion perlu ditingkatkan untuk mengkompensasi kehilangan energi pada foil.Rakitan target yang dijelaskan pada laporan 35 terdiri dari wadah aluminium panjang 3,5 cm dengan tekanan gas H2 1,5 atm.Berkas ion litium 16,75 MeV memasuki baterai melalui foil Ta 2,7 µm berpendingin udara, dan energi berkas ion litium di ujung baterai diperlambat hingga ambang batas reaksi.Untuk meningkatkan energi pancaran baterai lithium-ion dari 14,0 MeV menjadi 16,75 MeV, IH linac harus diperpanjang sekitar 30 cm.
Emisi neutron dari target sel gas juga dipelajari.Untuk target gas LICORNE yang disebutkan di atas, simulasi GEANT436 menunjukkan bahwa neutron dengan orientasi tinggi dihasilkan di dalam kerucut, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 di [37].Referensi 35 menunjukkan kisaran energi dari 0,7 hingga 3,0 MeV dengan bukaan kerucut maksimum 19,5° relatif terhadap arah rambat berkas utama.Neutron yang berorientasi tinggi dapat secara signifikan mengurangi jumlah material pelindung di sebagian besar sudut, mengurangi berat struktur dan memberikan fleksibilitas yang lebih besar dalam pemasangan peralatan pengukuran.Dari sudut pandang proteksi radiasi, selain neutron, target gas ini memancarkan sinar gamma 478 keV secara isotropis pada sistem koordinat pusat massa38.Sinar γ ini dihasilkan sebagai hasil peluruhan 7Be dan deeksitasi 7Li, yang terjadi ketika berkas Li primer mengenai jendela masukan Ta.Namun, dengan menambahkan kolimator silinder tebal 35 Pb/Cu, latar belakang dapat dikurangi secara signifikan.
Sebagai target alternatif, seseorang dapat menggunakan jendela plasma [39, 40], yang memungkinkan untuk mencapai tekanan hidrogen yang relatif tinggi dan wilayah spasial kecil untuk menghasilkan neutron, meskipun lebih rendah daripada target padat.
Kami sedang menyelidiki opsi penargetan konversi neutron untuk distribusi energi yang diharapkan dan ukuran berkas berkas ion litium menggunakan GEANT4.Simulasi kami menunjukkan distribusi energi neutron dan distribusi sudut yang konsisten untuk target hidrogen dalam literatur di atas.Dalam sistem target mana pun, neutron dengan orientasi tinggi dapat dihasilkan melalui reaksi kinematik terbalik yang didorong oleh sinar 7Li3+ yang kuat pada target kaya hidrogen.Oleh karena itu, sumber neutron baru dapat diimplementasikan dengan menggabungkan teknologi yang sudah ada.
Kondisi iradiasi laser mereproduksi eksperimen pembangkitan berkas ion sebelum demonstrasi yang dipercepat.Laser ini adalah sistem Nd:YAG nanodetik desktop dengan kepadatan daya laser 1012 W/cm2, panjang gelombang dasar 1064 nm, energi titik 800 mJ, dan durasi pulsa 6 ns.Diameter titik pada target diperkirakan 100 µm.Karena logam litium (Alfa Aesar, 99,9% murni) cukup lunak, bahan yang dipotong secara presisi ditekan ke dalam cetakan.Dimensi foil 25 mm × 25 mm, tebal 0,6 mm.Kerusakan seperti kawah terjadi pada permukaan target ketika laser mengenainya, sehingga target digerakkan oleh platform bermotor untuk memberikan porsi baru pada permukaan target dengan setiap tembakan laser.Untuk menghindari rekombinasi akibat gas sisa, tekanan di dalam ruangan dijaga di bawah kisaran 10-4 Pa.
Volume awal plasma laser kecil, karena ukuran titik laser adalah 100 μm dan dalam waktu 6 ns setelah pembuatannya.Volume dapat diambil sebagai titik eksak dan diperluas.Jika detektor ditempatkan pada jarak xm dari permukaan target, maka sinyal yang diterima mengikuti hubungan: arus ion I, waktu kedatangan ion t, dan lebar pulsa τ.
Plasma yang dihasilkan dipelajari dengan metode TOF dengan FC dan Energy Ion Analyzer (EIA) yang terletak pada jarak 2,4 m dan 3,85 m dari target laser.FC memiliki jaringan penekan yang bias sebesar -5 kV untuk mencegah elektron.EIA memiliki deflektor elektrostatis 90 derajat yang terdiri dari dua elektroda silinder logam koaksial dengan tegangan yang sama tetapi polaritasnya berlawanan, positif di bagian luar dan negatif di bagian dalam.Plasma yang mengembang diarahkan ke deflektor di belakang slot dan dibelokkan oleh medan listrik yang melewati silinder.Ion yang memenuhi hubungan E/z = eKU dideteksi menggunakan Secondary Electron Multiplier (SEM) (Hamamatsu R2362), dimana E, z, e, K, dan U adalah energi ion, keadaan muatan, dan muatan merupakan faktor geometri EIA .elektron, masing-masing, dan beda potensial antara elektroda.Dengan mengubah tegangan pada deflektor, seseorang dapat memperoleh distribusi energi dan muatan ion dalam plasma.Tegangan sapuan U/2 EIA berada dalam kisaran dari 0,2 V hingga 800 V, yang setara dengan energi ion dalam kisaran dari 4 eV hingga 16 keV per keadaan pengisian.
Distribusi keadaan muatan ion yang dianalisis di bawah kondisi iradiasi laser yang dijelaskan pada bagian “Pembuatan sinar litium yang terlucuti sepenuhnya” ditunjukkan pada Gambar.8.
Analisis distribusi keadaan muatan ion.Berikut adalah profil waktu rapat arus ion yang dianalisis dengan EIA dan diskalakan pada jarak 1 m dari litium foil menggunakan persamaan.(1) dan (2).Gunakan kondisi iradiasi laser yang dijelaskan di bagian “Pembuatan Sinar Lithium yang Terkelupas Sepenuhnya”.Dengan mengintegrasikan setiap kepadatan arus, proporsi ion dalam plasma dihitung, ditunjukkan pada Gambar 3.
Sumber ion laser dapat menghasilkan sinar ion multi-mA yang intens dengan muatan tinggi.Namun pengiriman sinar sangat sulit karena tolakan muatan ruang, sehingga tidak digunakan secara luas.Dalam skema tradisional, berkas ion diekstraksi dari plasma dan diangkut ke akselerator utama sepanjang garis berkas dengan beberapa magnet pemfokusan untuk membentuk berkas ion sesuai dengan kemampuan pengambilan akselerator.Dalam berkas gaya muatan ruang, berkasnya menyimpang secara non-linier, dan terjadi kehilangan berkas yang serius, terutama di wilayah dengan kecepatan rendah.Untuk mengatasi masalah ini dalam pengembangan akselerator karbon medis, diusulkan skema pengiriman sinar DPIS41 yang baru.Kami telah menerapkan teknik ini untuk mempercepat pancaran sinar litium-ion yang kuat dari sumber neutron baru.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar.4, ruang di mana plasma dihasilkan dan diperluas dikelilingi oleh wadah logam.Ruang tertutup meluas hingga pintu masuk resonator RFQ, termasuk volume di dalam kumparan solenoid.Tegangan 52 kV diterapkan ke wadah.Pada resonator RFQ, ion ditarik secara potensial melalui lubang berdiameter 6 mm dengan membumikan RFQ.Gaya tolak-menolak nonlinier pada garis pancaran dihilangkan ketika ion-ion diangkut dalam keadaan plasma.Selain itu, seperti disebutkan di atas, kami menerapkan medan solenoid yang dikombinasikan dengan DPIS untuk mengontrol dan meningkatkan kepadatan ion di celah ekstraksi.
Akselerator RFQ terdiri dari ruang vakum silinder seperti yang ditunjukkan pada gambar.9a.Di dalamnya, empat batang tembaga bebas oksigen ditempatkan segi empat secara simetris di sekitar sumbu berkas (Gbr. 9b).4 batang dan ruang membentuk sirkuit RF resonansi.Medan RF yang diinduksi menciptakan tegangan yang bervariasi terhadap waktu di seluruh batang.Ion-ion yang ditanam secara longitudinal di sekeliling sumbu ditahan secara lateral oleh medan kuadrupol.Pada saat yang sama, ujung batang dimodulasi untuk menciptakan medan listrik aksial.Medan aksial membagi berkas kontinu yang disuntikkan menjadi serangkaian pulsa berkas yang disebut berkas.Setiap sinar terkandung dalam waktu siklus RF tertentu (10 ns).Sinar yang berdekatan diberi jarak sesuai dengan periode frekuensi radio.Dalam RFQ linac, berkas 2 µs dari sumber ion laser diubah menjadi rangkaian 200 berkas.Sinar tersebut kemudian dipercepat hingga mencapai energi yang dihitung.
RFQ akselerator linier.(a) (kiri) Tampak luar ruang linac RFQ.(b) (kanan) Elektroda empat batang di dalam ruangan.
Parameter desain utama linac RFQ adalah tegangan batang, frekuensi resonansi, radius lubang pancaran, dan modulasi elektroda.Pilih tegangan pada batang ± 29 kV agar medan listriknya berada di bawah ambang tembus listrik.Semakin rendah frekuensi resonansi, semakin besar gaya pemfokusan lateral dan semakin kecil medan percepatan rata-rata.Jari-jari bukaan yang besar memungkinkan peningkatan ukuran berkas dan, akibatnya, meningkatkan arus berkas karena tolakan muatan ruang yang lebih kecil.Di sisi lain, jari-jari aperture yang lebih besar memerlukan lebih banyak daya RF untuk memberi daya pada linac RFQ.Selain itu, dibatasi oleh persyaratan kualitas situs.Berdasarkan keseimbangan ini, frekuensi resonansi (100 MHz) dan radius bukaan (4,5 mm) dipilih untuk percepatan pancaran arus tinggi.Modulasi dipilih untuk meminimalkan kehilangan sinar dan memaksimalkan efisiensi akselerasi.Desain tersebut telah dioptimalkan berkali-kali untuk menghasilkan desain linac RFQ yang dapat mempercepat ion 7Li3+ pada 40 mA dari 22 keV/n menjadi 204 keV/n dalam jarak 2 m.Daya RF yang diukur selama percobaan adalah 77 kW.
Linac RFQ dapat mempercepat ion dengan rentang Q/A tertentu.Oleh karena itu, ketika menganalisis berkas yang diumpankan ke ujung akselerator linier, isotop dan zat lainnya perlu diperhitungkan.Selain itu, ion-ion yang diinginkan, yang dipercepat sebagian, tetapi turun pada kondisi percepatan di tengah-tengah akselerator, masih dapat memenuhi kurungan lateral dan dapat diangkut sampai akhir.Sinar yang tidak diinginkan selain partikel 7Li3+ yang direkayasa disebut pengotor.Dalam percobaan kami, pengotor 14N6+ dan 16O7+ menjadi perhatian terbesar, karena foil logam litium bereaksi dengan oksigen dan nitrogen di udara.Ion-ion ini mempunyai rasio Q/A yang dapat dipercepat dengan 7Li3+.Kami menggunakan magnet dipol untuk memisahkan berkas dengan kualitas dan kualitas berbeda untuk analisis berkas setelah linac RFQ.
Garis berkas setelah linac RFQ dirancang untuk mengirimkan berkas 7Li3+ yang dipercepat penuh ke FC setelah magnet dipol.Elektroda bias -400 V digunakan untuk menekan elektron sekunder di dalam cangkir untuk mengukur arus berkas ion secara akurat.Dengan optik ini, lintasan ion dipisahkan menjadi dipol dan difokuskan di tempat berbeda bergantung pada Q/A.Karena berbagai faktor seperti difusi momentum dan tolakan muatan ruang, maka berkas pada fokus mempunyai lebar tertentu.Suatu spesies hanya dapat dipisahkan jika jarak antara posisi fokus kedua spesies ion lebih besar dari lebar berkas.Untuk mendapatkan resolusi setinggi mungkin, celah horizontal dipasang di dekat pinggang berkas cahaya, di mana berkas cahaya praktis terkonsentrasi.Layar kilau (CsI(Tl) dari Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) dipasang di antara celah dan PC.Scintillator digunakan untuk menentukan celah terkecil yang harus dilewati partikel yang dirancang untuk mendapatkan resolusi optimal dan untuk menunjukkan ukuran berkas yang dapat diterima untuk berkas ion berat arus tinggi.Gambar berkas sinar pada sintilator direkam oleh kamera CCD melalui jendela vakum.Sesuaikan jendela waktu pemaparan untuk mencakup seluruh lebar pulsa sinar.
Kumpulan data yang digunakan atau dianalisis dalam penelitian ini tersedia dari masing-masing penulis berdasarkan permintaan yang masuk akal.
Manke, I. dkk.Pencitraan tiga dimensi domain magnetik.komune nasional.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS dkk.Kemungkinan mempelajari sumber neutron kompak di akselerator.fisika.Ulangan 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. dkk.Mikrotomografi komputer berbasis neutron: Pliobates cataloniae dan Barberapithecus huerzeleri sebagai kasus uji.Ya.J.Fisika.antropologi.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).