304L 6.35*1mm स्टेनलेस स्टील कॉइल केलेले टयूबिंग पुरवठादार, स्पंदित डायरेक्ट न्यूट्रॉन तयार करण्यासाठी तीव्र लिथियम बीमचे प्रात्यक्षिक

Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद.तुम्ही मर्यादित CSS समर्थनासह ब्राउझर आवृत्ती वापरत आहात.सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड अक्षम करा).याव्यतिरिक्त, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही शैली आणि JavaScript शिवाय साइट दर्शवतो.
प्रति स्लाइड तीन लेख दर्शवणारे स्लाइडर.स्लाइड्समधून जाण्यासाठी मागील आणि पुढील बटणे वापरा किंवा प्रत्येक स्लाइडमधून जाण्यासाठी शेवटी स्लाइड कंट्रोलर बटणे वापरा.

आण्विक अणुभट्ट्यांच्या अभ्यासाला पर्याय म्हणून, लिथियम-आयन बीम ड्रायव्हर वापरून कॉम्पॅक्ट प्रवेगक-चालित न्यूट्रॉन जनरेटर एक आशादायक उमेदवार असू शकतो कारण ते थोडेसे अवांछित विकिरण निर्माण करते.तथापि, लिथियम आयनचा तीव्र बीम वितरीत करणे कठीण होते आणि अशा उपकरणांचा व्यावहारिक वापर अशक्य मानला जात होता.अपुरा आयन प्रवाहाची सर्वात तीव्र समस्या थेट प्लाझ्मा रोपण योजना लागू करून सोडवली गेली.या योजनेमध्ये, लिथियम मेटल फॉइलच्या लेसर ऍब्लेशनद्वारे तयार केलेला उच्च-घनता स्पंदित प्लाझ्मा उच्च-फ्रिक्वेंसी क्वाड्रपोल एक्सीलरेटर (RFQ प्रवेगक) द्वारे कार्यक्षमतेने इंजेक्ट केला जातो आणि प्रवेगक होतो.आम्ही 1.43 MeV पर्यंत प्रवेगक 35 mA चे पीक बीम करंट प्राप्त केले आहे, जे पारंपारिक इंजेक्टर आणि एक्सीलरेटर सिस्टम प्रदान करू शकतील त्यापेक्षा जास्त परिमाणाचे दोन ऑर्डर आहेत.
क्ष-किरण किंवा चार्ज केलेल्या कणांच्या विपरीत, न्यूट्रॉनमध्ये घनरूप पदार्थांसह एक मोठी प्रवेश खोली आणि अद्वितीय परस्परसंवाद असतो, ज्यामुळे ते पदार्थ 1,2,3,4,5,6,7 च्या गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी अत्यंत बहुमुखी प्रोब बनतात.विशेषतः, न्यूट्रॉन स्कॅटरिंग तंत्रे सामान्यत: घनरूप पदार्थातील रचना, रचना आणि अंतर्गत ताणांचा अभ्यास करण्यासाठी वापरली जातात आणि एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी8 वापरून शोधणे कठीण असलेल्या धातूच्या मिश्र धातुंमधील ट्रेस संयुगांवर तपशीलवार माहिती देऊ शकतात.ही पद्धत मूलभूत विज्ञानात एक शक्तिशाली साधन मानली जाते आणि ती धातू आणि इतर सामग्रीच्या उत्पादकांद्वारे वापरली जाते.अगदी अलीकडे, रेल्वे आणि विमानाचे भाग 9,10,11,12 यांसारख्या यांत्रिक घटकांमधील अवशिष्ट ताण शोधण्यासाठी न्यूट्रॉन विवर्तनाचा वापर केला गेला आहे.न्यूट्रॉन तेल आणि वायू विहिरींमध्ये देखील वापरले जातात कारण ते प्रोटॉन-समृद्ध सामग्रीद्वारे सहज पकडले जातात13.सिव्हिल इंजिनीअरिंगमध्येही अशाच पद्धती वापरल्या जातात.नॉन-डिस्ट्रक्टिव्ह न्यूट्रॉन चाचणी हे इमारती, बोगदे आणि पुलांमधील लपलेले दोष शोधण्याचे एक प्रभावी साधन आहे.न्यूट्रॉन बीमचा वापर वैज्ञानिक संशोधन आणि उद्योगात सक्रियपणे केला जातो, ज्यापैकी अनेक ऐतिहासिकदृष्ट्या अणुभट्ट्या वापरून विकसित केले गेले आहेत.
तथापि, अण्वस्त्र अप्रसारावर जागतिक सहमतीमुळे, संशोधनाच्या उद्देशाने लहान अणुभट्ट्या बांधणे अधिक कठीण होत आहे.शिवाय, अलीकडील फुकुशिमा दुर्घटनेने अणुभट्ट्या बांधणे जवळजवळ सामाजिकदृष्ट्या स्वीकार्य बनले आहे.या प्रवृत्तीच्या संबंधात, प्रवेगकांवर न्यूट्रॉन स्त्रोतांची मागणी वाढत आहे2.आण्विक अणुभट्ट्यांना पर्याय म्हणून, अनेक मोठे प्रवेगक-विभाजन करणारे न्यूट्रॉन स्त्रोत आधीच कार्यरत आहेत14,15.तथापि, न्यूट्रॉन बीमच्या गुणधर्मांच्या अधिक कार्यक्षम वापरासाठी, प्रवेगकांवर कॉम्पॅक्ट स्त्रोतांचा वापर वाढवणे आवश्यक आहे, 16 जे औद्योगिक आणि विद्यापीठ संशोधन संस्थांशी संबंधित असू शकतात.प्रवेगक न्यूट्रॉन स्त्रोतांनी अणुभट्ट्या 14 साठी बदली म्हणून काम करण्याव्यतिरिक्त नवीन क्षमता आणि कार्ये जोडली आहेत.उदाहरणार्थ, लिनॅक-चालित जनरेटर ड्राइव्ह बीममध्ये फेरफार करून सहजपणे न्यूट्रॉनचा प्रवाह तयार करू शकतो.एकदा उत्सर्जित झाल्यानंतर, न्यूट्रॉन नियंत्रित करणे कठीण आहे आणि पार्श्वभूमी न्यूट्रॉनद्वारे तयार केलेल्या आवाजामुळे रेडिएशन मापनांचे विश्लेषण करणे कठीण आहे.प्रवेगक द्वारे नियंत्रित स्पंदित न्यूट्रॉन ही समस्या टाळतात.प्रोटॉन प्रवेगक तंत्रज्ञानावर आधारित अनेक प्रकल्प जगभरात प्रस्तावित केले आहेत17,18,19.7Li(p, n)7Be आणि 9Be(p, n)9B या अभिक्रिया प्रोटॉन-चालित कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन जनरेटरमध्ये वारंवार वापरल्या जातात कारण त्या एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया आहेत20.जर प्रोटॉन बीमला उत्तेजित करण्यासाठी निवडलेली उर्जा उंबरठ्याच्या मूल्यापेक्षा थोडी जास्त असेल तर जास्त रेडिएशन आणि किरणोत्सर्गी कचरा कमी केला जाऊ शकतो.तथापि, लक्ष्य न्यूक्लियसचे वस्तुमान प्रोटॉनपेक्षा बरेच मोठे आहे आणि परिणामी न्यूट्रॉन सर्व दिशांना विखुरतात.न्यूट्रॉन फ्लक्सच्या समस्थानिक उत्सर्जनाच्या इतक्या जवळ असल्यामुळे अभ्यासाच्या वस्तूकडे न्यूट्रॉनची कार्यक्षम वाहतूक रोखली जाते.याव्यतिरिक्त, ऑब्जेक्टच्या स्थानावर न्यूट्रॉनचा आवश्यक डोस प्राप्त करण्यासाठी, हलत्या प्रोटॉनची संख्या आणि त्यांची ऊर्जा दोन्ही लक्षणीय वाढवणे आवश्यक आहे.परिणामी, गॅमा किरण आणि न्यूट्रॉनचे मोठे डोस मोठ्या कोनातून प्रसारित होतील, ज्यामुळे एंडोथर्मिक प्रतिक्रियांचा फायदा नष्ट होईल.ठराविक प्रवेगक-चालित कॉम्पॅक्ट प्रोटॉन-आधारित न्यूट्रॉन जनरेटरमध्ये मजबूत रेडिएशन शील्डिंग असते आणि तो सिस्टमचा सर्वात मोठा भाग असतो.ड्रायव्हिंग प्रोटॉनची उर्जा वाढवण्याच्या गरजेसाठी सामान्यत: प्रवेगक सुविधेच्या आकारात अतिरिक्त वाढ आवश्यक असते.
प्रवेगकांवर पारंपारिक कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन स्त्रोतांच्या सामान्य कमतरतांवर मात करण्यासाठी, एक उलथापालथ-किनेमॅटिक प्रतिक्रिया योजना प्रस्तावित करण्यात आली होती21.या योजनेमध्ये, हायड्रोकार्बन प्लास्टिक, हायड्राइड्स, हायड्रोजन वायू किंवा हायड्रोजन प्लाझ्मा यांसारख्या हायड्रोजन-समृद्ध सामग्रीला लक्ष्य करण्यासाठी, प्रोटॉन बीमऐवजी एक जड लिथियम-आयन बीम मार्गदर्शक बीम म्हणून वापरला जातो.बेरिलियम आयन-चालित बीम सारख्या पर्यायांचा विचार केला गेला आहे, तथापि, बेरिलियम हा एक विषारी पदार्थ आहे ज्याला हाताळताना विशेष काळजी घेणे आवश्यक आहे.म्हणून, उलथापालथ-किनेमॅटिक प्रतिक्रिया योजनांसाठी लिथियम बीम सर्वात योग्य आहे.लिथियम न्यूक्लीयचा वेग प्रोटॉनपेक्षा जास्त असल्याने, आण्विक टक्करांच्या वस्तुमानाचे केंद्र सतत पुढे जात असते आणि न्यूट्रॉन देखील पुढे उत्सर्जित होतात.हे वैशिष्ट्य अवांछित गॅमा किरण आणि उच्च कोन न्यूट्रॉन उत्सर्जन22 मोठ्या प्रमाणात काढून टाकते.प्रोटॉन इंजिनच्या नेहमीच्या केसची आणि व्यस्त किनेमॅटिक्स परिस्थितीची तुलना आकृती 1 मध्ये दर्शविली आहे.
प्रोटॉन आणि लिथियम बीमसाठी न्यूट्रॉन उत्पादन कोनांचे चित्रण (Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html सह काढलेले).(a) हलणारे प्रोटॉन लिथियम लक्ष्याच्या जास्त जड अणूंना मारतात या वस्तुस्थितीमुळे प्रतिक्रियेचा परिणाम म्हणून न्यूट्रॉन कोणत्याही दिशेने बाहेर काढले जाऊ शकतात.(b) याउलट, लिथियम-आयन ड्रायव्हरने हायड्रोजन-समृद्ध लक्ष्यावर बॉम्बफेक केल्यास, प्रणालीच्या वस्तुमान केंद्राच्या उच्च वेगामुळे पुढच्या दिशेने एका अरुंद शंकूमध्ये न्यूट्रॉन तयार होतात.
तथापि, प्रोटॉनच्या तुलनेत जास्त चार्ज असलेल्या जड आयनांचा आवश्यक प्रवाह निर्माण करण्याच्या अडचणीमुळे फक्त काही व्यस्त किनेमॅटिक न्यूट्रॉन जनरेटर अस्तित्वात आहेत.या सर्व वनस्पती टँडम इलेक्ट्रोस्टॅटिक प्रवेगकांसह नकारात्मक स्पटर आयन स्त्रोत वापरतात.बीम प्रवेग 26 ची कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी इतर प्रकारचे आयन स्त्रोत प्रस्तावित केले आहेत.कोणत्याही परिस्थितीत, उपलब्ध लिथियम-आयन बीम प्रवाह 100 µA पर्यंत मर्यादित आहे.Li3+27 चा 1 mA वापरण्याचा प्रस्ताव आहे, परंतु या आयन बीम करंटची या पद्धतीद्वारे पुष्टी झालेली नाही.तीव्रतेच्या बाबतीत, लिथियम बीम प्रवेगक प्रोटॉन बीम प्रवेगकांशी स्पर्धा करू शकत नाहीत ज्यांचे पीक प्रोटॉन प्रवाह 10 mA28 पेक्षा जास्त आहे.
लिथियम-आयन बीमवर आधारित व्यावहारिक कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन जनरेटर लागू करण्यासाठी, पूर्णपणे आयन नसलेली उच्च-तीव्रता निर्माण करणे फायदेशीर आहे.इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक शक्तींद्वारे आयन प्रवेगित आणि मार्गदर्शन करतात आणि उच्च चार्ज पातळीमुळे अधिक कार्यक्षम प्रवेग होतो.ली-आयन बीम ड्रायव्हर्सना 10 mA पेक्षा जास्त Li3+ पीक करंट्स आवश्यक असतात.
या कार्यात, आम्ही 35 mA पर्यंतच्या शिखर प्रवाहांसह Li3+ बीमचे प्रवेग प्रदर्शित करतो, जे प्रगत प्रोटॉन प्रवेगकांशी तुलना करता येते.मूळ लिथियम आयन बीम लेझर ऍब्लेशन वापरून तयार करण्यात आला आणि मूळतः C6+ ला गती देण्यासाठी विकसित केलेली डायरेक्ट प्लाझ्मा इम्प्लांटेशन स्कीम (DPIS)चार-रॉड रेझोनंट स्ट्रक्चर वापरून सानुकूल-डिझाइन केलेले रेडिओ फ्रिक्वेन्सी क्वाड्रपोल लिनॅक (RFQ लिनाक) तयार केले गेले.आम्ही सत्यापित केले आहे की प्रवेगक बीममध्ये गणना केलेली उच्च शुद्धता बीम ऊर्जा आहे.रेडिओ फ्रिक्वेन्सी (RF) प्रवेगक द्वारे Li3+ बीम प्रभावीपणे कॅप्चर केल्यानंतर आणि प्रवेगक झाल्यानंतर, त्यानंतरच्या लिनॅक (एक्सीलरेटर) विभागाचा वापर लक्ष्यापासून मजबूत न्यूट्रॉन फ्लक्स निर्माण करण्यासाठी आवश्यक ऊर्जा प्रदान करण्यासाठी केला जातो.
उच्च कार्यक्षमता आयनचे प्रवेग हे एक सुस्थापित तंत्रज्ञान आहे.नवीन अत्यंत कार्यक्षम कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन जनरेटर साकारण्याचे उर्वरित कार्य म्हणजे मोठ्या संख्येने पूर्णपणे काढून टाकलेले लिथियम आयन तयार करणे आणि प्रवेगकातील RF सायकलसह समक्रमित आयन डाळींच्या मालिकेचा समावेश असलेली क्लस्टर रचना तयार करणे.हे उद्दिष्ट साध्य करण्यासाठी तयार केलेल्या प्रयोगांचे परिणाम खालील तीन उपविभागांमध्ये वर्णन केले आहेत: (1) लिथियम-आयन बीमपासून पूर्णपणे विरहित असलेली निर्मिती, (2) विशेष डिझाइन केलेल्या आरएफक्यू लिनॅकचा वापर करून बीम प्रवेग आणि (3) विश्लेषणाचा प्रवेग. बीमची सामग्री तपासण्यासाठी.ब्रुकहेव्हन नॅशनल लॅबोरेटरी (BNL) येथे, आम्ही आकृती 2 मध्ये दर्शविलेले प्रायोगिक सेटअप तयार केले.
लिथियम बीमच्या प्रवेगक विश्लेषणासाठी प्रायोगिक सेटअपचे विहंगावलोकन (Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/ द्वारे सचित्र).उजवीकडून डावीकडे, लेसर-लक्ष्य इंटरॅक्शन चेंबरमध्ये लेसर-अ‍ॅब्लेटिव्ह प्लाझ्मा तयार केला जातो आणि RFQ लिनॅकला वितरित केला जातो.आरएफक्यू प्रवेगक मध्ये प्रवेश केल्यावर, आयन प्लाझ्मापासून वेगळे केले जातात आणि ड्रिफ्ट प्रदेशातील एक्सट्रॅक्शन इलेक्ट्रोड आणि आरएफक्यू इलेक्ट्रोडमधील 52 केव्ही व्होल्टेज फरकाने तयार केलेल्या अचानक इलेक्ट्रिक फील्डद्वारे आरएफक्यू प्रवेगक मध्ये इंजेक्ट केले जातात.काढलेले आयन 2 मीटर लांब RFQ इलेक्ट्रोड वापरून 22 keV/n ते 204 keV/n पर्यंत प्रवेगित केले जातात.RFQ लिनॅकच्या आउटपुटवर स्थापित केलेला वर्तमान ट्रान्सफॉर्मर (CT) आयन बीम करंटचे विना-विध्वंसक मापन प्रदान करतो.बीमवर तीन चतुर्भुज चुंबकाने लक्ष केंद्रित केले जाते आणि द्विध्रुवीय चुंबकाकडे निर्देशित केले जाते, जे डिटेक्टरमध्ये Li3+ बीम वेगळे करते आणि निर्देशित करते.स्लिटच्या मागे, प्रवेगक किरण शोधण्यासाठी मागे घेता येण्याजोगा प्लास्टिक सिंटिलेटर आणि -400 V पर्यंत बायस असलेला फॅराडे कप (FC) वापरला जातो.
पूर्णपणे आयनीकृत लिथियम आयन (Li3+) तयार करण्यासाठी, त्याच्या तिसऱ्या आयनीकरण ऊर्जा (122.4 eV) पेक्षा जास्त तापमान असलेला प्लाझ्मा तयार करणे आवश्यक आहे.आम्ही उच्च-तापमान प्लाझ्मा तयार करण्यासाठी लेसर ऍब्लेशन वापरण्याचा प्रयत्न केला.लिथियम आयन बीम तयार करण्यासाठी या प्रकारचा लेसर आयन स्त्रोत सामान्यतः वापरला जात नाही कारण लिथियम धातू प्रतिक्रियाशील आहे आणि विशेष हाताळणी आवश्यक आहे.व्हॅक्यूम लेसर इंटरॅक्शन चेंबरमध्ये लिथियम फॉइल स्थापित करताना आर्द्रता आणि हवा दूषित होण्यापासून कमी करण्यासाठी आम्ही लक्ष्य लोडिंग सिस्टम विकसित केली आहे.सामग्रीची सर्व तयारी कोरड्या आर्गॉनच्या नियंत्रित वातावरणात केली गेली.लेझर टार्गेट चेंबरमध्ये लिथियम फॉइल स्थापित केल्यानंतर, फॉइल स्पंदित Nd:YAG लेसर रेडिएशनने 800 mJ प्रति नाडीच्या उर्जेने विकिरणित केले गेले.लक्ष्यावर लक्ष केंद्रित करताना, लेसर पॉवर घनता अंदाजे 1012 W/cm2 आहे.जेव्हा स्पंदित लेसर व्हॅक्यूममध्ये लक्ष्य नष्ट करतो तेव्हा प्लाझमा तयार होतो.संपूर्ण 6 ns लेसर पल्स दरम्यान, प्लाझ्मा सतत गरम होत राहतो, मुख्यत्वे रिव्हर्स ब्रेमस्ट्राहलुंग प्रक्रियेमुळे.हीटिंग टप्प्यात कोणतेही मर्यादित बाह्य क्षेत्र लागू केले जात नसल्यामुळे, प्लाझ्मा तीन आयामांमध्ये विस्तारू लागतो.जेव्हा प्लाझ्मा लक्ष्य पृष्ठभागावर विस्तारू लागतो, तेव्हा प्लाझमाच्या वस्तुमानाचे केंद्र 600 eV/n उर्जेसह लक्ष्य पृष्ठभागावर लंबवत गती प्राप्त करते.गरम झाल्यानंतर, प्लाझ्मा लक्ष्यापासून अक्षीय दिशेने फिरत राहतो, समस्थानिकपणे विस्तारतो.
आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, पृथक्करण प्लाझ्मा लक्ष्याप्रमाणेच क्षमता असलेल्या धातूच्या कंटेनरने वेढलेल्या व्हॅक्यूम व्हॉल्यूममध्ये विस्तारित होतो.अशा प्रकारे, प्लाझ्मा फील्ड-फ्री प्रदेशातून RFQ प्रवेगक दिशेने वाहतो.व्हॅक्यूम चेंबरभोवती सोलेनॉइड कॉइलच्या जखमेच्या सहाय्याने लेसर इरॅडिएशन चेंबर आणि आरएफक्यू लिनॅक दरम्यान अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र लागू केले जाते.सोलेनोइडचे चुंबकीय क्षेत्र RFQ ऍपर्चरला डिलिव्हरी दरम्यान उच्च प्लाझ्मा घनता राखण्यासाठी ड्रिफ्टिंग प्लाझ्माच्या रेडियल विस्तारास दाबते.दुसरीकडे, वाहताना प्लाझ्मा अक्षीय दिशेने विस्तारत राहतो, एक वाढवलेला प्लाझ्मा बनतो.RFQ इनलेटवर एक्झिट पोर्टसमोर प्लाझ्मा असलेल्या धातूच्या जहाजावर उच्च व्होल्टेज बायस लागू केला जातो.RFQ linac द्वारे योग्य प्रवेगासाठी आवश्यक 7Li3+ इंजेक्शन दर प्रदान करण्यासाठी बायस व्होल्टेज निवडले गेले.
परिणामी पृथक्करण प्लाझ्मामध्ये केवळ 7Li3+ नाही तर इतर चार्ज स्थितींमध्ये लिथियम आणि प्रदूषक घटक देखील असतात, जे एकाच वेळी RFQ रेखीय प्रवेगक कडे नेले जातात.RFQ लिनॅक वापरून प्रवेगक प्रयोगांपूर्वी, प्लाझ्मामधील आयनांची रचना आणि ऊर्जा वितरणाचा अभ्यास करण्यासाठी ऑफलाइन टाइम-ऑफ-फ्लाइट (TOF) विश्लेषण केले गेले.तपशीलवार विश्लेषणात्मक सेटअप आणि निरीक्षण केलेल्या स्थितीचे वितरण पद्धती विभागात स्पष्ट केले आहे.विश्लेषणात असे दिसून आले की 7Li3+ आयन हे मुख्य कण होते, जे सर्व कणांपैकी सुमारे 54% होते, आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे. विश्लेषणानुसार, आयन बीम आउटपुट पॉइंटवर 7Li3+ आयन प्रवाह अंदाजे 1.87 mA आहे.प्रवेगक चाचण्यांदरम्यान, विस्तारणाऱ्या प्लाझ्मावर 79 mT सोलेनोइड फील्ड लागू केले जाते.परिणामी, प्लाझ्मामधून काढलेला 7Li3+ विद्युतप्रवाह 30 च्या घटकाने वाढला.
उड्डाणाच्या वेळेच्या विश्लेषणाद्वारे प्राप्त केलेले लेसर-व्युत्पन्न प्लाझ्मामधील आयनचे अंश.7Li1+ आणि 7Li2+ आयन अनुक्रमे 5% आणि 25% आयन बीम बनवतात.6Li कणांचा सापडलेला अंश प्रायोगिक त्रुटीमध्ये लिथियम फॉइल लक्ष्यात 6Li (7.6%) च्या नैसर्गिक सामग्रीशी सहमत आहे.थोडासा ऑक्सिजन दूषित (6.2%) दिसून आला, प्रामुख्याने O1+ (2.1%) आणि O2+ (1.5%), जे लिथियम फॉइल लक्ष्याच्या पृष्ठभागाच्या ऑक्सिडेशनमुळे असू शकते.
आधी सांगितल्याप्रमाणे, लिथियम प्लाझ्मा RFQ लिनॅकमध्ये प्रवेश करण्यापूर्वी फील्डलेस प्रदेशात वाहून जातो.आरएफक्यू लिनॅकच्या इनपुटमध्ये धातूच्या कंटेनरमध्ये 6 मिमी व्यासाचे छिद्र आहे आणि बायस व्होल्टेज 52 केव्ही आहे.जरी RFQ इलेक्ट्रोड व्होल्टेज 100 MHz वर ±29 kV वेगाने बदलत असले तरी, व्होल्टेजमुळे अक्षीय प्रवेग होतो कारण RFQ प्रवेगक इलेक्ट्रोड्सची सरासरी क्षमता शून्य असते.छिद्र आणि RFQ इलेक्ट्रोडच्या काठाच्या दरम्यान 10 मिमी अंतरामध्ये निर्माण झालेल्या मजबूत विद्युत क्षेत्रामुळे, छिद्रावरील प्लाझ्मामधून केवळ सकारात्मक प्लाझ्मा आयन काढले जातात.पारंपारिक आयन डिलिव्हरी सिस्टीममध्ये, आयन प्लाझ्मापासून विद्युत क्षेत्राद्वारे आरएफक्यू प्रवेगकाच्या समोर लक्षणीय अंतरावर वेगळे केले जातात आणि नंतर बीम फोकसिंग घटकाद्वारे आरएफक्यू छिद्रामध्ये केंद्रित केले जातात.तथापि, तीव्र न्यूट्रॉन स्त्रोतासाठी आवश्यक असलेल्या तीव्र जड आयन बीमसाठी, स्पेस चार्ज इफेक्ट्समुळे नॉन-रेखीय तिरस्करणीय शक्तींमुळे आयन वाहतूक प्रणालीमध्ये बीम करंटचे महत्त्वपूर्ण नुकसान होऊ शकते, ज्यामुळे प्रवेगक प्रवाह मर्यादित होतो.आमच्या DPIS मध्ये, उच्च-तीव्रतेचे आयन थेट RFQ छिद्राच्या निर्गमन बिंदूवर वाहणारे प्लाझ्मा म्हणून वाहून नेले जातात, त्यामुळे स्पेस चार्जमुळे आयन बीमचे कोणतेही नुकसान होत नाही.या प्रात्यक्षिक दरम्यान, DPIS प्रथमच लिथियम-आयन बीमवर लागू केले गेले.
RFQ संरचना कमी उर्जेच्या उच्च विद्युत् आयन बीमवर लक्ष केंद्रित करण्यासाठी आणि गती देण्यासाठी विकसित केली गेली आहे आणि प्रथम ऑर्डर प्रवेगसाठी मानक बनली आहे.22 keV/n ते 204 keV/n च्या इम्प्लांट उर्जेपासून 7Li3+ आयनचा वेग वाढवण्यासाठी आम्ही RFQ चा वापर केला.जरी प्लाझ्मामध्ये कमी चार्ज असलेले लिथियम आणि इतर कण देखील प्लाझ्मामधून काढले जातात आणि RFQ छिद्रामध्ये इंजेक्ट केले जातात, तरीही RFQ लिनॅक फक्त 7Li3+ च्या जवळ चार्ज-टू-मास रेशो (Q/A) सह आयनांना गती देते.
अंजीर वर.आकृती 4 मध्ये आरएफक्यू लिनॅक आणि फॅराडे कप (एफसी) च्या आउटपुटवर वर्तमान ट्रान्सफॉर्मर (CT) द्वारे शोधलेले वेव्हफॉर्म दाखवले आहे, चुंबकाचे विश्लेषण केल्यावर, अंजीरमध्ये दर्शविल्याप्रमाणे.2. डिटेक्टरच्या स्थानावरील फ्लाइटच्या वेळेतील फरक म्हणून सिग्नलमधील वेळ बदलाचा अर्थ लावला जाऊ शकतो.CT वर मोजलेले शिखर आयन प्रवाह 43 mA होते.RT स्थितीत, नोंदणीकृत बीममध्ये केवळ गणना केलेल्या ऊर्जेला प्रवेगित आयनच नसतात, तर 7Li3+ व्यतिरिक्त इतर आयन देखील असू शकतात, जे पुरेसे प्रवेगक नसतात.तथापि, QD आणि PC द्वारे आढळलेल्या आयन करंट फॉर्ममधील समानता दर्शवते की आयन करंटमध्ये मुख्यत्वे प्रवेगक 7Li3+ असते आणि पीसीवरील करंटच्या शिखर मूल्यातील घट QD आणि दरम्यान आयन ट्रान्सफर दरम्यान बीमच्या नुकसानामुळे होते. पीसी.नुकसान लिफाफा सिम्युलेशनद्वारे देखील याची पुष्टी केली जाते.7Li3+ बीम करंट अचूकपणे मोजण्यासाठी, पुढील विभागात वर्णन केल्याप्रमाणे बीमचे द्विध्रुव चुंबकाने विश्लेषण केले जाते.
डिटेक्टर पोझिशनमध्ये CT (काळा वक्र) आणि FC (लाल वक्र) रेकॉर्ड केलेले प्रवेगक बीमचे ऑसिलोग्राम.लेसर प्लाझ्मा निर्मिती दरम्यान फोटोडिटेक्टरद्वारे लेसर रेडिएशन शोधून ही मोजमाप ट्रिगर केली जातात.काळा वक्र RFQ लिनाक आउटपुटशी जोडलेल्या CT वर मोजलेले वेव्हफॉर्म दाखवते.RFQ linac च्या जवळ असल्यामुळे, डिटेक्टर 100 MHz RF आवाज उचलतो, म्हणून डिटेक्शन सिग्नलवर 100 MHz रेझोनंट RF सिग्नल काढून टाकण्यासाठी 98 MHz लो पास FFT फिल्टर लागू केला गेला.विश्लेषणात्मक चुंबकाने 7Li3+ आयन बीम निर्देशित केल्यानंतर लाल वक्र FC वर तरंगरूप दाखवते.या चुंबकीय क्षेत्रात, 7Li3+ व्यतिरिक्त, N6+ आणि O7+ वाहतूक करता येते.
आरएफक्यू लिनॅक नंतरचे आयन बीम तीन चतुर्भुज फोकसिंग मॅग्नेटच्या मालिकेद्वारे केंद्रित केले जाते आणि नंतर आयन बीममधील अशुद्धता वेगळे करण्यासाठी द्विध्रुवीय चुंबकाद्वारे विश्लेषण केले जाते.0.268 T चे चुंबकीय क्षेत्र 7Li3+ बीम FC मध्ये निर्देशित करते.या चुंबकीय क्षेत्राचा शोध तरंग आकृती 4 मध्ये लाल वक्र म्हणून दर्शविला आहे. पीक बीम करंट 35 mA पर्यंत पोहोचतो, जो विद्यमान पारंपारिक इलेक्ट्रोस्टॅटिक प्रवेगकांमध्ये तयार केलेल्या विशिष्ट Li3+ बीमपेक्षा 100 पट जास्त आहे.बीम पल्स रुंदी 2.0 µs पूर्ण रुंदीवर अर्धा कमाल आहे.द्विध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्रासह 7Li3+ बीम शोधणे यशस्वी बंचिंग आणि बीम प्रवेग दर्शवते.द्विध्रुवाचे चुंबकीय क्षेत्र स्कॅन करताना FC द्वारे आढळलेला आयन बीम करंट अंजीर 5 मध्ये दर्शविला आहे. एक स्वच्छ एकल शिखर दिसले, जे इतर शिखरांपासून चांगले वेगळे होते.RFQ linac द्वारे डिझाईन उर्जेसाठी प्रवेगित सर्व आयनांचा वेग समान असल्याने, समान Q/A सह आयन बीम द्विध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्राद्वारे वेगळे करणे कठीण आहे.म्हणून, आम्ही N6+ किंवा O7+ मधून 7Li3+ वेगळे करू शकत नाही.तथापि, अशुद्धतेचे प्रमाण शेजारील चार्ज राज्यांवरून अनुमानित केले जाऊ शकते.उदाहरणार्थ, N7+ आणि N5+ सहजपणे वेगळे केले जाऊ शकतात, तर N6+ अशुद्धतेचा भाग असू शकतात आणि N7+ आणि N5+ सारख्याच प्रमाणात असणे अपेक्षित आहे.अंदाजे प्रदूषण पातळी सुमारे 2% आहे.
द्विध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्र स्कॅन करून बीम घटक स्पेक्ट्रा मिळवला.0.268 T चे शिखर 7Li3+ आणि N6+ शी संबंधित आहे.शिखराची रुंदी स्लिटवरील बीमच्या आकारावर अवलंबून असते.विस्तीर्ण शिखरे असूनही, 7Li3+ हे 6Li3+, O6+ आणि N5+ पासून चांगले वेगळे होते, परंतु O7+ आणि N6+ पासून फारसे वेगळे होते.
FC च्या स्थानावर, प्लग-इन सिंटिलेटरसह बीम प्रोफाइलची पुष्टी केली गेली आणि आकृती 6 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे वेगवान डिजिटल कॅमेर्‍याने रेकॉर्ड केले गेले. 35 mA च्या करंटसह 7Li3+ स्पंदित बीम गणना केलेल्या RFQ ला प्रवेगक असल्याचे दाखवले आहे. 204 keV/n ची ऊर्जा, जी 1.4 MeV शी संबंधित आहे, आणि FC डिटेक्टरमध्ये प्रसारित केली जाते.
पूर्व-FC सिंटिलेटर स्क्रीनवर बीम प्रोफाइलचे निरीक्षण केले (फिजी, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/ द्वारे रंगीत).विश्लेषणात्मक द्विध्रुवीय चुंबकाचे चुंबकीय क्षेत्र Li3+ आयन बीमचे प्रवेग डिझाईन एनर्जी RFQ कडे निर्देशित करण्यासाठी ट्यून केले गेले.हिरव्या भागात निळे ठिपके दोषपूर्ण सिंटिलेटर सामग्रीमुळे होतात.
आम्ही घन लिथियम फॉइलच्या पृष्ठभागाच्या लेझर ऍब्लेशनद्वारे 7Li3+ आयनची निर्मिती साध्य केली आणि DPIS वापरून विशेष डिझाइन केलेल्या RFQ लिनॅकसह उच्च प्रवाह आयन बीम पकडला गेला आणि वेग वाढवला गेला.1.4 MeV च्या किरण उर्जेवर, चुंबकाचे विश्लेषण केल्यानंतर FC वर 7Li3+ चा सर्वोच्च प्रवाह 35 mA होता.हे पुष्टी करते की व्यस्त किनेमॅटिक्ससह न्यूट्रॉन स्त्रोताच्या अंमलबजावणीचा सर्वात महत्वाचा भाग प्रायोगिकरित्या लागू केला गेला आहे.पेपरच्या या भागात, उच्च ऊर्जा प्रवेगक आणि न्यूट्रॉन लक्ष्य केंद्रांसह कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन स्त्रोताच्या संपूर्ण डिझाइनची चर्चा केली जाईल.डिझाइन आमच्या प्रयोगशाळेतील विद्यमान प्रणालींसह प्राप्त झालेल्या परिणामांवर आधारित आहे.हे लक्षात घ्यावे की लिथियम फॉइल आणि आरएफक्यू लिनॅकमधील अंतर कमी करून आयन बीमचा शिखर प्रवाह आणखी वाढविला जाऊ शकतो.तांदूळ.7 प्रवेगक येथे प्रस्तावित कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन स्त्रोताची संपूर्ण संकल्पना स्पष्ट करते.
प्रवेगक (Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/ द्वारे काढलेले) येथे प्रस्तावित कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन स्त्रोताची संकल्पनात्मक रचना.उजवीकडून डावीकडे: लेसर आयन स्त्रोत, सोलेनॉइड चुंबक, आरएफक्यू लिनॅक, मध्यम ऊर्जा बीम हस्तांतरण (एमईबीटी), आयएच लिनॅक आणि न्यूट्रॉन निर्मितीसाठी संवाद कक्ष.उत्पादित न्यूट्रॉन बीमच्या अरुंद निर्देशित स्वरूपामुळे प्रारण संरक्षण प्रामुख्याने पुढे दिशेने प्रदान केले जाते.
RFQ linac नंतर, इंटर-डिजिटल एच-स्ट्रक्चर (IH linac)30 linac चे आणखी प्रवेग नियोजित आहे.IH linacs वेगाच्या विशिष्ट श्रेणीवर उच्च विद्युत क्षेत्र ग्रेडियंट प्रदान करण्यासाठी π-मोड ड्रिफ्ट ट्यूब रचना वापरतात.संकल्पनात्मक अभ्यास 1D अनुदैर्ध्य डायनॅमिक्स सिम्युलेशन आणि 3D शेल सिम्युलेशनच्या आधारे केला गेला.गणना दर्शविते की वाजवी ड्रिफ्ट ट्यूब व्होल्टेज (450 kV पेक्षा कमी) असलेले 100 MHz IH लिनॅक आणि मजबूत फोकसिंग चुंबक 1.8 मीटर अंतरावर 1.4 ते 14 MeV पर्यंत 40 mA बीमला गती देऊ शकते.प्रवेगक साखळीच्या शेवटी ऊर्जा वितरणाचा अंदाज ± 0.4 MeV आहे, जो न्यूट्रॉन रूपांतरण लक्ष्याद्वारे तयार केलेल्या न्यूट्रॉनच्या ऊर्जा स्पेक्ट्रमवर लक्षणीय परिणाम करत नाही.याव्यतिरिक्त, मध्यम ताकद आणि आकाराच्या क्वाड्रपोल चुंबकासाठी सामान्यत: आवश्यक असणार्‍या तुळईची उत्सर्जनक्षमता लहान तुळईच्या जागेवर केंद्रित करण्यासाठी पुरेशी कमी आहे.RFQ linac आणि IH linac मधील मध्यम ऊर्जा बीम (MEBT) ट्रान्समिशनमध्ये, बीमफॉर्मिंग स्ट्रक्चर राखण्यासाठी बीमफॉर्मिंग रेझोनेटरचा वापर केला जातो.साइड बीमचा आकार नियंत्रित करण्यासाठी तीन क्वाड्रपोल मॅग्नेट वापरले जातात.ही डिझाईन स्ट्रॅटेजी अनेक प्रवेगकांमध्ये वापरली गेली आहे 31,32,33.आयन स्त्रोतापासून लक्ष्य चेंबरपर्यंत संपूर्ण प्रणालीची एकूण लांबी 8 मी पेक्षा कमी असल्याचा अंदाज आहे, जो मानक अर्ध-ट्रेलर ट्रकमध्ये बसू शकतो.
न्यूट्रॉन रूपांतरण लक्ष्य थेट रेखीय प्रवेगक नंतर स्थापित केले जाईल.आम्ही व्यस्त किनेमॅटिक परिदृश्य23 वापरून मागील अभ्यासांवर आधारित लक्ष्य स्टेशन डिझाइनची चर्चा करतो.नोंदवलेल्या रूपांतरण लक्ष्यांमध्ये घन पदार्थ (पॉलीप्रॉपिलीन (C3H6) आणि टायटॅनियम हायड्राइड (TiH2)) आणि वायू लक्ष्य प्रणाली समाविष्ट आहेत.प्रत्येक ध्येयाचे फायदे आणि तोटे असतात.ठोस लक्ष्य अचूक जाडी नियंत्रणास अनुमती देतात.लक्ष्य जितके पातळ असेल तितके न्यूट्रॉन उत्पादनाची अवकाशीय व्यवस्था अधिक अचूक.तथापि, अशा लक्ष्यांमध्ये अजूनही काही प्रमाणात अवांछित आण्विक प्रतिक्रिया आणि किरणोत्सर्ग असू शकतात.दुसरीकडे, हायड्रोजन लक्ष्य आण्विक अभिक्रियाचे मुख्य उत्पादन 7Be चे उत्पादन काढून टाकून स्वच्छ वातावरण प्रदान करू शकते.तथापि, हायड्रोजनची कमकुवत अडथळा क्षमता आहे आणि पुरेशी ऊर्जा सोडण्यासाठी मोठ्या भौतिक अंतराची आवश्यकता आहे.TOF मोजमापांसाठी हे किंचित गैरसोयीचे आहे.याव्यतिरिक्त, हायड्रोजन लक्ष्य सील करण्यासाठी पातळ फिल्म वापरल्यास, पातळ फिल्म आणि घटना लिथियम बीम द्वारे व्युत्पन्न गॅमा किरणांचे ऊर्जा नुकसान विचारात घेणे आवश्यक आहे.
LICORNE पॉलीप्रॉपिलीन टार्गेट्स वापरते आणि टार्गेट सिस्टमला टॅंटलम फॉइलने सील केलेल्या हायड्रोजन सेलमध्ये अपग्रेड केले गेले आहे.7Li34 साठी 100 nA चा बीम करंट गृहीत धरल्यास, दोन्ही लक्ष्य प्रणाली 107 n/s/sr पर्यंत उत्पादन करू शकतात.आम्ही आमच्या प्रस्तावित न्यूट्रॉन स्त्रोतावर दावा केलेले न्यूट्रॉन उत्पन्न रूपांतरण लागू केल्यास, प्रत्येक लेसर पल्ससाठी 7 × 10-8 C चा लिथियम-चालित बीम मिळू शकतो.याचा अर्थ असा आहे की लेझर प्रति सेकंद फक्त दोनदा फायर केल्याने LICORNE पेक्षा 40% जास्त न्यूट्रॉन तयार करतो जे एका सेकंदात सतत बीमने तयार करू शकतात.लेसरची उत्तेजना वारंवारता वाढवून एकूण प्रवाह सहजपणे वाढवता येतो.जर आपण असे गृहीत धरले की बाजारात 1 kHz लेसर प्रणाली आहे, तर सरासरी न्यूट्रॉन प्रवाह सहजपणे सुमारे 7 × 109 n/s/sr पर्यंत मोजला जाऊ शकतो.
जेव्हा आम्ही प्लास्टिकच्या लक्ष्यांसह उच्च पुनरावृत्ती दर प्रणाली वापरतो, तेव्हा लक्ष्यांवर उष्णता निर्मिती नियंत्रित करणे आवश्यक असते कारण, उदाहरणार्थ, पॉलीप्रोपीलीनचा वितळण्याचा बिंदू 145-175 °C कमी असतो आणि 0.1-0.22 W/ ची थर्मल चालकता कमी असते. मी/के14 MeV लिथियम-आयन बीमसाठी, 7 µm जाडीचे पॉलीप्रॉपिलीन लक्ष्य प्रतिक्रियेच्या थ्रेशोल्ड (13.098 MeV) पर्यंत बीम ऊर्जा कमी करण्यासाठी पुरेसे आहे.लक्ष्यावर एका लेसर शॉटद्वारे व्युत्पन्न केलेल्या आयनचा एकूण प्रभाव लक्षात घेता, पॉलीप्रॉपिलीनद्वारे लिथियम आयनची ऊर्जा 64 एमजे/पल्स असा अंदाज आहे.10 मिमी व्यासाच्या वर्तुळात सर्व ऊर्जा हस्तांतरित केली जाते असे गृहीत धरून, प्रत्येक नाडी अंदाजे 18 के/नाडी तापमान वाढीशी संबंधित आहे.पॉलीप्रॉपिलीन लक्ष्यांवर ऊर्जा सोडणे हे साध्या गृहीतकेवर आधारित आहे की सर्व उर्जेचे नुकसान उष्णता म्हणून साठवले जाते, कोणतेही विकिरण किंवा इतर उष्णतेचे नुकसान होत नाही.प्रति सेकंद डाळींची संख्या वाढवण्यासाठी उष्णता जमा होणे दूर करणे आवश्यक असल्याने, त्याच बिंदूवर ऊर्जा सोडणे टाळण्यासाठी आम्ही स्ट्रिप लक्ष्य वापरू शकतो.100 हर्ट्झच्या लेसर पुनरावृत्ती दरासह लक्ष्यावर 10 मिमी बीम स्पॉट गृहीत धरल्यास, पॉलीप्रॉपिलीन टेपची स्कॅनिंग गती 1 m/s असेल.बीम स्पॉट ओव्हरलॅपला परवानगी असल्यास उच्च पुनरावृत्ती दर शक्य आहेत.
आम्ही हायड्रोजन बॅटरीसह लक्ष्यांची तपासणी देखील केली, कारण लक्ष्याचे नुकसान न करता मजबूत ड्राइव्ह बीम वापरल्या जाऊ शकतात.गॅस चेंबरची लांबी आणि आतील हायड्रोजन दाब बदलून न्यूट्रॉन बीम सहजपणे ट्यून केला जाऊ शकतो.लक्ष्याच्या वायू क्षेत्राला व्हॅक्यूमपासून वेगळे करण्यासाठी प्रवेगकांमध्ये पातळ धातूच्या फॉइलचा वापर केला जातो.म्हणून, फॉइलवरील ऊर्जेच्या नुकसानाची भरपाई करण्यासाठी घटना लिथियम-आयन बीमची ऊर्जा वाढवणे आवश्यक आहे.अहवाल 35 मध्ये वर्णन केलेल्या लक्ष्य असेंब्लीमध्ये 1.5 atm च्या H2 गॅस प्रेशरसह 3.5 सेमी लांब अॅल्युमिनियम कंटेनरचा समावेश आहे.16.75 MeV लिथियम आयन बीम एअर-कूल्ड 2.7 µm Ta फॉइलद्वारे बॅटरीमध्ये प्रवेश करतो आणि बॅटरीच्या शेवटी लिथियम आयन बीमची उर्जा प्रतिक्रिया थ्रेशोल्डपर्यंत कमी होते.लिथियम-आयन बॅटरीची बीम उर्जा 14.0 MeV वरून 16.75 MeV पर्यंत वाढवण्यासाठी, IH लिनॅकला सुमारे 30 सेमीने लांब करावे लागले.
गॅस सेल लक्ष्यांमधून न्यूट्रॉनचे उत्सर्जन देखील अभ्यासले गेले.वर नमूद केलेल्या LICORNE वायू लक्ष्यांसाठी, GEANT436 सिम्युलेशन दर्शविते की शंकूच्या आत उच्च अभिमुख न्यूट्रॉन तयार होतात, जसे [37] मध्ये आकृती 1 मध्ये दाखवले आहे.संदर्भ 35 0.7 ते 3.0 MeV पर्यंतची उर्जा श्रेणी दर्शविते आणि मुख्य बीमच्या प्रसाराच्या दिशेने जास्तीत जास्त 19.5° शंकू उघडते.हाय-ओरिएंटेड न्यूट्रॉन बहुतेक कोनांवर संरक्षण सामग्रीचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या कमी करू शकतात, संरचनेचे वजन कमी करतात आणि मापन उपकरणांच्या स्थापनेत अधिक लवचिकता प्रदान करतात.रेडिएशन संरक्षणाच्या दृष्टिकोनातून, न्यूट्रॉन व्यतिरिक्त, हे वायू लक्ष्य सेन्ट्रॉइड कोऑर्डिनेट सिस्टममध्ये 478 keV गामा किरण समस्थानिकपणे उत्सर्जित करते38.हे γ-किरण 7Be क्षय आणि 7Li डीएक्सिटेशनच्या परिणामी तयार होतात, जे प्राथमिक Li बीम इनपुट विंडो Ta वर आदळते तेव्हा उद्भवते.तथापि, जाड 35 Pb/Cu दंडगोलाकार कोलिमेटर जोडून, ​​पार्श्वभूमी लक्षणीयरीत्या कमी केली जाऊ शकते.
पर्यायी लक्ष्य म्हणून, कोणी प्लाझ्मा विंडो [३९, ४०] वापरू शकतो, ज्यामुळे तुलनेने उच्च हायड्रोजन दाब आणि न्यूट्रॉन निर्मितीचा एक लहान अवकाशीय क्षेत्र साध्य करणे शक्य होते, जरी ते घन लक्ष्यांपेक्षा निकृष्ट आहे.
आम्ही GEANT4 वापरून लिथियम आयन बीमच्या अपेक्षित ऊर्जा वितरणासाठी आणि बीम आकारासाठी न्यूट्रॉन रूपांतरण लक्ष्यीकरण पर्यायांची तपासणी करत आहोत.आमचे सिम्युलेशन वरील साहित्यात न्यूट्रॉन उर्जेचे सुसंगत वितरण आणि हायड्रोजन लक्ष्यांसाठी कोणीय वितरण दर्शविते.कोणत्याही लक्ष्य प्रणालीमध्ये, हायड्रोजन-समृद्ध लक्ष्यावर मजबूत 7Li3+ बीमद्वारे चालविलेल्या व्यस्त किनेमॅटिक प्रतिक्रियेद्वारे उच्च अभिमुख न्यूट्रॉन तयार केले जाऊ शकतात.त्यामुळे आधीपासून अस्तित्वात असलेल्या तंत्रज्ञानाची जोड देऊन नवीन न्यूट्रॉन स्रोत लागू केले जाऊ शकतात.
लेसर विकिरण स्थिती प्रवेगक प्रात्यक्षिक आधी आयन बीम निर्मिती प्रयोग पुनरुत्पादित.लेसर एक डेस्कटॉप नॅनोसेकंद Nd:YAG प्रणाली आहे ज्याची लेसर पॉवर घनता 1012 W/cm2 आहे, 1064 nm ची मूलभूत तरंगलांबी आहे, स्पॉट एनर्जी 800 mJ आहे आणि 6 ns चा पल्स कालावधी आहे.लक्ष्यावरील स्पॉट व्यास 100 µm अंदाजे आहे.लिथियम धातू (अल्फा एसर, 99.9% शुद्ध) खूपच मऊ असल्यामुळे, अचूकपणे कापलेली सामग्री साच्यामध्ये दाबली जाते.फॉइलचे परिमाण 25 मिमी × 25 मिमी, जाडी 0.6 मिमी.लक्ष्याच्या पृष्ठभागावर जेव्हा लेझर आदळतो तेव्हा विवरासारखे नुकसान होते, म्हणून लक्ष्य मोटार चालवलेल्या प्लॅटफॉर्मद्वारे हलविले जाते जेणेकरून प्रत्येक लेसर शॉटसह लक्ष्याच्या पृष्ठभागाचा एक नवीन भाग प्रदान केला जाईल.अवशिष्ट वायूमुळे पुनर्संयोजन टाळण्यासाठी, चेंबरमधील दाब 10-4 Pa च्या श्रेणीपेक्षा कमी ठेवण्यात आला होता.
लेसर प्लाझ्माचा प्रारंभिक व्हॉल्यूम लहान आहे, कारण लेसर स्पॉटचा आकार 100 μm आहे आणि त्याच्या निर्मितीनंतर 6 ns च्या आत आहे.व्हॉल्यूम अचूक बिंदू म्हणून घेतला जाऊ शकतो आणि विस्तारित केला जाऊ शकतो.जर डिटेक्टर लक्ष्य पृष्ठभागापासून xm अंतरावर ठेवला असेल, तर प्राप्त सिग्नल संबंधांचे पालन करतो: आयन करंट I, आयन आगमन वेळ t, आणि नाडी रुंदी τ.
व्युत्पन्न केलेल्या प्लाझमाचा TOF पद्धतीने FC आणि ऊर्जा आयन विश्लेषक (EIA) द्वारे लेसर लक्ष्यापासून 2.4 मीटर आणि 3.85 मीटर अंतरावर अभ्यास केला गेला.FC मध्ये इलेक्ट्रॉन्सना रोखण्यासाठी -5 kV द्वारे पूर्वाग्रहित सप्रेसर ग्रिड आहे.EIA मध्ये 90 डिग्री इलेक्ट्रोस्टॅटिक डिफ्लेक्टर आहे ज्यामध्ये समान व्होल्टेज असलेले दोन समाक्षीय धातूचे दंडगोलाकार इलेक्ट्रोड असतात परंतु ध्रुवीयतेच्या विरुद्ध असतात, बाहेरून सकारात्मक आणि आतून नकारात्मक असतात.विस्तारणारा प्लाझ्मा स्लॉटच्या मागे असलेल्या डिफ्लेक्टरमध्ये निर्देशित केला जातो आणि सिलेंडरमधून जाणार्‍या विद्युत क्षेत्राद्वारे विक्षेपित केला जातो.E/z = eKU संबंध पूर्ण करणारे आयन दुय्यम इलेक्ट्रॉन गुणक (SEM) (हमामात्सु R2362) वापरून शोधले जातात, जेथे E, z, e, K, आणि U ही आयन ऊर्जा, प्रभाराची स्थिती आणि चार्ज EIA भूमितीय घटक आहेत. .इलेक्ट्रॉन्स, अनुक्रमे, आणि इलेक्ट्रोडमधील संभाव्य फरक.डिफ्लेक्टरमध्ये व्होल्टेज बदलून, एखादी व्यक्ती प्लाझ्मामधील आयनची ऊर्जा आणि चार्ज वितरण मिळवू शकते.स्वीप व्होल्टेज U/2 EIA 0.2 V ते 800 V पर्यंत आहे, जे प्रति चार्ज स्थिती 4 eV ते 16 keV या श्रेणीतील आयन उर्जेशी संबंधित आहे.
"पूर्णपणे स्ट्रिप केलेल्या लिथियम बीमची निर्मिती" या विभागात वर्णन केलेल्या लेसर इरॅडिएशनच्या परिस्थितीत विश्लेषित केलेल्या आयनांच्या चार्ज स्थितीचे वितरण अंजीरमध्ये दर्शविले आहे.8.
आयनच्या चार्ज स्थितीच्या वितरणाचे विश्लेषण.येथे आयन वर्तमान घनता वेळ प्रोफाइल EIA सह विश्लेषित केले आहे आणि समीकरण वापरून लिथियम फॉइलपासून 1 मीटरवर मोजले आहे.(1) आणि (2)."पूर्णपणे एक्सफोलिएटेड लिथियम बीमची निर्मिती" विभागात वर्णन केलेल्या लेसर विकिरण स्थिती वापरा.प्रत्येक वर्तमान घनता एकत्रित करून, प्लाझ्मामधील आयनांचे प्रमाण मोजले गेले, आकृती 3 मध्ये दर्शविलेले आहे.
लेझर आयन स्त्रोत उच्च चार्जसह तीव्र मल्टी-एमए आयन बीम वितरीत करू शकतात.तथापि, स्पेस चार्ज प्रतिकर्षणामुळे बीमचे वितरण खूप कठीण आहे, म्हणून ते मोठ्या प्रमाणावर वापरले गेले नाही.पारंपारिक योजनेत, आयन बीम प्लाझ्मामधून काढले जातात आणि प्रवेगकांच्या पिकअप क्षमतेनुसार आयन बीमला आकार देण्यासाठी अनेक फोकसिंग मॅग्नेटसह बीम लाइनसह प्राथमिक प्रवेगकांकडे नेले जातात.स्पेस चार्ज फोर्स बीममध्ये, बीम नॉन-रेखीयपणे वळतात आणि बीमचे गंभीर नुकसान दिसून येते, विशेषत: कमी वेगाच्या प्रदेशात.वैद्यकीय कार्बन प्रवेगकांच्या विकासात या समस्येवर मात करण्यासाठी, नवीन DPIS41 बीम वितरण योजना प्रस्तावित आहे.नवीन न्यूट्रॉन स्त्रोतापासून शक्तिशाली लिथियम-आयन बीमला गती देण्यासाठी आम्ही हे तंत्र लागू केले आहे.
अंजीर मध्ये दाखवल्याप्रमाणे.4, ज्या जागेत प्लाझ्मा तयार होतो आणि विस्तारित होतो ते धातूच्या कंटेनरने वेढलेले असते.बंदिस्त जागा RFQ रेझोनेटरच्या प्रवेशद्वारापर्यंत विस्तारित आहे, ज्यामध्ये सोलनॉइड कॉइलच्या आत असलेल्या व्हॉल्यूमचा समावेश आहे.कंटेनरला 52 kV चा व्होल्टेज लावला गेला.RFQ रेझोनेटरमध्ये, RFQ ग्राउंड करून 6 मिमी व्यासाच्या छिद्रातून आयन संभाव्यतेने खेचले जातात.प्लाझ्मा अवस्थेत आयन वाहून नेल्यामुळे बीम लाईनवरील नॉन-रेखीय तिरस्करणीय शक्ती नष्ट होतात.याव्यतिरिक्त, वर नमूद केल्याप्रमाणे, आम्ही एक्सट्रॅक्शन एपर्चरमध्ये आयनची घनता नियंत्रित करण्यासाठी आणि वाढवण्यासाठी डीपीआयएसच्या संयोजनात सोलेनोइड फील्ड लागू केले.
अंजीर मध्ये दाखवल्याप्रमाणे RFQ प्रवेगक एक दंडगोलाकार व्हॅक्यूम चेंबरचा समावेश आहे.9अ.त्याच्या आत, ऑक्सिजन-मुक्त तांब्याच्या चार रॉड तुळईच्या अक्षाभोवती चतुर्भुज-सममितीने ठेवल्या जातात (चित्र 9b).4 रॉड्स आणि चेंबर्स रेझोनंट आरएफ सर्किट तयार करतात.प्रेरित RF फील्ड संपूर्ण रॉडवर वेळ-वेळणारे व्होल्टेज तयार करते.अक्षाभोवती रेखांशाचे रोपण केलेले आयन चतुष्पाद क्षेत्राद्वारे बाजूने धरले जातात.त्याच वेळी, रॉडची टीप एक अक्षीय विद्युत क्षेत्र तयार करण्यासाठी मोड्यूलेट केली जाते.अक्षीय क्षेत्र इंजेक्ट केलेल्या सतत बीमला बीम डाळींच्या मालिकेत विभाजित करते ज्याला बीम म्हणतात.प्रत्येक बीम एका विशिष्ट RF सायकल वेळेत (10 ns) असतो.रेडिओ फ्रिक्वेन्सी कालावधीनुसार समीप बीम अंतरावर आहेत.RFQ लिनॅकमध्ये, लेसर आयन स्त्रोतापासून 2 µs बीम 200 बीमच्या अनुक्रमात रूपांतरित केला जातो.बीम नंतर गणना केलेल्या ऊर्जेला प्रवेगक केले जाते.
रेखीय प्रवेगक RFQ.(a) (डावीकडे) RFQ लिनॅक चेंबरचे बाह्य दृश्य.(b) (उजवीकडे) चेंबरमध्ये चार-रॉड इलेक्ट्रोड.
RFQ लिनॅकचे मुख्य डिझाइन पॅरामीटर्स म्हणजे रॉड व्होल्टेज, रेझोनंट फ्रिक्वेन्सी, बीम होल त्रिज्या आणि इलेक्ट्रोड मॉड्युलेशन.रॉडवरील व्होल्टेज ± 29 kV निवडा जेणेकरुन त्याचे इलेक्ट्रिक फील्ड इलेक्ट्रिकल ब्रेकडाउन थ्रेशोल्डच्या खाली असेल.रेझोनंट फ्रिक्वेंसी जितकी कमी असेल तितकी पार्श्व फोकसिंग फोर्स जास्त आणि सरासरी प्रवेग क्षेत्र जितके लहान असेल.मोठ्या छिद्र त्रिज्यामुळे बीमचा आकार वाढवणे शक्य होते आणि परिणामी, लहान स्पेस चार्ज रिपल्शनमुळे बीमचा प्रवाह वाढतो.दुसरीकडे, मोठ्या छिद्र त्रिज्याला RFQ लिनॅकला उर्जा देण्यासाठी अधिक RF पॉवरची आवश्यकता असते.याव्यतिरिक्त, ते साइटच्या गुणवत्ता आवश्यकतांद्वारे मर्यादित आहे.या समतोलांवर आधारित, रेझोनंट फ्रिक्वेंसी (100 मेगाहर्ट्झ) आणि छिद्र त्रिज्या (4.5 मिमी) उच्च-वर्तमान बीम प्रवेगसाठी निवडले गेले.बीमचे नुकसान कमी करण्यासाठी आणि प्रवेग कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी मॉड्यूलेशन निवडले आहे.RFQ लिनॅक डिझाइन तयार करण्यासाठी डिझाइनला अनेक वेळा ऑप्टिमाइझ केले गेले आहे जे 2 m च्या आत 22 keV/n ते 204 keV/n पर्यंत 40 mA वर 7Li3+ आयनचा वेग वाढवू शकते.प्रयोगादरम्यान मोजलेली आरएफ पॉवर 77 किलोवॅट होती.
RFQ linacs विशिष्ट Q/A श्रेणीसह आयनांना गती देऊ शकतात.म्हणून, रेखीय प्रवेगकाच्या शेवटी दिलेल्या बीमचे विश्लेषण करताना, समस्थानिक आणि इतर पदार्थ विचारात घेणे आवश्यक आहे.याव्यतिरिक्त, इच्छित आयन, अंशतः प्रवेगक, परंतु प्रवेगकांच्या मध्यभागी प्रवेग स्थितीत खाली उतरलेले, तरीही पार्श्व बंदिवास पूर्ण करू शकतात आणि शेवटपर्यंत वाहून नेले जाऊ शकतात.इंजिनिअर केलेल्या 7Li3+ कणांव्यतिरिक्त इतर अवांछित किरणांना अशुद्धता म्हणतात.आमच्या प्रयोगांमध्ये, 14N6+ आणि 16O7+ अशुद्धता सर्वात जास्त चिंतेची बाब होती, कारण लिथियम मेटल फॉइल हवेतील ऑक्सिजन आणि नायट्रोजनवर प्रतिक्रिया देते.या आयनांमध्ये Q/A गुणोत्तर आहे जे 7Li3+ सह प्रवेगक केले जाऊ शकते.आम्ही आरएफक्यू लिनॅक नंतर बीम विश्लेषणासाठी भिन्न गुणवत्ता आणि गुणवत्तेचे बीम वेगळे करण्यासाठी द्विध्रुवीय चुंबक वापरतो.
आरएफक्यू लिनॅक नंतरची बीम लाइन द्विध्रुव चुंबकानंतर एफसीला पूर्ण प्रवेगक 7Li3+ बीम वितरित करण्यासाठी डिझाइन केलेली आहे.आयन बीम करंट अचूकपणे मोजण्यासाठी कपमधील दुय्यम इलेक्ट्रॉन दाबण्यासाठी -400 V बायस इलेक्ट्रोडचा वापर केला जातो.या ऑप्टिक्ससह, आयन प्रक्षेपण द्विध्रुवांमध्ये विभक्त केले जातात आणि Q/A वर अवलंबून वेगवेगळ्या ठिकाणी केंद्रित केले जातात.मोमेंटम डिफ्यूजन आणि स्पेस चार्ज रिपल्शन यासारख्या विविध कारणांमुळे, फोकसमधील बीमची एक विशिष्ट रुंदी असते.दोन आयन प्रजातींच्या फोकल पोझिशन्समधील अंतर बीमच्या रुंदीपेक्षा जास्त असेल तरच प्रजाती वेगळे केल्या जाऊ शकतात.जास्तीत जास्त संभाव्य रिझोल्यूशन प्राप्त करण्यासाठी, बीमच्या कमरजवळ एक क्षैतिज स्लिट स्थापित केला जातो, जेथे बीम व्यावहारिकपणे केंद्रित आहे.स्लिट आणि पीसी दरम्यान एक सिंटिलेशन स्क्रीन (CsI(Tl), सेंट-गोबेन, 40 मिमी × 40 मिमी × 3 मिमी) स्थापित केली गेली.सिंटिलेटरचा वापर इष्टतम रिझोल्यूशनसाठी डिझाइन केलेल्या कणांना सर्वात लहान स्लिट निर्धारित करण्यासाठी आणि उच्च वर्तमान हेवी आयन बीमसाठी स्वीकार्य बीम आकार प्रदर्शित करण्यासाठी केला गेला.सिंटिलेटरवरील बीमची प्रतिमा व्हॅक्यूम विंडोद्वारे सीसीडी कॅमेराद्वारे रेकॉर्ड केली जाते.संपूर्ण बीम पल्स रुंदी कव्हर करण्यासाठी एक्सपोजर टाइम विंडो समायोजित करा.
वर्तमान अभ्यासात वापरलेले किंवा विश्लेषित केलेले डेटासेट संबंधित लेखकांकडून वाजवी विनंतीवर उपलब्ध आहेत.
माणके, आय. वगैरे.चुंबकीय डोमेनचे त्रि-आयामी इमेजिंग.राष्ट्रीय कम्युन.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
अँडरसन, IS आणि इतर.प्रवेगकांवर कॉम्पॅक्ट न्यूट्रॉन स्त्रोतांचा अभ्यास करण्याची शक्यता.भौतिकशास्त्ररिप. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.न्यूट्रॉन-आधारित संगणित मायक्रोटोमोग्राफी: चाचणी प्रकरणे म्हणून प्लिओबेट्स कॅटालोनिया आणि बार्बेरापिथेकस ह्युर्झेलेरी.होय.जे. भौतिकशास्त्र.मानववंशशास्त्र१६६, ९८७–९९३.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).