304L 6.35 * 1mm Nerjaveèi asye mawonnen tib founisè, Demonstrasyon yon gwo bout bwa ityòm entans pou jenere netwon dirèk enpulsyonèl

Mèsi paske w vizite Nature.com.W ap itilize yon vèsyon navigatè ak sipò CSS limite.Pou pi bon eksperyans, nou rekòmande pou w sèvi ak yon navigatè ki ajou (oswa enfim mòd konpatibilite nan Internet Explorer).Anplis de sa, asire sipò kontinyèl, nou montre sit la san estil ak JavaScript.
Koulis ki montre twa atik pou chak glisad.Sèvi ak bouton dèyè yo ak bouton kap vini yo pou w deplase nan glisad yo, oswa bouton kontwolè glisad yo nan fen pou deplase nan chak glisad.

Kòm yon altènativ a etid la nan réacteurs nikleyè, yon konpak akseleratè-kondwi dèlko netwon ki sèvi ak yon chofè gwo bout bwa ityòm-ion ka yon kandida pwomèt paske li pwodui ti radyasyon vle.Sepandan, li te difisil pou delivre yon gwo bout bwa nan iyon ityòm, ak aplikasyon an pratik nan aparèy sa yo te konsidere kòm enposib.Pwoblèm ki pi egi nan koule ion ensifizan te rezoud pa aplike yon konplo enplantasyon plasma dirèk.Nan konplo sa a, yon gwo dansite enpulsyonèl plasma ki te pwodwi pa ablasyon lazè nan yon FOIL metal ityòm se efikasman sou fòm piki ak akselere pa yon akseleratè kwadwiplè wo-frekans (RFQ akseleratè).Nou te reyalize yon kouran pik gwo bout bwa nan 35 mA akselere a 1.43 MeV, ki se de lòd nan grandè pi wo pase sistèm konvansyonèl piki ak akseleratè ka bay.
Kontrèman ak reyon X oswa patikil chaje, netwon yo gen yon gwo pwofondè pénétration ak entèraksyon inik ak matyè kondanse, ki fè yo trè versatile sond pou etidye pwopriyete materyèl1,2,3,4,5,6,7.An patikilye, teknik dispèsyon netwon yo souvan itilize pou etidye konpozisyon, estrikti, ak estrès entèn nan matyè kondanse epi yo ka bay enfòmasyon detaye sou konpoze tras nan alyaj metal ki difisil pou detekte lè l sèvi avèk X-ray spectroscopy8.Metòd sa a konsidere kòm yon zouti pwisan nan syans debaz epi yo itilize pa manifaktirè metal ak lòt materyèl.Plis dènyèman, yo te itilize difraksyon netwon pou detekte estrès rezidyèl nan konpozan mekanik tankou pati tren ak avyon9,10,11,12.Yo itilize netwon tou nan pi lwil oliv ak gaz paske yo fasilman kaptire pa materyèl ki gen pwoton13.Metòd menm jan yo itilize tou nan jeni sivil.Tès netwon ki pa destriktif se yon zouti efikas pou detekte fay kache nan bilding, tinèl ak pon.Itilizasyon travès netwon yo aktivman itilize nan rechèch syantifik ak endistri, anpil nan yo te istorikman devlope lè l sèvi avèk réacteurs nikleyè.
Sepandan, ak konsansis mondyal la sou non-proliferasyon nikleyè, bati ti réacteurs pou rezon rechèch ap vin de pli zan pli difisil.Anplis, dènye aksidan Fukushima te fè konstriksyon réacteurs nikleyè prèske sosyalman akseptab.An koneksyon avèk tandans sa a, demann pou sous netwon nan akseleratè ap grandi2.Kòm yon altènativ a réacteurs nikleyè, plizyè gwo sous netwon akseleratè-divize yo deja nan operasyon14,15.Sepandan, pou yon itilizasyon pi efikas nan pwopriyete yo nan travès netwon, li nesesè yo elaji itilizasyon sous kontra enfòmèl ant nan akseleratè, 16 ki ka fè pati enstitisyon rechèch endistriyèl ak inivèsite.Sous netwon akseleratè yo te ajoute nouvo kapasite ak fonksyon anplis de sèvi kòm yon ranplasman pou reyaktè nikleyè14.Pou egzanp, yon dèlko ki kondwi linac ka fasilman kreye yon kouran netwon lè li manipile gwo bout bwa kondwi a.Yon fwa yo emèt, netwon yo difisil pou kontwole ak mezi radyasyon yo difisil pou analize akòz bri ki kreye pa netwon background.Neutron enpulsyonèl kontwole pa yon akseleratè evite pwoblèm sa a.Plizyè pwojè ki baze sou teknoloji akseleratè pwoton yo te pwopoze atravè mond lan17,18,19.Reyaksyon 7Li(p, n)7Be ak 9Be(p, n)9B yo itilize pi souvan nan dèlko netwon kontra enfòmèl ant pwoton yo paske yo se reyaksyon andotèmik20.Radyasyon depase ak fatra radyo-aktif yo ka minimize si enèji yo chwazi pou eksite gwo bout bwa pwoton an se yon ti kras pi wo pase valè papòt la.Sepandan, mas nwayo sib la pi gwo pase pwoton, e netwon yo gaye nan tout direksyon.Sa yo pre emisyon izotwòp nan yon flux netwon anpeche transpò efikas nan netwon nan objè etid la.Anplis de sa, pou jwenn dòz netwon ki nesesè yo nan kote objè a, li nesesè ogmante siyifikativman tou de kantite pwoton k ap deplase ak enèji yo.Kòm yon rezilta, gwo dòz reyon gama ak netwon ap pwopaje nan gwo ang, detwi avantaj reyaksyon andotèmik yo.Yon akseleratè-kondwi kontra enfòmèl ant pwoton ki baze sou netwon dèlko gen gwo pwoteksyon radyasyon epi li se pati ki pi ankonbran nan sistèm nan.Bezwen pou ogmante enèji kondwi pwoton anjeneral mande pou yon ogmantasyon adisyonèl nan gwosè enstalasyon akseleratè a.
Pou simonte enpèfeksyon jeneral sous netwon konvansyonèl kontra enfòmèl ant akseleratè yo, yo te pwopoze yon konplo reyaksyon envèrsyon-kinematik21.Nan konplo sa a, yo itilize yon gwo bout bwa ityòm-ion ki pi lou kòm yon gwo bout bwa gid olye pou yo yon gwo bout bwa pwoton, vize materyèl ki rich ak idwojèn tankou plastik idrokarbone, idrid, gaz idwojèn oswa plasma idwojèn.Altènatif yo te konsidere, tankou beryllium ion-kondwi travès, sepandan, beryllium se yon sibstans toksik ki mande swen espesyal nan manyen.Se poutèt sa, yon gwo bout bwa ityòm se pi apwopriye a pou rapid reyaksyon envèrsyon-kinematik.Depi momantòm nwayo ityòm yo pi gran pase pwoton, sant mas kolizyon nikleyè yo toujou ap avanse, epi netwon yo emèt tou pi devan.Karakteristik sa a elimine reyon gama ki pa vle ak gwo emisyon netwon ang22.Yon konparezon nan ka nòmal yon motè proton ak senaryo sinematik envès la montre nan Figi 1.
Ilistrasyon ang pwodiksyon netwon pou travès pwoton ak ityòm (desine ak Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Neutron yo ka ekspilse nan nenpòt direksyon kòm yon rezilta nan reyaksyon an akòz lefèt ke pwoton k ap deplase frape atòm yo ki pi lou nan sib la ityòm.(b) Kontrèman, si yon chofè ityòm-ion bonbarde yon sib ki rich idwojèn, netwon yo pwodui nan yon kòn etwat nan direksyon pi devan akòz gwo vitès sant mas sistèm lan.
Sepandan, se sèlman kèk dèlko neutron sinematik envès ki egziste akòz difikilte pou yo jenere flux ki nesesè nan iyon lou ak yon chaj segondè konpare ak pwoton.Tout plant sa yo itilize sous iyon sputter negatif an konbinezon ak akseleratè elektwostatik tandem.Lòt kalite sous ion yo te pwopoze pou ogmante efikasite akselerasyon gwo bout bwa26.Nan nenpòt ka, aktyèl gwo bout bwa ityòm-ion ki disponib limite a 100 µA.Li te pwopoze yo sèvi ak 1 mA nan Li3 + 27, men sa a aktyèl gwo bout bwa ion pa te konfime pa metòd sa a.An tèm de entansite, akseleratè gwo bout bwa ityòm pa ka fè konpetisyon ak akseleratè gwo bout bwa pwoton ki gen pik aktyèl pwoton depase 10 mA28.
Pou aplike yon dèlko netwon kontra enfòmèl ant pratik ki baze sou yon gwo bout bwa ityòm-ion, li se avantaje jenere gwo entansite konplètman san iyon.Iyon yo akselere ak gide pa fòs elektwomayetik, ak yon nivo chaj ki pi wo rezilta nan akselerasyon pi efikas.Chofè gwo bout bwa Li-ion mande pou kouran pik Li3+ ki depase 10 mA.
Nan travay sa a, nou demontre akselerasyon nan travès Li3 + ak kouran pik jiska 35 mA, ki se konparab ak akseleratè pwoton avanse.Lityòm ion orijinal la te kreye lè l sèvi avèk ablasyon lazè ak yon Scheme Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) orijinal devlope pou akselere C6 +.Yon kwadwiplè frekans radyo ki fèt sou koutim (RFQ linac) te fabrike lè l sèvi avèk yon estrikti sonorite kat baton.Nou te verifye ke gwo bout bwa a akselere gen enèji nan gwo bout bwa pite kalkile.Yon fwa akseleratè frekans radyo (RF) travès Li3+ la efektivman kaptire ak akselere, seksyon ki vin apre linac (akseleratè) yo itilize pou bay enèji ki nesesè pou jenere yon gwo flux netwon nan sib la.
Akselerasyon an nan iyon pèfòmans segondè se yon teknoloji byen etabli.Travay ki rete a nan reyalize yon nouvo dèlko netwon kontra enfòmèl ant trè efikas se jenere yon gwo kantite iyon ityòm konplètman dezabiye epi fòme yon estrikti gwoup ki fòme ak yon seri de pulsasyon ion senkronize ak sik RF nan akseleratè a.Rezilta eksperyans ki fèt pou reyalize objektif sa a yo dekri nan twa sou-seksyon sa yo: (1) jenerasyon yon gwo bout bwa lityòm-ion konplètman san, (2) akselerasyon gwo bout bwa lè l sèvi avèk yon linac RFQ ki fèt espesyalman, ak (3) akselerasyon analiz. nan gwo bout bwa a pou tcheke sa ki ladan l.Nan Brookhaven National Laboratory (BNL), nou bati konfigirasyon eksperimantal yo montre nan Figi 2.
Apèsi sou konfigirasyon eksperimantal la pou analiz akselere nan travès ityòm (ilustr pa Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Soti nan dwa a goch, plasma lazè-ablatif pwodwi nan chanm nan entèraksyon lazè-sib epi delivre nan linac RFQ la.Lè yo antre nan akseleratè RFQ la, iyon yo separe ak plasma a epi yo enjekte nan akseleratè RFQ la atravè yon jaden elektrik toudenkou ki te kreye pa yon diferans vòltaj 52 kV ant elektwòd ekstraksyon an ak elektwòd RFQ nan rejyon drift la.Iyon yo ekstrè yo akselere soti nan 22 keV / n rive nan 204 keV / n lè l sèvi avèk elektwòd RFQ 2 mèt longè.Yon transfòmatè aktyèl (CT) enstale nan pwodiksyon an nan RFQ linac la bay mezi ki pa destriktif nan aktyèl la gwo bout bwa ion.Gwo bout bwa a konsantre pa twa leman kwadwòp epi dirije nan yon leman dipol, ki separe ak dirije gwo bout bwa a Li3 + nan detektè a.Dèyè fant la, yo itilize yon scintillator plastik retractable ak yon tas Faraday (FC) ki gen yon patipri ki rive jiska -400 V pou detekte gwo bout bwa a akselere.
Pou jenere iyon ityòm totalman iyonize (Li3+), li nesesè pou kreye yon plasma ak yon tanperati ki pi wo pase enèji ionizasyon twazyèm li (122.4 eV).Nou te eseye sèvi ak ablasyon lazè pou pwodwi plasma segondè-tanperati.Sa a ki kalite sous lazè ion pa souvan itilize pou jenere travès ityòm ion paske metal ityòm se reyaktif epi li mande pou manyen espesyal.Nou te devlope yon sistèm loading sib pou misyon pou minimize imidite ak kontaminasyon lè lè w ap enstale papye ityòm nan chanm entèraksyon vakyòm lazè a.Tout preparasyon materyèl yo te pote soti nan yon anviwònman kontwole nan agon sèk.Apre yo fin enstale FOIL la ityòm nan chanm sib lazè a, FOIL la te iradyasyon ak radyasyon lazè Nd: YAG enpulsyonèl nan yon enèji nan 800 mJ pou chak batman kè.Nan konsantre sou sib la, dansite pouvwa lazè a estime sou 1012 W/cm2.Plasma kreye lè yon lazè enpulsyonèl detwi yon sib nan yon vakyòm.Pandan tout antye 6 ns batman lazè a, plasma a kontinye ap chofe, sitou akòz pwosesis ranvèse bremsstrahlung la.Depi pa gen okenn jaden ekstèn konfinasyon aplike pandan faz chofaj la, plasma a kòmanse elaji nan twa dimansyon.Lè plasma a kòmanse elaji sou sifas sib la, sant mas plasma a pran yon vitès pèpandikilè ak sifas sib la ak yon enèji 600 eV/n.Apre chofaj, plasma a ap kontinye deplase nan direksyon axial soti nan sib la, elaji izotropically.
Jan yo montre nan Figi 2, plasma ablasyon an elaji nan yon volim vakyòm antoure pa yon veso metal ki gen menm potansyèl ak sib la.Kidonk, plasma a flote nan rejyon an san jaden nan direksyon akseleratè RFQ la.Yon chan mayetik axial aplike ant chanm iradyasyon lazè a ak linac RFQ a pa mwayen yon bobin solenoid ki blese alantou chanm vakyòm lan.Chan mayetik solenoid la siprime ekspansyon radial plasma drifting la pou kenbe yon dansite plasma segondè pandan livrezon nan ouvèti RFQ la.Nan lòt men an, plasma a kontinye ap elaji nan direksyon axial pandan drift la, fòme yon plasma long.Yo aplike yon patipri vòltaj segondè nan veso an metal ki gen plasma a devan pò sòti nan inlet RFQ la.Yo te chwazi vòltaj patipri a pou bay to piki 7Li3 + ki nesesè pou akselerasyon apwopriye pa linac RFQ la.
Plasma ablasyon ki kapab lakòz la gen pa sèlman 7Li3 +, men tou, ityòm nan lòt eta chaj ak eleman polyan, ki an menm tan transpòte nan akseleratè lineyè RFQ la.Anvan eksperyans akselere lè l sèvi avèk linac RFQ la, yo te fè yon analiz offline time-of-flight (TOF) pou etidye konpozisyon ak distribisyon enèji iyon nan plasma a.Yo eksplike konfigirasyon an detay analyse ak distribisyon eta-of-chaj yo obsève nan seksyon Metòd.Analiz la te montre ke 7Li3 + iyon yo te patikil prensipal yo, kontablite pou apeprè 54% nan tout patikil, jan yo montre nan Fig. 3. Dapre analiz la, 7Li3 + iyon aktyèl la nan pwen an pwodiksyon gwo bout bwa se estime nan 1.87 mA.Pandan tès akselere yo, yo aplike yon jaden solenoid 79 mT nan plasma agrandi.Kòm yon rezilta, aktyèl 7Li3 + ekstrè nan plasma a epi yo obsève sou detektè a ogmante pa yon faktè 30.
Fraksyon nan iyon nan plasma lazè-pwodwi yo jwenn nan analiz tan-of-vol.Iyon yo 7Li1 + ak 7Li2 + fè moute 5% ak 25% nan gwo bout bwa a ion, respektivman.Fraksyon detekte nan patikil 6Li dakò ak kontni natirèl la nan 6Li (7.6%) nan sib la FOIL ityòm nan erè a eksperimantal.Yo te obsève yon ti kras kontaminasyon oksijèn (6.2%), sitou O1 + (2.1%) ak O2 + (1.5%), ki ka akòz oksidasyon nan sifas la nan sib la FOIL ityòm.
Kòm mansyone deja, plasma ityòm nan flote nan yon rejyon san jaden anvan yo antre nan linac RFQ la.Antre nan RFQ linac la gen yon twou 6 mm dyamèt nan yon veso metal, ak vòltaj la patipri se 52 kV.Malgre ke vòltaj elektwòd RFQ la chanje rapidman ± 29 kV nan 100 MHz, vòltaj la lakòz akselerasyon axial paske elektwòd akseleratè RFQ yo gen yon potansyèl mwayèn zewo.Akòz gwo jaden elektrik ki pwodui nan espas 10 mm ant ouvèti a ak kwen elektwòd RFQ la, sèlman iyon plasma pozitif yo ekstrè nan plasma a nan ouvèti a.Nan sistèm livrezon iyon tradisyonèl yo, iyon yo separe ak plasma a pa yon jaden elektrik nan yon distans konsiderab devan akseleratè RFQ la epi yo konsantre nan ouvèti RFQ la pa yon eleman konsantre gwo bout bwa.Sepandan, pou gwo iyon lou yo mande pou yon sous netwon entans, fòs repouse ki pa lineyè akòz efè chaj espas ka mennen nan pèt siyifikatif gwo bout bwa aktyèl nan sistèm transpò iyon an, limite aktyèl la pik ki ka akselere.Nan DPIS nou an, iyon gwo entansite yo transpòte kòm yon plasma drifting dirèkteman nan pwen an sòti nan ouvèti RFQ la, kidonk pa gen okenn pèt nan gwo bout bwa a ion akòz chaj espas.Pandan demonstrasyon sa a, DPIS te aplike nan yon gwo bout bwa ityòm-ion pou premye fwa.
Estrikti RFQ la te devlope pou konsantre ak akselere enèji ki ba gwo iyon aktyèl e li te vin estanda pou akselerasyon premye lòd.Nou itilize RFQ pou akselere iyon 7Li3+ ki soti nan yon enèji implant de 22 keV/n rive 204 keV/n.Malgre ke ityòm ak lòt patikil ki gen yon chaj pi ba nan plasma a yo ekstrè tou nan plasma a ak sou fòm piki nan ouvèti RFQ la, linac RFQ a sèlman akselere iyon ak yon rapò chaj-a-mas (Q/A) tou pre 7Li3 +.
Sou fig.Figi 4 montre fòm ond yo detekte pa transfòmatè aktyèl la (CT) nan pwodiksyon linac RFQ la ak gode Faraday (FC) apre yo fin analize leman an, jan yo montre nan fig.2. Chanjman nan tan ant siyal yo ka entèprete kòm diferans lan nan tan an nan vòl nan kote detektè a.Aktyèl pik ion ki mezire nan CT te 43 mA.Nan pozisyon an RT, gwo bout bwa ki anrejistre a ka gen ladan pa sèlman iyon akselere nan enèji a kalkile, men tou, iyon lòt pase 7Li3 +, ki pa ase akselere.Sepandan, resanblans nan fòm aktyèl ion yo te jwenn pa mwayen QD ak PC endike ke aktyèl la ion sitou konsiste de akselere 7Li3 +, ak diminisyon nan valè pik aktyèl la sou PC ki te koze pa pèt gwo bout bwa pandan transfè ion ant QD ak PC.Pèt Sa a se konfime tou pa simulation anvlòp la.Pou mezire ak presizyon 7Li3 + kouran gwo bout bwa a, gwo bout bwa a analize ak yon leman dipol jan sa dekri nan pwochen seksyon an.
Osilogram gwo bout bwa akselere anrejistre nan pozisyon detektè CT (koub nwa) ak FC (koub wouj).Mezi sa yo deklanche pa deteksyon radyasyon lazè pa yon fotodetektè pandan jenerasyon plasma lazè.Koub nwa a montre fòm ond ki mezire sou yon CT ki konekte ak pwodiksyon linac RFQ la.Akòz pwoksimite li nan linac RFQ la, detektè a pran bri 100 MHz RF, kidonk yo te aplike yon filtè FFT pasaj 98 MHz pou retire siyal RF sonan 100 MHz sipèpoze sou siyal deteksyon an.Koub wouj la montre fòm ond lan nan FC apre leman analyse a dirije gwo bout bwa iyon 7Li3+ la.Nan chan mayetik sa a, apa de 7Li3 +, N6 + ak O7 + ka transpòte.
Se gwo bout bwa a ion apre RFQ linac la konsantre pa yon seri de twa leman ki konsantre kwadripol ak Lè sa a, analize pa leman dipol yo izole enpurte nan gwo bout bwa a ion.Yon chan mayetik 0.268 T dirije travès 7Li3+ yo nan FC la.Ond deteksyon jaden mayetik sa a montre kòm koub wouj nan Figi 4. Aktyèl gwo bout bwa pik la rive nan 35 mA, ki se plis pase 100 fwa pi wo pase yon gwo bout bwa Li3 + tipik ki pwodui nan akseleratè elektwostatik konvansyonèl ki deja egziste.Lajè batman gwo bout bwa a se 2.0 µs nan tout lajè nan mwatye maksimòm.Deteksyon yon gwo bout bwa 7Li3+ ak yon chan mayetik dipol endike siksesyon akselerasyon gwo bout bwa.Aktyèl iyon gwo bout bwa a detekte pa FC lè eskane chan mayetik dipol la montre nan Fig. 5. Yo te obsève yon sèl pwòp pik, byen separe ak lòt pik yo.Depi tout iyon akselere nan enèji konsepsyon RFQ linac la gen menm vitès, travès iyon ak menm Q/A yo difisil pou separe pa chan mayetik dipol.Se poutèt sa, nou pa ka fè distenksyon ant 7Li3 + ak N6 + oswa O7 +.Sepandan, kantite enpurte yo ka estime nan eta chaj vwazen yo.Pou egzanp, N7 + ak N5 + ka fasil separe, pandan y ap N6 + ka fè pati enpurte a epi li espere yo dwe prezan nan apeprè menm kantite lajan an kòm N7 + ak N5 +.Estimasyon nivo polisyon an se anviwon 2%.
Spectre konpozan gwo bout bwa yo jwenn nan analize yon chan mayetik dipol.Pik la nan 0.268 T koresponn ak 7Li3 + ak N6 +.Lajè pik la depann de gwosè gwo bout bwa a sou fant la.Malgre gwo pik, 7Li3+ byen separe de 6Li3+, O6+, ak N5+, men mal separe de O7+ ak N6+.
Nan kote FC la, pwofil gwo bout bwa a te konfime ak yon scintillator plug-in ak anrejistre ak yon kamera dijital rapid jan yo montre nan Figi 6. Yo montre gwo bout bwa a enpulsyonèl 7Li3+ ak yon kouran 35 mA akselere nan yon RFQ kalkile. enèji nan 204 keV/n, ki koresponn ak 1.4 MeV, ak transmèt nan detektè FC la.
Pwofil gwo bout bwa yo obsève sou yon ekran scintillator pre-FC (koulè pa Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Te jaden mayetik nan leman an dipol analitik branche pou dirije akselerasyon nan gwo bout bwa a Li3 + ion nan RFQ nan enèji konsepsyon.Pwen ble yo nan zòn vèt la koze pa materyèl scintillator ki defektye.
Nou reyalize jenerasyon iyon 7Li3 + pa lazè ablasyon sifas yon FOIL ityòm solid, epi yo te kaptire ak akselere yon gwo reyon iyon aktyèl ak yon linac RFQ ki fèt espesyalman lè l sèvi avèk DPIS.Nan yon enèji gwo bout bwa nan 1.4 MeV, aktyèl la pik nan 7Li3 + rive nan FC la apre analiz nan leman an te 35 mA.Sa a konfime ke pati ki pi enpòtan nan aplikasyon an nan yon sous netwon ak sinematik envès te aplike eksperimantal.Nan pati sa a nan papye a, yo pral diskite sou konsepsyon an antye nan yon sous netwon kontra enfòmèl ant, ki gen ladan akseleratè enèji segondè ak estasyon sib netwon.Konsepsyon an baze sou rezilta yo jwenn ak sistèm ki egziste deja nan laboratwa nou an.Li ta dwe remake ke aktyèl la pik nan gwo bout bwa a ion ka plis ogmante pa diminye distans ki genyen ant papye a ityòm ak linac RFQ la.Diri.7 montre tout konsèp sous netwon kontra enfòmèl yo pwopoze a nan akseleratè a.
Konsepsyon konsèp sous netwon kontra enfòmèl ant pwopoze a nan akseleratè a (desine pa Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Soti nan dwa a goch: sous ion lazè, leman solenoid, RFQ linac, mwayen transfè gwo bout bwa enèji (MEBT), IH linac, ak chanm entèraksyon pou jenerasyon netwon.Pwoteksyon radyasyon bay prensipalman nan direksyon pi devan akòz nati a etwat dirije nan travès netwon yo pwodwi.
Apre linac RFQ a, plis akselerasyon entèdijital H-estrikti (IH linac) 30 linac planifye.IH linacs itilize yon estrikti tib drift π-mòd pou bay gwo gradyan jaden elektrik sou yon sèten seri vitès.Etid konseptyèl ekspresyon an te fèt ki baze sou simulation dinamik longitudinal 1D ak simulation koki 3D.Kalkil yo montre ke yon 100 MHz IH linac ak yon vòltaj tib drift rezonab (mwens pase 450 kV) ak yon leman fò konsantre ka akselere yon gwo bout bwa 40 mA soti nan 1.4 a 14 MeV nan yon distans 1.8 m.Distribisyon enèji nan fen chèn akseleratè a estime nan ± 0.4 MeV, ki pa afekte siyifikativman spectre enèji netwon ki te pwodwi pa sib konvèsyon netwon an.Anplis de sa, emisivite gwo bout bwa a se ba ase yo konsantre gwo bout bwa a nan yon plas pi piti gwo bout bwa pase nòmalman ta dwe mande pou yon fòs mwayen ak gwosè kwadwiplè leman.Nan transmisyon mwayen enèji gwo bout bwa (MEBT) ant linac RFQ ak linac IH, yo itilize resonator beamforming pou kenbe estrikti beamforming la.Twa leman quadrupole yo itilize pou kontwole gwosè gwo bout bwa a bò.Yo te itilize estrateji konsepsyon sa a nan anpil akseleratè31,32,33.Longè total tout sistèm nan soti nan sous ion nan chanm sib la estime a mwens pase 8 m, ki ka anfòm nan yon kamyon estanda semi-trelè.
Sib konvèsyon netwon an pral enstale dirèkteman apre akseleratè lineyè a.Nou diskite sou konsepsyon estasyon sib ki baze sou etid anvan yo lè l sèvi avèk senaryo sinematik envès23.Objektif konvèsyon rapòte gen ladan materyèl solid (polypropylène (C3H6) ak idrid Titàn (TiH2)) ak sistèm sib gaz.Chak objektif gen avantaj ak dezavantaj.Objektif solid pèmèt kontwòl epesè egzak.Plis sib la mens, se pi egzak aranjman espasyal pwodiksyon netwon an.Sepandan, sib sa yo ka toujou gen kèk degre nan reyaksyon nikleyè vle ak radyasyon.Nan lòt men an, yon sib idwojèn ka bay yon anviwònman pi pwòp pa elimine pwodiksyon an nan 7Be, pwodwi prensipal la nan reyaksyon nikleyè a.Sepandan, idwojèn gen yon kapasite baryè fèb epi li mande yon gwo distans fizik pou lage enèji ase.Sa a se yon ti kras dezavantaj pou mezi TOF.Anplis de sa, si yo itilize yon fim mens pou sele yon sib idwojèn, li nesesè pran an kont pèt enèji nan reyon gama ki te pwodwi pa fim nan mens ak gwo bout bwa ityòm ensidan an.
LICORNE sèvi ak sib polypropylène ak sistèm sib la te modènize nan selil idwojèn sele ak papye Tantal.Sipoze yon kouran gwo bout bwa nan 100 nA pou 7Li34, tou de sistèm sib yo ka pwodwi jiska 107 n / s / sr.Si nou aplike konvèsyon pwodiksyon netwon ki reklame sa a nan sous netwon nou pwopoze a, Lè sa a, yon gwo bout bwa ityòm-kondwi nan 7 × 10–8 C ka jwenn pou chak batman lazè.Sa vle di ke tire lazè a jis de fwa pa segonn pwodui 40% plis netwon pase LICORNE ka pwodwi nan yon segonn ak yon gwo bout bwa kontinyèl.Flux total la ka fasil ogmante lè w ogmante frekans eksitasyon lazè a.Si nou sipoze ke gen yon sistèm lazè 1 kHz sou mache a, flux netwon an mwayèn ka fasil pou ogmante jiska apeprè 7 × 109 n/s/sr.
Lè nou itilize sistèm repetisyon segondè yo ak sib plastik, li nesesè pou kontwole jenerasyon chalè sou sib yo paske, pou egzanp, polypropylène gen yon pwen k ap fonn ki ba nan 145-175 °C ak yon konduktiviti tèmik ki ba nan 0.1-0.22 W/. m/K.Pou yon gwo bout bwa ityòm-ion 14 MeV, yon sib polypropylène 7 µm epè se ase pou diminye enèji gwo bout bwa a nan papòt reyaksyon an (13.098 MeV).Lè w ap konsidere efè total iyon ki te pwodwi pa yon sèl piki lazè sou sib la, yo estime lage enèji nan iyon ityòm atravè polypropylène a 64 mJ / batman kè.Si nou sipoze ke tout enèji a transfere nan yon sèk ki gen yon dyamèt 10 mm, chak batman kè koresponn ak yon ogmantasyon tanperati apeprè 18 K / batman kè.Lage enèji sou objektif polypropylène baze sou sipozisyon senp ke tout pèt enèji yo estoke kòm chalè, san radyasyon oswa lòt pèt chalè.Depi ogmante kantite pulsasyon pou chak segonn mande pou elimine chalè akimilasyon, nou ka itilize sib teren pou evite lage enèji nan menm pwen23.Si nou sipoze yon tach gwo bout bwa 10 mm sou yon sib ak yon pousantaj repetisyon lazè 100 Hz, vitès optik kasèt polypropylène la ta dwe 1 m/s.Pi gwo pousantaj repetisyon posib si sipèpoze tach travès yo pèmèt.
Nou te envestige tou sib ak pil idwojèn, paske travès kondwi pi fò yo ta ka itilize san yo pa domaje sib la.Gwo bout bwa a netwon ka fasilman branche pa chanje longè chanm gaz la ak presyon idwojèn anndan an.Foil metal mens yo souvan itilize nan akseleratè yo separe rejyon gaz la nan sib la soti nan vakyòm.Se poutèt sa, li nesesè ogmante enèji nan gwo bout bwa a ityòm-ion ensidan yo nan lòd yo konpanse pou pèt yo enèji sou FOIL la.Asanble sib ki dekri nan rapò 35 la te fèt nan yon veso aliminyòm ki gen 3.5 cm nan longè ak yon presyon gaz H2 1.5 atm.16.75 MeV ityòm ion gwo bout bwa a antre nan batri a atravè lè-refwadi 2.7 µm Ta foil la, ak enèji nan gwo bout bwa ityòm ion nan fen batri a ralanti nan papòt reyaksyon an.Pou ogmante enèji gwo bout bwa nan pil ityòm-ion soti nan 14.0 MeV a 16.75 MeV, IH linac la te dwe alonje pa apeprè 30 cm.
Yo te etidye tou emisyon netwon ki soti nan objektif selil gaz yo.Pou sib gaz LICORNE yo mansyone pi wo a, simulation GEANT436 montre ke netwon trè oryante yo pwodwi andedan kòn lan, jan yo montre nan Figi 1 nan [37].Referans 35 montre ranje enèji ki soti nan 0.7 a 3.0 MeV ak yon ouvèti kòn maksimòm 19.5 ° parapò ak direksyon pwopagasyon gwo bout bwa prensipal la.Trè oryante netwon yo ka siyifikativman redwi kantite materyèl pwoteksyon nan pifò ang, diminye pwa estrikti a epi bay pi gwo fleksibilite nan enstalasyon ekipman mezi.Soti nan pwen de vi pwoteksyon radyasyon, anplis netwon, sib gaz sa a emèt reyon gama 478 keV izotrop nan sistèm kowòdone santwoyid la38.Sa yo γ-ray yo pwodui kòm yon rezilta nan 7Be pouri anba tè ak 7Li deexcitation, ki rive lè gwo bout bwa a Li prensipal frape fenèt la opinyon Ta.Sepandan, lè w ajoute yon kolimatè silendrik 35 Pb/Cu epè, background nan ka siyifikativman redwi.
Kòm yon sib altènatif, yon moun ka itilize yon fenèt plasma [39, 40], ki fè li posib reyalize yon presyon idwojèn relativman wo ak yon ti rejyon espasyal nan jenerasyon netwon, byenke li enferyè a sib solid.
Nou ap mennen ankèt sou opsyon konvèsyon netwon yo vize pou distribisyon enèji espere ak gwosè gwo bout bwa yon gwo bout bwa ityòm ion lè l sèvi avèk GEANT4.Simulasyon nou yo montre yon distribisyon konsistan nan enèji netwon ak distribisyon angilè pou objektif idwojèn nan literati ki anwo yo.Nan nenpòt sistèm sib, netwon trè oryante ka pwodwi pa yon reyaksyon sinematik envès kondwi pa yon gwo bout bwa 7Li3 + sou yon sib ki rich idwojèn.Se poutèt sa, nouvo sous netwon yo ka aplike lè yo konbine teknoloji ki deja egziste.
Kondisyon yo iradyasyon lazè repwodui eksperyans jenerasyon travès ion anvan demonstrasyon an akselere.Lazè a se yon sistèm nanosecond Nd:YAG Desktop ak yon dansite pouvwa lazè 1012 W/cm2, yon longèdonn fondamantal 1064 nm, yon enèji tach 800 mJ, ak yon dire batman kè 6 ns.Dyamèt tach la sou sib la estime a 100 µm.Paske metal ityòm (Alfa Aesar, 99.9% pi bon kalite) se byen mou, se materyèl la jisteman koupe bourade nan mwazi an.Dimansyon FOIL 25 mm × 25 mm, epesè 0.6 mm.Domaj ki tankou kratè rive sou sifas sib la lè yon lazè frape li, kidonk sib la deplase pa yon platfòm motè pou bay yon pòsyon fre nan sifas sib la ak chak piki lazè.Pou evite rekonbinasyon akòz gaz rezidyèl, yo te kenbe presyon an nan chanm lan pi ba pase 10-4 Pa.
Volim inisyal plasma lazè a piti, depi gwosè plas lazè a se 100 μm ak nan 6 ns apre jenerasyon li.Volim nan ka pran kòm yon pwen egzak ak elaji.Si yo mete detektè a nan yon distans xm soti nan sifas la sib, Lè sa a, siyal la resevwa obeyi relasyon an: ion aktyèl I, ion arive tan t, ak lajè batman kè τ.
Plasma pwodwi a te etidye pa metòd TOF ak FC ak yon analizeur ion enèji (EIA) ki sitiye nan yon distans 2.4 m ak 3.85 m soti nan sib lazè a.FC a gen yon kadriyaj suppresseur patipri pa -5 kV pou anpeche elektwon.EIA a gen yon deflektè elektwostatik 90 degre ki fòme ak de elektwòd silendrik metal kowaksyal ak menm vòltaj men polarite opoze, pozitif sou deyò ak negatif sou andedan an.Plasma a elaji dirije nan deflektè a dèyè plas la ak devye pa jaden elektrik la pase nan silenn lan.Yo detekte iyon ki satisfè relasyon E/z = eKU lè l sèvi avèk yon miltiplikatè elektwonik segondè (SEM) (Hamamatsu R2362), kote E, z, e, K, ak U se enèji iyon, eta chaj, ak chaj yo se faktè jeyometrik EIA. .elektwon, respektivman, ak diferans potansyèl ant elektwòd yo.Lè w chanje vòltaj la atravè deflektè a, yon moun ka jwenn enèji ak distribisyon chaj iyon nan plasma a.Vòltaj bale U/2 EIA a se nan seri a soti nan 0.2 V a 800 V, ki koresponn ak yon enèji ion nan seri a soti nan 4 eV a 16 keV pou chak eta chaj.
Distribisyon eta chaj iyon yo analize anba kondisyon iradyasyon lazè ki dekri nan seksyon "Jenerasyon reyon ityòm konplètman dezabiye" yo montre nan Figi.8.
Analiz distribisyon eta chaj iyon yo.Isit la se pwofil tan dansite iyon aktyèl la analize ak EIA ak echèl nan 1 m soti nan FOIL la ityòm lè l sèvi avèk ekwasyon an.(1) ak (2).Sèvi ak kondisyon iradyasyon lazè ki dekri nan seksyon "Jenerasyon yon gwo bout bwa ityòm konplètman èksfolye".Lè w entegre chak dansite aktyèl, yo te kalkile pwopòsyon iyon nan plasma a, yo montre nan Figi 3.
Sous ion lazè ka delivre yon gwo reyon iyon milti-mA ak yon chaj segondè.Sepandan, livrezon gwo bout bwa trè difisil akòz repouse chaj espas, kidonk li pa te lajman itilize.Nan konplo tradisyonèl la, travès ion yo ekstrè nan plasma a epi yo transpòte nan akseleratè prensipal la sou yon liy gwo bout bwa ak plizyè leman konsantre pou fòme gwo bout bwa a ion selon kapasite pickup akseleratè a.Nan espas chaj fòs travès, travès yo diverge ki pa lineyè, ak pèt gwo bout bwa yo obsève, espesyalman nan rejyon an nan vitès ki ba.Pou simonte pwoblèm sa a nan devlopman akseleratè kabòn medikal, yo pwopoze yon nouvo konplo livrezon gwo bout bwa DPIS41.Nou te aplike teknik sa a pou akselere yon gwo bout bwa ityòm-ion ki soti nan yon nouvo sous netwon.
Jan yo montre nan fig.4, espas kote plasma a pwodui ak elaji se antoure pa yon veso metal.Espas ki fèmen an pwolonje nan papòt la nan resonator RFQ la, ki gen ladan volim ki andedan bobin solenoid la.Yo te aplike yon vòltaj 52 kV nan veso a.Nan resonator RFQ a, iyon yo rale pa potansyèl atravè yon twou 6 mm dyamèt lè yo chita RFQ la.Fòs repouse ki pa lineyè sou liy gwo bout bwa yo elimine kòm iyon yo transpòte nan eta plasma a.Anplis de sa, jan mansyone pi wo a, nou aplike yon jaden solenoid nan konbinezon ak DPIS kontwole ak ogmante dansite iyon nan ouvèti a ekstraksyon.
Akseleratè RFQ a konsiste de yon chanm vakyòm silendrik jan yo montre nan fig.9a.Anndan li, kat baton an kwiv san oksijèn yo mete simetrik kwadwiplè alantou aks gwo bout bwa a (figi 9b).4 branch bwa ak chanm fòme yon sikwi RF sonan.Jaden RF pwovoke a kreye yon vòltaj ki varye tan atravè baton an.Iyon ki implanté longitudinal ozalantou aks la yo kenbe lateralman pa jaden an quadrupol.An menm tan an, pwent baton an modulation pou kreye yon jaden elektrik axial.Jaden axial la divize gwo bout bwa kontinyèl ki enjekte a nan yon seri pulsasyon gwo bout bwa yo rele yon gwo bout bwa.Chak gwo bout bwa genyen nan yon sèten tan sik RF (10 ns).Travès adjasan yo espace selon peryòd frekans radyo a.Nan linac RFQ a, yon reyon 2 µs ki soti nan yon sous ion lazè konvèti nan yon sekans 200 travès.Lè sa a, gwo bout bwa a akselere nan enèji a kalkile.
RFQ akseleratè lineyè.(a) (agòch) View eksteryè nan chanm RFQ linac la.(b) (adwat) Elektwòd kat baton nan chanm lan.
Paramèt konsepsyon prensipal yo nan RFQ linac la se vòltaj baton an, frekans sonans, reyon twou gwo bout bwa, ak modulasyon elektwòd.Chwazi vòltaj la sou baton an ± 29 kV pou ke jaden elektrik li yo anba papòt la pann elektrik.Pi ba frekans sonan an, se pi gwo fòs la konsantre lateral ak pi piti jaden an mwayèn akselerasyon.Gwo reyon ouvèti fè li posib ogmante gwosè gwo bout bwa a epi, kidonk, ogmante aktyèl la gwo bout bwa akòz repisyon chaj espas ki pi piti a.Nan lòt men an, pi gwo reyon ouvèti mande pou plis pouvwa RF pou pouvwa linac RFQ la.Anplis de sa, li limite pa kondisyon yo bon jan kalite nan sit la.Ki baze sou balans sa yo, yo te chwazi frekans sonan (100 MHz) ak reyon ouvèti (4.5 mm) pou akselerasyon gwo-aktyèl gwo bout bwa.Se modulasyon an chwazi pou misyon pou minimize pèt gwo bout bwa ak maksimize efikasite akselerasyon.Konsepsyon an te optimize anpil fwa pou pwodui yon konsepsyon RFQ linac ki ka akselere iyon 7Li3+ nan 40 mA soti nan 22 keV/n rive nan 204 keV/n nan 2 m.Pouvwa RF mezire pandan eksperyans lan te 77 kW.
Linacs RFQ ka akselere iyon ak yon seri espesifik Q/A.Se poutèt sa, lè analize yon gwo bout bwa manje nan fen yon akseleratè lineyè, li nesesè pran an kont izotòp ak lòt sibstans.Anplis de sa, iyon yo vle, pasyèlman akselere, men desann anba kondisyon akselerasyon nan mitan an nan akseleratè a, ka toujou satisfè enkaserasyon lateral epi yo ka transpòte nan fen an.Reyon endezirab lòt pase patikil 7Li3+ enjenyè yo rele enpurte.Nan eksperyans nou yo, 14N6 + ak 16O7 + enpurte yo te nan pi gwo enkyetid, depi FOIL la metal ityòm reyaji ak oksijèn ak nitwojèn nan lè a.Iyon sa yo gen yon rapò Q/A ki ka akselere ak 7Li3+.Nou itilize leman dipol pou separe travès diferan kalite ak bon jan kalite pou analiz gwo bout bwa apre linac RFQ la.
Liy gwo bout bwa apre linac RFQ la fèt pou delivre gwo bout bwa 7Li3+ totalman akselere nan FC la apre leman dipol la.-400 V elektwòd patipri yo itilize pou siprime elektwon segondè nan gode a pou mezire avèk presizyon aktyèl la gwo bout bwa ion.Avèk optik sa a, trajectoire ion yo separe an dipol epi konsantre nan diferan kote depann sou Q/A.Akòz divès faktè tankou difizyon momantòm ak repouse chaj espas, gwo bout bwa a nan konsantre a gen yon lajè sèten.Espès yo ka separe sèlman si distans ki genyen ant pozisyon fokal de espès iyon yo pi gran pase lajè gwo bout bwa a.Pou jwenn rezolisyon ki pi wo posib, yon fant orizontal enstale tou pre ren gwo bout bwa a, kote gwo bout bwa a pratikman konsantre.Yon ekran scintillation (CsI(Tl) soti nan Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) te enstale ant fant la ak PC a.Scintillator la te itilize pou detèmine pi piti fann patikil ki fèt yo te dwe pase nan pou rezolisyon optimal ak pou demontre gwosè gwo bout bwa ki akseptab pou gwo iyon lou kouran.Yon kamera CCD anrejistre imaj gwo bout bwa sou scintillator a atravè yon fenèt vakyòm.Ajiste fennèt tan ekspoze a pou kouvri tout lajè batman travès la.
Ansanm done yo itilize oswa analize nan etid aktyèl la disponib nan men otè respektif yo sou demann rezonab.
Manke, I. et al.Imaj twa dimansyon nan domèn mayetik.Komin nasyonal.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Posiblite pou etidye sous netwon kontra enfòmèl ant nan akseleratè.fizik.Rep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Mikrotomografi kalkile ki baze sou netwon: Pliobates cataloniae ak Barberapithecus huerzeleri kòm ka tès.Wi.J. Fizik.antwopoloji.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).