304L 6.35*1mm Ryðfríu stáli vafningsrör birgjar, Sýning á sterkum litíum geisla til að búa til púlsaðar beinar nifteindir

Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com.Þú ert að nota vafraútgáfu með takmarkaðan CSS stuðning.Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkva á eindrægnistillingu í Internet Explorer).Að auki, til að tryggja áframhaldandi stuðning, sýnum við síðuna án stíla og JavaScript.
Rennistikur sem sýna þrjár greinar á hverri glæru.Notaðu til baka og næsta hnappa til að fara í gegnum glærurnar, eða rennibrautarhnappana í lokin til að fara í gegnum hverja glæru.

Sem valkostur við rannsóknir á kjarnakljúfum, getur lítill hröðunardrifinn nifteindarafall, sem notar litíumjóngeisladrif, verið efnilegur frambjóðandi vegna þess að hann framleiðir litla óæskilega geislun.Hins vegar var erfitt að skila sterkum geisla af litíumjónum og hagnýting slíkra tækja var talin ómöguleg.Bráðasta vandamálið með ófullnægjandi jónaflæði var leyst með því að beita beinni plasmaígræðsluáætlun.Í þessu kerfi er háþéttni púlsandi plasma sem myndast með leysireyðingu á litíum málmþynnu sprautað á skilvirkan hátt og hraðað með hátíðni fjórpóla hröðli (RFQ hröðull).Við höfum náð hámarks geislastraumi upp á 35 mA hraðað í 1,43 MeV, sem er tveimur stærðargráðum hærra en hefðbundin inndælingar- og inndælingarkerfi geta veitt.
Ólíkt röntgengeislum eða hlaðnum ögnum hafa nifteindir mikla inndælingardýpt og einstakt víxlverkun við þétt efni, sem gerir þær mjög fjölhæfar rannsaka til að rannsaka eiginleika efna1,2,3,4,5,6,7.Sérstaklega eru nifteindadreifingaraðferðir almennt notaðar til að rannsaka samsetningu, uppbyggingu og innra álag í þéttu efni og geta veitt nákvæmar upplýsingar um snefilsambönd í málmblöndur sem erfitt er að greina með röntgengeislarófsgreiningu8.Þessi aðferð er talin öflugt tæki í grunnvísindum og er notuð af framleiðendum málma og annarra efna.Nýlega hefur nifteindadiffrun verið notuð til að greina afgangsspennu í vélrænum íhlutum eins og járnbrautar- og flugvélahlutum9,10,11,12.Nifteindir eru einnig notaðar í olíu- og gaslindum vegna þess að þær eru auðveldlega fangaðar af róteindaríkum efnum13.Svipaðar aðferðir eru einnig notaðar í byggingarverkfræði.Nifteindaprófun sem ekki eyðileggur er áhrifaríkt tæki til að greina falda bilanir í byggingum, göngum og brúm.Notkun nifteindageisla er virkur notaður í vísindarannsóknum og iðnaði, sem mörg hver hafa í gegnum tíðina verið þróuð með því að nota kjarnaofna.
Hins vegar, með alþjóðlegri samstöðu um bann við útbreiðslu kjarnavopna, verður sífellt erfiðara að byggja litla kjarnakljúfa í rannsóknarskyni.Þar að auki hefur nýlegt Fukushima-slys gert það að verkum að smíði kjarnaofna er nánast samfélagslega ásættanleg.Í tengslum við þessa þróun eykst eftirspurn eftir nifteindagjöfum í hröðlum2.Sem valkostur við kjarnaofna, eru nokkrir stórir nifteindagjafar sem skiptast á hröðun, þegar í notkun14,15.Hins vegar, til að nýta eiginleika nifteindageisla á skilvirkari hátt, er nauðsynlegt að auka notkun á þéttum uppsprettum á hröðlum, 16 sem geta tilheyrt rannsóknastofnunum iðnaðar og háskóla.Nifteindagjafar hröðunar hafa bætt við nýjum möguleikum og virkni auk þess að koma í staðinn fyrir kjarnaofna14.Til dæmis getur linac-drifinn rafall auðveldlega búið til straum nifteinda með því að vinna með drifgeislann.Þegar nifteindir hafa borist frá þeim er erfitt að stjórna og geislunarmælingar eru erfiðar að greina vegna hávaða sem myndast af bakgrunnsnifteindum.Púlsaðar nifteindir sem stjórnað er af eldsneytisgjöf forðast þetta vandamál.Nokkur verkefni byggð á róteindahröðunartækni hafa verið lögð til um allan heim17,18,19.Hvörfin 7Li(p, n)7Be og 9Be(p, n)9B eru oftast notuð í róteindaknúnum þéttum nifteindarafalum vegna þess að þau eru innhitahvörf20.Hægt er að lágmarka umframgeislun og geislavirkan úrgang ef orkan sem valin er til að örva róteindageislann er aðeins yfir viðmiðunarmörkum.Hins vegar er massi markkjarnans mun stærri en róteinda og nifteindirnar sem myndast dreifast í allar áttir.Svo nálægt ísótrópískri losun nifteindaflæðis kemur í veg fyrir skilvirkan flutning nifteinda til rannsóknarhlutans.Að auki, til að fá nauðsynlegan skammt af nifteindum á staðsetningu hlutarins, er nauðsynlegt að auka verulega bæði fjölda róteinda á hreyfingu og orku þeirra.Fyrir vikið munu stórir skammtar af gammageislum og nifteindum dreifast um stór horn og eyðileggja kosti innhitaviðbragða.Dæmigerður hröðunardrifinn fyrirferðarlítill nifteindarafall með sterkri geislunarvörn og er fyrirferðarmesti hluti kerfisins.Nauðsyn þess að auka orku drifróteinda krefst venjulega aukinnar stærðar inngjafarbúnaðar.
Til að vinna bug á almennum annmörkum hefðbundinna samsettra nifteindagjafa við hraða var lagt til öfughvarfskerfi 21.Í þessu kerfi er þyngri litíumjónageisli notaður sem leiðargeisli í stað róteindageisla, sem miðar að vetnisríkum efnum eins og kolvetnisplasti, hýdríðum, vetnisgasi eða vetnisplasma.Aðrir kostir hafa verið skoðaðir, eins og berylliumjónadrifnir geislar, hins vegar er beryllium eitrað efni sem krefst sérstakrar varkárni við meðhöndlun.Þess vegna er litíumgeisli hentugur fyrir inversion-kinematic hvarfkerfi.Þar sem skriðþunga litíumkjarna er meiri en róteinda hreyfist massamiðja kjarnaárekstra stöðugt áfram og nifteindir berast einnig áfram.Þessi eiginleiki útilokar mjög óæskilega gammageisla og háhornsnifteindalosun22.Samanburður á venjulegu tilviki róteindahreyfils og andhverfu hreyfimyndasviðs er sýnd á mynd 1.
Mynd af hornum nifteindaframleiðslu fyrir róteinda- og litíumgeisla (teiknuð með Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Nifteindir geta kastast út í hvaða átt sem er vegna efnahvarfsins vegna þess að róteindir á hreyfingu snerta mun þyngri frumeindir litíummarkmiðsins.(b) Aftur á móti, ef litíumjóna drifkraftur sprengir vetnisríkt skotmark, myndast nifteindir í mjórri keilu í áttina áfram vegna mikils hraða massamiðju kerfisins.
Hins vegar eru aðeins örfáir öfughreyfanlegir nifteindarafallar til vegna erfiðleika við að búa til nauðsynlegt flæði þungra jóna með mikla hleðslu miðað við róteindir.Allar þessar plöntur nota neikvæðar sputter jónagjafa í samsetningu með rafstöðueiginleikum.Aðrar tegundir jónagjafa hafa verið lagðar til til að auka skilvirkni geislahröðunar26.Í öllum tilvikum er tiltækur litíumjónastraumur takmarkaður við 100 µA.Lagt hefur verið til að nota 1 mA af Li3+27, en þessi jónastraumur hefur ekki verið staðfestur með þessari aðferð.Hvað varðar styrkleika geta litíumgeislahraðlar ekki keppt við róteindageislahraðla þar sem hámarks róteindastraumur fer yfir 10 mA28.
Til að útfæra hagnýtan fyrirferðarlítinn nifteindarafall sem byggir á litíum-jóna geisla er hagkvæmt að búa til hástyrkleika án jóna.Jónunum er hraðað og stýrt af rafsegulöflum og hærra hleðslustig leiðir til skilvirkari hröðunar.Li-ion geisla drifkraftar þurfa Li3+ toppstrauma umfram 10 mA.
Í þessari vinnu sýnum við hröðun Li3+ geisla með toppstrauma allt að 35 mA, sem er sambærilegt við háþróaða róteindahraðla.Upprunalega litíumjónageislinn var búinn til með leysireyðingu og Direct Plasma Implantation Scheme (DPIS) sem upphaflega var þróað til að flýta fyrir C6+.Sérhannaður útvarpsbylgjur quadrupole linac (RFQ linac) var framleiddur með því að nota fjögurra stanga resonant uppbyggingu.Við höfum sannreynt að hröðunargeislinn hefur reiknaða háhreinleika geislaorku.Þegar Li3+ geislinn hefur verið tekinn á áhrifaríkan hátt og hraðað með útvarpsbylgjum (RF) hröðuninni, er síðari linac (hröðunarhlutinn) notaður til að veita orku sem þarf til að mynda sterkt nifteindaflæði frá skotmarkinu.
Hröðun hágæða jóna er vel þekkt tækni.Verkefnið sem eftir er við að búa til nýjan mjög skilvirkan fyrirferðarlítinn nifteindarafall er að mynda fjöldann allan af fullkomlega strípuðum litíumjónum og mynda klasabyggingu sem samanstendur af röð jónapúlsa sem eru samstilltir við RF hringrásina í inngjöfinni.Niðurstöður tilrauna sem ætlað er að ná þessu markmiði er lýst í eftirfarandi þremur undirköflum: (1) myndun á algjörlega lausum litíumjóna geisla, (2) geislahröðun með því að nota sérhannað RFQ linac og (3) hröðun greiningar af geislanum til að athuga innihald hans.Á Brookhaven National Laboratory (BNL) smíðuðum við tilraunauppsetninguna sem sýnd er á mynd 2.
Yfirlit yfir tilraunauppsetningu fyrir hraðgreiningu á litíumgeislum (sýnt af Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).Frá hægri til vinstri myndast leysir-ablative plasma í leysi-markmiða víxlverkunarhólfinu og afhent til RFQ linac.Þegar farið er inn í RFQ hraðalinn eru jónirnar aðskildar frá plasma og sprautað inn í RFQ hraðalinn í gegnum skyndilegt rafsvið sem myndast af 52 kV spennumun milli útdráttarrafskautsins og RFQ rafskautsins á reksvæðinu.Útdregnu jónunum er hraðað úr 22 keV/n í 204 keV/n með 2 metra löngum RFQ rafskautum.Straumspennir (CT) sem settur er upp við úttak RFQ linac veitir óeyðandi mælingu á straumi jóngeisla.Geislinn er fókusaður með þremur fjórpólum seglum og beint að tvípóls segul, sem aðskilur og beinir Li3+ geislanum inn í skynjarann.Á bak við raufina er notaður inndraganlegur plastblandari og Faraday bolli (FC) með hlutfalli allt að -400 V til að greina hröðunargeislann.
Til að mynda fulljónaðar litíumjónir (Li3+) er nauðsynlegt að búa til plasma með hitastig yfir þriðju jónunarorku (122,4 eV).Við reyndum að nota leysireyðingu til að framleiða háhitaplasma.Þessi tegund af leysijónagjafa er ekki almennt notuð til að búa til litíumjóngeisla vegna þess að litíummálmur er hvarfgjarn og krefst sérstakrar meðhöndlunar.Við höfum þróað markhleðslukerfi til að lágmarka raka og loftmengun þegar litíumþynnur eru settar upp í lofttæmileysissamskiptahólfið.Allur undirbúningur efna fór fram í stýrðu umhverfi úr þurru argon.Eftir að litíumþynnan var sett upp í leysimarkshólfinu var filman geisluð með púlsdri Nd:YAG leysigeislun með orku upp á 800 mJ á púls.Við fókusinn á skotmarkið er leysiraflsþéttleiki áætlaður um 1012 W/cm2.Plasma myndast þegar púlsandi leysir eyðileggur skotmark í lofttæmi.Allan 6 ns leysirpúlsinn heldur plasma áfram að hitna, aðallega vegna öfugs bremsstrahlungsferlis.Þar sem ekkert takmarkað ytra svið er beitt á upphitunarfasanum, byrjar plasma að þenjast út í þrívídd.Þegar blóðvökvinn byrjar að þenjast út yfir markyfirborðið fær massamiðja plasmans hraða hornrétt á markyfirborðið með orkunni 600 eV/n.Eftir hitun heldur blóðvökvinn áfram að hreyfast í ásstefnu frá markinu og þenst út jafntrópískt.
Eins og sýnt er á mynd 2, þenst brottnámsplasman út í lofttæmisrúmmál umkringt málmíláti með sama möguleika og markið.Þannig rekur blóðvökvinn í gegnum svæðislausa svæðið í átt að RFQ hraðalnum.Ásbundnu segulsviði er beitt á milli leysigeislunarhólfsins og RFQ linac með segulspólu sem er vafið um lofttæmishólfið.Segulsvið segullokans bælir geislaþenslu á reki plasma til að viðhalda háum plasmaþéttleika meðan á afhendingu til RFQ ljósopsins stendur.Á hinn bóginn heldur blóðvökvinn áfram að þenjast út í axial átt meðan á rekinu stendur og myndar ílangan plasma.Háspennuskekkju er beitt á málmílátið sem inniheldur plasma fyrir framan útgangsportið við RFQ inntakið.Forspennan var valin til að veita nauðsynlegan 7Li3+ inndælingarhraða fyrir rétta hröðun með RFQ linac.
Eyðingarplasma sem myndast inniheldur ekki aðeins 7Li3+, heldur einnig litíum í öðrum hleðsluástandum og mengandi þætti, sem eru samtímis fluttir til RFQ línuhraðalsins.Áður en hraðari tilraunir voru gerðar með því að nota RFQ linac var greining án flugtíma (TOF) gerð til að rannsaka samsetningu og orkudreifingu jóna í plasma.Ítarleg greiningaruppsetning og dreifing á hleðsluástandi sem sést er útskýrt í kaflanum um aðferðir.Greiningin sýndi að 7Li3+ jónir voru aðal agnirnar, sem eru um 54% allra agna, eins og sést á mynd 3. Samkvæmt greiningunni er 7Li3+ jónastraumurinn við úttakspunkt jónageisla áætlaður 1,87 mA.Meðan á hröðunarprófunum stendur er 79 mT segullokasvið sett á stækkandi plasma.Fyrir vikið jókst 7Li3+ straumurinn sem dreginn var úr plasma og sást á skynjaranum um 30.
Hlutar jóna í plasma sem myndast með leysi sem fæst með flugtímagreiningu.7Li1+ og 7Li2+ jónirnar eru 5% og 25% af jónageislanum, í sömu röð.Hlutfall 6Li agna sem fannst er í samræmi við náttúrulegt innihald 6Li (7,6%) í litíumþynnumarkinu innan tilraunavillunnar.Lítilsháttar súrefnismengun (6,2%) kom fram, aðallega O1+ (2,1%) og O2+ (1,5%), sem gæti stafað af oxun yfirborðs litíumþynnumarksins.
Eins og áður hefur verið nefnt rekur litíumplasman á akurlaust svæði áður en það fer inn í RFQ linac.Inntak RFQ linac er með 6 mm þvermál gat í málmíláti og forspennan er 52 kV.Þrátt fyrir að RFQ rafskautsspennan breytist hratt ±29 kV við 100 MHz, veldur spennan axial hröðun vegna þess að RFQ eldsneytisrafskautin hafa meðalgetu núll.Vegna sterks rafsviðs sem myndast í 10 mm bilinu á milli ljósopsins og brúnar RFQ rafskautsins, eru aðeins jákvæðar plasmajónir teknar út úr plasma við ljósopið.Í hefðbundnum jónafhendingarkerfum eru jónir aðskildar frá plasma með rafsviði í töluverðri fjarlægð fyrir framan RFQ hraðalinn og síðan fókusað inn í RFQ ljósopið með geislafóksunareiningu.Hins vegar, fyrir ákafa þunga jónageislana sem krafist er fyrir sterkan nifteindagjafa, geta ólínulegir fráhrindingarkraftar vegna geimhleðsluáhrifa leitt til verulegs geislastraumstaps í jónaflutningskerfinu, sem takmarkar hámarksstrauminn sem hægt er að flýta fyrir.Í DPIS okkar eru hástyrktar jónir fluttar sem rekandi plasma beint að útgangspunkti RFQ ljósopsins, þannig að það er ekkert tap á jónageislanum vegna geimhleðslu.Í þessari sýnikennslu var DPIS borið á litíumjóna geisla í fyrsta skipti.
RFQ uppbyggingin var þróuð til að einbeita og hraða lágorku hástraumsjónageislum og hefur orðið staðallinn fyrir fyrstu röð hröðun.Við notuðum RFQ til að flýta fyrir 7Li3+ jónum úr ígræðsluorku sem er 22 keV/n í 204 keV/n.Þrátt fyrir að litíum og aðrar agnir með lægri hleðslu í plasma séu einnig dregin úr plasmanum og sprautað inn í RFQ ljósopið, flýtir RFQ linac aðeins jónum með hlutfalli hleðslu og massa (Q/A) nálægt 7Li3+.
Á mynd.Mynd 4 sýnir bylgjuformin sem straumspennirinn (CT) greinir við úttak RFQ linac og Faraday bikarsins (FC) eftir greiningu á seglinum, eins og sýnt er á mynd.2. Tímaskiptin á milli merkjanna má túlka sem mismun á flugtíma á staðsetningu skynjarans.Hámarksjónastraumur mældur við CT var 43 mA.Í RT stöðu getur skráði geislinn ekki aðeins innihaldið jónir sem eru hraðar að reiknaðri orku heldur einnig aðrar jónir en 7Li3+ sem eru ekki nægilega hraðar.Hins vegar bendir líkindi jónastraumsformanna sem finnast með QD og PC til þess að jónastraumurinn samanstendur aðallega af hröðun 7Li3+, og lækkun á hámarksgildi straumsins á PC stafar af geisladapi við jónaflutning milli QD og PC.Tap Þetta er einnig staðfest af umslagsuppgerðinni.Til að mæla 7Li3+ geislastrauminn nákvæmlega er geislinn greindur með tvípóls segli eins og lýst er í næsta kafla.
Sveiflurit af hraðgeisla sem skráð eru í skynjarastöðunum CT (svartur ferill) og FC (rauður ferill).Þessar mælingar koma af stað með því að greina leysigeislun með ljósnema við myndun leysiplasma.Svarti ferillinn sýnir bylgjuformið sem mælt er á CT sem er tengt við RFQ linac úttakið.Vegna nálægðar sinnar við RFQ linac tekur skynjarinn upp 100 MHz RF hávaða, þannig að 98 MHz lágpass FFT sía var notuð til að fjarlægja 100 MHz resonant RF merki sem er lagt ofan á skynjunarmerkið.Rauði ferillinn sýnir bylgjuformið við FC eftir að greiningarsegullinn beinir 7Li3+ jónageislanum.Í þessu segulsviði, fyrir utan 7Li3+, er hægt að flytja N6+ og O7+.
Jóngeislinn eftir RFQ linac er einbeittur með röð þriggja fjórpóla fókus seglum og síðan greindur með tvípóls seglum til að einangra óhreinindi í jóna geislanum.Segulsvið upp á 0,268 T beinir 7Li3+ geislunum inn í FC.Uppgötvunarbylgjuform þessa segulsviðs er sýnt sem rauði ferillinn á mynd 4. Hámarksgeislastraumurinn nær 35 mA, sem er meira en 100 sinnum hærra en dæmigerður Li3+ geisli sem framleiddur er í hefðbundnum rafstöðueiginleikum sem fyrir eru.Púlsbreidd geisla er 2,0 µs við fulla breidd við hálft hámark.Greining á 7Li3+ geisla með tvípóls segulsviði gefur til kynna árangursríka bunkun og geislahröðun.Straumur jónageisla sem FC greindi við að skanna segulsvið tvípólsins er sýndur á mynd 5. Hreinn einn toppur sást, vel aðskilinn frá öðrum toppum.Þar sem allar jónir sem eru hraðar að hönnunarorkunni með RFQ linac hafa sama hraða, er erfitt að aðskilja jóngeisla með sömu Q/A með tvípóls segulsviðum.Þess vegna getum við ekki greint 7Li3+ frá N6+ eða O7+.Hins vegar er hægt að áætla magn óhreininda frá nálægum gjaldríkjum.Til dæmis er auðvelt að aðskilja N7+ og N5+, en N6+ ​​getur verið hluti af óhreinindum og búist er við að það sé til staðar í um það bil sama magni og N7+ og N5+.Áætlað mengunarstig er um 2%.
Geislahlutaróf sem fæst með því að skanna tvípól segulsvið.Hámarkið við 0,268 T samsvarar 7Li3+ og N6+.Toppbreiddin fer eftir stærð geislans á raufinni.Þrátt fyrir breiða toppa skilur 7Li3+ vel frá 6Li3+, O6+ og N5+ en skilur illa frá O7+ og N6+.
Á staðsetningu FC var geislasniðið staðfest með innstungnum scintillator og tekið upp með hraðvirkri stafrænni myndavél eins og sýnt er á mynd 6. Sýnt er að 7Li3+ púlsgeislinn með straumnum 35 mA sé hraðaður í reiknaða RFQ orka 204 keV/n, sem samsvarar 1,4 MeV , og send til FC skynjarans.
Geislasnið sem sést á for-FC gljáaskjá (litað af Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Segulsvið greiningartvípóls segulsins var stillt til að beina hröðun Li3+ jóna geislans að hönnunarorkubeiðni RFQ.Bláu punktarnir á græna svæðinu eru af völdum gallaðs sinuefnis.
Við náðum myndun 7Li3+ jóna með leysireyðingu á yfirborði solids litíumþynnu og hástraumsjóna geisla var tekinn og hraðað með sérhönnuðum RFQ linac með DPIS.Við geislaorku upp á 1,4 MeV var hámarksstraumur 7Li3+ sem náðist á FC eftir greiningu á seglinum 35 mA.Þetta staðfestir að mikilvægasti þátturinn í útfærslu nifteindagjafa með andhverfu hreyfifræði hefur verið útfærður með tilraunum.Í þessum hluta ritgerðarinnar verður fjallað um alla hönnun þétts nifteindagjafa, þar á meðal háorkuhraðla og nifteindamarkstöðvar.Hönnunin er byggð á niðurstöðum sem fengnar eru með núverandi kerfum á rannsóknarstofu okkar.Það skal tekið fram að hægt er að auka hámarksstraum jóngeislans enn frekar með því að stytta fjarlægðina milli litíumþynnunnar og RFQ linac.Hrísgrjón.7 sýnir heildarhugmyndina um fyrirhugaða samninga nifteindagjafa við hraðalinn.
Hugmyndahönnun fyrirhugaðs fyrirhugaðrar nifteindagjafa við hraðalinn (teiknuð af Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).Frá hægri til vinstri: leysirjónagjafi, segull segull, RFQ linac, miðlungs orkugeislaflutningur (MEBT), IH linac og víxlverkunarhólf fyrir nifteindamyndun.Geislunarvörn er fyrst og fremst veitt í áframhaldandi átt vegna þröngt beint eðli framleiddra nifteindageisla.
Eftir RFQ linac er fyrirhuguð frekari hröðun á Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac.IH linacs nota π-ham drift rör uppbyggingu til að veita mikla rafsviðshalla yfir ákveðið hraðasvið.Hugmyndarannsóknin var framkvæmd á grundvelli 1D lengdarhreyfingarhermi og 3D skeljarlíkingu.Útreikningar sýna að 100 MHz IH linac með hæfilegri rekrörspennu (minna en 450 kV) og sterkum fókussegul getur hraðað 40 mA geisla úr 1,4 í 14 MeV í 1,8 m fjarlægð.Orkudreifing í lok hröðunarkeðjunnar er metin á ± 0,4 MeV, sem hefur ekki marktæk áhrif á orkuróf nifteinda sem nifteindabreytingarmarkmiðið framleiðir.Að auki er geislageislunin nógu lág til að fókusa geislann í minni geislablett en venjulega þyrfti fyrir miðlungs styrkan og stærð fjórpóla seguls.Í miðlungs orkugeisla (MEBT) sendingu milli RFQ linac og IH linac, er geislamyndandi resonator notaður til að viðhalda geislamyndandi uppbyggingu.Þrír fjórpóla seglar eru notaðir til að stjórna stærð hliðargeislans.Þessi hönnunarstefna hefur verið notuð í mörgum hröðum31,32,33.Heildarlengd alls kerfisins frá jónagjafa að markhólfi er áætluð innan við 8 m, sem getur passað í venjulegan festivagn.
Nifteindabreytingarmarkmiðið verður sett upp beint á eftir línuhraðalnum.Við ræðum markstöðvarhönnun byggða á fyrri rannsóknum þar sem notuð eru öfug hreyfisviðsmyndir23.Tilkynnt umbreytingarmarkmið eru föst efni (pólýprópýlen (C3H6) og títanhýdríð (TiH2)) og loftkennd markkerfi.Hvert markmið hefur sína kosti og galla.Solid skotmörk leyfa nákvæma þykktarstýringu.Því þynnra sem skotmarkið er, því nákvæmari er staðbundin niðurröðun nifteindaframleiðslu.Hins vegar geta slík skotmörk enn haft einhvers konar óæskileg kjarnorkuhvörf og geislun.Á hinn bóginn getur vetnismarkmið veitt hreinna umhverfi með því að útrýma framleiðslu á 7Be, aðalafurð kjarnorkuhvarfsins.Hins vegar hefur vetni veika hindrunargetu og krefst mikillar líkamlegrar fjarlægðar fyrir nægilega orkulosun.Þetta er örlítið óhagstætt fyrir TOF mælingar.Að auki, ef þunn filma er notuð til að innsigla vetnismarkmið, er nauðsynlegt að taka tillit til orkutaps gammageisla sem myndast af þunnu filmunni og innfallandi litíumgeisla.
LICORNE notar pólýprópýlen skotmörk og markkerfið hefur verið uppfært í vetnisfrumur innsiglaðar með tantalfilmu.Miðað við 100 nA geislastraum fyrir 7Li34 geta bæði markkerfin framleitt allt að 107 n/s/sr.Ef við notum þessa umbreytingu nifteindaafraksturs sem haldið er fram á fyrirhugaða nifteindagjafa okkar, þá er hægt að fá litíumdrifinn geisla 7 × 10–8 C fyrir hvern leysipúls.Þetta þýðir að það að skjóta leysinum aðeins tvisvar á sekúndu framleiðir 40% fleiri nifteindir en LICORNE getur framleitt á einni sekúndu með samfelldum geisla.Auðvelt er að auka heildarflæðið með því að auka örvunartíðni leysisins.Ef við gerum ráð fyrir að það sé 1 kHz leysikerfi á markaðnum er auðvelt að stækka meðalnifteindaflæði upp í um það bil 7 × 109 n/s/sr.
Þegar við notum háa endurtekningarhraða kerfi með plastmarkmiðum er nauðsynlegt að stjórna hitamyndun á skotmörkunum vegna þess að td pólýprópýlen hefur lágt bræðslumark 145–175 °C og lága hitaleiðni 0,1–0,22 W/ m/K.Fyrir 14 MeV litíumjóna geisla nægir 7 µm þykkt pólýprópýlen skotmark til að minnka geislaorkuna að viðbragðsþröskuldinum (13.098 MeV).Að teknu tilliti til heildaráhrifa jóna sem myndast með einu leysiskoti á skotmarkið er orkulosun litíumjóna í gegnum pólýprópýlen metin á 64 mJ/púls.Að því gefnu að öll orkan sé flutt í hring með 10 mm þvermál, samsvarar hver púls um það bil 18 K/púls hitahækkun.Orkulosun á pólýprópýlenmarkmiðum byggir á þeirri einföldu forsendu að allt orkutap sé geymt sem varmi, án geislunar eða annað hitatap.Þar sem aukning á fjölda púlsa á sekúndu krefst þess að hitauppsöfnun sé eytt, getum við notað ræmur til að forðast orkulosun á sama stað23.Ef gert er ráð fyrir 10 mm geislabletti á skotmarki með leysisendurtekningartíðni upp á 100 Hz, þá væri skönnunarhraði pólýprópýlenbandsins 1 m/s.Hærri endurtekningartíðni er möguleg ef skörun geislabletta er leyfð.
Við rannsökuðum líka skotmörk með vetnisrafhlöðum því hægt var að nota sterkari drifgeisla án þess að skemma skotmarkið.Auðvelt er að stilla nifteindageislann með því að breyta lengd gashólfsins og vetnisþrýstingnum inni.Þunnar málmþynnur eru oft notaðar í eldsneytisgjöf til að aðskilja loftkennt svæði skotmarksins frá lofttæmi.Þess vegna er nauðsynlegt að auka orku fallandi litíumjóna geisla til að bæta upp orkutapið á filmunni.Marksamsetningin sem lýst er í skýrslu 35 samanstóð af 3,5 cm löngum álgámi með 1,5 atm H2 gasþrýstingi.16,75 MeV litíum jóna geislinn fer inn í rafhlöðuna í gegnum loftkælda 2,7 µm Ta filmuna og orku litíum jón geislans í enda rafhlöðunnar hægist á viðbragðsþröskuldinum.Til að auka geislaorku litíumjónarafhlöðu úr 14,0 MeV í 16,75 MeV þurfti að lengja IH linac um 30 cm.
Losun nifteinda frá gasfrumumarkmiðum var einnig rannsökuð.Fyrir fyrrnefnd LICORNE gasmarkmið sýna GEANT436 eftirlíkingar að mjög stilltar nifteindir myndast inni í keilunni, eins og sýnt er á mynd 1 í [37].Tilvísun 35 sýnir orkusvið frá 0,7 til 3,0 MeV með hámarks keiluopnun 19,5° miðað við útbreiðslustefnu hágeisla.Mjög stilltar nifteindir geta dregið verulega úr magni hlífðarefnis í flestum sjónarhornum, dregið úr þyngd burðarvirkisins og veitt meiri sveigjanleika í uppsetningu mælibúnaðar.Frá sjónarhóli geislavarna, auk nifteinda, gefur þetta loftkennda skotmark frá sér 478 keV gammageisla jafntrópískt í miðpunktshnitakerfinu38.Þessir γ-geislar eru framleiddir sem afleiðing af 7Be rotnun og 7Li deexcitation, sem á sér stað þegar aðal Li geislinn lendir á inntaksglugganum Ta.Hins vegar, með því að bæta við þykkum 35 Pb/Cu sívalur collimator, getur bakgrunnurinn minnkað verulega.
Sem valmarkmið er hægt að nota plasmaglugga [39, 40], sem gerir það mögulegt að ná tiltölulega háum vetnisþrýstingi og litlu svæði fyrir nifteindamyndun, þó það sé lakara en fast markmið.
Við erum að kanna valmöguleika fyrir umbreytingu nifteinda fyrir væntanlega orkudreifingu og geislastærð litíumjóna geisla með GEANT4.Eftirlíkingar okkar sýna samræmda dreifingu nifteindaorku og horndreifingar fyrir vetnismarkmið í ofangreindum bókmenntum.Í hvaða markkerfi sem er er hægt að framleiða mjög stilltar nifteindir með öfugu hreyfihvarfi sem knúið er áfram af sterkum 7Li3+ geisla á vetnisríku skotmarki.Þess vegna er hægt að innleiða nýjar nifteindagjafa með því að sameina þegar núverandi tækni.
Leisgeislunaraðstæður endurskapuðu tilraunir til að mynda jóngeisla fyrir hröðun sýnikennslu.Laserinn er skrifborðs nanósekúndu Nd:YAG kerfi með leysiraflþéttleika 1012 W/cm2, grundvallarbylgjulengd 1064 nm, punktorku 800 mJ og púlslengd 6 ns.Blettþvermál á skotmarkinu er áætlað 100 µm.Vegna þess að litíummálmur (Alfa Aesar, 99,9% hreinn) er frekar mjúkur, er nákvæmlega skorið efni þrýst inn í mótið.Þynnumál 25 mm × 25 mm, þykkt 0,6 mm.Gígarlíkar skemmdir eiga sér stað á yfirborði skotmarksins þegar leysir lendir á því, þannig að skotmarkið er fært af vélknúnum vettvangi til að útvega ferskan hluta af yfirborði skotmarksins við hvert leysiskot.Til að koma í veg fyrir endursamsetningu vegna gasleifa var þrýstingnum í hólfinu haldið undir bilinu 10-4 Pa.
Upphafsrúmmál leysiplasma er lítið, þar sem stærð leysiblettsins er 100 μm og innan við 6 ns eftir myndun hans.Hægt er að taka rúmmálið sem nákvæman punkt og stækka það.Ef skynjarinn er staðsettur í xm fjarlægð frá markyfirborðinu, þá hlýðir móttekið merki sambandinu: jónastraumur I, komutími jóna t og púlsbreidd τ.
Myndað plasma var rannsakað með TOF aðferðinni með FC og orkujónagreiningartæki (EIA) staðsett í 2,4 m fjarlægð og 3,85 m fjarlægð frá leysimarkmiðinu.FC er með bælingarnet sem er hallað um -5 kV til að koma í veg fyrir rafeindir.EIA er með 90 gráðu rafstöðueiginleikar sem samanstanda af tveimur kóaxískum sívölum málmrafskautum með sömu spennu en gagnstæða pólun, jákvæð að utan og neikvæð að innan.Stækkandi plasma er beint inn í deflector á bak við raufina og sveigt með rafsviðinu sem fer í gegnum strokkinn.Jónir sem uppfylla sambandið E/z = eKU eru greindar með því að nota Secondary Electron Multiplier (SEM) (Hamamatsu R2362), þar sem E, z, e, K og U eru jónaorka, hleðsluástand og hleðsla eru EIA geometrískir þættir .rafeindir, í sömu röð, og möguleikamuninn á milli rafskautanna.Með því að breyta spennunni yfir deflector er hægt að fá orku og hleðsludreifingu jóna í plasma.Sópspennan U/2 EIA er á bilinu frá 0,2 V til 800 V, sem samsvarar jónaorku á bilinu 4 eV til 16 keV á hleðsluástandi.
Dreifing hleðsluástands jónanna sem greindar eru við aðstæður leysigeislunar sem lýst er í kaflanum „Gerðing fullstriptaðra litíumgeisla“ er sýnd á myndum.8.
Greining á dreifingu hleðsluástands jóna.Hér er tímasnið jónastraumsþéttleika greind með EIA og mælikvarði í 1 m frá litíumþynnunni með því að nota jöfnuna.(1) og (2).Notaðu leysigeislunarskilyrðin sem lýst er í kaflanum „Gerð af algerlega afhúðuðum litíumgeisla“.Með því að samþætta hvern straumþéttleika var hlutfall jóna í plasma reiknað, sýnt á mynd 3.
Laser jónagjafar geta skilað ákafanum multi-mA jóna geisla með mikilli hleðslu.Hins vegar er geislaafhending mjög erfið vegna frádráttar geimhleðslu, svo það var ekki mikið notað.Í hefðbundnu kerfinu eru jónageislar dregin út úr plasma og fluttir í aðalhraðalinn meðfram geislalínu með nokkrum fókus seglum til að móta jóngeislann í samræmi við upptökugetu hraðalsins.Í geimhleðslukraftsgeislum víkja geislarnir ólínulega og vart verður við alvarlegt geisladap, sérstaklega á lághraðasvæði.Til að sigrast á þessu vandamáli í þróun læknisfræðilegra kolefnishraðla er lagt til nýtt DPIS41 geislaafhendingarkerfi.Við höfum beitt þessari tækni til að flýta fyrir öflugum litíumjóna geisla frá nýjum nifteindagjafa.
Eins og sýnt er á mynd.4, rýmið þar sem plasma er myndað og stækkað er umkringt málmíláti.Lokaða rýmið nær að innganginum að RFQ resonatornum, þar á meðal rúmmálið inni í segulspólunni.52 kV spenna var sett á gáminn.Í RFQ resonatornum eru jónir dregnar af spennu í gegnum 6 mm í þvermál gat með því að jarðtengja RFQ.Ólínulegu fráhrindunarkraftarnir á geislalínunni eru eytt þegar jónirnar eru fluttar í plasma ástandi.Að auki, eins og nefnt er hér að ofan, notuðum við segullokasvið ásamt DPIS til að stjórna og auka þéttleika jóna í útdráttaropinu.
RFQ hraðalinn samanstendur af sívalningslaga lofttæmishólfi eins og sýnt er á mynd.9a.Innan í honum eru fjórar stangir af súrefnislausum kopar settar fjórpólssamhverft um geislaásinn (mynd 9b).4 stangir og hólf mynda resonant RF hringrás.Framkallað RF sviði skapar tímabreytilega spennu yfir stöngina.Jónir sem eru ígræddar langsum í kringum ásinn eru haldnar til hliðar af fjórpóla sviðinu.Á sama tíma er oddurinn á stönginni mótaður til að búa til axial rafsvið.Ássviðið skiptir inndældum samfellda geisla í röð geislapúlsa sem kallast geisli.Hver geisli er geymdur innan ákveðins RF hringrásartíma (10 ns).Aðliggjandi geislar eru dreifðir í samræmi við útvarpstíðnitímabilið.Í RFQ linac er 2 µs geisla frá leysirjónagjafa breytt í röð 200 geisla.Geislanum er síðan hraðað upp í reiknaða orku.
Línuleg inngjöf RFQ.(a) (vinstri) Ytra mynd af RFQ linac hólfinu.(b) (hægri) Fjögurra stanga rafskaut í hólfinu.
Helstu hönnunarfæribreytur RFQ linac eru stangaspenna, ómunatíðni, geislaholsradíus og rafskautsmótun.Veldu spennu á stönginni ± 29 kV þannig að rafsvið hennar sé undir rafmagnsbilunarmörkum.Því lægri sem endurómtíðnin er, því meiri er hliðarfókuskrafturinn og því minni er meðalhröðunarsviðið.Stórir ljósopsradíur gera það mögulegt að auka geislastærð og þar af leiðandi auka geislastrauminn vegna minni rýmishleðslufráhrindunar.Aftur á móti þurfa stærri ljósopsgeislar meira RF afl til að knýja RFQ linac.Að auki takmarkast það af gæðakröfum síðunnar.Á grundvelli þessara jafnvægis voru endurómtíðni (100 MHz) og ljósopsradíus (4,5 mm) valin fyrir hröðun hástraumsgeisla.Mótunin er valin til að lágmarka geisladap og hámarka hröðun skilvirkni.Hönnunin hefur margsinnis verið fínstillt til að framleiða RFQ linac hönnun sem getur hraðað 7Li3+ jónum við 40 mA úr 22 keV/n í 204 keV/n innan 2 m.RF aflið sem mældist í tilrauninni var 77 kW.
RFQ linacs geta flýtt fyrir jónum með tilteknu Q/A svið.Þess vegna er nauðsynlegt að taka tillit til samsæta og annarra efna við greiningu á geisla sem er færður í enda línulegs hraðals.Að auki geta jónirnar sem óskað er eftir, hraðar að hluta, en lækkuðu við hröðunaraðstæður í miðjum hraðanum, enn mætt hliðarlokun og hægt að flytja þær til enda.Óæskilegir geislar aðrir en verkfræðilegar 7Li3+ agnir eru kallaðir óhreinindi.Í tilraunum okkar voru 14N6+ og 16O7+ óhreinindi mest áhyggjuefni, þar sem litíum málmþynnan hvarfast við súrefni og köfnunarefni í loftinu.Þessar jónir hafa Q/A hlutfall sem hægt er að flýta fyrir með 7Li3+.Við notum tvípóla segla til að aðskilja geisla af mismunandi gæðum og gæðum fyrir geislagreiningu eftir RFQ linac.
Geislalínan eftir RFQ linac er hönnuð til að skila fullhraða 7Li3+ geislanum til FC eftir tvípólssegulinn.-400 V bias rafskaut eru notuð til að bæla niður aukarafeindir í bikarnum til að mæla nákvæmlega jóngeislastrauminn.Með þessari ljósfræði eru jónabrautirnar aðskildar í tvípóla og fókusaðir á mismunandi staði eftir Q/A.Vegna ýmissa þátta eins og skriðþunga og geimhleðslufráhrindingar hefur geislinn við fókusinn ákveðna breidd.Aðeins er hægt að aðskilja tegundina ef fjarlægðin á milli brennistaða jónategundanna tveggja er meiri en geislabreiddin.Til að fá hæstu mögulegu upplausn er lárétt rif sett upp nálægt geisla mitti, þar sem geislinn er nánast einbeitt.Scintillation screen (CsI(Tl) frá Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) var settur upp á milli raufarinnar og tölvunnar.Scintillatorinn var notaður til að ákvarða minnstu raufina sem hönnuðu agnirnar þurftu að fara í gegnum til að fá sem besta upplausn og til að sýna fram á ásættanlega stærð geisla fyrir hástraumsþunga jónageisla.Geislamyndin á blásturstækinu er tekin upp með CCD myndavél í gegnum lofttæmisglugga.Stilltu lýsingartímagluggann til að ná yfir alla púlsbreidd geisla.
Gagnasöfn sem notuð eru eða greind í yfirstandandi rannsókn eru fáanleg hjá viðkomandi höfundum gegn sanngjörnu beiðni.
Manke, I. o.fl.Þrívíddarmyndataka af segulsviðum.Þjóðarsveit.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS o.fl.Möguleikar á að rannsaka þétta nifteindagjafa í hröðum.eðlisfræði.Þr. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. o.fl.Nifteinda-undirstaða tölvusneiðmynd: Pliobates cataloniae og Barberapithecus huerzeleri sem prófunartilvik.Já.J. Eðlisfræði.mannfræði.166, 987–993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).