304L 6.35*1mm 스테인레스 스틸 코일 튜브 공급업체, 펄스 직접 중성자를 생성하기 위한 강렬한 리튬 빔 시연

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원자로 연구의 대안으로, 리튬 이온 빔 드라이버를 사용하는 소형 가속기 구동 중성자 발생기는 원하지 않는 방사선을 거의 생성하지 않기 때문에 유망한 후보가 될 수 있습니다.그러나 강력한 리튬 이온 빔을 전달하는 것이 어려웠고, 이러한 장치의 실제 적용은 불가능한 것으로 간주되었습니다.이온 흐름이 부족하다는 가장 심각한 문제는 직접 플라즈마 주입 방식을 적용하여 해결되었습니다.이 방식은 리튬 금속박을 레이저 절삭하여 생성된 고밀도 펄스 플라즈마를 고주파 사중극 가속기(RFQ 가속기)에 의해 효율적으로 주입 및 가속시키는 방식입니다.우리는 1.43MeV로 가속된 35mA의 피크 빔 전류를 달성했는데, 이는 기존 인젝터 및 가속기 시스템이 제공할 수 있는 것보다 2배 더 높은 수준입니다.
X선이나 하전 입자와 달리 중성자는 침투 깊이가 크고 응집 물질과의 고유한 상호 작용을 가지므로 재료의 특성을 연구하는 데 매우 다양한 프로브가 됩니다1,2,3,4,5,6,7.특히, 중성자 산란 기술은 응집 물질의 조성, 구조 및 내부 응력을 연구하는 데 일반적으로 사용되며 X선 분광법을 사용하여 감지하기 어려운 금속 합금의 미량 화합물에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다8.이 방법은 기초 과학의 강력한 도구로 간주되며 금속 및 기타 재료 제조업체에서 사용합니다.최근에는 중성자 회절을 사용하여 철도 및 항공기 부품과 같은 기계 부품의 잔류 응력을 감지했습니다.중성자는 양성자가 풍부한 물질13에 의해 쉽게 포획되기 때문에 유정 및 가스정에도 사용됩니다.토목공학에서도 비슷한 방법이 사용됩니다.비파괴 중성자 테스트는 건물, 터널 및 교량에 숨겨진 결함을 탐지하는 효과적인 도구입니다.중성자 빔의 사용은 과학 연구 및 산업에서 활발히 사용되고 있으며, 그 중 다수는 역사적으로 원자로를 사용하여 개발되었습니다.
그러나 핵 비확산에 대한 세계적 합의로 인해 연구 목적의 소형 원자로 건설이 점점 어려워지고 있습니다.더욱이 최근 후쿠시마 사고로 인해 원자로 건설은 거의 사회적으로 용인될 수 있게 되었습니다.이러한 추세와 관련하여 가속기의 중성자 소스에 대한 수요가 증가하고 있습니다2.원자로에 대한 대안으로 여러 개의 대형 가속기 분리 중성자 소스가 이미 작동 중입니다14,15.그러나 중성자빔의 특성을 보다 효율적으로 활용하기 위해서는 산업체 및 대학 연구기관에 속할 수 있는 가속기(16)에서 소형 소스의 사용을 확대할 필요가 있습니다.가속기 중성자 소스는 원자로를 대체하는 것 외에도 새로운 성능과 기능을 추가했습니다14.예를 들어, 선형 구동 발전기는 구동 빔을 조작하여 중성자 흐름을 쉽게 생성할 수 있습니다.일단 방출된 중성자는 제어하기 어렵고, 배경 중성자에 의해 생성되는 잡음으로 인해 방사선 측정도 분석하기 어렵습니다.가속기에 의해 제어되는 펄스 중성자는 이 문제를 방지합니다.양성자 가속기 기술을 기반으로 한 여러 프로젝트가 전 세계적으로 제안되었습니다17,18,19.7Li(p, n)7Be 및 9Be(p, n)9B 반응은 흡열 반응이기 때문에 양성자 구동 소형 중성자 발생기에서 가장 자주 사용됩니다.양성자 빔을 여기시키기 위해 선택한 에너지가 임계값보다 약간 높으면 과도한 방사선과 방사성 폐기물을 최소화할 수 있습니다.그러나 목표 핵의 질량은 양성자의 질량보다 훨씬 크며, 결과적으로 생성된 중성자는 모든 방향으로 산란됩니다.중성자 플럭스의 등방성 방출에 가까운 이러한 현상은 중성자가 연구 대상으로 효율적으로 전달되는 것을 방해합니다.또한, 물체의 위치에서 필요한 중성자 선량을 얻으려면 움직이는 양성자의 수와 에너지를 모두 크게 늘려야 합니다.결과적으로 다량의 감마선과 중성자가 큰 각도로 전파되어 흡열 반응의 이점이 파괴됩니다.일반적인 가속기 구동 소형 양성자 기반 중성자 발생기는 강력한 방사선 차폐 기능을 갖추고 있으며 시스템에서 가장 부피가 큰 부분입니다.양성자를 구동하는 에너지를 증가시키려면 일반적으로 가속기 시설의 규모를 추가로 늘려야 합니다.
가속기에서 기존 소형 중성자 소스의 일반적인 단점을 극복하기 위해 역운동학 반응 방식이 제안되었습니다.이 방식에서는 양성자 빔 대신 더 무거운 리튬 이온 빔을 가이드 빔으로 사용하여 탄화수소 플라스틱, 수소화물, 수소 가스 또는 수소 플라즈마와 같은 수소가 풍부한 물질을 표적으로 삼습니다.베릴륨 이온 구동 빔과 같은 대안이 고려되었지만 베릴륨은 취급 시 특별한 주의가 필요한 독성 물질입니다.따라서 리튬 빔은 역운동학적 반응 방식에 가장 적합합니다.리튬 핵의 운동량이 양성자의 운동량보다 크기 때문에 핵 충돌의 질량 중심은 끊임없이 앞으로 이동하고 중성자도 앞으로 방출됩니다.이 기능은 원치 않는 감마선과 고각 중성자 방출을 크게 제거합니다22.양성자 엔진의 일반적인 경우와 역운동학 시나리오의 비교가 그림 1에 나와 있습니다.
양성자와 리튬 빔의 중성자 생성 각도 그림(Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html로 그려짐).(a) 움직이는 양성자가 리튬 타겟의 훨씬 무거운 원자에 부딪히기 때문에 중성자는 반응의 결과로 어떤 방향으로든 방출될 수 있습니다.(b) 반대로, 리튬 이온 드라이버가 수소가 풍부한 목표물을 폭격하면 시스템 질량 중심의 빠른 속도로 인해 중성자가 앞쪽 방향으로 좁은 원뿔 모양으로 생성됩니다.
그러나 양성자에 비해 전하가 높은 중이온의 필요한 플럭스를 생성하는 것이 어렵기 때문에 역운동학적 중성자 발생기는 소수에 불과합니다.이들 공장은 모두 직렬 정전기 가속기와 함께 음의 스퍼터 이온 소스를 사용합니다.빔 가속 효율을 높이기 위해 다른 유형의 이온 소스가 제안되었습니다.어떤 경우든 사용 가능한 리튬 이온 빔 전류는 100μA로 제한됩니다.1mA의 Li3+27을 사용하는 것이 제안되었지만 이 이온빔 전류는 이 방법으로 확인되지 않았습니다.강도 측면에서 리튬빔 가속기는 피크 양성자 전류가 10mA를 초과하는 양성자빔 가속기와 경쟁할 수 없습니다.
리튬이온빔 기반의 실용적인 소형 중성자 발생장치를 구현하려면 이온이 전혀 없는 고강도 발생이 유리하다.이온은 전자기력에 의해 가속되고 유도되며, 전하 수준이 높을수록 가속이 더욱 효율적으로 이루어집니다.리튬 이온 빔 드라이버에는 10mA를 초과하는 Li3+ 피크 전류가 필요합니다.
이 연구에서는 첨단 양성자 가속기와 비교할 수 있는 최대 35mA의 피크 전류를 갖는 Li3+ 빔의 가속을 보여줍니다.원래의 리튬 이온 빔은 원래 C6+를 가속화하기 위해 개발된 DPIS(Direct Plasma Implantation Scheme)와 레이저 절제를 사용하여 생성되었습니다.4개 막대 공진 구조를 사용하여 맞춤형으로 설계된 RFQ linac(Radio Frequency Quadrupole Linac)을 제작했습니다.가속빔이 계산된 고순도 빔에너지를 가지고 있음을 확인하였습니다.Li3+ 빔이 무선 주파수(RF) 가속기에 의해 효과적으로 포착되고 가속되면 후속 linac(가속기) 섹션을 사용하여 타겟에서 강한 중성자 플럭스를 생성하는 데 필요한 에너지를 제공합니다.
고성능 이온의 가속은 잘 확립된 기술입니다.새로운 고효율 소형 중성자 발생기 구현의 남은 과제는 완전히 제거된 대량의 리튬 이온을 생성하고 가속기에서 RF 주기와 동기화된 일련의 이온 펄스로 구성된 클러스터 구조를 형성하는 것입니다.이 목표를 달성하기 위해 고안된 실험 결과는 (1) 리튬 이온 빔이 전혀 없는 생성, (2) 특별히 설계된 RFQ 라이낙을 사용한 빔 가속, (3) 분석 가속의 세 가지 하위 섹션에 설명되어 있습니다. 빔의 내용을 확인합니다.BNL(Brookhaven National Laboratory)에서는 그림 2에 표시된 실험 설정을 구축했습니다.
리튬 빔의 가속 분석을 위한 실험 설정 개요(Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/에서 설명).오른쪽에서 왼쪽으로 레이저-절제 플라즈마가 레이저-표적 상호작용 챔버에서 생성되어 RFQ linac으로 전달됩니다.RFQ 가속기에 진입하면 드리프트 영역에서 추출 전극과 RFQ 전극 사이의 52kV 전압차에 의해 생성되는 급격한 전기장을 통해 이온이 플라즈마에서 분리되어 RFQ 가속기로 주입됩니다.추출된 이온은 2m 길이의 RFQ 전극을 사용하여 22keV/n에서 204keV/n으로 가속됩니다.RFQ 선형 장치의 출력에 설치된 변류기(CT)는 이온빔 전류의 비파괴 측정을 제공합니다.빔은 3개의 사중극자 자석에 의해 초점이 맞춰지고 쌍극자 자석으로 향하게 되며, 쌍극자 자석은 Li3+ 빔을 분리하여 검출기로 향하게 합니다.슬릿 뒤에는 접이식 플라스틱 신틸레이터와 최대 -400V의 바이어스를 갖는 패러데이 컵(FC)이 가속 빔을 감지하는 데 사용됩니다.
완전히 이온화된 리튬 이온(Li3+)을 생성하려면 3차 이온화 에너지(122.4eV)보다 높은 온도의 플라즈마를 생성해야 합니다.우리는 고온 플라즈마를 생성하기 위해 레이저 절제를 사용하려고 했습니다.이러한 유형의 레이저 이온 소스는 리튬 금속이 반응성이 있고 특별한 취급이 필요하기 때문에 리튬 이온 빔을 생성하는 데 일반적으로 사용되지 않습니다.진공 레이저 상호작용 챔버에 리튬 포일을 설치할 때 습기 및 공기 오염을 최소화하기 위한 타겟 로딩 시스템을 개발했습니다.재료의 모든 준비는 건조 아르곤의 통제된 환경에서 수행되었습니다.레이저 타겟 챔버에 리튬 포일을 설치한 후 펄스당 800mJ의 에너지로 펄스형 Nd:YAG 레이저 방사선을 포일에 조사했습니다.대상에 초점이 맞춰지면 레이저 출력 밀도는 약 1012W/cm2로 추정됩니다.플라즈마는 펄스 레이저가 진공 상태에서 목표물을 파괴할 때 생성됩니다.전체 6ns 레이저 펄스 동안 플라즈마는 주로 역 브레름스트랄룽 프로세스로 인해 계속 가열됩니다.가열 단계 동안 제한된 외부 장이 적용되지 않기 때문에 플라즈마는 3차원으로 팽창하기 시작합니다.플라즈마가 대상 표면 위로 팽창하기 시작하면 플라즈마 질량 중심은 600eV/n의 에너지로 대상 표면에 수직인 속도를 얻습니다.가열 후 플라즈마는 타겟으로부터 축 방향으로 계속 이동하여 등방성으로 팽창합니다.
그림 2에 표시된 것처럼 절제 플라즈마는 타겟과 동일한 전위를 갖는 금속 용기로 둘러싸인 진공 볼륨으로 확장됩니다.따라서 플라즈마는 무장 영역을 통해 RFQ 가속기를 향해 표류합니다.진공 챔버 주위에 감긴 솔레노이드 코일을 통해 레이저 조사 챔버와 RFQ 선형 장치 사이에 축 방향 자기장이 적용됩니다.솔레노이드의 자기장은 RFQ 구멍으로 전달되는 동안 높은 플라즈마 밀도를 유지하기 위해 표류 플라즈마의 방사형 확장을 억제합니다.반면, 플라즈마는 드리프트 동안 축 방향으로 계속 팽창하여 길쭉한 플라즈마를 형성합니다.RFQ 입구의 출구 포트 앞에 있는 플라즈마를 포함하는 금속 용기에 고전압 바이어스가 적용됩니다.RFQ Linac에 의한 적절한 가속을 위해 필요한 7Li3+ 주입 속도를 제공하기 위해 바이어스 전압이 선택되었습니다.
생성된 절제 플라즈마에는 7Li3+뿐만 아니라 다른 전하 상태의 리튬과 오염 물질도 포함되어 있으며 동시에 RFQ 선형 가속기로 이송됩니다.RFQ linac을 사용한 가속 실험에 앞서 오프라인 TOF(Time-of-Flight) 분석을 수행하여 플라즈마 내 이온의 구성과 에너지 분포를 연구했습니다.자세한 분석 설정 및 관찰된 충전 상태 분포는 방법 섹션에 설명되어 있습니다.분석 결과, Fig. 3에 나타난 바와 같이 7Li3+ 이온이 전체 입자의 약 54%를 차지하는 주요 입자인 것으로 나타났다. 분석에 따르면 이온빔 출력 지점의 7Li3+ 이온 전류는 1.87 mA로 추정된다.가속 테스트 중에 79mT 솔레노이드 자기장이 팽창 플라즈마에 적용됩니다.그 결과, 플라즈마에서 추출되어 검출기에서 관찰되는 7Li3+ 전류가 30배 증가했습니다.
비행 시간 분석을 통해 얻은 레이저 생성 플라즈마의 이온 분율입니다.7Li1+ 및 7Li2+ 이온은 각각 이온빔의 5%와 25%를 구성합니다.6Li 입자의 검출된 비율은 실험 오차 내에서 리튬 포일 타겟의 6Li의 자연 함량(7.6%)과 일치합니다.약간의 산소 오염(6.2%)이 관찰되었으며 주로 O1+(2.1%) 및 O2+(1.5%)가 관찰되었으며 이는 리튬 포일 타겟 표면의 산화로 인한 것일 수 있습니다.
앞서 언급한 바와 같이, 리튬 플라즈마는 RFQ 선형 장치에 들어가기 전에 필드가 없는 영역에서 표류합니다.RFQ linac의 입력은 금속 용기에 직경 6mm의 구멍이 있고 바이어스 전압은 52kV입니다.RFQ 전극 전압은 100MHz에서 ±29kV 급격하게 변화하지만 RFQ 가속기 전극의 평균 전위는 0이기 때문에 전압으로 인해 축 가속이 발생합니다.조리개와 RFQ 전극 가장자리 사이의 10mm 간격에서 생성된 강한 전기장으로 인해 조리개의 플라즈마에서 양성 플라즈마 이온만 추출됩니다.기존 이온 전달 시스템에서 이온은 RFQ 가속기 앞에서 상당한 거리에 있는 전기장에 의해 플라즈마에서 분리된 다음 빔 포커싱 요소에 의해 RFQ 조리개에 포커싱됩니다.그러나 강력한 중성자 소스에 필요한 강력한 중이온 빔의 경우 공간 전하 효과로 인한 비선형 척력으로 인해 이온 전달 시스템에서 상당한 빔 전류 손실이 발생하여 가속될 수 있는 피크 전류가 제한될 수 있습니다.DPIS에서는 고강도 이온이 표류 플라즈마로 RFQ 조리개의 출구 지점으로 직접 이동하므로 공간 전하로 인한 이온 빔의 손실이 없습니다.이번 시연에서는 처음으로 DPIS가 리튬이온빔에 적용됐다.
RFQ 구조는 저에너지 고전류 이온빔을 집속하고 가속하기 위해 개발되었으며 1차 가속의 표준이 되었습니다.우리는 RFQ를 사용하여 22keV/n의 주입 에너지에서 204keV/n으로 7Li3+ 이온을 가속했습니다.플라즈마에서 전하가 낮은 리튬 및 기타 입자도 플라즈마에서 추출되어 RFQ 구멍에 주입되지만, RFQ linac은 7Li3+에 가까운 전하 대 질량비(Q/A)로 이온만 가속합니다.
그림에.그림 4는 그림 4와 같이 자석을 분석한 후 RFQ 라이낙과 패러데이 컵(FC) 출력의 변류기(CT)에서 검출한 파형을 보여준다.2. 신호 간의 시간 이동은 탐지기 위치의 비행 시간 차이로 해석될 수 있습니다.CT에서 측정된 피크 이온 전류는 43mA였습니다.RT 위치에서 등록된 빔에는 계산된 에너지로 가속된 이온뿐만 아니라 충분히 가속되지 않은 7Li3+ 이외의 이온도 포함될 수 있습니다.그러나 QD와 PC를 통해 발견된 이온 전류 형태의 유사성은 이온 전류가 주로 가속된 7Li3+로 구성되고 PC에서 전류 피크 값의 감소는 QD와 PC 사이의 이온 전달 중 빔 손실로 인해 발생함을 나타냅니다. PC.손실 이는 엔벨로프 시뮬레이션으로도 확인됩니다.7Li3+ 빔 전류를 정확하게 측정하기 위해 다음 섹션에 설명된 대로 쌍극자 자석을 사용하여 빔을 분석합니다.
검출기 위치 CT(검은색 곡선) 및 FC(빨간색 곡선)에 기록된 가속 빔의 오실로그램입니다.이러한 측정은 레이저 플라즈마 생성 중에 광검출기에 의한 레이저 방사선의 감지에 의해 트리거됩니다.검은색 곡선은 RFQ linac 출력에 연결된 CT에서 측정된 파형을 보여줍니다.RFQ 선형 장치에 근접해 있기 때문에 감지기는 100MHz RF 잡음을 포착하므로 감지 신호에 중첩된 100MHz 공진 RF 신호를 제거하기 위해 98MHz 저역 통과 FFT 필터가 적용되었습니다.빨간색 곡선은 분석 자석이 7Li3+ 이온 빔을 지향한 후 FC의 파형을 보여줍니다.이 자기장에서는 7Li3+ 외에도 N6+ 및 O7+가 운반될 수 있습니다.
RFQ 라이낙 이후의 이온빔은 일련의 3개의 사중극자 포커싱 자석에 의해 포커싱된 다음 쌍극자 자석으로 분석되어 이온빔의 불순물을 분리합니다.0.268 T의 자기장은 7Li3+ 빔을 FC로 보냅니다.이 자기장의 감지 파형은 그림 4의 빨간색 곡선으로 표시됩니다. 피크 빔 전류는 35mA에 도달하며 이는 기존의 기존 정전기 가속기에서 생성되는 일반적인 Li3+ 빔보다 100배 이상 높습니다.빔 펄스 폭은 최대 절반의 전체 폭에서 2.0μs입니다.쌍극자 자기장이 있는 7Li3+ 빔이 감지되면 성공적인 번칭 및 빔 가속이 나타납니다.쌍극자의 자기장을 스캔할 때 FC에 의해 감지된 이온빔 전류가 그림 5에 나와 있습니다. 다른 피크와 잘 분리된 깨끗한 단일 피크가 관찰되었습니다.RFQ 라이낙에 의해 설계 에너지로 가속된 모든 이온은 동일한 속도를 갖기 때문에 동일한 Q/A를 갖는 이온빔은 쌍극자 자기장에 의해 분리되기 어렵습니다.따라서 7Li3+를 N6+ 또는 O7+와 구별할 수 없습니다.그러나 불순물의 양은 인접한 전하 상태로부터 추정할 수 있습니다.예를 들어, N7+와 N5+는 쉽게 분리될 수 있는 반면, N6+는 불순물의 일부일 수 있어 N7+와 N5+와 거의 같은 양으로 존재할 것으로 예상됩니다.예상 오염 수준은 약 2%입니다.
쌍극자 자기장을 스캔하여 얻은 빔 성분 스펙트럼.0.268 T의 피크는 7Li3+ 및 N6+에 해당합니다.피크 폭은 슬릿의 빔 크기에 따라 달라집니다.넓은 피크에도 불구하고 7Li3+는 6Li3+, O6+ 및 N5+와 잘 분리되지만 O7+ 및 N6+와는 잘 분리되지 않습니다.
FC 위치에서 빔 프로파일은 플러그인 신틸레이터로 확인되었으며 그림 6과 같이 고속 디지털 카메라로 기록되었습니다. 35mA 전류의 7Li3+ 펄스 빔은 계산된 RFQ로 가속되는 것으로 나타났습니다. 1.4MeV에 해당하는 204keV/n의 에너지가 FC 검출기로 전송됩니다.
FC 이전 신틸레이터 스크린에서 관찰된 빔 프로파일(피지 색상, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).분석용 쌍극자 자석의 자기장은 Li3+ 이온 빔의 가속도가 설계 에너지 RFQ로 향하도록 조정되었습니다.녹색 영역의 파란색 점은 결함이 있는 섬광체 재료로 인해 발생합니다.
우리는 고체 리튬 포일 표면의 레이저 제거를 통해 7Li3+ 이온의 생성을 달성했으며 DPIS를 사용하여 특별히 설계된 RFQ 선형 장치로 고전류 이온 빔을 포착하고 가속했습니다.1.4 MeV의 빔 에너지에서 자석 분석 후 FC에 도달한 7Li3+의 피크 전류는 35mA였습니다.이는 역기구학을 이용한 중성자 소스 구현의 가장 중요한 부분이 실험적으로 구현되었음을 확인시켜줍니다.이 부분에서는 고에너지 가속기 및 중성자 타겟 스테이션을 포함하여 소형 중성자 소스의 전체 설계에 대해 논의합니다.설계는 우리 실험실의 기존 시스템을 사용하여 얻은 결과를 기반으로 합니다.리튬 포일과 RFQ 라이낙 사이의 거리를 단축함으로써 이온빔의 피크 전류를 더욱 증가시킬 수 있다는 점에 유의해야 한다.쌀.그림 7은 제안된 가속기 소형 중성자 소스의 전체 개념을 보여줍니다.
가속기에서 제안된 소형 중성자 소스의 개념 설계(Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/에서 작성).오른쪽부터 왼쪽으로: 레이저 이온 소스, 솔레노이드 자석, RFQ 라이낙, 중에너지 빔 전송(MEBT), IH 라이낙, 중성자 생성을 위한 상호작용 챔버.생성된 중성자 빔의 좁은 지향 특성으로 인해 방사선 보호는 주로 순방향으로 제공됩니다.
RFQ linac 이후 Inter-digital H-structure(IH linac)30 linac의 추가 가속화가 계획되어 있습니다.IH linac은 π-모드 드리프트 튜브 구조를 사용하여 특정 속도 범위에 걸쳐 높은 전기장 변화도를 제공합니다.개념적 연구는 1차원 종방향 동역학 시뮬레이션과 3차원 쉘 시뮬레이션을 기반으로 수행되었습니다.계산에 따르면 합리적인 드리프트 튜브 전압(450kV 미만)과 강력한 포커싱 자석을 갖춘 100MHz IH 선형 장치가 1.8m 거리에서 40mA 빔을 1.4MeV에서 14MeV로 가속할 수 있는 것으로 나타났습니다.가속기 사슬 말단의 에너지 분포는 ±0.4MeV로 추정되는데, 이는 중성자 변환 대상에서 생성되는 중성자의 에너지 스펙트럼에 큰 영향을 미치지 않습니다.또한, 빔 방사율은 중간 강도 및 크기의 사중극자 자석에 일반적으로 필요한 것보다 더 작은 빔 스폿에 빔을 집중시킬 만큼 충분히 낮습니다.RFQ linac과 IH linac 사이의 MEBT(Medium Energy Beam) 전송에서는 빔포밍 구조를 유지하기 위해 빔포밍 공진기가 사용됩니다.3개의 사중극자 자석이 측면 빔의 크기를 제어하는 ​​데 사용됩니다.이 설계 전략은 많은 가속기에서 사용되었습니다.이온 소스에서 대상 챔버까지 전체 시스템의 총 길이는 표준 세미트레일러 트럭에 들어갈 수 있는 8m 미만으로 추정됩니다.
중성자 변환 타겟은 선형가속기 바로 뒤에 설치됩니다.우리는 역기구학 시나리오를 사용한 이전 연구를 기반으로 목표 스테이션 설계에 대해 논의합니다.보고된 전환 대상에는 고체 물질(폴리프로필렌(C3H6) 및 티타늄 수소화물(TiH2))과 기체 대상 시스템이 포함됩니다.각 목표에는 장점과 단점이 있습니다.견고한 타겟을 사용하면 정밀한 두께 제어가 가능합니다.타겟이 얇을수록 중성자 생성의 공간 배열이 더 정확해집니다.그러나 그러한 목표에는 여전히 원치 않는 핵반응과 방사선이 어느 정도 존재할 수 있습니다.반면, 수소 타겟은 핵반응의 주요 생성물인 7Be의 생성을 제거하여 보다 깨끗한 환경을 제공할 수 있습니다.그러나 수소는 장벽 능력이 약하고 충분한 에너지 방출을 위해서는 큰 물리적 거리가 필요합니다.이는 TOF 측정에는 약간 불리합니다.또한, 수소 타겟을 밀봉하기 위해 박막을 사용하는 경우, 박막에서 발생하는 감마선과 입사되는 리튬빔의 에너지 손실을 고려할 필요가 있다.
LICORNE은 폴리프로필렌 타겟을 사용하며 타겟 시스템은 탄탈륨 호일로 밀봉된 수소 전지로 업그레이드되었습니다.7Li34의 빔 전류가 100nA라고 가정하면 두 대상 시스템 모두 최대 107n/s/sr을 생성할 수 있습니다.이 주장된 중성자 수율 변환을 제안된 중성자 소스에 적용하면 각 레이저 펄스에 대해 7 x 10-8C의 리튬 구동 빔을 얻을 수 있습니다.이는 레이저를 초당 두 번만 발사하면 LICORNE이 연속 빔으로 1초에 생성할 수 있는 것보다 40% 더 많은 중성자를 생성한다는 것을 의미합니다.레이저의 여기 주파수를 증가시킴으로써 총 플럭스를 쉽게 증가시킬 수 있습니다.시장에 1kHz 레이저 시스템이 있다고 가정하면 평균 중성자 플럭스는 약 7 × 109 n/s/sr까지 쉽게 확장될 수 있습니다.
플라스틱 타겟과 함께 높은 반복률 시스템을 사용할 때 타겟의 열 발생을 제어하는 ​​것이 필요합니다. 예를 들어 폴리프로필렌은 녹는점이 145~175°C로 낮고 열전도도가 0.1~0.22W/W/로 낮기 때문입니다. m/K.14 MeV 리튬 이온 빔의 경우 7 µm 두께의 폴리프로필렌 타겟이면 빔 에너지를 반응 임계값(13.098 MeV)으로 줄이는 데 충분합니다.한 번의 레이저 발사로 생성된 이온이 표적에 미치는 전체 효과를 고려하면 폴리프로필렌을 통한 리튬 이온의 에너지 방출은 64mJ/펄스로 추정됩니다.모든 에너지가 직경 10mm의 원으로 전달된다고 가정하면 각 펄스는 약 18K/펄스의 온도 상승에 해당합니다.폴리프로필렌 타겟의 에너지 방출은 모든 에너지 손실이 복사나 기타 열 손실 없이 열로 저장된다는 단순한 가정에 기초합니다.초당 펄스 수를 늘리려면 열 축적을 제거해야 하므로 스트립 타겟을 사용하여 동일한 지점에서 에너지 방출을 피할 수 있습니다23.레이저 반복률이 100Hz인 대상에 10mm 빔 스폿이 있다고 가정하면 폴리프로필렌 테이프의 스캐닝 속도는 1m/s가 됩니다.빔 스폿 중첩이 허용되면 더 높은 반복률이 가능합니다.
우리는 또한 타겟을 손상시키지 않고 더 강한 구동 빔을 사용할 수 있기 때문에 수소 배터리가 있는 타겟도 조사했습니다.중성자 빔은 가스실의 길이와 내부의 수소 압력을 변경하여 쉽게 조정할 수 있습니다.얇은 금속 포일은 타겟의 가스 영역을 진공에서 분리하기 위해 가속기에서 자주 사용됩니다.따라서, 포일의 에너지 손실을 보상하기 위해서는 입사되는 리튬 이온 빔의 에너지를 증가시킬 필요가 있습니다.보고서 35에 설명된 타겟 어셈블리는 1.5atm의 H2 가스 압력을 갖는 3.5cm 길이의 알루미늄 용기로 구성되었습니다.16.75 MeV 리튬 이온 빔은 공냉식 2.7 µm Ta 포일을 통해 배터리로 들어가고 배터리 끝의 리튬 이온 빔 에너지는 반응 임계 값까지 감속됩니다.리튬이온 배터리의 빔 에너지를 14.0MeV에서 16.75MeV로 높이려면 IH 라이낙의 길이를 약 30cm 늘려야 했다.
가스 셀 표적으로부터의 중성자 방출도 연구되었습니다.앞서 언급한 LICORNE 가스 타겟의 경우 GEANT436 시뮬레이션은 [37]의 그림 1과 같이 고도로 지향성 중성자가 원뿔 내부에서 생성되는 것을 보여줍니다.참고문헌 35는 메인 빔의 전파 방향에 대해 19.5°의 최대 원뿔 개구부를 갖는 0.7 ~ 3.0 MeV의 에너지 범위를 보여줍니다.고도로 지향된 중성자는 대부분의 각도에서 차폐재의 양을 크게 줄여 구조물의 무게를 줄이고 측정 장비 설치에 더 큰 유연성을 제공할 수 있습니다.방사선 보호의 관점에서 중성자 외에도 이 가스 타겟은 중심 좌표계에서 등방성으로 478keV 감마선을 방출합니다38.이러한 γ선은 1차 Li 빔이 입력 창 Ta에 닿을 때 발생하는 7Be 붕괴 및 7Li 탈여기의 결과로 생성됩니다.그러나 두꺼운 35 Pb/Cu 원통형 콜리메이터를 추가하면 배경을 크게 줄일 수 있습니다.
대체 타겟으로 플라즈마 창(plasma window)을 사용할 수 있는데, 이는 비록 고체 타겟보다 열등하지만 상대적으로 높은 수소 압력과 작은 중성자 발생 공간 영역을 달성할 수 있게 해준다.
GEANT4를 사용하여 리튬이온 빔의 예상 에너지 분포와 빔 크기에 대한 중성자 변환 타겟팅 옵션을 조사하고 있습니다.우리의 시뮬레이션은 위 문헌에서 중성자 에너지의 일관된 분포와 수소 타겟에 대한 각도 분포를 보여줍니다.모든 표적 시스템에서, 수소가 풍부한 표적에 강한 7Li3+ 빔에 의해 구동되는 역운동학적 반응에 의해 고도로 지향성 중성자를 생성할 수 있습니다.따라서 기존 기술을 결합하여 새로운 중성자 소스를 구현할 수 있습니다.
레이저 조사 조건은 가속 시연 이전의 이온빔 생성 실험을 재현했습니다.레이저는 레이저 출력 밀도가 1012W/cm2, 기본 파장이 1064nm, 스폿 에너지가 800mJ, 펄스 지속 시간이 6ns인 데스크톱 나노초 Nd:YAG 시스템입니다.타겟의 스폿 직경은 100μm로 추정됩니다.리튬 금속(Alfa Aesar, 순도 99.9%)은 매우 무르기 때문에 정밀하게 절단된 재료를 금형에 압입합니다.호일 크기 25mm × 25mm, 두께 0.6mm.레이저가 표적에 부딪힐 때 표적 표면에 분화구와 같은 손상이 발생하므로 표적은 전동 플랫폼에 의해 이동되어 각 레이저 발사로 표적 표면의 새로운 부분을 제공합니다.잔류 가스로 인한 재결합을 피하기 위해 챔버의 압력은 10-4 Pa 범위 미만으로 유지되었습니다.
레이저 플라즈마의 초기 볼륨은 레이저 스폿의 크기가 100μm이고 생성 후 6ns 이내이므로 작습니다.볼륨은 정확한 지점으로 간주되어 확장될 수 있습니다.검출기가 대상 표면으로부터 xm 거리에 배치된 경우 수신된 신호는 이온 전류 I, 이온 도착 시간 t 및 펄스 폭 τ의 관계를 따릅니다.
생성된 플라즈마는 레이저 타겟으로부터 2.4m와 3.85m 거리에 위치한 FC와 에너지 이온 분석기(EIA)를 사용하여 TOF 방법으로 연구되었습니다.FC에는 전자를 방지하기 위해 -5kV로 바이어스된 억제 그리드가 있습니다.EIA에는 전압은 동일하지만 극성이 반대인 두 개의 동축 금속 원통형 전극(외부는 양극, 내부는 음극)으로 구성된 90도 정전기 편향기가 있습니다.팽창하는 플라즈마는 슬롯 뒤에 있는 편향기로 향하고 실린더를 통과하는 전기장에 의해 편향됩니다.E/z = eKU 관계를 만족하는 이온은 2차 전자 증배기(SEM)(Hamamatsu R2362)를 사용하여 검출됩니다. 여기서 E, z, e, K 및 U는 이온 에너지, 충전 상태 및 전하는 EIA 기하학적 요소입니다. .전자와 전극 사이의 전위차.편향기 양단의 전압을 변경함으로써 플라즈마 내 이온의 에너지 및 전하 분포를 얻을 수 있습니다.스윕 전압 U/2 EIA는 0.2V ~ 800V 범위에 있으며, 이는 충전 상태당 4eV ~ 16keV 범위의 이온 에너지에 해당합니다.
"완전히 박리된 리튬 빔의 생성" 섹션에서 설명한 레이저 조사 조건에서 분석된 이온의 전하 상태 분포를 그림 1과 2에 나타내었다.8.
이온의 충전 상태 분포 분석.다음은 EIA로 분석하고 방정식을 사용하여 리튬 포일로부터 1m 떨어진 곳에서 확장된 이온 전류 밀도 시간 프로파일입니다.(1)과 (2)."완전히 박리된 리튬 빔의 생성" 섹션에 설명된 레이저 조사 조건을 사용합니다.각 전류 밀도를 통합하여 그림 3에 표시된 대로 플라즈마 내 이온의 비율을 계산했습니다.
레이저 이온 소스는 높은 전하를 지닌 강력한 다중 mA 이온 빔을 전달할 수 있습니다.그러나 공간전하 반발력으로 인해 빔 전달이 매우 어려워 널리 사용되지는 않았다.전통적인 방식에서는 이온빔이 플라즈마에서 추출되어 가속기의 픽업 능력에 따라 이온빔을 형성하기 위해 여러 개의 초점 자석을 사용하여 빔 라인을 따라 1차 가속기로 이송됩니다.공간 전하력 빔에서는 빔이 비선형적으로 발산하며 특히 속도가 낮은 영역에서 심각한 빔 손실이 관찰됩니다.의료용 탄소 가속기 개발에서 이러한 문제를 극복하기 위해 새로운 DPIS41 빔 전달 방식이 제안되었습니다.우리는 새로운 중성자 소스로부터 강력한 리튬 이온 빔을 가속하기 위해 이 기술을 적용했습니다.
그림과 같이.도 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마가 생성되어 팽창하는 공간은 금속 용기로 둘러싸여 있다.밀폐된 공간은 솔레노이드 코일 내부 볼륨을 포함하여 RFQ 공진기 입구까지 확장됩니다.용기에 52kV의 전압을 인가하였다.RFQ 공진기에서 이온은 RFQ를 접지하여 직경 6mm 구멍을 통해 전위에 의해 끌어당겨집니다.빔 라인의 비선형 척력은 이온이 플라즈마 상태로 이동됨에 따라 제거됩니다.또한 위에서 언급한 것처럼 DPIS와 결합하여 솔레노이드 필드를 적용하여 추출 구멍의 이온 밀도를 제어하고 증가시켰습니다.
RFQ 가속기는 그림과 같이 원통형 진공 챔버로 구성됩니다.9a.그 내부에는 4개의 무산소 구리 막대가 빔 축을 중심으로 4중극 대칭으로 배치됩니다(그림 9b).4개의 막대와 챔버가 공진 RF 회로를 형성합니다.유도된 RF 장은 막대 전체에 시간에 따라 변하는 전압을 생성합니다.축 주위에 세로 방향으로 주입된 이온은 사중극자 장에 의해 측면으로 유지됩니다.동시에 막대의 끝부분이 변조되어 축방향 전기장을 생성합니다.축 필드는 주입된 연속 빔을 빔이라고 하는 일련의 빔 펄스로 분할합니다.각 빔은 특정 RF 주기 시간(10ns) 내에 포함됩니다.인접한 빔은 무선 주파수 주기에 따라 간격을 두고 있습니다.RFQ 선형 장치에서는 레이저 이온 소스의 2μs 빔이 200개의 빔 시퀀스로 변환됩니다.그런 다음 빔은 계산된 에너지까지 가속됩니다.
선형 가속기 RFQ.(a) (왼쪽) RFQ linac 챔버의 외부 모습.(b) (오른쪽) 챔버의 4개 막대 전극.
RFQ linac의 주요 설계 매개변수는 로드 전압, 공진 주파수, 빔 홀 반경 및 전극 변조입니다.막대의 전압을 ± 29 kV로 선택하여 전기장이 전기 항복 임계값 미만이 되도록 합니다.공진 주파수가 낮을수록 측면 집중력은 커지고 평균 가속장은 작아집니다.조리개 반경이 크면 빔 크기가 증가하고 결과적으로 공간 전하 반발력이 작아져 빔 전류가 증가합니다.반면, 개구 반경이 클수록 RFQ 선형 장치에 전력을 공급하기 위해 더 많은 RF 전력이 필요합니다.또한 사이트의 품질 요구 사항에 따라 제한됩니다.이러한 균형을 기반으로 고전류 빔 가속을 위해 공진 주파수(100MHz)와 개구 반경(4.5mm)이 선택되었습니다.변조는 빔 손실을 최소화하고 가속 효율을 최대화하도록 선택됩니다.설계는 2m 내에서 22keV/n에서 204keV/n까지 40mA에서 7Li3+ 이온을 가속할 수 있는 RFQ 선형 설계를 생성하기 위해 여러 번 최적화되었습니다.실험 중 측정된 RF 전력은 77kW였다.
RFQ linac은 특정 Q/A 범위로 이온을 가속할 수 있습니다.따라서 선형가속기의 끝단에 공급되는 빔을 분석할 때에는 동위원소 및 기타 물질을 고려할 필요가 있다.또한, 부분적으로 가속되었지만 가속기 중간의 가속 조건 하에서 하강한 원하는 이온은 여전히 ​​측면 구속을 충족할 수 있으며 끝까지 이송될 수 있습니다.조작된 7Li3+ 입자 이외의 원하지 않는 광선을 불순물이라고 합니다.우리의 실험에서는 리튬 금속박이 공기 중의 산소 및 질소와 반응하기 때문에 14N6+ 및 16O7+ 불순물이 가장 큰 문제였습니다.이들 이온은 7Li3+로 가속될 수 있는 Q/A 비율을 가지고 있습니다.RFQ linac 이후 빔 분석을 위해 쌍극자 자석을 사용하여 품질과 품질이 다른 빔을 분리합니다.
RFQ linac 뒤의 빔 라인은 완전히 가속된 7Li3+ 빔을 쌍극자 자석 뒤의 FC에 전달하도록 설계되었습니다.-400V 바이어스 전극을 사용하여 컵 내 2차 전자를 억제하여 이온빔 전류를 정확하게 측정합니다.이 광학 장치를 사용하면 이온 궤적이 쌍극자로 분리되어 Q/A에 따라 다른 위치에 집중됩니다.운동량 확산, 공간 전하 반발 등 다양한 요인으로 인해 초점이 맞춰진 빔은 일정한 폭을 갖습니다.두 이온 종의 초점 위치 사이의 거리가 빔 폭보다 큰 경우에만 종을 분리할 수 있습니다.가능한 가장 높은 해상도를 얻기 위해 빔이 실제로 집중되는 빔 웨이스트 근처에 수평 슬릿을 설치합니다.슬릿과 PC 사이에 섬광 스크린(Saint-Gobain의 CsI(Tl), 40mm × 40mm × 3mm)을 설치했습니다.신틸레이터는 최적의 분해능을 위해 설계된 입자가 통과해야 하는 가장 작은 슬릿을 결정하고 고전류 중이온 빔에 허용되는 빔 크기를 입증하는 데 사용되었습니다.신틸레이터의 빔 이미지는 진공창을 통해 CCD 카메라로 기록됩니다.전체 빔 펄스 폭을 포괄하도록 노출 시간 창을 조정합니다.
현재 연구에서 사용되거나 분석된 데이터 세트는 합당한 요청이 있을 경우 각 저자에게 제공됩니다.
Manke, I.et al.자기 도메인의 3차원 이미징.국민 공동체.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, ISet al.가속기에서 소형 중성자 소스를 연구할 가능성.물리학.의원 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A.et al.중성자 기반 컴퓨터 미세 단층 촬영: Pliobates cataloniae 및 Barberapithecushuerzeleri를 테스트 사례로 사용합니다.예.J. 물리학.인류학.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).