304L 6.35*1mm ステンレス鋼コイル管サプライヤー、パルス直接中性子を生成するための強力なリチウム ビームのデモンストレーション

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原子炉の研究に代わるものとして、不要な放射線の生成が少ないため、リチウムイオンビームドライバーを使用した小型の加速器駆動中性子発生装置が有望な候補となる可能性があります。しかし、強力なリチウムイオンビームを照射することが難しく、実用化は不可能とみられていました。不十分なイオン流という最も深刻な問題は、直接プラズマ注入スキームを適用することで解決されました。この方式では、リチウム金属箔のレーザーアブレーションによって生成された高密度パルスプラズマが高周波四重極加速器（RFQ加速器）によって効率よく注入され加速されます。我々は、1.43 MeV まで加速して 35 mA のピークビーム電流を達成しました。これは、従来の入射器および加速器システムが提供できるものより 2 桁高い値です。
X 線や荷電粒子とは異なり、中性子は深い侵入深さと凝縮物質との独特の相互作用を持っているため、材料の特性を研究するための非常に多用途なプローブとなっています 1、2、3、4、5、6、7。特に、中性子散乱技術は、凝縮物質の組成、構造、内部応力を研究するために一般的に使用されており、X 線分光法では検出が難しい金属合金中の微量化合物に関する詳細な情報を提供できます8。この方法は基礎科学における強力なツールと考えられており、金属やその他の材料の製造業者によって使用されています。最近では、中性子回折が鉄道や航空機の部品などの機械部品の残留応力を検出するために使用されています9、10、11、12。中性子は陽子が豊富な物質によって容易に捕捉されるため、油井やガス井でも使用されます13。同様の手法は土木工学でも使用されます。非破壊中性子検査は、建物、トンネル、橋の隠れた欠陥を検出するための効果的なツールです。中性子線の使用は科学研究や産業で積極的に使用されており、その多くは歴史的に原子炉を使用して開発されてきました。
しかし、核不拡散に関する世界的な合意により、研究目的の小型原子炉の建設はますます困難になってきています。さらに、最近の福島事故により、原子炉の建設は社会的にほぼ受け入れられるようになりました。これに伴い、加速器における中性子源の需要も高まっています2。原子炉の代替として、いくつかの大型加速器分割中性子源がすでに運転されています14,15。しかし、中性子線の特性をより効率的に利用するには、産業界や大学の研究機関が所有する可能性のある加速器でのコンパクトな線源の使用を拡大する必要があります16。加速器中性子源は、原子炉の代替として機能するだけでなく、新たな能力と機能を追加しました14。たとえば、リニアック駆動の発電機は、駆動ビームを操作することで中性子の流れを簡単に生成できます。中性子は一度放出されると制御が難しく、バックグラウンドの中性子によって生じるノイズのせいで放射線測定の分析が困難になります。加速器によって制御されるパルス中性子は、この問題を回避します。陽子加速器技術に基づいたいくつかのプロジェクトが世界中で提案されています17、18、19。反応 7Li(p, n)7Be および 9Be(p, n)9B は吸熱反応であるため、陽子駆動小型中性子発生装置で最も頻繁に使用されます 20。陽子線を励起するために選択されたエネルギーが閾値をわずかに上回っていれば、過剰な放射線と放射性廃棄物を最小限に抑えることができます。ただし、ターゲットとなる原子核の質量は陽子の質量よりもはるかに大きいため、結果として生じる中性子はあらゆる方向に散乱します。このように等方性に近い中性子束の放出は、研究対象への中性子の効率的な輸送を妨げます。さらに、物体の位置で必要な中性子の線量を得るには、移動する陽子の数とそのエネルギーの両方を大幅に増加する必要があります。その結果、大量のガンマ線と中性子が大きな角度で伝播し、吸熱反応の利点が損なわれます。典型的な加速器駆動の小型陽子ベース中性子発生器は強力な放射線遮蔽を備えており、システムの中で最も大きな部分です。陽子を駆動するエネルギーを増加させる必要がある場合、通常、加速器施設のサイズをさらに拡大する必要があります。
加速器における従来の小型中性子源の一般的な欠点を克服するために、反転運動学的反応スキームが提案されました21。このスキームでは、陽子ビームの代わりに重いリチウムイオンビームがガイドビームとして使用され、炭化水素プラスチック、水素化物、水素ガス、水素プラズマなどの水素を豊富に含む材料をターゲットにします。ベリリウムイオン駆動ビームなどの代替手段が検討されていますが、ベリリウムは有毒物質であり、取り扱いには特別な注意が必要です。したがって、リチウムビームは反転運動学的反応スキームに最も適しています。リチウム原子核の運動量は陽子よりも大きいため、核衝突の質量中心は常に前方に移動し、中性子も前方に放出されます。この機能により、不要なガンマ線と高角中性子の放出が大幅に排除されます22。陽子エンジンの通常のケースと逆運動学シナリオの比較を図 1 に示します。
陽子線とリチウム線の中性子生成角度の図 (Adobe Illustrator CS5、15.1.0、https://www.adobe.com/products/illustrator.html で描画)。(a) 移動する陽子がリチウムターゲットのはるかに重い原子に衝突するという事実により、反応の結果として中性子があらゆる方向に放出される可能性があります。(b) 逆に、リチウムイオンドライバーが水素を豊富に含むターゲットに衝突すると、システムの質量中心の高速性により中性子が前方の狭い円錐内に生成されます。
しかし、陽子に比べて高い電荷を持つ重イオンの必要な束を生成することが難しいため、逆運動学中性子発生装置は少数しか存在しません。これらのプラントはすべて、タンデム静電加速器と組み合わせて負のスパッタ イオン源を使用しています。ビーム加速の効率を高めるために、他のタイプのイオン源が提案されている 26。いずれの場合も、利用可能なリチウムイオンビーム電流は 100 µA に制限されます。1 mA の Li3+27 を使用することが提案されていますが、このイオン ビーム電流はこの方法では確認されていません。強度の点では、リチウムビーム加速器は、ピーク陽子電流が 10 mA を超える陽子線加速器に匹敵することはできません28。
リチウムイオンビームに基づく実用的なコンパクトな中性子発生装置を実現するには、イオンを完全に含まずに高強度を発生させることが有利です。イオンは電磁力によって加速および誘導され、電荷レベルが高いほど加速がより効率的になります。リチウムイオンビームドライバーには、10 mA を超える Li3+ ピーク電流が必要です。
この研究では、最先端の陽子加速器に匹敵する最大 35 mA のピーク電流による Li3+ ビームの加速を実証します。元のリチウム イオン ビームは、レーザー アブレーションと、もともと C6+ を加速するために開発された直接プラズマ注入スキーム (DPIS) を使用して作成されました。カスタム設計の高周波四重極リニアック (RFQ リニアック) は、4 ロッド共振構造を使用して製造されました。加速ビームが計算通りの高純度ビームエネルギーを持っていることを確認しました。Li3+ ビームが高周波 (RF) 加速器によって効果的に捕捉され加速されると、後続のリニアック (加速器) セクションが、ターゲットから強力な中性子束を生成するために必要なエネルギーを供給するために使用されます。
高性能イオンの加速は確立された技術です。新しい高効率小型中性子発生装置の実現に向けた残りの課題は、完全に剥ぎ取られた大量のリチウムイオンを生成し、加速器内のRFサイクルと同期した一連のイオンパルスからなるクラスター構造を形成することである。この目標を達成するために設計された実験の結果は、次の 3 つのサブセクションで説明されます: (1) リチウムイオンを完全に含まないビームの生成、(2) 特別に設計された RFQ リニアックを使用したビーム加速、および (3) 分析の加速ビームの内容を確認します。ブルックヘブン国立研究所 (BNL) では、図 2 に示す実験装置を構築しました。
リチウム ビームの加速分析のための実験セットアップの概要 (Inkscape、1.0.2、https://inkscape.org/ によって示されています)。右から左に、レーザーアブレーションプラズマがレーザーターゲット相互作用チャンバー内で生成され、RFQ リニアックに送られます。RFQ 加速器に入ると、イオンはプラズマから分離され、ドリフト領域の引き出し電極と RFQ 電極の間の 52 kV の電圧差によって生成される突然の電場を通じて RFQ 加速器に注入されます。抽出されたイオンは、長さ 2 メートルの RFQ 電極を使用して 22 keV/n から 204 keV/n まで加速されます。RFQ リニアックの出力に設置された変流器 (CT) は、イオン ビーム電流の非破壊測定を提供します。ビームは 3 つの四重極磁石によって集束され、双極子磁石に向けられ、双極子磁石が Li3+ ビームを分離して検出器に向けます。スリットの後ろでは、加速ビームを検出するために、格納可能なプラスチック シンチレーターと最大 -400 V のバイアスがかかるファラデー カップ (FC) が使用されます。
完全にイオン化したリチウム イオン (Li3+) を生成するには、第 3 イオン化エネルギー (122.4 eV) を超える温度のプラズマを生成する必要があります。レーザーアブレーションを利用して高温プラズマを生成することを試みました。リチウム金属は反応性があり、特別な取り扱いが必要なため、このタイプのレーザー イオン源はリチウム イオン ビームの生成には一般的に使用されません。当社は、真空レーザーインタラクションチャンバーにリチウム箔を設置する際の湿気と空気汚染を最小限に抑えるターゲットローディングシステムを開発しました。材料のすべての準備は、乾燥アルゴンの制御された環境で実行されました。リチウム箔をレーザーターゲットチャンバーに設置した後、パルス当たり 800 mJ のエネルギーでパルス Nd:YAG レーザー放射をリチウム箔に照射しました。ターゲット上の焦点では​​、レーザー出力密度は約 1012 W/cm2 と推定されます。プラズマは、パルスレーザーが真空中でターゲットを破壊するときに生成されます。6 ns のレーザー パルス全体の間、プラズマは主に逆制動放射プロセスにより加熱され続けます。加熱段階では閉じ込める外部場が適用されないため、プラズマは 3 次元に膨張し始めます。プラズマがターゲット表面上で膨張し始めると、プラズマの質量中心は、600 eV/n のエネルギーでターゲット表面に垂直な速度を獲得します。加熱後、プラズマはターゲットから軸方向に移動し続け、等方的に膨張します。
図 2 に示すように、アブレーション プラズマは、ターゲットと同じ電位を持つ金属容器に囲まれた真空空間に膨張します。したがって、プラズマはフィールドフリー領域を通って RFQ 加速器に向かって漂流します。真空チャンバーに巻かれたソレノイドコイルによって、レーザー照射チャンバーとRFQ線形加速器の間に軸方向の磁場が印加されます。ソレノイドの磁場は、RFQ アパーチャへの送達中に高いプラズマ密度を維持するために、ドリフトプラズマの半径方向の膨張を抑制します。一方、プラズマはドリフト中に軸方向に膨張し続け、細長いプラズマを形成します。高電圧バイアスが、RFQ 入口の出口ポートの前にあるプラズマを含む金属容器に印加されます。バイアス電圧は、RFQ リニアックによる適切な加速に必要な 7Li3+ 注入率を提供するように選択されました。
結果として得られるアブレーション プラズマには 7Li3+ だけでなく、他の荷電状態のリチウムや汚染元素も含まれており、これらは同時に RFQ 線形加速器に輸送されます。RFQ ライナックを使用した加速実験の前に、プラズマ中のイオンの組成とエネルギー分布を研究するためにオフライン飛行時間 (TOF) 分析が実行されました。詳細な分析セットアップと観察された充電状態分布については、「方法」セクションで説明されています。解析の結果、図3に示すように7Li3+イオンが主粒子であり、全粒子の約54%を占めていることが分かりました。解析によれば、イオンビーム出力点における7Li3+イオン電流は1.87mAと推定されます。加速試験中、79 mT のソレノイド磁場が膨張するプラズマに適用されます。その結果、プラズマから抽出され検出器で観測された 7Li3+ 電流は 30 倍に増加しました。
飛行時間分析によって得られた、レーザー生成プラズマ内のイオンの割合。7Li1+ イオンと 7Li2+ イオンは、それぞれイオン ビームの 5% と 25% を占めます。検出された 6Li 粒子の割合は、実験誤差の範囲内で、リチウム箔ターゲット中の 6Li の自然含有量 (7.6%) と一致します。わずかな酸素汚染 (6.2%) が観察され、主に O1+ (2.1%) および O2+ (1.5%) でしたが、これはリチウム箔ターゲットの表面の酸化によるものと考えられます。
前述したように、リチウム プラズマは RFQ リニアックに入る前に無磁場領域を漂います。RFQ リニアックの入力には金属容器に直径 6 mm の穴があり、バイアス電圧は 52 kV です。RFQ 電極の電圧は 100 MHz で ±29 kV 急速に変化しますが、RFQ 加速器電極の平均電位はゼロであるため、この電圧により軸方向の加速が発生します。開口部と RFQ 電極の端の間の 10 mm のギャップに強い電場が生成されるため、開口部のプラズマからは正のプラズマ イオンのみが抽出されます。従来のイオン送達システムでは、イオンは、RFQ 加速器の前のかなりの距離にある電場によってプラズマから分離され、その後、ビーム集束要素によって RFQ アパーチャ内に集束されます。ただし、強力な中性子源に必要な強力な重イオンビームの場合、空間電荷効果による非線形反発力により、イオン輸送システムでビーム電流の大幅な損失が発生し、加速できるピーク電流が制限される可能性があります。当社の DPIS では、高強度イオンがドリフト プラズマとして RFQ アパーチャの出口点に直接輸送されるため、空間電荷によるイオン ビームの損失はありません。この実証では、DPIS が初めてリチウムイオンビームに適用されました。
RFQ 構造は、低エネルギー大電流イオン ビームを集束して加速するために開発され、一次加速の標準となっています。RFQ を使用して、7Li3+ イオンを注入エネルギー 22 keV/n から 204 keV/n まで加速しました。プラズマ内で電荷の低いリチウムやその他の粒子もプラズマから抽出され、RFQ アパーチャに注入されますが、RFQ ライナックは 7Li3+ に近い電荷対質量比 (Q/A) のイオンのみを加速します。
図上。図4は、図3に示す磁石を分析した後、RFQライナックの出力における変流器(CT)とファラデーカップ(FC)によって検出された波形を示しています。2. 信号間の時間シフトは、検出器の位置での飛行時間の差として解釈できます。CT で測定されたピーク イオン電流は 43 mA でした。RT 位置では、登録されたビームには、計算されたエネルギーまで加速されたイオンだけでなく、十分に加速されていない 7Li3+ 以外のイオンも含まれる可能性があります。しかし、QD と PC によって見出されたイオン電流の形状の類似性は、イオン電流が主に加速された 7Li3+ からなり、PC 上の電流のピーク値の減少は QD と PC 間のイオン移動中のビーム損失によって引き起こされることを示しています。パソコン。損失 これはエンベロープ シミュレーションでも確認されます。7Li3+ ビーム電流を正確に測定するには、次のセクションで説明するように双極子磁石を使用してビームを分析します。
検出器位置 CT (黒い曲線) と FC (赤い曲線) で記録された加速ビームのオシログラム。これらの測定は、レーザー プラズマの生成中に光検出器によるレーザー放射の検出によってトリガーされます。黒い曲線は、RFQ リニアック出力に接続された CT で測定された波形を示しています。RFQ リニアックに近いため、検出器は 100 MHz RF ノイズを拾うため、98 MHz ローパス FFT フィルターを適用して、検出信号に重畳された 100 MHz 共振 RF 信号を除去しました。赤い曲線は、分析磁石が 7Li3+ イオン ビームを誘導した後の FC での波形を示しています。この磁場では、7Li3+ の他に、N6+ と O7+ も輸送できます。
RFQ ライナックの後のイオン ビームは、一連の 3 つの四重極集束磁石によって集束され、双極子磁石によって分析されてイオン ビーム内の不純物が分離されます。0.268 T の磁場が 7Li3+ ビームを FC に導きます。この磁場の検出波形は、図 4 の赤い曲線として示されています。ピークビーム電流は 35 mA に達し、これは既存の従来の静電加速器で生成される典型的な Li3+ ビームの 100 倍以上です。ビームパルス幅は半値全幅で2.0μsです。双極子磁場による 7Li3+ ビームの検出は、バンチングとビーム加速の成功を示します。双極子の磁場を走査するときにFCによって検出されたイオンビーム電流を図5に示します。他のピークから十分に分離された、きれいな単一ピークが観察されました。RFQ リニアックによって設計エネルギーまで加速されたすべてのイオンは同じ速度を持つため、同じ Q/A を持つイオン ビームを双極子磁場によって分離することは困難です。したがって、7Li3+ を N6+ や O7+ と区別することはできません。ただし、不純物の量は隣接する電荷状態から推定できます。たとえば、N7+ と N5+ は簡単に分離できますが、N6+ は不純物の一部である可能性があり、N7+ および N5+ とほぼ同じ量で存在すると予想されます。推定汚染レベルは約 2% です。
双極子磁場を走査して得られるビーム成分スペクトル。0.268 T のピークは 7Li3+ および N6+ に対応します。ピーク幅はスリット上のビームのサイズに依存します。幅広のピークにもかかわらず、7Li3+ は 6Li3+、O6+、および N5+ からはよく分離されますが、O7+ および N6+ からはあまり分離されません。
FC の位置では、図 6 に示すように、ビーム プロファイルがプラグイン シンチレータで確認され、高速デジタル カメラで記録されました。電流 35 mA の 7Li3+ パルス ビームが、計算された RFQ まで加速されることが示されています。エネルギーは 204 keV/n (1.4 MeV に相当) で、FC 検出器に送信されます。
FC 前のシンチレーター スクリーンで観察されたビーム プロファイル (色はフィジー、2.3.0、https://imagej.net/software/fiji/)。分析双極子磁石の磁場は、Li3+ イオン ビームの加速を設計エネルギー RFQ に向けるように調整されました。緑色の領域内の青色の点は、シンチレーター材料の欠陥が原因で発生します。
固体リチウム箔の表面のレーザーアブレーションによって 7Li3+ イオンの生成を達成し、DPIS を使用して特別に設計された RFQ 線形加速器で高電流イオン ビームを捕捉して加速しました。1.4 MeV のビームエネルギーでは、磁石の分析後に FC 上に達した 7Li3+ のピーク電流は 35 mA でした。これは、逆運動学を備えた中性子源の実装の最も重要な部分が実験的に実装されたことを確認します。論文のこの部分では、高エネルギー加速器や中性子ターゲットステーションを含む、コンパクトな中性子源の設計全体について説明します。この設計は、私たちの研究室の既存のシステムで得られた結果に基づいています。イオンビームのピーク電流は、リチウム箔とRFQライナックの間の距離を短くすることによってさらに増加できることに留意すべきである。米。図７は、加速器における提案された小型中性子源の全体概念を示す。
加速器で提案されているコンパクト中性子源の概念設計 (Freecad、0.19、https://www.freecadweb.org/ によって描画)。右から左へ：レーザーイオン源、ソレノイドマグネット、RFQライナック、中エネルギービーム転送（MEBT）、IHライナック、中性子発生用の相互作用チャンバー。生成される中性子ビームの指向性が狭いため、放射線防護は主に前方方向に行われます。
RFQ リニアックの後は、インターデジタル H 構造 (IH リニアック)30 リニアックのさらなる加速が計画されています。IH ライナックは、π モード ドリフト管構造を使用して、特定の速度範囲にわたって高い電場勾配を提供します。概念検討は 1D 縦力学シミュレーションと 3D シェル シミュレーションに基づいて実行されました。計算によると、妥当なドリフト管電圧 (450 kV 未満) と強力な集束磁石を備えた 100 MHz IH 線形加速器は、1.8 m の距離で 40 mA ビームを 1.4 から 14 MeV まで加速できることが示されています。加速器チェーンの末端でのエネルギー分布は± 0.4 MeV と推定されており、中性子変換ターゲットによって生成される中性子のエネルギー スペクトルに大きな影響を与えません。さらに、ビーム放射率は、中程度の強度およびサイズの四極磁石に通常必要とされるよりも小さなビームスポットにビームを集束させるのに十分低い。RFQ ライナックと IH ライナックの間の中エネルギービーム (MEBT) 伝送では、ビームフォーミング構造を維持するためにビームフォーミング共振器が使用されます。サイドビームのサイズを制御するために 3 つの四重極磁石が使用されます。この設計戦略は多くのアクセラレータで使用されています31、32、33。イオン源からターゲットチャンバーまでのシステム全体の全長は 8 m 未満と推定され、標準的なセミトレーラートラックに収まります。
中性子変換ターゲットは線形加速器の直後に設置されます。逆運動学シナリオを使用した以前の研究に基づいて、ターゲット ステーションの設計について説明します23。報告されている変換ターゲットには、固体材料 (ポリプロピレン (C3H6) および水素化チタン (TiH2)) およびガス状ターゲット システムが含まれます。それぞれの目標には長所と短所があります。固体ターゲットにより、正確な厚さ制御が可能になります。ターゲットが薄いほど、中性子生成の空間配置がより正確になります。ただし、そのようなターゲットには、依然としてある程度の望ましくない核反応や放射線が存在する可能性があります。一方、水素ターゲットは、核反応の主生成物である 7Be の生成を排除することで、よりクリーンな環境を提供できます。しかし、水素はバリア能力が弱く、十分なエネルギーを放出するには大きな物理的距離が必要です。これは、TOF 測定には若干不利です。また、水素ターゲットの封止に薄膜を使用する場合、薄膜から発生するガンマ線や入射するリチウムビームのエネルギー損失を考慮する必要があります。
LICORNE はポリプロピレン ターゲットを使用しており、ターゲット システムはタンタル箔で密閉された水素セルにアップグレードされています。7Li34 のビーム電流が 100 nA であると仮定すると、両方のターゲット システムは最大 107 n/s/sr を生成できます。この主張された中性子収量変換を私たちが提案する中性子源に適用すると、各レーザーパルスに対して 7 × 10-8 C のリチウム駆動ビームが得られます。これは、レーザーを 1 秒間に 2 回発射するだけで、LICORNE が連続ビームで 1 秒間に生成できる中性子よりも 40% 多くの中性子を生成することを意味します。総光束は、レーザーの励起周波数を増やすことで簡単に増やすことができます。1 kHz のレーザー システムが市販されていると仮定すると、平均中性子束は約 7 × 109 n/s/sr まで簡単にスケールアップできます。
プラスチックのターゲットで高繰り返し率システムを使用する場合、たとえばポリプロピレンの融点は 145 ～ 175 °C と低く、熱伝導率は 0.1 ～ 0.22 W/ と低いため、ターゲットでの発熱を制御する必要があります。 m/K.14 MeV のリチウムイオン ビームの場合、ビーム エネルギーを反応閾値 (13.098 MeV) まで下げるには、厚さ 7 μm のポリプロピレン ターゲットで十分です。ターゲット上で 1 回のレーザー ショットによって生成されるイオンの全体的な影響を考慮すると、ポリプロピレンを介したリチウム イオンの放出エネルギーは 64 mJ/パルスと推定されます。すべてのエネルギーが直径 10 mm の円内に伝達されると仮定すると、各パルスは約 18 K/パルスの温度上昇に相当します。ポリプロピレン ターゲットでのエネルギー放出は、すべてのエネルギー損失が熱として蓄えられ、放射やその他の熱損失は発生しないという単純な仮定に基づいています。1 秒あたりのパルス数を増やすには熱の蓄積を取り除く必要があるため、ストリップターゲットを使用して同じ点でのエネルギー放出を回避できます23。レーザー繰り返し速度 100 Hz でターゲット上に 10 mm のビーム スポットがあると仮定すると、ポリプロピレン テープの走査速度は 1 m/s になります。ビームスポットの重なりが許容される場合、より高い繰り返し率が可能です。
また、ターゲットを損傷することなくより強力な駆動ビームを使用できるため、水素電池を備えたターゲットについても調査しました。中性子線は、ガス室の長さと内部の水素圧力を変えることで簡単に調整できます。薄い金属箔は、ターゲットのガス領域を真空から分離するために加速器でよく使用されます。したがって、箔上のエネルギー損失を補償するには、入射リチウムイオンビームのエネルギーを増加する必要があります。レポート 35 に記載されているターゲット アセンブリは、H2 ガス圧が 1.5 気圧の、長さ 3.5 cm のアルミニウム容器で構成されています。16.75 MeV のリチウム イオン ビームは、空冷された 2.7 μm の Ta 箔を通ってバッテリーに入り、バッテリーの端でのリチウム イオン ビームのエネルギーは反応閾値まで減速されます。リチウムイオン電池のビームエネルギーを14.0MeVから16.75MeVに高めるには、IHライナックを約30cm長くする必要がありました。
ガス電池ターゲットからの中性子の放出も研究されました。前述の LICORNE ガスターゲットの場合、GEANT436 シミュレーションでは、[37] の図 1 に示すように、高度に配向した中性子がコーン内で生成されることが示されています。参照番号３５は、メインビームの伝播方向に対して１９．５°の最大コーン開口部を有する０．７から３．０ＭｅＶのエネルギー範囲を示している。高度に配向した中性子は、ほとんどの角度で遮蔽材の量を大幅に削減できるため、構造の重量が軽減され、測定機器の設置の柔軟性が高まります。放射線防護の観点から、このガスターゲットは中性子に加えて、重心座標系で等方的に 478 keV のガンマ線を放出します 38。これらのγ線は、一次 Li ビームが入射窓 Ta に当たるときに発生する 7Be 崩壊と 7Li 脱励起の結果として生成されます。ただし、厚い 35 Pb/Cu 円筒形コリメータを追加すると、バックグラウンドを大幅に低減できます。
代替のターゲットとして、プラズマ ウィンドウ [39、40] を使用できます。これにより、固体ターゲットより劣るものの、比較的高い水素圧力と小さな空間領域での中性子生成を実現できます。
私たちは、GEANT4を使用して、リチウムイオンビームの予想されるエネルギー分布とビームサイズに対する中性子変換のターゲットオプションを調査しています。私たちのシミュレーションは、上記の文献にある水素ターゲットの中性子エネルギーと角度分布の一貫した分布を示しています。どのターゲットシステムでも、水素が豊富なターゲット上の強力な 7Li3+ ビームによって駆動される逆運動学反応によって、高度に配向した中性子を生成できます。したがって、既存の技術を組み合わせることにより、新しい中性子源を実現することができます。
レーザー照射条件は加速実証前のイオンビーム発生実験を再現した。このレーザーは、レーザー出力密度 1012 W/cm2、基本波長 1064 nm、スポット エネルギー 800 mJ、パルス持続時間 6 ns のデスクトップ ナノ秒 Nd:YAG システムです。ターゲット上のスポット直径は 100 µm と推定されます。リチウム金属 (Alfa Aesar、純度 99.9%) は非常に柔らかいため、正確に切断された材料が金型に押し込まれます。箔寸法25mm×25mm、厚さ0.6mm。レーザーが当たるとターゲットの表面にクレーターのような損傷が発生するため、レーザーが照射されるたびにターゲットは電動プラットフォームによって移動され、ターゲットの表面に新しい部分が提供されます。残留ガスによる再結合を避けるために、チャンバー内の圧力は 10-4 Pa の範囲以下に保たれました。
レーザースポットのサイズは 100 μm で、生成後 6 ns 以内であるため、レーザープラズマの初期体積は小さくなります。ボリュームを正確な点として取得して拡張することができます。検出器がターゲット表面から xm の距離に配置されている場合、受信信号はイオン電流 I、イオン到着時間 t、およびパルス幅 τ の関係に従います。
生成されたプラズマは、FC とレーザーターゲットから 2.4 m および 3.85 m の距離に配置されたエネルギーイオン分析装置 (EIA) を使用した TOF 法によって調査されました。FC には、電子を防ぐために -5 kV でバイアスされたサプレッサー グリッドが備わっています。EIA には、同じ電圧で反対の極性 (外側が正、内側が負) を持つ 2 つの同軸金属円筒電極で構成される 90 度の静電偏向器があります。膨張するプラズマはスロットの後ろにある偏向器に導かれ、シリンダーを通過する電場によって偏向されます。E/z = eKU の関係を満たすイオンは、二次電子増倍管 (SEM) (Hamamatsu R2362) を使用して検出されます。ここで、E、z、e、K、U はイオン エネルギー、充電状態、および電荷は EIA 幾何学的因子です。 。それぞれの電子と電極間の電位差。偏向器にかかる電圧を変更することにより、プラズマ内のイオンのエネルギーと電荷分布を取得できます。掃引電圧 U/2 EIA は 0.2 V ～ 800 V の範囲にあり、これは充電状態ごとに 4 eV ～ 16 keV の範囲のイオン エネルギーに相当します。
「完全剥離リチウムビームの生成」の項で説明したレーザー照射条件で分析したイオンの荷電状態の分布を図2、図3に示します。8.
イオンの電荷状態の分布の解析。以下は、EIA で分析され、方程式を使用してリチウム箔から 1 m の位置でスケールされたイオン電流密度の時間プロファイルです。(1)と(2)。レーザー照射条件は「完全剥離型リチウムビームの生成」で説明した条件を使用してください。それぞれの電流密度を積分することで、プラズマ中のイオンの割合を計算しました（図3）。
レーザー イオン源は、高電荷の強力なマルチ mA イオン ビームを供給できます。しかし、空間電荷の反発によりビームの照射が非常に困難であるため、広く使用されることはありませんでした。従来の方式では、イオンビームはプラズマから抽出され、いくつかの集束磁石を備えたビームラインに沿って一次加速器に輸送され、加速器のピックアップ能力に応じてイオンビームを成形します。空間電荷力ビームでは、ビームが非線形に発散し、特に低速領域で重大なビーム損失が観察されます。医療用炭素加速器の開発におけるこの問題を克服するために、新しい DPIS41 ビーム照射スキームが提案されています。私たちはこの技術を応用して、新しい中性子源からの強力なリチウムイオンビームを加速しました。
図に示すように。図４に示すように、プラズマが生成・膨張する空間は金属製の容器で囲まれている。密閉空間は、ソレノイド コイル内の容積を含む、RFQ 共振器の入口まで広がります。５２ｋＶの電圧が容器に印加された。RFQ 共振器では、RFQ を接地することにより、イオンが直径 6 mm の穴を通って電位によって引き寄せられます。ビームライン上の非線形斥力は、イオンがプラズマ状態で輸送されるときに除去されます。さらに、上で述べたように、DPIS と組み合わせてソレノイド場を適用して、抽出開口部内のイオンの密度を制御し、増加させました。
RFQ加速器は、図に示すように円筒形の真空チャンバーで構成されています。9a.その内部には、4 本の無酸素銅のロッドがビーム軸の周りに四重極対称に配置されています (図 9b)。4 本のロッドとチャンバーが共振 RF 回路を形成します。誘導された RF 場は、ロッドの両端に時間とともに変化する電圧を生成します。軸を中心に縦方向に注入されたイオンは、四重極場によって横方向に保持されます。同時に、ロッドの先端が調整されて軸方向の電場が生成されます。軸方向電界は、注入された連続ビームをビームと呼ばれる一連のビーム パルスに分割します。各ビームは特定の RF サイクル時間 (10 ns) 内に含まれます。隣接するビームは、無線周波数周期に従って間隔があけられます。RFQ リニアックでは、レーザー イオン源からの 2 μs ビームが 200 個のビームのシーケンスに変換されます。次に、ビームは計算されたエネルギーまで加速されます。
リニア加速器のRFQ。(a) (左) RFQ リニアックチャンバーの外観。(b) (右) チャンバー内の 4 つのロッド電極。
RFQ リニアックの主な設計パラメータは、ロッド電圧、共振周波数、ビーム ホール半径、および電極変調です。ロッドの電界が絶縁破壊しきい値を下回るように、ロッドの電圧を ± 29 kV として選択します。共振周波数が低いほど、横方向の集束力は大きくなり、平均加速場は小さくなります。開口半径が大きいとビームサイズを大きくすることができ、その結果、空間電荷の反発が小さくなるためビーム電流が増加します。一方、開口半径が大きいほど、RFQ リニアックに電力を供給するためにより多くの RF 電力が必要になります。さらに、サイトの品質要件によって制限されます。これらのバランスに基づいて、大電流ビーム加速用に共振周波数 (100 MHz) と開口半径 (4.5 mm) が選択されました。変調は、ビーム損失を最小限に抑え、加速効率を最大にするように選択されます。この設計は何度も最適化され、7Li3+ イオンを 40 mA で 2 m 以内で 22 keV/n から 204 keV/n まで加速できる RFQ リニアック設計を実現しました。実験中に測定された RF 電力は 77 kW でした。
RFQ リニアックは、特定の Q/A 範囲でイオンを加速できます。したがって、線形加速器の先端に供給されたビームを分析する場合には、同位体などの物質を考慮する必要があります。さらに、部分的に加速されているが、加速器の中央の加速条件下で降下している所望のイオンは、依然として横方向の閉じ込めを満たすことができ、端まで輸送することができます。人工 7Li3+ 粒子以外の不要な線は不純物と呼ばれます。リチウム金属箔は空気中の酸素や窒素と反応するため、私たちの実験では 14N6+ および 16O7+ 不純物が最も懸念されました。これらのイオンは、7Li3+ で加速できる Q/A 比を持っています。RFQリニアック後のビーム解析のために、双極子磁石を使用して異なる品質と品質のビームを分離します。
RFQ リニアックの後のビームラインは、完全に加速された 7Li3+ ビームを双極子磁石の後の FC に届けるように設計されています。-400 V バイアス電極を使用してカップ内の二次電子を抑制し、イオン ビーム電流を正確に測定します。この光学系を使用すると、イオンの軌道が双極子に分離され、Q/A に応じてさまざまな場所に集束されます。運動量の拡散や空間電荷の反発などのさまざまな要因により、焦点でのビームは一定の幅を持ちます。2 つのイオン種の焦点位置間の距離がビーム幅よりも大きい場合にのみ、種を分離できます。可能な限り最高の解像度を得るために、ビームが実際に集中するビームウェスト付近に水平スリットが設置されます。シンチレーションスクリーン（Saint-Gobain 製 CsI(Tl)、40 mm × 40 mm × 3 mm）をスリットと PC の間に設置しました。シンチレーターは、最適な分解能を得るために設計された粒子が通過する必要がある最小のスリットを決定し、高電流重イオンビームの許容可能なビーム サイズを実証するために使用されました。シンチレーター上のビーム画像は、真空窓を通して CCD カメラによって記録されます。ビームパルス幅全体をカバーするように露光時間ウィンドウを調整します。
現在の研究で使用または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて各著者から入手できます。
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