Fournisseurs de tubes enroulés en acier inoxydable 304L 6,35 * 1 mm, démonstration d'un faisceau de lithium intense pour générer des neutrons directs pulsés

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Comme alternative à l’étude des réacteurs nucléaires, un générateur de neutrons compact piloté par un accélérateur utilisant un pilote de faisceau lithium-ion pourrait être un candidat prometteur car il produit peu de rayonnements indésirables.Cependant, il était difficile de délivrer un faisceau intense d’ions lithium et l’application pratique de tels dispositifs était considérée comme impossible.Le problème le plus aigu du flux d’ions insuffisant a été résolu en appliquant un schéma d’implantation directe par plasma.Dans ce schéma, un plasma pulsé haute densité généré par ablation laser d'une feuille métallique de lithium est efficacement injecté et accéléré par un accélérateur quadripolaire haute fréquence (accélérateur RFQ).Nous avons atteint un courant de faisceau de pointe de 35 mA accéléré à 1,43 MeV, ce qui est deux ordres de grandeur supérieur à ce que les systèmes d'injection et d'accélérateur conventionnels peuvent fournir.
Contrairement aux rayons X ou aux particules chargées, les neutrons ont une grande profondeur de pénétration et une interaction unique avec la matière condensée, ce qui en fait des sondes extrêmement polyvalentes pour étudier les propriétés des matériaux1,2,3,4,5,6,7.En particulier, les techniques de diffusion de neutrons sont couramment utilisées pour étudier la composition, la structure et les contraintes internes de la matière condensée et peuvent fournir des informations détaillées sur les composés traces dans les alliages métalliques difficiles à détecter par spectroscopie à rayons X8.Cette méthode est considérée comme un outil puissant en science fondamentale et est utilisée par les fabricants de métaux et d’autres matériaux.Plus récemment, la diffraction des neutrons a été utilisée pour détecter les contraintes résiduelles dans les composants mécaniques tels que les pièces ferroviaires et aéronautiques9,10,11,12.Les neutrons sont également utilisés dans les puits de pétrole et de gaz car ils sont facilement capturés par les matériaux riches en protons13.Des méthodes similaires sont également utilisées en génie civil.Les contrôles neutroniques non destructifs sont un outil efficace pour détecter les défauts cachés dans les bâtiments, les tunnels et les ponts.L'utilisation de faisceaux de neutrons est activement utilisée dans la recherche scientifique et dans l'industrie, dont beaucoup ont été historiquement développées à l'aide de réacteurs nucléaires.
Cependant, avec le consensus mondial sur la non-prolifération nucléaire, la construction de petits réacteurs à des fins de recherche devient de plus en plus difficile.De plus, le récent accident de Fukushima a rendu la construction de réacteurs nucléaires presque socialement acceptable.En lien avec cette tendance, la demande de sources de neutrons dans les accélérateurs augmente2.Comme alternative aux réacteurs nucléaires, plusieurs grandes sources de neutrons à division par accélérateur sont déjà en service14,15.Cependant, pour une utilisation plus efficace des propriétés des faisceaux de neutrons, il est nécessaire d'étendre l'utilisation de sources compactes dans les accélérateurs 16, qui peuvent appartenir à des instituts de recherche industriels et universitaires.Les sources de neutrons des accélérateurs ont ajouté de nouvelles capacités et fonctions en plus de remplacer les réacteurs nucléaires14.Par exemple, un générateur entraîné par linac peut facilement créer un flux de neutrons en manipulant le faisceau d'entraînement.Une fois émis, les neutrons sont difficiles à contrôler et les mesures de rayonnement sont difficiles à analyser en raison du bruit créé par les neutrons de fond.Les neutrons pulsés contrôlés par un accélérateur évitent ce problème.Plusieurs projets basés sur la technologie des accélérateurs de protons ont été proposés dans le monde17,18,19.Les réactions 7Li(p, n)7Be et 9Be(p, n)9B sont les plus fréquemment utilisées dans les générateurs de neutrons compacts entraînés par des protons car ce sont des réactions endothermiques20.L'excès de rayonnement et les déchets radioactifs peuvent être minimisés si l'énergie choisie pour exciter le faisceau de protons est légèrement supérieure à la valeur seuil.Cependant, la masse du noyau cible est bien supérieure à celle des protons et les neutrons qui en résultent se dispersent dans toutes les directions.Une émission aussi proche de l'isotrope d'un flux de neutrons empêche un transport efficace des neutrons vers l'objet d'étude.De plus, pour obtenir la dose de neutrons requise à l'emplacement de l'objet, il est nécessaire d'augmenter considérablement à la fois le nombre de protons en mouvement et leur énergie.En conséquence, de fortes doses de rayons gamma et de neutrons se propageront selon de grands angles, détruisant ainsi l’avantage des réactions endothermiques.Un générateur de neutrons compact à base de protons, piloté par un accélérateur, est doté d'une forte protection contre les rayonnements et constitue la partie la plus volumineuse du système.La nécessité d’augmenter l’énergie des protons moteurs nécessite généralement une augmentation supplémentaire de la taille de l’accélérateur.
Pour surmonter les inconvénients généraux des sources de neutrons compactes conventionnelles dans les accélérateurs, un schéma de réaction cinématique d'inversion a été proposé21.Dans ce schéma, un faisceau lithium-ion plus lourd est utilisé comme faisceau guide au lieu d'un faisceau de protons, ciblant les matériaux riches en hydrogène tels que les plastiques d'hydrocarbures, les hydrures, l'hydrogène gazeux ou le plasma d'hydrogène.Des alternatives ont été envisagées, telles que les faisceaux d'ions béryllium, cependant, le béryllium est une substance toxique nécessitant des précautions particulières lors de sa manipulation.Par conséquent, un faisceau de lithium est le plus approprié pour les schémas de réaction cinématique d’inversion.Étant donné que l'impulsion des noyaux de lithium est supérieure à celle des protons, le centre de masse des collisions nucléaires avance constamment et les neutrons sont également émis vers l'avant.Cette fonctionnalité élimine grandement les rayons gamma indésirables et les émissions de neutrons à grand angle22.Une comparaison du cas habituel d'un moteur à protons et du scénario de cinématique inverse est présentée à la figure 1.
Illustration des angles de production de neutrons pour les faisceaux de protons et de lithium (dessiné avec Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).(a) Les neutrons peuvent être éjectés dans n’importe quelle direction à la suite de la réaction, car les protons en mouvement heurtent les atomes beaucoup plus lourds de la cible de lithium.(b) À l'inverse, si un pilote lithium-ion bombarde une cible riche en hydrogène, les neutrons sont générés dans un cône étroit vers l'avant en raison de la vitesse élevée du centre de masse du système.
Cependant, seuls quelques générateurs de neutrons à cinématique inverse existent en raison de la difficulté de générer le flux requis d'ions lourds avec une charge élevée par rapport aux protons.Toutes ces usines utilisent des sources d’ions par pulvérisation négative en combinaison avec des accélérateurs électrostatiques en tandem.D'autres types de sources d'ions ont été proposés pour augmenter l'efficacité de l'accélération du faisceau26.Dans tous les cas, le courant du faisceau lithium-ion disponible est limité à 100 µA.Il a été proposé d'utiliser 1 mA de Li3+27, mais ce courant de faisceau ionique n'a pas été confirmé par cette méthode.En termes d’intensité, les accélérateurs à faisceaux de lithium ne peuvent rivaliser avec les accélérateurs à faisceaux de protons dont le courant de proton crête dépasse 10 mA28.
Pour mettre en œuvre un générateur de neutrons compact et pratique basé sur un faisceau lithium-ion, il est avantageux de générer une haute intensité totalement dépourvue d'ions.Les ions sont accélérés et guidés par des forces électromagnétiques, et un niveau de charge plus élevé entraîne une accélération plus efficace.Les pilotes de faisceau Li-ion nécessitent des courants de crête Li3+ supérieurs à 10 mA.
Dans ce travail, nous démontrons l'accélération des faisceaux Li3+ avec des courants de crête allant jusqu'à 35 mA, ce qui est comparable aux accélérateurs de protons avancés.Le faisceau d’ions lithium original a été créé à l’aide d’une ablation laser et d’un système d’implantation directe par plasma (DPIS) initialement développé pour accélérer le C6+.Un linac quadripolaire radiofréquence (linac RFQ) conçu sur mesure a été fabriqué à l'aide d'une structure résonante à quatre tiges.Nous avons vérifié que le faisceau accélérateur possède l’énergie de faisceau de haute pureté calculée.Une fois que le faisceau Li3+ est efficacement capturé et accéléré par l’accélérateur radiofréquence (RF), la section linac (accélérateur) suivante est utilisée pour fournir l’énergie nécessaire pour générer un fort flux de neutrons à partir de la cible.
L’accélération d’ions haute performance est une technologie bien établie.La tâche restante pour réaliser un nouveau générateur de neutrons compact à haute efficacité consiste à générer un grand nombre d'ions lithium complètement dépouillés et à former une structure en grappe constituée d'une série d'impulsions ioniques synchronisées avec le cycle RF dans l'accélérateur.Les résultats des expériences conçues pour atteindre cet objectif sont décrits dans les trois sous-sections suivantes : (1) génération d'un faisceau totalement dépourvu de lithium-ion, (2) accélération du faisceau à l'aide d'un linac RFQ spécialement conçu et (3) accélération de l'analyse. du faisceau pour vérifier son contenu.Au Brookhaven National Laboratory (BNL), nous avons construit la configuration expérimentale illustrée à la figure 2.
Présentation de la configuration expérimentale pour l'analyse accélérée des faisceaux de lithium (illustré par Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/).De droite à gauche, un plasma ablatif laser est généré dans la chambre d'interaction laser-cible et délivré au linac RFQ.En entrant dans l'accélérateur RFQ, les ions sont séparés du plasma et injectés dans l'accélérateur RFQ via un champ électrique soudain créé par une différence de tension de 52 kV entre l'électrode d'extraction et l'électrode RFQ dans la région de dérive.Les ions extraits sont accélérés de 22 keV/n à 204 keV/n à l’aide d’électrodes RFQ de 2 mètres de long.Un transformateur de courant (CT) installé à la sortie du linac RFQ permet une mesure non destructive du courant du faisceau ionique.Le faisceau est focalisé par trois aimants quadripolaires et dirigé vers un aimant dipolaire, qui sépare et dirige le faisceau Li3+ dans le détecteur.Derrière la fente, un scintillateur en plastique rétractable et une coupe de Faraday (FC) avec une polarisation allant jusqu'à -400 V sont utilisés pour détecter le faisceau accélérateur.
Pour générer des ions lithium entièrement ionisés (Li3+), il est nécessaire de créer un plasma dont la température est supérieure à sa troisième énergie d'ionisation (122,4 eV).Nous avons essayé d'utiliser l'ablation laser pour produire du plasma à haute température.Ce type de source d'ions laser n'est pas couramment utilisé pour générer des faisceaux d'ions lithium car le lithium métallique est réactif et nécessite une manipulation particulière.Nous avons développé un système de chargement de cible pour minimiser la contamination par l'humidité et l'air lors de l'installation d'une feuille de lithium dans la chambre d'interaction laser sous vide.Toutes les préparations de matériaux ont été réalisées dans un environnement contrôlé d'argon sec.Une fois la feuille de lithium installée dans la chambre cible laser, la feuille a été irradiée avec un rayonnement laser Nd:YAG pulsé à une énergie de 800 mJ par impulsion.Au point focal sur la cible, la densité de puissance laser est estimée à environ 1012 W/cm2.Le plasma est créé lorsqu'un laser pulsé détruit une cible dans le vide.Pendant toute la durée de l'impulsion laser de 6 ns, le plasma continue de chauffer, principalement en raison du processus de bremsstrahlung inverse.Puisqu’aucun champ externe de confinement n’est appliqué pendant la phase de chauffage, le plasma commence à se dilater en trois dimensions.Lorsque le plasma commence à se dilater sur la surface cible, le centre de masse du plasma acquiert une vitesse perpendiculaire à la surface cible avec une énergie de 600 eV/n.Après chauffage, le plasma continue de se déplacer dans la direction axiale à partir de la cible, en se dilatant de manière isotrope.
Comme le montre la figure 2, le plasma d'ablation se dilate dans un volume sous vide entouré d'un récipient métallique ayant le même potentiel que la cible.Ainsi, le plasma dérive à travers la région sans champ vers l’accélérateur RFQ.Un champ magnétique axial est appliqué entre la chambre d'irradiation laser et le linac RFQ au moyen d'une bobine solénoïde enroulée autour de la chambre à vide.Le champ magnétique du solénoïde supprime l'expansion radiale du plasma dérivant afin de maintenir une densité de plasma élevée pendant l'acheminement vers l'ouverture RFQ.D'autre part, le plasma continue de se dilater dans la direction axiale pendant la dérive, formant un plasma allongé.Une polarisation haute tension est appliquée au récipient métallique contenant le plasma devant le port de sortie à l'entrée RFQ.La tension de polarisation a été choisie pour fournir le taux d'injection de 7Li3+ requis pour une accélération appropriée par le linac RFQ.
Le plasma d'ablation résultant contient non seulement du 7Li3+, mais également du lithium dans d'autres états de charge et des éléments polluants, qui sont simultanément transportés vers l'accélérateur linéaire RFQ.Avant les expériences accélérées utilisant le linac RFQ, une analyse du temps de vol (TOF) hors ligne a été réalisée pour étudier la composition et la distribution d'énergie des ions dans le plasma.La configuration analytique détaillée et les distributions d’état de charge observées sont expliquées dans la section Méthodes.L'analyse a montré que les ions 7Li3+ étaient les principales particules, représentant environ 54 % de toutes les particules, comme le montre la figure 3. Selon l'analyse, le courant ionique 7Li3+ au point de sortie du faisceau ionique est estimé à 1,87 mA.Lors de tests accélérés, un champ solénoïde de 79 mT est appliqué au plasma en expansion.En conséquence, le courant 7Li3+ extrait du plasma et observé sur le détecteur a été multiplié par 30.
Fractions d'ions dans le plasma généré par laser obtenues par analyse du temps de vol.Les ions 7Li1+ et 7Li2+ représentent respectivement 5 % et 25 % du faisceau d’ions.La fraction détectée de particules de 6Li concorde avec la teneur naturelle de 6Li (7,6 %) dans la cible en feuille de lithium dans les limites de l'erreur expérimentale.Une légère contamination par l'oxygène (6,2 %) a été observée, principalement par l'O1+ (2,1 %) et l'O2+ (1,5 %), qui pourrait être due à l'oxydation de la surface de la cible en feuille de lithium.
Comme mentionné précédemment, le plasma de lithium dérive dans une région sans champ avant d'entrer dans le linac RFQ.L'entrée du linac RFQ possède un trou de 6 mm de diamètre dans un conteneur métallique et la tension de polarisation est de 52 kV.Bien que la tension de l'électrode RFQ change rapidement de ± 29 kV à 100 MHz, la tension provoque une accélération axiale car les électrodes accélératrices RFQ ont un potentiel moyen de zéro.En raison du fort champ électrique généré dans l’espace de 10 mm entre l’ouverture et le bord de l’électrode RFQ, seuls les ions positifs du plasma sont extraits du plasma au niveau de l’ouverture.Dans les systèmes de distribution d'ions traditionnels, les ions sont séparés du plasma par un champ électrique situé à une distance considérable devant l'accélérateur RFQ, puis focalisés dans l'ouverture RFQ par un élément de focalisation du faisceau.Cependant, pour les faisceaux d'ions lourds intenses requis pour une source de neutrons intense, les forces répulsives non linéaires dues aux effets de charge d'espace peuvent entraîner des pertes importantes de courant de faisceau dans le système de transport d'ions, limitant le courant de pointe qui peut être accéléré.Dans notre DPIS, les ions de haute intensité sont transportés sous forme de plasma dérivant directement vers le point de sortie de l'ouverture RFQ, de sorte qu'il n'y a pas de perte du faisceau d'ions due à la charge d'espace.Au cours de cette démonstration, le DPIS a été appliqué pour la première fois à un faisceau lithium-ion.
La structure RFQ a été développée pour focaliser et accélérer des faisceaux d'ions à faible énergie et à courant élevé et est devenue la norme pour l'accélération de premier ordre.Nous avons utilisé RFQ pour accélérer les ions 7Li3+ d’une énergie d’implant de 22 keV/n à 204 keV/n.Bien que le lithium et d'autres particules ayant une charge inférieure dans le plasma soient également extraits du plasma et injectés dans l'ouverture RFQ, le linac RFQ n'accélère que les ions avec un rapport charge/masse (Q/A) proche de 7Li3+.
Sur la fig.La figure 4 montre les formes d'onde détectées par le transformateur de courant (CT) à la sortie du linac RFQ et de la coupelle de Faraday (FC) après analyse de l'aimant, comme le montre la fig.2. Le décalage temporel entre les signaux peut être interprété comme la différence du temps de vol à l'emplacement du détecteur.Le courant ionique de pointe mesuré au CT était de 43 mA.En position RT, le faisceau enregistré peut contenir non seulement des ions accélérés à l'énergie calculée, mais également des ions autres que 7Li3+, qui ne sont pas suffisamment accélérés.Cependant, la similitude des formes de courant ionique trouvées au moyen de QD et PC indique que le courant ionique est principalement constitué de 7Li3+ accéléré, et que la diminution de la valeur maximale du courant sur PC est causée par les pertes de faisceau lors du transfert d'ions entre QD et PC. PC.Pertes Ceci est également confirmé par la simulation d'enveloppe.Pour mesurer avec précision le courant du faisceau 7Li3+, le faisceau est analysé avec un aimant dipolaire comme décrit dans la section suivante.
Oscillogrammes du faisceau accéléré enregistrés dans les positions du détecteur CT (courbe noire) et FC (courbe rouge).Ces mesures sont déclenchées par la détection du rayonnement laser par un photodétecteur lors de la génération du plasma laser.La courbe noire montre la forme d'onde mesurée sur un TC connecté à la sortie du linac RFQ.En raison de sa proximité avec le linac RFQ, le détecteur capte un bruit RF de 100 MHz. Un filtre FFT passe-bas de 98 MHz a donc été appliqué pour supprimer le signal RF résonant de 100 MHz superposé au signal de détection.La courbe rouge montre la forme d'onde à FC après que l'aimant analytique dirige le faisceau d'ions 7Li3+.Dans ce champ magnétique, outre 7Li3+, N6+ et O7+ peuvent être transportés.
Le faisceau d'ions après le linac RFQ est focalisé par une série de trois aimants de focalisation quadripolaires, puis analysé par des aimants dipolaires pour isoler les impuretés dans le faisceau d'ions.Un champ magnétique de 0,268 T dirige les faisceaux 7Li3+ vers le FC.La forme d'onde de détection de ce champ magnétique est représentée par la courbe rouge sur la figure 4. Le courant de crête du faisceau atteint 35 mA, ce qui est plus de 100 fois supérieur à celui d'un faisceau Li3+ typique produit dans les accélérateurs électrostatiques conventionnels existants.La largeur d'impulsion du faisceau est de 2,0 µs sur toute la largeur à mi-hauteur.La détection d'un faisceau 7Li3+ avec un champ magnétique dipolaire indique un regroupement et une accélération du faisceau réussis.Le courant du faisceau ionique détecté par FC lors du balayage du champ magnétique du dipôle est illustré à la figure 5. Un pic unique et propre a été observé, bien séparé des autres pics.Étant donné que tous les ions accélérés jusqu'à l'énergie nominale par le linac RFQ ont la même vitesse, les faisceaux d'ions ayant le même Q/A sont difficiles à séparer par des champs magnétiques dipolaires.Par conséquent, nous ne pouvons pas distinguer 7Li3+ de N6+ ou O7+.Cependant, la quantité d'impuretés peut être estimée à partir des états de charge voisins.Par exemple, N7+ et N5+ peuvent être facilement séparés, tandis que N6+ peut faire partie de l’impureté et devrait être présent à peu près dans la même quantité que N7+ et N5+.Le niveau de pollution estimé est d'environ 2 %.
Spectres de composants de faisceau obtenus en balayant un champ magnétique dipolaire.Le pic à 0,268 T correspond à 7Li3+ et N6+.La largeur du pic dépend de la taille du faisceau sur la fente.Malgré de larges pics, 7Li3+ se sépare bien de 6Li3+, O6+ et N5+, mais se sépare mal de O7+ et N6+.
À l'emplacement du FC, le profil du faisceau a été confirmé avec un scintillateur enfichable et enregistré avec un appareil photo numérique rapide, comme le montre la figure 6. Le faisceau pulsé 7Li3+ avec un courant de 35 mA est accéléré jusqu'à un RFQ calculé. énergie de 204 keV/n, ce qui correspond à 1,4 MeV , et transmise au détecteur FC.
Profil de faisceau observé sur un écran scintillateur pré-FC (coloré par Fidji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/).Le champ magnétique de l’aimant dipolaire analytique a été réglé pour diriger l’accélération du faisceau d’ions Li3+ vers l’énergie de conception RFQ.Les points bleus dans la zone verte sont dus à un matériau scintillateur défectueux.
Nous avons réussi à générer des ions 7Li3+ par ablation laser de la surface d'une feuille de lithium solide, et un faisceau d'ions à courant élevé a été capturé et accéléré avec un linac RFQ spécialement conçu utilisant DPIS.À une énergie de faisceau de 1,4 MeV, le courant de crête de 7Li3+ atteint sur le FC après analyse de l'aimant était de 35 mA.Cela confirme que la partie la plus importante de la mise en œuvre d’une source de neutrons à cinématique inverse a été mise en œuvre expérimentalement.Dans cette partie de l'article, la conception complète d'une source de neutrons compacte sera discutée, y compris les accélérateurs à haute énergie et les stations cibles de neutrons.La conception est basée sur les résultats obtenus avec les systèmes existants dans notre laboratoire.Il convient de noter que le courant de crête du faisceau d'ions peut être encore augmenté en raccourcissant la distance entre la feuille de lithium et le linac RFQ.Riz.La figure 7 illustre l'ensemble du concept de la source de neutrons compacte proposée à l'accélérateur.
Conception conceptuelle de la source de neutrons compacte proposée à l'accélérateur (dessinée par Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/).De droite à gauche : source d'ions laser, aimant solénoïde, linac RFQ, transfert de faisceau de moyenne énergie (MEBT), linac IH et chambre d'interaction pour la génération de neutrons.La radioprotection est assurée principalement dans le sens direct en raison de la nature étroitement dirigée des faisceaux de neutrons produits.
Après le linac RFQ, une nouvelle accélération du linac inter-digital à structure H (linac IH)30 est prévue.Les linacs IH utilisent une structure de tube dérivé en mode π pour fournir des gradients de champ électrique élevés sur une certaine plage de vitesses.L'étude conceptuelle a été réalisée sur la base d'une simulation de dynamique longitudinale 1D et d'une simulation de coque 3D.Les calculs montrent qu'un linac IH de 100 MHz avec une tension de tube de dérive raisonnable (inférieure à 450 kV) et un puissant aimant de focalisation peut accélérer un faisceau de 40 mA de 1,4 à 14 MeV à une distance de 1,8 m.La distribution d'énergie à la fin de la chaîne accélératrice est estimée à ± 0,4 MeV, ce qui n'affecte pas de manière significative le spectre énergétique des neutrons produits par la cible de conversion neutronique.De plus, l'émissivité du faisceau est suffisamment faible pour focaliser le faisceau sur un point de faisceau plus petit que celui qui serait normalement requis pour un aimant quadripolaire de force et de taille moyenne.Dans la transmission de faisceaux d'énergie moyenne (MEBT) entre le linac RFQ et le linac IH, le résonateur de formation de faisceau est utilisé pour maintenir la structure de formation de faisceau.Trois aimants quadripolaires sont utilisés pour contrôler la taille du faisceau latéral.Cette stratégie de conception a été utilisée dans de nombreux accélérateurs31,32,33.La longueur totale de l'ensemble du système, depuis la source d'ions jusqu'à la chambre cible, est estimée à moins de 8 m, ce qui peut tenir dans un camion semi-remorque standard.
La cible de conversion neutronique sera installée directement après l'accélérateur linéaire.Nous discutons des conceptions de stations cibles basées sur des études antérieures utilisant des scénarios cinématiques inverses23.Les cibles de conversion signalées incluent les matériaux solides (polypropylène (C3H6) et hydrure de titane (TiH2)) et les systèmes cibles gazeux.Chaque objectif présente des avantages et des inconvénients.Des cibles solides permettent un contrôle précis de l’épaisseur.Plus la cible est fine, plus la disposition spatiale de la production de neutrons est précise.Cependant, ces cibles peuvent toujours présenter un certain degré de réactions nucléaires et de rayonnements indésirables.D’un autre côté, une cible à hydrogène peut fournir un environnement plus propre en éliminant la production de 7Be, le principal produit de la réaction nucléaire.Cependant, l’hydrogène a une faible capacité de barrière et nécessite une grande distance physique pour libérer une énergie suffisante.Ceci est légèrement désavantageux pour les mesures TOF.De plus, si un film mince est utilisé pour sceller une cible d’hydrogène, il faut prendre en compte les pertes d’énergie des rayons gamma générés par le film mince et le faisceau de lithium incident.
LICORNE utilise des cibles en polypropylène et le système de cibles a été mis à niveau vers des cellules à hydrogène scellées avec une feuille de tantale.En supposant un courant de faisceau de 100 nA pour 7Li34, les deux systèmes cibles peuvent produire jusqu'à 107 n/s/sr.Si nous appliquons cette conversion de rendement en neutrons revendiquée à notre source de neutrons proposée, alors un faisceau alimenté au lithium de 7 × 10–8 C peut être obtenu pour chaque impulsion laser.Cela signifie que le tir du laser seulement deux fois par seconde produit 40 % de neutrons en plus que ce que LICORNE peut produire en une seconde avec un faisceau continu.Le flux total peut être facilement augmenté en augmentant la fréquence d'excitation du laser.Si nous supposons qu’il existe un système laser de 1 kHz sur le marché, le flux de neutrons moyen peut facilement être augmenté jusqu’à environ 7 × 109 n/s/sr.
Lorsque nous utilisons des systèmes à taux de répétition élevé avec des cibles en plastique, il est nécessaire de contrôler la génération de chaleur sur les cibles car, par exemple, le polypropylène a un faible point de fusion de 145 à 175 °C et une faible conductivité thermique de 0,1 à 0,22 W/ m/K.Pour un faisceau lithium-ion de 14 MeV, une cible en polypropylène de 7 µm d'épaisseur suffit à réduire l'énergie du faisceau jusqu'au seuil de réaction (13,098 MeV).En tenant compte de l'effet total des ions générés par un tir laser sur la cible, la libération d'énergie des ions lithium à travers le polypropylène est estimée à 64 mJ/impulsion.En supposant que toute l'énergie est transférée dans un cercle de diamètre 10 mm, chaque impulsion correspond à une élévation de température d'environ 18 K/impulsion.La libération d'énergie sur les cibles en polypropylène repose sur l'hypothèse simple que toutes les pertes d'énergie sont stockées sous forme de chaleur, sans rayonnement ni autres pertes de chaleur.Étant donné que l’augmentation du nombre d’impulsions par seconde nécessite l’élimination de l’accumulation de chaleur, nous pouvons utiliser des cibles en bande pour éviter la libération d’énergie au même point23.En supposant un faisceau de 10 mm sur une cible avec un taux de répétition laser de 100 Hz, la vitesse de balayage du ruban en polypropylène serait de 1 m/s.Des taux de répétition plus élevés sont possibles si le chevauchement des spots du faisceau est autorisé.
Nous avons également étudié des cibles équipées de batteries à hydrogène, car des faisceaux de transmission plus puissants pouvaient être utilisés sans endommager la cible.Le faisceau de neutrons peut être facilement réglé en modifiant la longueur de la chambre à gaz et la pression de l'hydrogène à l'intérieur.De fines feuilles métalliques sont souvent utilisées dans les accélérateurs pour séparer la région gazeuse de la cible du vide.Il est donc nécessaire d’augmenter l’énergie du faisceau lithium-ion incident afin de compenser les pertes d’énergie sur la feuille.L'ensemble cible décrit dans le rapport 35 était constitué d'un conteneur en aluminium de 3,5 cm de long avec une pression de gaz H2 de 1,5 atm.Le faisceau lithium-ion de 16,75 MeV pénètre dans la batterie à travers la feuille de Ta de 2,7 µm refroidie par air, et l'énergie du faisceau lithium-ion à l'extrémité de la batterie est décélérée jusqu'au seuil de réaction.Pour augmenter l'énergie du faisceau des batteries lithium-ion de 14,0 MeV à 16,75 MeV, le linac IH a dû être allongé d'environ 30 cm.
L'émission de neutrons provenant des cibles de cellules à gaz a également été étudiée.Pour les cibles gazeuses LICORNE susmentionnées, les simulations GEANT436 montrent que des neutrons hautement orientés sont générés à l'intérieur du cône, comme le montre la figure 1 de [37].La référence 35 montre la plage d'énergie de 0,7 à 3,0 MeV avec une ouverture maximale du cône de 19,5° par rapport à la direction de propagation du faisceau principal.Les neutrons hautement orientés peuvent réduire considérablement la quantité de matériau de protection dans la plupart des angles, réduisant ainsi le poids de la structure et offrant une plus grande flexibilité dans l'installation des équipements de mesure.Du point de vue de la radioprotection, outre les neutrons, cette cible gazeuse émet des rayons gamma de 478 keV de manière isotrope dans le repère centroïde38.Ces rayons y sont produits à la suite de la désintégration du 7Be et de la désexcitation du 7Li, qui se produisent lorsque le faisceau primaire de Li atteint la fenêtre d'entrée Ta.Cependant, en ajoutant un collimateur cylindrique épais de 35 Pb/Cu, le bruit de fond peut être considérablement réduit.
Comme cible alternative, on peut utiliser une fenêtre plasma [39, 40], qui permet d'atteindre une pression d'hydrogène relativement élevée et une petite zone spatiale de génération de neutrons, bien qu'elle soit inférieure aux cibles solides.
Nous étudions les options de ciblage de la conversion neutronique pour la distribution d'énergie attendue et la taille du faisceau d'ions lithium à l'aide de GEANT4.Nos simulations montrent une distribution cohérente de l'énergie des neutrons et des distributions angulaires pour les cibles à hydrogène dans la littérature ci-dessus.Dans n’importe quel système cible, des neutrons hautement orientés peuvent être produits par une réaction cinématique inverse entraînée par un puissant faisceau de 7Li3+ sur une cible riche en hydrogène.De nouvelles sources de neutrons peuvent donc être mises en œuvre en combinant des technologies déjà existantes.
Les conditions d'irradiation laser reproduisaient les expériences de génération de faisceaux d'ions précédant la démonstration accélérée.Le laser est un système Nd:YAG nanoseconde de bureau avec une densité de puissance laser de 1 012 W/cm2, une longueur d'onde fondamentale de 1 064 nm, une énergie ponctuelle de 800 mJ et une durée d'impulsion de 6 ns.Le diamètre du spot sur la cible est estimé à 100 µm.Le lithium métal (Alfa Aesar, pur à 99,9 %) étant assez mou, le matériau découpé avec précision est pressé dans le moule.Dimensions de la feuille 25 mm × 25 mm, épaisseur 0,6 mm.Des dommages semblables à ceux d'un cratère se produisent à la surface de la cible lorsqu'un laser la frappe. La cible est donc déplacée par une plate-forme motorisée pour fournir une nouvelle partie de la surface de la cible à chaque tir laser.Pour éviter la recombinaison due aux gaz résiduels, la pression dans la chambre a été maintenue en dessous de la plage de 10-4 Pa.
Le volume initial du plasma laser est faible, puisque la taille du spot laser est de 100 µm et dans les 6 ns suivant sa génération.Le volume peut être pris comme un point exact et étendu.Si le détecteur est placé à une distance xm de la surface cible, alors le signal reçu obéit à la relation : courant ionique I, temps d'arrivée des ions t et largeur d'impulsion τ.
Le plasma généré a été étudié par la méthode TOF avec FC et un analyseur d'ions énergétiques (EIA) situé à une distance de 2,4 m et 3,85 m de la cible laser.Le FC possède une grille suppresseur polarisée de -5 kV pour empêcher les électrons.L'EIA possède un déflecteur électrostatique à 90 degrés composé de deux électrodes cylindriques métalliques coaxiales de même tension mais de polarité opposée, positive à l'extérieur et négative à l'intérieur.Le plasma en expansion est dirigé vers le déflecteur derrière la fente et dévié par le champ électrique traversant le cylindre.Les ions satisfaisant la relation E/z = eKU sont détectés à l'aide d'un multiplicateur d'électrons secondaires (SEM) (Hamamatsu R2362), où E, z, e, K et U sont l'énergie des ions, l'état de charge et la charge sont des facteurs géométriques EIA. .respectivement les électrons et la différence de potentiel entre les électrodes.En modifiant la tension aux bornes du déflecteur, on peut obtenir la répartition de l'énergie et de la charge des ions dans le plasma.La tension de balayage U/2 EIA est comprise entre 0,2 V et 800 V, ce qui correspond à une énergie ionique comprise entre 4 eV et 16 keV par état de charge.
Les distributions de l'état de charge des ions analysés dans les conditions d'irradiation laser décrites dans la section « Génération de faisceaux de lithium entièrement dénudés » sont représentées sur les figures.8.
Analyse de la répartition de l'état de charge des ions.Voici le profil temporel de densité de courant ionique analysé avec EIA et mis à l'échelle à 1 m de la feuille de lithium à l'aide de l'équation.(1) et (2).Utilisez les conditions d’irradiation laser décrites dans la section « Génération d’un faisceau de lithium complètement exfolié ».En intégrant chaque densité de courant, la proportion d'ions dans le plasma a été calculée, comme le montre la figure 3.
Les sources d’ions laser peuvent fournir un faisceau ionique intense de plusieurs mA avec une charge élevée.Cependant, la délivrance du faisceau est très difficile en raison de la répulsion des charges d’espace, elle n’a donc pas été largement utilisée.Dans le schéma traditionnel, les faisceaux d'ions sont extraits du plasma et transportés vers l'accélérateur primaire le long d'une ligne de faisceau dotée de plusieurs aimants de focalisation pour façonner le faisceau d'ions en fonction de la capacité de capture de l'accélérateur.Dans les faisceaux de force de charge spatiale, les faisceaux divergent de manière non linéaire et de graves pertes de faisceau sont observées, en particulier dans la région des faibles vitesses.Pour surmonter ce problème lors du développement d’accélérateurs médicaux au carbone, un nouveau schéma de délivrance de faisceau DPIS41 est proposé.Nous avons appliqué cette technique pour accélérer un puissant faisceau lithium-ion provenant d’une nouvelle source de neutrons.
Comme le montre la fig.4, l'espace dans lequel le plasma est généré et détendu est entouré d'un conteneur métallique.L'espace clos s'étend jusqu'à l'entrée du résonateur RFQ, y compris le volume à l'intérieur de la bobine solénoïde.Une tension de 52 kV a été appliquée au conteneur.Dans le résonateur RFQ, les ions sont attirés par le potentiel à travers un trou de 6 mm de diamètre en mettant le RFQ à la terre.Les forces répulsives non linéaires sur la ligne de faisceau sont éliminées lorsque les ions sont transportés à l’état plasma.De plus, comme mentionné ci-dessus, nous avons appliqué un champ solénoïde en combinaison avec DPIS pour contrôler et augmenter la densité des ions dans l’ouverture d’extraction.
L'accélérateur RFQ est constitué d'une chambre à vide cylindrique comme le montre la fig.9a.À l’intérieur, quatre tiges de cuivre sans oxygène sont placées symétriquement quadripolaire autour de l’axe du faisceau (Fig. 9b).4 tiges et chambres forment un circuit RF résonant.Le champ RF induit crée une tension variable dans le temps aux bornes de la tige.Les ions implantés longitudinalement autour de l'axe sont retenus latéralement par le champ quadripolaire.Dans le même temps, la pointe de la tige est modulée pour créer un champ électrique axial.Le champ axial divise le faisceau continu injecté en une série d'impulsions de faisceau appelée faisceau.Chaque faisceau est contenu dans un certain temps de cycle RF (10 ns).Les faisceaux adjacents sont espacés en fonction de la période radiofréquence.Dans le linac RFQ, un faisceau de 2 µs provenant d'une source d'ions laser est converti en une séquence de 200 faisceaux.Le faisceau est ensuite accéléré jusqu'à l'énergie calculée.
Appel d'offres pour accélérateur linéaire.(a) (à gauche) Vue externe de la chambre du linac RFQ.(b) (à droite) Électrode à quatre tiges dans la chambre.
Les principaux paramètres de conception du linac RFQ sont la tension de la tige, la fréquence de résonance, le rayon du trou du faisceau et la modulation des électrodes.Sélectionnez la tension sur la tige ± 29 kV pour que son champ électrique soit inférieur au seuil de claquage électrique.Plus la fréquence de résonance est basse, plus la force de focalisation latérale est grande et plus le champ d'accélération moyen est petit.Les grands rayons d'ouverture permettent d'augmenter la taille du faisceau et, par conséquent, d'augmenter le courant du faisceau en raison de la répulsion plus faible des charges d'espace.D’un autre côté, des rayons d’ouverture plus grands nécessitent plus de puissance RF pour alimenter le linac RFQ.De plus, elle est limitée par les exigences de qualité du site.Sur la base de ces équilibres, la fréquence de résonance (100 MHz) et le rayon d'ouverture (4,5 mm) ont été choisis pour l'accélération du faisceau à courant élevé.La modulation est choisie pour minimiser la perte de faisceau et maximiser l'efficacité de l'accélération.La conception a été optimisée à plusieurs reprises pour produire une conception de linac RFQ capable d'accélérer les ions 7Li3+ à 40 mA de 22 keV/n à 204 keV/n en moins de 2 m.La puissance RF mesurée au cours de l'expérience était de 77 kW.
Les linacs RFQ peuvent accélérer les ions avec une plage Q/A spécifique.Par conséquent, lors de l’analyse d’un faisceau envoyé à l’extrémité d’un accélérateur linéaire, il est nécessaire de prendre en compte les isotopes et autres substances.De plus, les ions souhaités, partiellement accélérés, mais descendus dans des conditions d'accélération au milieu de l'accélérateur, peuvent encore rencontrer un confinement latéral et être transportés jusqu'au bout.Les rayons indésirables autres que les particules artificielles 7Li3+ sont appelés impuretés.Dans nos expériences, les impuretés 14N6+ et 16O7+ étaient les plus préoccupantes, car la feuille métallique de lithium réagit avec l'oxygène et l'azote de l'air.Ces ions ont un rapport Q/A qui peut être accéléré avec 7Li3+.Nous utilisons des aimants dipolaires pour séparer des faisceaux de qualité et de qualité différentes pour l'analyse des faisceaux après le linac RFQ.
La ligne de faisceau après le linac RFQ est conçue pour fournir le faisceau 7Li3+ entièrement accéléré au FC après l'aimant dipolaire.Des électrodes de polarisation de -400 V sont utilisées pour supprimer les électrons secondaires dans la coupelle afin de mesurer avec précision le courant du faisceau ionique.Avec cette optique, les trajectoires des ions sont séparées en dipôles et focalisées à différents endroits en fonction du Q/A.En raison de divers facteurs tels que la diffusion de l'impulsion et la répulsion des charges d'espace, le faisceau au foyer a une certaine largeur.Les espèces ne peuvent être séparées que si la distance entre les positions focales des deux espèces ioniques est supérieure à la largeur du faisceau.Pour obtenir la résolution la plus élevée possible, une fente horizontale est installée près de la taille du faisceau, là où le faisceau est pratiquement concentré.Un écran à scintillation (CsI(Tl) de Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) a été installé entre la fente et le PC.Le scintillateur a été utilisé pour déterminer la plus petite fente que les particules conçues devaient traverser pour une résolution optimale et pour démontrer des tailles de faisceau acceptables pour les faisceaux d'ions lourds à courant élevé.L'image du faisceau sur le scintillateur est enregistrée par une caméra CCD à travers une fenêtre sous vide.Ajustez la fenêtre de temps d’exposition pour couvrir toute la largeur d’impulsion du faisceau.
Les ensembles de données utilisés ou analysés dans la présente étude sont disponibles auprès des auteurs respectifs sur demande raisonnable.
Manke, I. et al.Imagerie tridimensionnelle des domaines magnétiques.Commune nationale.1, 125. https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010).
Anderson, IS et al.Possibilités d'étudier des sources de neutrons compactes dans les accélérateurs.la physique.Rep.654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016).
Urchuoli, A. et al.Microtomographie calculée à base de neutrons : Pliobates cataloniae et Barberapithecus huerzeleri comme cas de test.Oui.J. Physique.anthropologie.166, 987-993.https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018).