Demonstration eines intensiven Lithiumstrahls für vorwärts

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14016 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Als Alternative zu Forschungskernreaktoren könnte ein kompakter beschleunigerbetriebener Neutronengenerator mit einem Lithium-Strahltreiber ein vielversprechender Kandidat sein, da er nahezu keine unerwünschte Strahlung erzeugt. Die Bereitstellung eines intensiven Lithium-Ionen-Strahls war jedoch schwierig, und es wurde angenommen, dass die praktische Anwendung eines solchen Geräts unmöglich wäre. Das kritischste Problem unzureichender Ionenflüsse wurde durch die Anwendung eines direkten Plasmainjektionsschemas gelöst. In diesem Schema wird ein gepulstes hochdichtes Plasma aus einer metallischen Lithiumfolie, das durch Laserablation erzeugt wird, effizient injiziert und durch einen Hochfrequenz-Quadrupol-Linearbeschleuniger (RFQ-Linearbeschleuniger) beschleunigt. Wir haben einen Spitzenstrahlstrom von 35 mA erreicht, beschleunigt auf 1,43 MeV, was zwei Größenordnungen höher ist, als ein herkömmliches Injektor- und Beschleunigersystem liefern kann.

Neutronen haben im Gegensatz zu Röntgenstrahlen oder geladenen Teilchen eine hohe Eindringtiefe und einzigartige Wechselwirkungen mit kondensierter Materie, was sie zu äußerst vielseitigen Sonden für die Untersuchung der Eigenschaften von Materialien macht1,2,3,4,5,6,7. Insbesondere Neutronenstreutechniken werden häufig zur Untersuchung der Zusammensetzung, Struktur und inneren Spannung kondensierter Materie eingesetzt und können detaillierte Informationen über Nebenverbindungen in Metalllegierungen liefern, die mit Röntgenspektroskopie nur schwer nachzuweisen sind8. Diese Technik gilt als leistungsstarkes Werkzeug in der Grundlagenforschung und wird von Metall- und anderen Materialherstellern übernommen. In jüngerer Zeit wird Neutronenbeugung eingesetzt, um Eigenspannungen in mechanischen Komponenten wie Schienen und Flugzeugteilen zu erkennen9,10,11,12. Neutronen werden auch in Bohrlöchern zur Suche nach Öl und Gas eingesetzt, da sie in protonenreichen Materialien leicht eingefangen werden können13. Ähnliche Techniken werden auch im Tiefbau eingesetzt. Die zerstörungsfreie Neutronenprüfung ist ein wirksames Werkzeug zur Erkennung versteckter Fehler in Gebäuden, Tunneln und Brücken. Die Anwendungen von Neutronenstrahlen werden sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Industrie aktiv genutzt, und viele dieser Technologien wurden in der Vergangenheit mithilfe von Kernreaktoren entwickelt.

Allerdings wird der Bau von Kleinreaktoren für Forschungszwecke aufgrund des weltweiten Konsenses zur nuklearen Nichtverbreitung immer schwieriger. Darüber hinaus hat der jüngste Atomunfall von Fukushima den Bau von Kernreaktoren gesellschaftlich nahezu inakzeptabel gemacht. Mit diesem Trend steigt die Nachfrage nach beschleunigerbetriebenen Neutronenquellen2. Als Alternative zu Kernreaktoren sind bereits mehrere große beschleunigerbetriebene Spallations-Neutronenquellenanlagen in Betrieb14,15. Um jedoch die Eigenschaften des Neutronenstrahls effektiver nutzen zu können, ist es wichtig, den Einsatz kompakter beschleunigerbetriebener Quellen zu fördern, die im Besitz industrieller und universitärer Forschungseinrichtungen sein können16. Eine beschleunigerbetriebene Neutronenquelle bietet neue Funktionen und Merkmale und dient nicht nur als Ersatz für einen Kernreaktor14. Beispielsweise kann ein von einem Linearbeschleuniger angetriebener Generator den Neutronenfluss einfach pulsieren, indem er den Treiberstrahl manipuliert. Einmal emittierte Neutronen sind schwer zu kontrollieren, und Strahlungsmessungen sind aufgrund des durch Hintergrundneutronen verursachten Rauschens schwer zu analysieren. Beschleunigergetriebene gepulste Neutronen können dieses Problem vermeiden. Einige Projekte, die auf Protonenbeschleunigertechnologie basieren, wurden weltweit vorgeschlagen17,18,19. Die beliebtesten Reaktionen, die in einem protonengetriebenen kompakten Neutronengenerator verwendet werden, sind 7Li(p, n)7Be und 9Be(p, n)9B, da es sich um endotherme Reaktionen handelt20. Wird die Energie des Treiber-Protonenstrahls knapp über dem Schwellenwert gewählt, können übermäßige Strahlung und radioaktive Abfälle minimiert werden. Allerdings ist die Masse des Zielkerns viel schwerer als die des Protons und die erzeugten Neutronen werden in alle Richtungen gestreut. Diese nahezu isotrope Emission des Neutronenflusses verhindert einen effizienten Transport von Neutronen zum Untersuchungsobjekt. Um die erforderliche Neutronendosis an der Objektposition zu erzeugen, müssen außerdem sowohl die Anzahl der Treiberprotonen als auch deren Energie stark erhöht werden. Dadurch wird eine hohe Dosis an γ-Strahlen und Neutronen in großen Winkeln verteilt und macht die Vorteile der endothermen Reaktionen zunichte. Ein typischer kompakter, beschleunigerbetriebener Neutronengenerator auf Protonenbasis verfügt über eine starke Abschirmung zum Strahlenschutz und ist der massivste Teil des Systems. Die Notwendigkeit, die Protonenenergie des Treibers zu erhöhen, erfordert in der Regel eine zusätzliche Vergrößerung der Beschleunigungsanlage.

Um den allgemeinen Nachteil herkömmlicher beschleunigerbetriebener kompakter Neutronenquellen zu überwinden, wurde ein inverses kinematisches Reaktionsschema vorgeschlagen21. Bei diesem Schema wird anstelle des Protonenstrahls ein schwererer Lithium-Ionen-Strahl als Treiberstrahl verwendet, und das Ziel ist ein wasserstoffreiches Material wie Kohlenwasserstoffkunststoffe, Hydride, Wasserstoffgas oder Wasserstoffplasma. Eine Alternative wie ein Beryllium-Ionen-Treiberstrahl wurde in Betracht gezogen; Beryllium ist jedoch ein giftiges Material und erfordert besondere Aufmerksamkeit bei der Handhabung. Daher ist Lithium der am besten geeignete Strahl für das inverse kinematische Reaktionsschema. Da der Impuls eines Lithiumkerns größer ist als der eines Protons, bewegt sich der Schwerpunkt des Kernstoßes immer weiter nach vorne und die Neutronen werden ebenfalls in Vorwärtsrichtung emittiert. Durch diese Funktion werden unerwünschte γ-Strahlen und Neutronenemissionen bei großen Winkeln weitgehend eliminiert22. Der Vergleich des herkömmlichen Protonentreiberfalls und des inversen kinematischen Szenarios ist in Abb. 1 dargestellt.

Illustration des Neutronenproduktionswinkels für Protonen- und Lithium-Treiberstrahl (gezeichnet mit Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html). (a) Neutronen können durch diese Reaktion in jede Richtung ausgestoßen werden, da das Treiberproton auf ein viel schwereres Lithium-Zielatom trifft. (b) Wenn umgekehrt ein Lithium-Ionen-Antrieb ein wasserstoffreiches Ziel bombardiert, werden aufgrund der großen Schwerpunktsgeschwindigkeit des Systems Neutronen in einem schmalen Kegel in Vorwärtsrichtung erzeugt.

Da es jedoch im Vergleich zu Protonen schwierig war, den notwendigen Fluss schwerer Ionen mit hohem Ladungszustand zu erzeugen, existierten nur wenige Neutronengeneratoren mit dem inversen kinematischen Aufbau23,24,25. Alle diese Einrichtungen nutzen negativ sputternde Ionenquellen in Kombination mit elektrostatischen Tandembeschleunigern. Es gibt Vorschläge, andere Arten von Ionenquellen zu verwenden, um die Effizienz der Strahlbeschleunigung zu erhöhen26. In jedem Fall ist der verfügbare Lithium-Ionen-Strahlstrom auf nur 100 μA begrenzt. Es gibt einen Vorschlag, 1 mA Li3+27 zu verwenden, aber dieser Ionenstrahlstrom mit dieser Methode wurde noch nicht bestätigt. Bezüglich der Intensität konnten Lithiumstrahl-betriebene Beschleuniger nicht mit Protonenstrahl-betriebenen Beschleunigern mithalten, die Spitzenprotonenströme von mehr als 10 mA erzeugen können28.

Um einen praktischen kompakten Neutronengenerator auf Basis eines Lithiumstrahls zu realisieren, ist es günstig, vollständig gestrippte Ionen mit hoher Intensität zu erzeugen. Ionen werden durch elektromagnetische Kraft beschleunigt und geführt, und der höhere Ladungszustand trägt zu einer effizienteren Beschleunigung bei. Der Lithium-Ionen-Strahltreiber benötigt mehr als 10 mA Li3+-Spitzenstrom.

In dieser Arbeit demonstrieren wir die Li3+-Strahlbeschleunigung mit einem Spitzenstrom von bis zu 35 mA, vergleichbar mit einem fortschrittlichen Protonenbeschleuniger. Der ursprüngliche Lithiumionenstrahl wurde durch Laserablation erzeugt und ein direktes Plasmainjektionsschema (DPIS) angewendet, das ursprünglich für die C6+-Beschleunigung entwickelt wurde. Ein speziell entwickelter Hochfrequenz-Quadrupol-Linearbeschleuniger (RFQ-Linac) wurde unter Verwendung einer Vierstab-Resonanzstruktur29 hergestellt. Wir haben bestätigt, dass der beschleunigte Strahl die vorgesehene Strahlenergie mit hoher Reinheit aufwies. Sobald der Li3+-Strahl von einem Hochfrequenzbeschleuniger (RF) effizient eingefangen und beschleunigt wird, kann ein anschließender Linearbeschleunigerabschnitt (Linac) verwendet werden, um die gewünschte Energie bereitzustellen, um einen intensiven Neutronenfluss vom Ziel zu erzeugen.

Die Beschleunigung von Hochflussionen ist eine bereits gut etablierte Technik. Die verbleibenden Aufgaben zur Realisierung des effizienten neuartigen kompakten Neutronengenerators sind die Erzeugung einer großen Anzahl vollständig gestrippter Lithiumionen und die Bildung einer Bündelstruktur, bestehend aus einer Folge von Ionenpulsen, die mit der HF-Periode im Beschleuniger synchronisiert sind. Die Ergebnisse von Experimenten zur Erreichung dieses Ziels werden in den folgenden drei Unterabschnitten beschrieben: (1) die Erzeugung des vollständig gestrippten Lithium-Ionen-Strahls, (2) die Beschleunigung des Strahls durch einen speziell entwickelten RFQ-Linearbeschleuniger und (3) die Analyse des beschleunigten Strahls zur Überprüfung seines Inhalts. Am Brookhaven National Laboratory (BNL) haben wir den in Abb. 2 gezeigten Versuchsaufbau aufgebaut.

Übersicht über die experimentelle Apparatur, die zur Strahlanalyse der beschleunigten Lithiumstrahlen verwendet wird (illustriert von Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/). Von rechts nach links wird in der Laser-Target-Interaktionskammer ein Laserablationsplasma erzeugt und zum RFQ-Linearbeschleuniger transportiert. Beim Eintritt in den RFQ-Linearbeschleuniger werden die Ionen vom Plasma getrennt und durch ein abruptes elektrisches Feld, das durch eine Spannungsdifferenz von 52 kV zwischen der Driftregion-Extraktionselektrode und den RFQ-Elektroden erzeugt wird, in den RFQ-Linearbeschleuniger injiziert. Die extrahierten Ionen werden von 22 auf 204 keV/n beschleunigt, während sie von den 2 m langen RFQ-Elektroden geleitet werden. Ein am Ausgang des RFQ-Linearbeschleunigers installierter Stromwandler (CT) ermöglicht eine zerstörungsfreie Messung des Ionenstrahlstroms. Der Strahl wird von drei Quadrupolmagneten fokussiert und zu einem Dipolmagneten geleitet, mit dem der Li3+-Strahl ausgewählt und in einen Detektor gebogen wird. Hinter einem Schlitz werden ein einziehbarer Kunststoffszintillator und ein auf -400 V vorgespannter Faraday-Becher (FC) verwendet, um den beschleunigten Strahl zu erfassen.

Um vollständig ionisierte Lithiumionen (Li3+) zu erzeugen, ist es notwendig, ein Plasma mit einer Temperatur über ihrer dritten Ionisierungsenergie, die 122,4 eV beträgt, zu erzeugen. Wir haben versucht, Hochtemperaturplasmen mittels Laserablation zu erzeugen. Diese Art von Laserionenquelle wurde bisher nicht häufig zur Erzeugung von Lithium-Ionen-Strahlen verwendet, da Lithiummetall chemisch aktiv ist und eine besondere Handhabung erfordert. Wir haben ein Zielladesystem entwickelt, um die Kontamination durch Feuchtigkeit und Luft zu minimieren, wenn die Lithiumfolie in die Laserinteraktions-Vakuumkammer eingebaut wird. Die gesamte Materialvorbereitung wurde in einer kontrollierten Umgebung mit trockenem Argongas durchgeführt. Sobald die Lithiumfolie in der Laserzielkammer montiert war, wurde die Folie mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser mit einer Energie von 800 mJ pro Schuss bestrahlt. Die Laserleistungsdichte am Brennpunkt des Ziels wurde auf etwa 1012 W/cm2 geschätzt. Wenn der gepulste Laser das Ziel im Vakuum abträgt, entsteht ein Plasma. Das Plasma wird während der gesamten Dauer von 6 ns des Laserpulses weiter erhitzt, hauptsächlich durch den inversen Bremsstrahlungsprozess. Da während der Erwärmungsphase kein begrenzendes äußeres Feld angelegt wird, beginnt sich das Plasma dreidimensional auszudehnen. Wenn sich das Plasma an der Oberfläche des Targets auszudehnen beginnt, nimmt der Massenschwerpunkt des Plasmas eine Geschwindigkeit senkrecht zur Targetoberfläche mit einer Energie von 600 eV/n an. Nach dem Erhitzen bewegt sich das Plasma weiterhin axial vom Ziel weg, während es sich isotrop ausdehnt.

Wie in Abb. 2 dargestellt, dehnt sich das Ablationsplasma in ein Vakuumvolumen aus, das von einem Metallbehälter umgeben ist, der das gleiche Potenzial wie das Target hat. Daher driftet das Plasma in Richtung des RFQ-Linearbeschleunigers durch einen Bereich ohne elektrisches Feld. Zwischen der Laserbestrahlungskammer und dem RFQ-Linearbeschleuniger wird durch eine um die Vakuumkammer gewickelte Magnetspule ein axiales Magnetfeld angelegt. Das elektromagnetische Magnetfeld unterdrückt die radiale Ausdehnung des driftenden Plasmas, um die hohe Plasmadichte während des Transports zur RFQ-Apertur aufrechtzuerhalten. Andererseits dehnt sich das Plasma während der Drift weiter axial aus und bildet ein längliches Plasma. An den Metallbehälter, der das Plasma umschließt, wird bis zur Extraktionsöffnung am RFQ-Eingang eine Hochspannungsvorspannung angelegt. Die Vorspannung wird so ausgewählt, dass sie die erforderliche 7Li3+-Injektionsgeschwindigkeit für eine ordnungsgemäße Beschleunigung durch den RFQ-Linearbeschleuniger liefert.

Das erzeugte Ablationsplasma enthält nicht nur 7Li3+, sondern auch andere Ladungszustände von Lithium und kontaminierenden Elementen, die gleichzeitig zum RFQ-Linearbeschleuniger transportiert werden. Vor den Beschleunigungsexperimenten mit dem RFQ-Linearbeschleuniger wurde eine Offline-Flugzeitanalyse (TOF) durchgeführt, um die Spezies und Energieverteilungen der Ionen im Plasma zu untersuchen. Der detaillierte Analyseapparat und die beobachtete Ladungszustandsverteilung werden im Abschnitt „Methoden“ erläutert. Die Analyse ergab, dass 7Li3+-Ionen die vorherrschende Spezies waren, die etwa 54 % der Gesamtzahl der Partikel ausmacht, wie in Abb. 3 dargestellt. Basierend auf der Analyse wurde der elektrische Ionenstrom von 7Li3+ am Extraktionspunkt des Ionenstrahls geschätzt 1,87 mA. Während des Beschleunigungstests wurde ein 79-mT-Magnetfeld an das expandierende Plasma angelegt. Dadurch wurde der aus dem Plasma extrahierte und am Detektor beobachtete 7Li3+-Strom um den Faktor dreißig erhöht.

Anteil der Ionen im lasererzeugten Plasma, ermittelt mittels Flugzeitanalyse. Ionen von 7Li1+ und 7Li2+ machen 5 % bzw. 25 % des Strahls aus. Innerhalb des experimentellen Fehlers stimmt der Anteil der nachgewiesenen 6Li-Spezies mit der natürlichen 6Li-Häufigkeit (7,6 %) im Lithiumfolienziel überein. Es wurde eine geringe Menge an Sauerstoffverunreinigungen (6,2 %), hauptsächlich O1+ (2,1 %) und O2+ (1,5 %), beobachtet, die auf eine Oberflächenoxidation des Lithiumfolien-Targets zurückzuführen sein könnten.

Wie bereits erwähnt, wandert das Lithiumplasma in einem Bereich ohne elektrisches Feld, bevor es den RFQ-Linac erreicht. Am Eingang des RFQ-Linearbeschleunigers befindet sich im Metallbehälter eine Öffnung mit einem Durchmesser von 6 mm, die mit 52 kV vorgespannt ist. Die Spannung führt zu einer axialen Beschleunigung, da die Elektroden des RFQ-Beschleunigers im Mittel Nullpotential haben, obwohl die Spannung der RFQ-Elektroden schnell um ± 29 kV bei 100 MHz wechselt. Da in einem Abstand von 10 mm zwischen der Öffnung und dem Rand der RFQ-Elektroden ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird, werden an der Öffnung nur positive Ionen im Plasma aus dem Plasma extrahiert. In einem herkömmlichen Ionentransportsystem werden Ionen durch ein elektrisches Feld in beträchtlicher Entfernung vor einem RFQ-Linearbeschleuniger aus einem Plasma getrennt und dann durch strahlfokussierende Elemente in die RFQ-Apertur fokussiert. Bei intensiven Schwerionenstrahlen, die für intensive Neutronenquellen erforderlich sind, führt jedoch eine nichtlineare Abstoßungskraft aufgrund des Raumladungseffekts zu erheblichen Strahlverlusten im Ionentransportsystem, wodurch der Spitzenstrom begrenzt wird, der beschleunigt werden kann. In unserem DPIS werden hochintensive Ionen als driftendes Plasma direkt zum Extraktionspunkt an der RFQ-Blende transportiert, sodass kein Ionenstrahlverlust aufgrund von Raumladung auftritt. Bei der vorliegenden Demonstration wurde das DPIS erstmals auf einen Lithium-Ionen-Strahl angewendet.

Die RFQ-Strukturen wurden entwickelt, um niederenergetische Hochstrom-Ionenstrahlen zu bündeln und zu beschleunigen, und wurden zum Standard für die erste Beschleunigungsstufe. Wir haben eine RFQ verwendet, um 7Li3+-Ionen von der Injektionsenergie von 22 keV/n auf 204 keV/n zu beschleunigen. Obwohl auch Lithium mit niedrigerem Ladungszustand und andere Spezies im Plasma aus dem Plasma extrahiert und in die RFQ-Öffnung injiziert wurden, konnten durch den RFQ-Linac nur Ionen mit einem Ladungs-zu-Masse-Verhältnis (Q/A) nahe dem von 7Li3+ beschleunigt werden.

Abbildung 4 zeigt die Wellenformen, die von einem Stromtransformator (CT) am Ausgang des RFQ-Linearbeschleunigers und von einem Faraday-Cup (FC) nach dem Analysemagneten erfasst werden, wie in Abb. 2 dargestellt. Die Zeitverschiebung zwischen den Wellenformen kann durch erklärt werden die Differenz der TOF an den Detektorstandorten. Der gemessene Spitzenionenstrom am CT betrug 43 mA. An der CT-Position könnte der detektierte Strahl nicht nur Ionen enthalten, die auf die vorgesehene Energie beschleunigt wurden, sondern auch andere Ionen als 7Li3+, die nicht ausreichend beschleunigt wurden. Die Ähnlichkeit der vom CT und vom FC erfassten Ionenstromwellenformen lässt jedoch darauf schließen, dass der Ionenstrom hauptsächlich aus beschleunigtem 7Li3+ besteht und die Abnahme der Stromspitze am FC durch den Strahlverlust während des Ionentransports zwischen CT und FC verursacht wurde . Der Strahlverlust wurde auch durch eine Hüllkurvensimulation bestätigt. Um den Strahlstrom von 7Li3+ genau zu messen, wurde dieser Strahl mit einem Dipolmagneten analysiert, wie im nächsten Abschnitt erläutert.

Wellenformen des beschleunigten Strahls, aufgezeichnet an den Detektorstandorten CT (schwarze Kurve) und FC (rote Kurve). Diese Messungen wurden durch Laserlicht ausgelöst, das von einem Fotodetektor erfasst wurde, als ein lasererzeugtes Plasma erzeugt wurde. Die schwarze Kurve zeigt eine Wellenform, die am CT gemessen wurde, der am Ausgang des RFQ-Linearbeschleunigers angeschlossen ist. Da dieser Detektor aufgrund der Nähe des Detektors zum RFQ-Linear 100-MHz-HF-Rauschen aufnimmt, wurde ein 98-MHz-Tiefpass-FFT-Filter angewendet, um das dem erkannten Signal auferlegte resonante 100-MHz-HF-Signal zu entfernen. Die rote Kurve zeigt eine Wellenform am FC nach dem Analysemagneten, der den 7Li3+-Ionenstrahl leitet. In diesem Magnetfeld können neben 7Li3+ auch N6+ und O7+ transportiert werden.

Der Ionenstrahl nach dem RFQ-Linearbeschleuniger wurde von einer Reihe von drei Quadrupol-Fokussierungsmagneten fokussiert und dann von einem Dipolmagneten analysiert, um Verunreinigungen im Strahl abzutrennen. Ein Magnetfeld von 0,268 T lenkte den 7Li3+-Strahl zum FC. Die mit diesem Magnetfeld erfasste Wellenform ist in der roten Kurve in Abb. 4 dargestellt. Der Spitzenstrom des Strahls erreichte 35 mA, was mehr als 100-mal höher ist als der eines typischen Li3+-Strahls, der in einem bestehenden herkömmlichen elektrostatischen Beschleuniger erhalten wird. Die Strahlimpulsbreite betrug 2,0 μs bei voller Breite und Halbwertsbreite. Die Detektion des 7Li3+-Strahls mit dem Dipol-Magnetfeld zeigt den Erfolg der Bündelung und die Beschleunigung des Strahls an. Der vom FC beim Abtasten des Dipolmagnetfelds erfasste Ionenstrahlstrom ist in Abb. 5 dargestellt. Es wurde ein sauberer einzelner Peak beobachtet, der gut von den anderen Peaks getrennt ist. Da alle vom RFQ-Linearbeschleuniger auf die vorgesehene Energie beschleunigten Ionen die gleiche Geschwindigkeit haben, ist es schwierig, Strahlen mit ähnlichem Q/A durch ein Dipol-Magnetfeld zu trennen. Daher konnten wir 7Li3+ nicht von N6+ oder O7+ unterscheiden. Die Menge an Verunreinigungen kann jedoch aus benachbarten Ladungszuständen abgeschätzt werden. Beispielsweise können N7+ und N5+ leicht getrennt werden, und N6+, das Teil der Verunreinigung sein kann, dürfte in etwa der gleichen Menge sein wie N7+ und N5+. Die Kontaminationsmenge wurde auf etwa 2 % geschätzt.

Spektrum der Strahlbestandteile, das durch Scannen des Dipolmagnetfelds erhalten wird. Der Peak bei 0,268 T entspricht 7Li3+ und N6+. Die Breite des Peaks hängt von der Strahlgröße am Spalt ab. Trotz der Peakbreite ist 7Li3+ gut von 6Li3+, O6+ und N5+ getrennt, nicht jedoch von O7+ und N6+.

An der Position des FC wurde das Strahlprofil mit einem einsetzbaren Szintillator bestätigt und mit einer schnellen Digitalkamera aufgezeichnet, wie in Abb. 6 dargestellt. Das Ergebnis zeigte, dass 35 mA gepulster 7Li3+-Strahl auf die RFQ-Designenergie von 204 keV beschleunigt wurde /n, was 1,4 MeV entspricht, und bis zum FC-Detektor transportiert.

Strahlprofil, beobachtet auf einem Szintillatorschirm vor dem FC (gefärbt von Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/). Das Magnetfeld des analysierenden Dipolmagneten wurde so eingestellt, dass der Li3+-Ionenstrahl auf die RFQ-Entwurfsenergie beschleunigt wird. Der blaue Fleck im grünen Bereich ist auf ein defektes Szintillatormaterial zurückzuführen.

Wir erreichten die Produktion von 7Li3+-Ionen durch Abtragen der Oberfläche einer festen Lithiumfolie mit dem Laser, und die Hochstrom-Ionenstrahlen wurden vom speziell entwickelten RFQ-Linearbeschleuniger mithilfe des DPIS erfasst und beschleunigt. Der am FC nach dem Analysemagneten erreichte Spitzenstrom an 7Li3+ betrug 35 mA bei einer Strahlenergie von 1,4 MeV. Dies bestätigt, dass der kritischste Teil bei der Realisierung einer Neutronenquelle mit inverser Kinematik experimentell erreicht wurde. In diesem Abschnitt der Arbeit wird das gesamte Design einer kompakten Neutronenquelle, einschließlich eines Hochenergiebeschleunigers und einer Neutronenzielstation, besprochen. Der Entwurf basiert auf den Ergebnissen, die mit dem vorhandenen System in unserem Labor erzielt wurden. Es ist zu beachten, dass der Spitzenstrom des Ionenstrahls durch eine Verkürzung des Abstands zwischen der Lithiumfolie und dem RFQ-Linearbeschleuniger weiter erhöht werden könnte. Abbildung 7 veranschaulicht das Gesamtkonzept der vorgeschlagenen kompakten beschleunigergetriebenen Neutronenquelle.

Konzeptentwurf der vorgeschlagenen kompakten beschleunigergetriebenen Neutronenquelle (gezeichnet von Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/). Von rechts nach links: Laserionenquelle, Magnetmagnet, RFQ-Linearbeschleuniger, Mittelenergiestrahltransport (MEBT), IH-Linearbeschleuniger und Wechselwirkungskammer zur Neutronenerzeugung. Da der erzeugte Neutronenstrahl stark gerichtet ist, erfolgt die Strahlungsabschirmung hauptsächlich in Vorwärtsrichtung.

Nach einem RFQ-Linearbeschleuniger ist für die weitere Beschleunigung ein interdigitaler H-Struktur-Linearbeschleuniger (IH-Linearbeschleuniger)30 geplant. Der IH-Linearbeschleuniger sorgt mithilfe einer π-Mode-Driftröhrenstruktur für einen hohen elektrischen Feldgradienten für den jeweiligen Geschwindigkeitsbereich. Basierend auf einer 1D-Längsdynamiksimulation und einer 3D-Hüllkurvensimulation wurde eine konzeptionelle Studie durchgeführt. Die Berechnung ergab, dass ein 100-MHz-IH-Linearbeschleuniger mit einer angemessenen Driftröhrenspannung (weniger als 450 kV) und fokussierenden Magnetstärken einen 40-mA-Strahl in 1,8 m von 1,4 auf 14 MeV beschleunigen kann. Die Energiespreizung am Ende der Beschleunigerkette wird auf ± 0,4 MeV geschätzt, was keinen wesentlichen Einfluss auf das Energiespektrum der am Neutronenumwandlungsziel erzeugten Neutronen hat. Darüber hinaus ist die Strahlemission niedrig genug, um die Fokussierung der Strahlen auf einen kleineren Strahlfleck zu ermöglichen, als dies normalerweise bei der Verwendung von Quadrupolmagneten mäßiger Stärke und Größe erforderlich wäre. Bei einem mittelenergetischen Strahltransport (MEBT) zwischen dem RFQ-Linac und dem IH-Linac wird ein Buncher-Resonator verwendet, um die Bündelstruktur zu bewahren. Um die Strahlgröße in Querrichtung zu steuern, werden drei Quadrupolmagnete verwendet. Diese Designstrategie wurde in vielen Beschleunigeranlagen verwendet31,32,33. Die geschätzte Gesamtlänge des gesamten Systems von der Ionenquelle bis zur Zielkammer beträgt weniger als 8 m und könnte in einen Standard-Sattelauflieger verladen werden.

Das Neutronenumwandlungstarget wird unmittelbar hinter den Linearbeschleunigern installiert. Wir diskutieren den Entwurf der Zielstation auf der Grundlage früherer Studien unter Verwendung inverser Kinematikszenarien23. Zu den gemeldeten Umwandlungszielen gehören feste Materialien (Polypropylen (C3H6) und Titanhydrid (TiH2)) und ein Gaszielsystem. Jedes Ziel hat Vor- und Nachteile. Feste Ziele ermöglichen eine genaue Kontrolle der Dicke. Je dünner das Target, desto genauer lässt sich der räumliche Ort der Neutronenerzeugung definieren. Allerdings können solche Ziele immer noch ein gewisses Maß an unerwünschten nuklearen Reaktionen und Strahlung aufweisen. Andererseits können Wasserstoffgasziele eine sauberere Umwelt erreichen, ohne die Produktion von 7Be, das das Produkt der Hauptkernreaktion ist. Dennoch hat Wasserstoffgas eine schwache Bremskraft und benötigt eine lange physikalische Distanz, um eine ausreichende Energiedeposition zu erreichen. Dies ist für TOF-Messungen etwas nachteilig. Wenn außerdem ein dünner Film zum Abdichten des Wasserstoffgas-Targets verwendet wird, müssen die Erzeugung von γ-Strahlen durch den Film und der Energieverlust des einfallenden Lithiumstrahls berücksichtigt werden.

Bei LICORNE wurde ein Polypropylen-Target verwendet und das Zielsystem wurde auf eine Wasserstoffgaszelle umgestellt, die mit einer Tantalfolie versiegelt war. Beide Zielsysteme können bis zu 107 n/s/sr erzeugen, wenn man von einem Strahlstrom von 100 nA für 7Li34 ausgeht. Wenn wir diese gemeldete Neutronenausbeuteumrechnung auf unsere vorgeschlagene Neutronenquelle anwenden, können für jeden Laserschuss 7 × 10–8 C des Lithium-Treiberstrahls geliefert werden. Das bedeutet, dass nur zwei Laserschüsse pro Sekunde 40 % mehr Neutronen liefern, als LICORNE in einem kontinuierlichen Strahl für eine Sekunde liefert. Wenn die Frequenz der Laserschüsse erhöht wird, kann der Gesamtfluss leicht ansteigen. Wenn wir von einem 1-kHz-Lasersystem ausgehen, das auf dem Markt erhältlich ist, kann der durchschnittliche Neutronenfluss einfach auf etwa 7 × 109 n/s/sr skaliert werden.

Wenn wir eine hohe Wiederholungsrate des Systems mit einem Kunststofftarget verwenden, sollte die Wärmeablagerung auf dem Target kontrolliert werden, da Polypropylen beispielsweise einen niedrigen Schmelzpunkt von 145–175 °C und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von 0,1–0,22 hat W/m/K. Für 14-MeV-Lithium-Ionen-Strahlen reicht ein 7 μm dickes Polypropylen-Target aus, um die Strahlenergie auf die Reaktionsschwelle (13,098 MeV) zu reduzieren. Unter Berücksichtigung der Gesamtwirkung der von einem einzelnen Laserschuss erzeugten Ionen auf das Ziel wird die Energiedeposition der durch das Polypropylen gelangenden Lithium-Ionen auf 64 mJ/Impuls geschätzt. Unter der Annahme, dass die gesamte Energie innerhalb eines Kreises mit 10 mm Durchmesser übertragen wird, beträgt der entsprechende Temperaturanstieg pro Impuls etwa 18 K/Impuls. Die Energiedeposition auf dem Polypropylen-Target basiert auf der einfachen Annahme, dass der gesamte Energieverlust als Wärme akkumuliert wird, ohne Strahlungsverlust oder anderen Wärmeverlust. Da eine Erhöhung der Anzahl der Impulse pro Sekunde die Entfernung von Wärmestaus erfordert, können wir ein bandförmiges Ziel verwenden, um eine Energieablagerung an derselben Stelle zu vermeiden23. Unter der Annahme eines 10 mm großen Strahlflecks auf dem Ziel mit einer Laserwiederholungsrate von 100 Hz beträgt die Scangeschwindigkeit des Polypropylenbands 1 m/s. Wenn eine Überlappung der Strahlpunkte zugelassen wird, ist eine höhere Wiederholungsrate möglich.

Wir haben auch ein Wasserstoff-Brennstoffzellenziel untersucht, da ein intensiverer Treiberstrahl verwendet werden kann, ohne dass das Ziel beschädigt wird. Der Neutronenstrahl lässt sich leicht anpassen, indem man die Länge der Gaszelle und den Druck des Wasserstoffgases im Inneren variiert. Um den Zielgasbereich und das Vakuum im Beschleuniger zu trennen, wird typischerweise eine dünne Metallfolie verwendet. Dementsprechend sollte die Energie des einfallenden Lithiumstrahls erhöht werden, um den Energieverlust an der Folie auszugleichen. Die im Bericht beschriebene Zielanordnung35 besteht aus einem 3,5 cm langen Aluminiumbehälter mit einem H2-Gasdruck von 1,5 atm. Der 16,75-MeV-Lithiumstrahl dringt durch eine luftgekühlte 2,7 μm dicke Ta-Folie in die Zelle ein und die Energie des Lithiumstrahls am Ende der Zelle verlangsamt sich bis zur Reaktionsschwelle. Um die Lithiumstrahlenergie von 14,0 MeV auf 16,75 MeV zu erhöhen, muss der IH-Linearbeschleuniger um etwa 30 cm verlängert werden.

Auch die Neutronenemission des Brennstoffzellentargets wurde untersucht. Für das oben beschriebene Gastarget bei LICORNE zeigt die GEANT436-Simulation, dass stark gerichtete Neutronen innerhalb eines Kegels erzeugt werden, wie in Abb. 1 in Ref.37 dargestellt. Referenz35 zeigt, dass der Energiebereich zwischen 0,7 und 3,0 MeV lag und die maximale Kegelöffnung 19,5° in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Primärstrahls betrug. Die stark gerichteten Neutronen ermöglichen eine deutliche Reduzierung des Abschirmmaterials in den meisten Winkeln, wodurch das Gewicht der Struktur reduziert und mehr Flexibilität bei der Installation der Messgeräte geboten wird. Was den Strahlenschutz betrifft, emittiert ein solches Gaszielsystem neben Neutronen auch isotropisch 478 keV γ-Strahlen im Schwerpunktsystem38. Diese γ-Strahlen entstehen durch den 7Be-Zerfall und durch die Abregung von 7Li, das entsteht, wenn der primäre Li-Strahl auf das Ta-Eintrittsfenster trifft. Eine starke Reduzierung des Hintergrunds wird jedoch durch Hinzufügen eines dicken zylindrischen Pb/Cu-Kollimators35 erreicht.

Als alternatives Target können wir ein Plasmafenster39,40 verwenden, das es uns ermöglicht, einen relativ hohen Wasserstoffdruck und eine kleine räumliche Fläche für die Neutronenerzeugung zu erreichen, obwohl es immer noch nicht so gut ist wie ein festes Target.

Mit GEANT4 untersuchen wir die Möglichkeiten von Neutronenumwandlungszielen für die erwartete Energieverteilung und Strahlgröße unseres Lithiumstrahls. Unsere Simulationen zeigen eine konsistente Neutronenenergie und Winkelverteilung für das oben in der Literatur gezeigte Wasserstoffgas-Target. In jedem Zielsystem können stark gerichtete Neutronen durch eine inverse kinematische Reaktion erzeugt werden, die durch einen intensiven 7Li3+-Strahl auf ein wasserstoffreiches Ziel angetrieben wird. Somit kann eine neue Neutronenquelle durch die Kombination bereits etablierter Techniken realisiert werden.

Die Laserbestrahlungsbedingungen reproduzierten die Experimente zur Ionenstrahlerzeugung vor der Beschleunigungsdemonstration. Bei dem Laser handelte es sich um ein Nd:YAG-Tischsystem im Nanosekundenbereich, das mit einer Laserleistungsdichte von 1012 W/cm2 bei einer Grundwellenlänge von 1064 nm, einer Punktenergie von 800 mJ und einer Pulsdauer von 6 ns eingesetzt wurde. Die Fleckgröße auf dem Ziel wurde auf einen Durchmesser von 100 μm geschätzt. Da metallisches Lithium (Alfa Aesar, 99,9 % Reinheit) ausreichend weich ist, wurde das präzise geschnittene Material in die Form gepresst. Die Abmessungen der Folie betrugen 25 mm × 25 mm bei einer Dicke von 0,6 mm. Bei der Bestrahlung mit dem Laser kam es zu kraterartigen Schäden auf der Zieloberfläche. Daher wurde das Ziel durch einen motorisierten Tisch bewegt, um für jeden Laserschuss einen neuen Teil der Zieloberfläche bereitzustellen. Um eine Rekombination aufgrund von Restgas zu vermeiden, wurde der Druck in der Kammer unter 10–4 Pa gehalten.

Das anfängliche Laserplasma hat ein kleines Volumen, da die Laserpunktgröße 100 μm betrug und innerhalb von 6 ns nach seiner Entstehung erfolgte. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Volumen punktförmig ist und sich dann ausdehnt. Wenn wir einen Detektor in einem bestimmten Abstand xm von der Zieloberfläche platzieren, folgt das erhaltene Signal den folgenden Beziehungen für den Ionenstrom I, die Ankunftszeit der Ionen t und die Impulsbreite τ.

Die erzeugten Plasmen wurden mittels TOF durch den FC und den Energieionenanalysator (EIA) untersucht, der sich 2,4 m und 3,85 m vom Laserziel entfernt befand. Der FC verfügte über ein Suppressornetz mit einer Vorspannung von -5 kV, um Elektronen zu verhindern. Die EIA verfügte über einen elektrostatischen 90-Grad-Deflektor, der aus zwei koaxialen Metallzylinderelektroden mit gleicher Spannung, aber entgegengesetzter Polarität, der äußeren positiven und der inneren negativen, besteht. Das expandierende Plasma wurde hinter einem Schlitz zum Deflektor geleitet und durch das elektrische Feld über die Zylinder gebogen. Ein Ion, das die Beziehung E/z = eKU erfüllt, wird vom Sekundärelektronenvervielfacher (SEM) (Hamamatsu R2362) erfasst, wobei E, z, e, K und U die Energie des Ions, den Ladungszustand, die Ladung sind des Elektrons, der EIA-Geometriefaktor bzw. die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden. Durch Variieren der Spannung am Deflektor wurden die Energie- und Ladungszustandsverteilung der Ionen im Plasma ermittelt. Die Scanspannung U/2 des EIA reicht von 0,2 V bis 800 V, was Ionenenergien von 4 eV bis 16 keV pro Ladungszustand entspricht.

Die analysierte Ionenladungszustandsverteilung unter den im Abschnitt „Erzeugung eines vollständig gestrippten Lithiumstrahls“ beschriebenen Laserbestrahlungsbedingungen ist in Abb. 8 dargestellt.

Analysierte Ionenladungszustandsverteilung. Dies ist ein zeitliches Profil der Ionenstromdichte, das durch eine EIA analysiert und auf 1 m Entfernung von einer Lithiumfolie unter Verwendung von Gleichung skaliert wurde. (1) und (2). Es wurde die im Abschnitt „Erzeugung eines vollständig entschichteten Lithiumstrahls“ beschriebene Laserbestrahlungsbedingung verwendet. Durch Integration jeder Stromdichte wurden die in Abb. 3 gezeigten Ionenanteile im Plasma berechnet.

Eine Laserionenquelle kann intensive Ionenstrahlen der Multi-Milliampere-Klasse mit hohen Ladungszuständen liefern. Es wurde jedoch nicht häufig verwendet, da die Strahlabgabe aufgrund der Abstoßungskraft der Raumladung sehr schwierig war. Beim herkömmlichen Schema wird ein Ionenstrahl aus dem Plasma extrahiert und durch eine Strahlleitung zum Beschleuniger der ersten Stufe transportiert, die über einige fokussierende Magnete verfügt, um den Ionenstrahl so zu formen, dass er der Aufnahmefähigkeit des Beschleunigers entspricht. In der Strahllinie führt die Raumladungskraft zu einer nichtlinearen Divergenz des Strahls, insbesondere im Bereich niedriger Geschwindigkeiten, und es werden erhebliche Strahlverluste beobachtet. Um dieses Problem beim Entwurf medizinischer Kohlenstoffbeschleuniger zu lösen, wurde ein neues Strahlführungsschema vorgeschlagen, nämlich DPIS41. Wir haben diese Technik angewendet, um den intensiven Lithium-Ionen-Strahl für die neue Neutronenquelle zu beschleunigen.

Der Raum, in dem das Plasma erzeugt und expandiert wurde, war von einem Metallbehälter umgeben, wie in Abb. 4 dargestellt. Der umschlossene Raum erstreckte sich bis zum Eingang des RFQ-Resonators, einschließlich des Volumens innerhalb der Magnetspule. An den Behälter wurde eine Spannung von 52 kV angelegt. Im RFQ-Resonator wurden die Ionen durch das Potenzial durch eine Öffnung mit 6 mm Durchmesser extrahiert, da der RFQ geerdet ist. Die nichtlinearen Abstoßungskräfte an der Strahllinie können eliminiert werden, da die Ionen im Plasmazustand abgegeben werden. Darüber hinaus haben wir, wie oben erwähnt, ein Magnetfeld in Kombination mit dem DPIS angelegt, um die Ionendichte an der Extraktionsöffnung zu steuern und zu erhöhen.

Der RFQ-Linearbeschleuniger besteht aus einer zylindrischen Vakuumkammer, wie in Abb. 9a dargestellt. Darin sind vier sauerstofffreie Kupferstäbe quadrupolsymmetrisch um eine Strahlachse platziert (Abb. 9b). Die 4 Stäbe und die Kammer bilden einen resonanten HF-Kreis. Das induzierte HF-Feld erzeugt an den Stäben eine zeitlich veränderliche Spannung. In Längsrichtung um die Achse injizierte Ionen werden durch das Quadrupolfeld quer begrenzt. Währenddessen werden die Spitzen der Stäbe moduliert, um ein axiales elektrisches Feld zu erzeugen. Das axiale Feld teilt den eingespeisten kontinuierlichen Strahl in eine Reihe von Strahlimpulsen, sogenannte Strahlbündel. Jedes Bündel ist für eine bestimmte Zeitspanne innerhalb einer HF-Periode (10 ns) enthalten. Die benachbarten Bündel sind entsprechend der HF-Periode voneinander beabstandet. Im RFQ-Linearbeschleuniger wird der 2 μs-Strahl der Laserionenquelle in eine Folge von 200 Strahlbündeln umgewandelt. Die Pakete werden dann auf die vorgesehene Energie beschleunigt.

RFQ Linac-Beschleuniger. (a) (links) Die Außenseite der RFQ-Linac-Kammer. (b) (rechts) Die 4 Stabelektroden in der Kammer.

Die wichtigsten Designparameter für den RFQ-Linearbeschleuniger sind die Stabspannung, die Resonanzfrequenz, der Strahlbohrungsradius und die Modulation der Elektroden. Die Stabspannung von ± 29 kV wurde so gewählt, dass das elektrische Feld unter einem Schwellenwert für einen elektrischen Durchschlag liegt. Bei einer niedrigeren Resonanzfrequenz ist die transversale Fokussierungskraft größer, während das gemittelte Beschleunigungsfeld kleiner ist. Ein größerer Bohrungsradius kann aufgrund der geringeren Raumladungsabstoßungskraft eine größere Strahlgröße und damit einen größeren Strahlstrom aufnehmen. Andererseits erfordert ein größerer Bohrungsradius eine größere HF-Leistung, um den RFQ-Linearbeschleuniger mit Energie zu versorgen. Darüber hinaus sind die Anforderungen an die Feldqualität begrenzt. Aus diesen Bilanzen wurden die Resonanzfrequenz (100 MHz) und der Bohrungsradius (4,5 mm) für die Hochstromstrahlbeschleunigung ausgewählt. Die Modulation wurde gewählt, um Strahlbündel mit geringen Verlusten zu erzeugen und die Beschleunigungseffizienz zu maximieren. Das Design wird iterativ optimiert und es wurde ein RFQ-Linearbeschleunigerdesign erhalten, das 40 mA 7Li3+-Ionen in 2 m von 22 auf 204 keV/n beschleunigt. Die während des Experiments gemessene HF-Leistung betrug 77 kW.

Ein RFQ-Linearbeschleuniger kann Ionen mit einem bestimmten Q/A-Bereich beschleunigen. Daher müssen Isotope und andere Spezies berücksichtigt werden, um die zum Ende des Linacs transportierten Strahlen zu analysieren. Darüber hinaus können die gewünschten Ionen, die teilweise beschleunigt sind, aber aus dem Beschleunigungszustand in der Mitte des Beschleunigers herausfallen, immer noch den Quereinschluss erfüllen und an das Ende abgegeben werden. Die unerwünschten Strahlen, bei denen es sich nicht um Designpartikel von 7Li3+ handelt, werden als Verunreinigungen bezeichnet. In unserem Experiment sind 14N6+ und 16O7+ die Hauptsorgen hinsichtlich der Verunreinigungen, da Lithiummetallfolie mit Sauerstoff und Stickstoff in der Luft reagieren kann. Diese Ionen haben ein Q/A, das zusammen mit 7Li3+ beschleunigt werden kann. Wir verwendeten einen Dipolmagneten, um Strahlen unterschiedlicher Q/A zu trennen und die Strahlen nach dem RFQ-Linearbeschleuniger zu analysieren.

Die Strahllinie nach dem RFQ-Linearbeschleuniger war für den Transport vollständig beschleunigter 7Li3+-Strahlen zum FC nach dem Dipolmagneten ausgelegt. Eine auf –400 V vorgespannte Elektrode wurde verwendet, um Sekundärelektronen aus dem Becher zu unterdrücken und den Ionenstrahlstrom genau zu messen. Mit dieser Optik wurden die Ionenbahnen im Dipol getrennt und je nach Q/A auf unterschiedliche Positionen fokussiert. Der Strahl an der Brennpunktposition hat aufgrund mehrerer Faktoren, wie der Impulsausbreitung und der Abstoßungskraft der Raumladung, eine bestimmte Breite. Nur wenn der Abstand zwischen den Fokuspositionen zweier Ionenarten größer als die Strahlbreite ist, können die Arten getrennt werden. Um eine größtmögliche Auflösung zu erreichen, wurden horizontale Schlitze in der Nähe der Strahltaille installiert, wo die Strahlen nahezu fokussiert sind. Zwischen den Schlitzen und dem FC befand sich ein Szintillatorschirm (CsI (Tl) von Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm). Der Szintillator wurde verwendet, um die minimale Schlitzgröße zu bestimmen, die Designpartikel gerade noch passieren müssen, um die beste Auflösung zu erzielen, und um zu zeigen, dass eine vernünftige Strahlgröße des Hochstrom-Schwerionenstrahls realisiert werden kann. Das Strahlbild auf dem Szintillator wurde von einer CCD-Kamera durch ein Vakuumfenster aufgenommen. Das Belichtungszeitfenster wurde so eingestellt, dass es die gesamte Impulsbreite des Strahls abdeckt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die experimentelle Studie am Brookhaven National Laboratory wurde vom US DOE, Office of Science, unter dem Vertrag DE-SC0012704 unterstützt. Diese Arbeit wurde durch den JSPS KAKENHI-Zuschuss Nr. JP20K20404, den Programmentwicklungszuschuss des Brookhaven National Laboratory und das Mobilitätsprojekt des Ministeriums für Bildung, Jugend und Sport (MEYS) der Tschechischen Republik (Mobilitätszuschuss Nr. MSM100481902) unterstützt.

Brookhaven National Laboratory, Upton, NY, 11973, USA

Masahiro Okamura, Shunsuke Ikeda und Takeshi Kanesue

RIKEN, Hirosawa, Wako, Saitama, 351-0198, Japan

Masahiro Okamura

Tokyo Tech World Research Hub Initiative (WRHI), Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama, Kanagawa, 226-8503, Japan

Masahiro Okamura

Technische Universität Nagaoka, 1603-1 Kamitomioka, Nagaoka, Niigata, Japan

Kazumasa Takahashi

Institut für Kernphysik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, Hlavní 130, 250 68, Husinec-Řež, Tschechische Republik

Antonino Cannavó, Giovanni Ceccio und Anastasia Cassisa

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MO, TK, SI und KT führten die Beschleunigung des Lithiumstrahls durch und analysierten die Daten. SI simulierte einen Ionenstrahl im Nachbeschleuniger, um die vollständige Beschleuniger-Neutronenquelle zu entwerfen. AC und GC wurden durchgeführt, um das Plasma zu analysieren, die Eigenschaften der im vorgeschlagenen System erzeugten Neutronen durch Simulation zu untersuchen und die Details des Beschleuniger-Neutronenquellensystems einschließlich der Neutronenerzeugungskammer und der Strahlungsabschirmung zu entwerfen. AC führte GEANT4-Simulationen der Zielanordnung des Neutronenkonverters durch. Alle Autoren haben zum Verfassen des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Masahiro Okamura.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Okamura, M., Ikeda, S., Kanesue, T. et al. Demonstration eines intensiven Lithiumstrahls zur vorwärtsgerichteten gepulsten Neutronenerzeugung. Sci Rep 12, 14016 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18270-0

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Eingegangen: 21. April 2022

Angenommen: 08. August 2022

Veröffentlicht: 18. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18270-0

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