304एल 6.35*1मिमी स्टेनलेस स्टील कुंडलित टयूबिंग आपूर्तिकर्ता, स्पंदित प्रत्यक्ष न्यूट्रॉन उत्पन्न करने के लिए एक तीव्र लिथियम बीम का प्रदर्शन

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परमाणु रिएक्टरों के अध्ययन के विकल्प के रूप में, लिथियम-आयन बीम ड्राइवर का उपयोग करने वाला एक कॉम्पैक्ट त्वरक-चालित न्यूट्रॉन जनरेटर एक आशाजनक उम्मीदवार हो सकता है क्योंकि यह बहुत कम अवांछित विकिरण पैदा करता है।हालाँकि, लिथियम आयनों की तीव्र किरण पहुंचाना कठिन था, और ऐसे उपकरणों का व्यावहारिक अनुप्रयोग असंभव माना जाता था।अपर्याप्त आयन प्रवाह की सबसे गंभीर समस्या को प्रत्यक्ष प्लाज्मा प्रत्यारोपण योजना लागू करके हल किया गया था।इस योजना में, लिथियम धातु फ़ॉइल के लेजर एब्लेशन द्वारा उत्पन्न उच्च-घनत्व स्पंदित प्लाज्मा को उच्च-आवृत्ति क्वाड्रुपोल त्वरक (आरएफक्यू त्वरक) द्वारा कुशलतापूर्वक इंजेक्ट और त्वरित किया जाता है।हमने 35 एमए का पीक बीम करंट 1.43 मेव तक त्वरित कर हासिल किया है, जो पारंपरिक इंजेक्टर और एक्सेलेरेटर सिस्टम द्वारा प्रदान किए जा सकने वाले परिमाण से दो ऑर्डर अधिक है।
एक्स-रे या आवेशित कणों के विपरीत, न्यूट्रॉन में एक बड़ी प्रवेश गहराई और संघनित पदार्थ के साथ अद्वितीय बातचीत होती है, जो उन्हें सामग्री 1,2,3,4,5,6,7 के गुणों का अध्ययन करने के लिए बेहद बहुमुखी जांच बनाती है।विशेष रूप से, न्यूट्रॉन प्रकीर्णन तकनीकों का उपयोग आमतौर पर संघनित पदार्थ में संरचना, संरचना और आंतरिक तनाव का अध्ययन करने के लिए किया जाता है और यह धातु मिश्र धातुओं में ट्रेस यौगिकों पर विस्तृत जानकारी प्रदान कर सकता है जिन्हें एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके पता लगाना मुश्किल होता है।इस विधि को बुनियादी विज्ञान में एक शक्तिशाली उपकरण माना जाता है और इसका उपयोग धातुओं और अन्य सामग्रियों के निर्माताओं द्वारा किया जाता है।हाल ही में, रेल और विमान भागों जैसे यांत्रिक घटकों में अवशिष्ट तनाव का पता लगाने के लिए न्यूट्रॉन विवर्तन का उपयोग किया गया है9,10,11,12।न्यूट्रॉन का उपयोग तेल और गैस कुओं में भी किया जाता है क्योंकि वे प्रोटॉन-समृद्ध पदार्थों द्वारा आसानी से पकड़ लिए जाते हैं13।सिविल इंजीनियरिंग में भी इसी तरह के तरीकों का उपयोग किया जाता है।इमारतों, सुरंगों और पुलों में छिपे दोषों का पता लगाने के लिए गैर-विनाशकारी न्यूट्रॉन परीक्षण एक प्रभावी उपकरण है।न्यूट्रॉन बीम का उपयोग वैज्ञानिक अनुसंधान और उद्योग में सक्रिय रूप से किया जाता है, जिनमें से कई ऐतिहासिक रूप से परमाणु रिएक्टरों का उपयोग करके विकसित किए गए हैं।
हालाँकि, परमाणु अप्रसार पर वैश्विक सहमति के साथ, अनुसंधान उद्देश्यों के लिए छोटे रिएक्टरों का निर्माण करना कठिन होता जा रहा है।इसके अलावा, हाल की फुकुशिमा दुर्घटना ने परमाणु रिएक्टरों के निर्माण को लगभग सामाजिक रूप से स्वीकार्य बना दिया है।इस प्रवृत्ति के संबंध में, त्वरक पर न्यूट्रॉन स्रोतों की मांग बढ़ रही है2।परमाणु रिएक्टरों के विकल्प के रूप में, कई बड़े त्वरक-विभाजन न्यूट्रॉन स्रोत पहले से ही संचालन में हैं14,15।हालाँकि, न्यूट्रॉन बीम के गुणों के अधिक कुशल उपयोग के लिए, त्वरक पर कॉम्पैक्ट स्रोतों के उपयोग का विस्तार करना आवश्यक है, 16 जो औद्योगिक और विश्वविद्यालय अनुसंधान संस्थानों से संबंधित हो सकते हैं।त्वरक न्यूट्रॉन स्रोतों ने परमाणु रिएक्टरों14 के प्रतिस्थापन के रूप में कार्य करने के अलावा नई क्षमताओं और कार्यों को जोड़ा है।उदाहरण के लिए, एक लिनाक-चालित जनरेटर ड्राइव बीम में हेरफेर करके आसानी से न्यूट्रॉन की एक धारा बना सकता है।एक बार उत्सर्जित होने के बाद, न्यूट्रॉन को नियंत्रित करना मुश्किल होता है और पृष्ठभूमि न्यूट्रॉन द्वारा उत्पन्न शोर के कारण विकिरण माप का विश्लेषण करना मुश्किल होता है।त्वरक द्वारा नियंत्रित स्पंदित न्यूट्रॉन इस समस्या से बचते हैं।दुनिया भर में प्रोटॉन त्वरक प्रौद्योगिकी पर आधारित कई परियोजनाएं प्रस्तावित की गई हैं17,18,19।प्रतिक्रियाएँ 7Li(p, n)7Be और 9Be(p, n)9B का उपयोग प्रोटॉन-चालित कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन जनरेटर में सबसे अधिक बार किया जाता है क्योंकि वे एंडोथर्मिक प्रतिक्रियाएं20 हैं।यदि प्रोटॉन किरण को उत्तेजित करने के लिए चुनी गई ऊर्जा थ्रेशोल्ड मान से थोड़ी ऊपर है तो अतिरिक्त विकिरण और रेडियोधर्मी कचरे को कम किया जा सकता है।हालाँकि, लक्ष्य नाभिक का द्रव्यमान प्रोटॉन की तुलना में बहुत बड़ा होता है, और परिणामी न्यूट्रॉन सभी दिशाओं में बिखर जाते हैं।न्यूट्रॉन प्रवाह के आइसोट्रोपिक उत्सर्जन के इतने करीब अध्ययन की वस्तु तक न्यूट्रॉन के कुशल परिवहन को रोकता है।इसके अलावा, वस्तु के स्थान पर न्यूट्रॉन की आवश्यक खुराक प्राप्त करने के लिए, गतिशील प्रोटॉन की संख्या और उनकी ऊर्जा दोनों में उल्लेखनीय वृद्धि करना आवश्यक है।परिणामस्वरूप, गामा किरणों और न्यूट्रॉन की बड़ी खुराक बड़े कोणों से फैल जाएगी, जिससे एंडोथर्मिक प्रतिक्रियाओं का लाभ नष्ट हो जाएगा।एक विशिष्ट त्वरक-चालित कॉम्पैक्ट प्रोटॉन-आधारित न्यूट्रॉन जनरेटर में मजबूत विकिरण परिरक्षण होता है और यह सिस्टम का सबसे भारी हिस्सा होता है।ड्राइविंग प्रोटॉन की ऊर्जा को बढ़ाने की आवश्यकता के लिए आमतौर पर त्वरक सुविधा के आकार में अतिरिक्त वृद्धि की आवश्यकता होती है।
त्वरक पर पारंपरिक कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन स्रोतों की सामान्य कमियों को दूर करने के लिए, एक व्युत्क्रम-गतिज प्रतिक्रिया योजना प्रस्तावित की गई थी।इस योजना में, एक भारी लिथियम-आयन बीम का उपयोग प्रोटॉन बीम के बजाय एक गाइड बीम के रूप में किया जाता है, जो हाइड्रोकार्बन प्लास्टिक, हाइड्राइड्स, हाइड्रोजन गैस या हाइड्रोजन प्लाज्मा जैसी हाइड्रोजन-समृद्ध सामग्री को लक्षित करता है।विकल्पों पर विचार किया गया है, जैसे कि बेरिलियम आयन-चालित बीम, हालांकि, बेरिलियम एक जहरीला पदार्थ है जिसे संभालने में विशेष देखभाल की आवश्यकता होती है।इसलिए, व्युत्क्रम-गतिज प्रतिक्रिया योजनाओं के लिए लिथियम बीम सबसे उपयुक्त है।चूँकि लिथियम नाभिक का संवेग प्रोटॉन की तुलना में अधिक होता है, परमाणु टकराव के द्रव्यमान का केंद्र लगातार आगे बढ़ रहा है, और न्यूट्रॉन भी आगे की ओर उत्सर्जित होते हैं।यह सुविधा अवांछित गामा किरणों और उच्च कोण न्यूट्रॉन उत्सर्जन22 को काफी हद तक समाप्त कर देती है।प्रोटॉन इंजन के सामान्य मामले और व्युत्क्रम किनेमेटिक्स परिदृश्य की तुलना चित्र 1 में दिखाई गई है।
प्रोटॉन और लिथियम बीम के लिए न्यूट्रॉन उत्पादन कोणों का चित्रण (एडोब इलस्ट्रेटर CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/ Illustrator.html के साथ तैयार)।(ए) प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप न्यूट्रॉन को किसी भी दिशा में उत्सर्जित किया जा सकता है क्योंकि गतिशील प्रोटॉन लिथियम लक्ष्य के बहुत भारी परमाणुओं से टकराते हैं।(बी) इसके विपरीत, यदि कोई लिथियम-आयन चालक हाइड्रोजन-समृद्ध लक्ष्य पर बमबारी करता है, तो सिस्टम के द्रव्यमान केंद्र के उच्च वेग के कारण आगे की दिशा में एक संकीर्ण शंकु में न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं।
हालाँकि, प्रोटॉन की तुलना में उच्च आवेश वाले भारी आयनों के आवश्यक प्रवाह को उत्पन्न करने में कठिनाई के कारण केवल कुछ व्युत्क्रम गतिज न्यूट्रॉन जनरेटर मौजूद हैं।ये सभी पौधे अग्रानुक्रम इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक के साथ संयोजन में नकारात्मक स्पटर आयन स्रोतों का उपयोग करते हैं।बीम त्वरण26 की दक्षता बढ़ाने के लिए अन्य प्रकार के आयन स्रोतों का प्रस्ताव किया गया है।किसी भी स्थिति में, उपलब्ध लिथियम-आयन बीम करंट 100 µA तक सीमित है।Li3+27 के 1 mA का उपयोग करने का प्रस्ताव किया गया है, लेकिन इस विधि द्वारा इस आयन बीम धारा की पुष्टि नहीं की गई है।तीव्रता के संदर्भ में, लिथियम बीम त्वरक प्रोटॉन बीम त्वरक के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकते हैं, जिनकी चरम प्रोटॉन धारा 10 mA28 से अधिक है।
लिथियम-आयन बीम पर आधारित एक व्यावहारिक कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन जनरेटर को लागू करने के लिए, पूरी तरह से आयनों से रहित उच्च तीव्रता उत्पन्न करना फायदेमंद है।आयन विद्युत चुम्बकीय बलों द्वारा त्वरित और निर्देशित होते हैं, और उच्च चार्ज स्तर के परिणामस्वरूप अधिक कुशल त्वरण होता है।ली-आयन बीम ड्राइवरों को 10 एमए से अधिक की ली3+ पीक धाराओं की आवश्यकता होती है।
इस कार्य में, हम 35 mA तक की चरम धाराओं के साथ Li3+ बीम के त्वरण को प्रदर्शित करते हैं, जो उन्नत प्रोटॉन त्वरक के बराबर है।मूल लिथियम आयन बीम लेजर एब्लेशन और डायरेक्ट प्लाज्मा इम्प्लांटेशन स्कीम (DPIS) का उपयोग करके बनाया गया था जो मूल रूप से C6+ को तेज करने के लिए विकसित किया गया था।एक कस्टम-डिज़ाइन किया गया रेडियो फ्रीक्वेंसी क्वाड्रुपोल लिनैक (आरएफक्यू लिनैक) चार-रॉड अनुनाद संरचना का उपयोग करके निर्मित किया गया था।हमने सत्यापित किया है कि त्वरित किरण में परिकलित उच्च शुद्धता किरण ऊर्जा है।एक बार जब Li3+ किरण को रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) त्वरक द्वारा प्रभावी ढंग से पकड़ लिया जाता है और त्वरित कर दिया जाता है, तो लक्ष्य से एक मजबूत न्यूट्रॉन प्रवाह उत्पन्न करने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करने के लिए बाद के लिनैक (त्वरक) अनुभाग का उपयोग किया जाता है।
उच्च प्रदर्शन वाले आयनों का त्वरण एक अच्छी तरह से स्थापित तकनीक है।एक नए अत्यधिक कुशल कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन जनरेटर को साकार करने का शेष कार्य बड़ी संख्या में पूरी तरह से छीने गए लिथियम आयनों को उत्पन्न करना और त्वरक में आरएफ चक्र के साथ सिंक्रनाइज़ आयन दालों की एक श्रृंखला से युक्त एक क्लस्टर संरचना बनाना है।इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किए गए प्रयोगों के परिणामों को निम्नलिखित तीन उपखंडों में वर्णित किया गया है: (1) लिथियम-आयन बीम से पूरी तरह से रहित पीढ़ी, (2) विशेष रूप से डिजाइन किए गए आरएफक्यू लिनाक का उपयोग करके बीम त्वरण, और (3) विश्लेषण का त्वरण बीम की सामग्री की जांच करने के लिए।ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी (बीएनएल) में, हमने चित्र 2 में दिखाया गया प्रायोगिक सेटअप बनाया।
लिथियम बीम के त्वरित विश्लेषण के लिए प्रायोगिक सेटअप का अवलोकन (इंकस्केप, 1.0.2, https://inkscape.org/ द्वारा सचित्र)।दाएं से बाएं, लेजर-एब्लेटिव प्लाज्मा लेजर-टारगेट इंटरेक्शन चैंबर में उत्पन्न होता है और आरएफक्यू लिनैक तक पहुंचाया जाता है।आरएफक्यू त्वरक में प्रवेश करने पर, आयनों को प्लाज्मा से अलग किया जाता है और बहाव क्षेत्र में निष्कर्षण इलेक्ट्रोड और आरएफक्यू इलेक्ट्रोड के बीच 52 केवी वोल्टेज अंतर द्वारा बनाए गए अचानक विद्युत क्षेत्र के माध्यम से आरएफक्यू त्वरक में इंजेक्ट किया जाता है।निकाले गए आयनों को 2 मीटर लंबे आरएफक्यू इलेक्ट्रोड का उपयोग करके 22 केवी/एन से 204 केवी/एन तक त्वरित किया जाता है।आरएफक्यू लिनैक के आउटपुट पर स्थापित एक करंट ट्रांसफार्मर (सीटी) आयन बीम करंट का गैर-विनाशकारी माप प्रदान करता है।किरण को तीन चतुर्ध्रुव चुम्बकों द्वारा केंद्रित किया जाता है और एक द्विध्रुवीय चुम्बक की ओर निर्देशित किया जाता है, जो Li3+ किरण को अलग करता है और डिटेक्टर में निर्देशित करता है।स्लिट के पीछे, त्वरित किरण का पता लगाने के लिए -400 वी तक के पूर्वाग्रह के साथ एक वापस लेने योग्य प्लास्टिक सिंटिलेटर और एक फैराडे कप (एफसी) का उपयोग किया जाता है।
पूरी तरह से आयनित लिथियम आयन (Li3+) उत्पन्न करने के लिए, इसकी तीसरी आयनीकरण ऊर्जा (122.4 eV) से ऊपर के तापमान वाला प्लाज्मा बनाना आवश्यक है।हमने उच्च तापमान वाले प्लाज्मा का उत्पादन करने के लिए लेजर एब्लेशन का उपयोग करने का प्रयास किया।इस प्रकार के लेजर आयन स्रोत का उपयोग आमतौर पर लिथियम आयन बीम उत्पन्न करने के लिए नहीं किया जाता है क्योंकि लिथियम धातु प्रतिक्रियाशील होती है और इसे विशेष हैंडलिंग की आवश्यकता होती है।हमने वैक्यूम लेजर इंटरेक्शन चैम्बर में लिथियम फ़ॉइल स्थापित करते समय नमी और वायु प्रदूषण को कम करने के लिए एक लक्ष्य लोडिंग प्रणाली विकसित की है।सामग्रियों की सभी तैयारियां शुष्क आर्गन के नियंत्रित वातावरण में की गईं।लेजर लक्ष्य कक्ष में लिथियम फ़ॉइल स्थापित करने के बाद, फ़ॉइल को 800 एमजे प्रति पल्स की ऊर्जा पर स्पंदित एनडी: वाईएजी लेजर विकिरण से विकिरणित किया गया था।लक्ष्य पर फोकस पर, लेजर पावर घनत्व लगभग 1012 W/cm2 होने का अनुमान है।प्लाज्मा तब बनता है जब एक स्पंदित लेजर निर्वात में किसी लक्ष्य को नष्ट कर देता है।पूरे 6 एनएस लेजर पल्स के दौरान, प्लाज्मा गर्म होता रहता है, मुख्य रूप से रिवर्स ब्रेम्सस्ट्रालंग प्रक्रिया के कारण।चूंकि हीटिंग चरण के दौरान कोई सीमित बाहरी क्षेत्र लागू नहीं होता है, इसलिए प्लाज्मा तीन आयामों में विस्तारित होना शुरू हो जाता है।जब प्लाज्मा लक्ष्य सतह पर फैलने लगता है, तो प्लाज्मा के द्रव्यमान का केंद्र 600 eV/n की ऊर्जा के साथ लक्ष्य सतह के लंबवत वेग प्राप्त कर लेता है।गर्म करने के बाद, प्लाज्मा आइसोट्रोपिक रूप से विस्तार करते हुए, लक्ष्य से अक्षीय दिशा में आगे बढ़ना जारी रखता है।
जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, एब्लेशन प्लाज्मा लक्ष्य के समान क्षमता वाले धातु कंटेनर से घिरे वैक्यूम वॉल्यूम में फैलता है।इस प्रकार, प्लाज्मा क्षेत्र-मुक्त क्षेत्र से होकर आरएफक्यू त्वरक की ओर बह जाता है।निर्वात कक्ष के चारों ओर एक सोलनॉइड कुंडल घाव के माध्यम से लेजर विकिरण कक्ष और आरएफक्यू लिनैक के बीच एक अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है।आरएफक्यू एपर्चर में डिलीवरी के दौरान उच्च प्लाज्मा घनत्व बनाए रखने के लिए सोलनॉइड का चुंबकीय क्षेत्र बहते प्लाज्मा के रेडियल विस्तार को दबा देता है।दूसरी ओर, बहाव के दौरान प्लाज्मा अक्षीय दिशा में फैलता रहता है, जिससे एक लम्बा प्लाज्मा बनता है।आरएफक्यू इनलेट पर निकास बंदरगाह के सामने प्लाज्मा युक्त धातु के बर्तन पर एक उच्च वोल्टेज पूर्वाग्रह लागू किया जाता है।आरएफक्यू लिनाक द्वारा उचित त्वरण के लिए आवश्यक 7Li3+ इंजेक्शन दर प्रदान करने के लिए बायस वोल्टेज को चुना गया था।
परिणामी एब्लेशन प्लाज्मा में न केवल 7Li3+ होता है, बल्कि अन्य चार्ज राज्यों और प्रदूषक तत्वों में लिथियम भी होता है, जिन्हें एक साथ आरएफक्यू रैखिक त्वरक में ले जाया जाता है।आरएफक्यू लिनैक का उपयोग करके त्वरित प्रयोगों से पहले, प्लाज्मा में आयनों की संरचना और ऊर्जा वितरण का अध्ययन करने के लिए एक ऑफ़लाइन टाइम-ऑफ़-फ़्लाइट (टीओएफ) विश्लेषण किया गया था।विस्तृत विश्लेषणात्मक सेटअप और देखे गए राज्य-प्रभारी वितरण को विधि अनुभाग में समझाया गया है।विश्लेषण से पता चला कि 7Li3+ आयन मुख्य कण थे, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, सभी कणों का लगभग 54% है। विश्लेषण के अनुसार, आयन बीम आउटपुट बिंदु पर 7Li3+ आयन वर्तमान 1.87 mA अनुमानित है।त्वरित परीक्षणों के दौरान, 79 एमटी सोलनॉइड क्षेत्र को विस्तारित प्लाज्मा पर लागू किया जाता है।परिणामस्वरूप, प्लाज्मा से निकाला गया और डिटेक्टर पर देखा गया 7Li3+ करंट 30 गुना बढ़ गया।
उड़ान के समय विश्लेषण द्वारा प्राप्त लेजर-जनित प्लाज्मा में आयनों के अंश।7Li1+ और 7Li2+ आयन क्रमशः 5% और 25% आयन किरण बनाते हैं।6Li कणों का पाया गया अंश प्रयोगात्मक त्रुटि के भीतर लिथियम फ़ॉइल लक्ष्य में 6Li (7.6%) की प्राकृतिक सामग्री से सहमत है।हल्का ऑक्सीजन संदूषण (6.2%) देखा गया, मुख्य रूप से O1+ (2.1%) और O2+ (1.5%), जो लिथियम फ़ॉइल लक्ष्य की सतह के ऑक्सीकरण के कारण हो सकता है।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, लिथियम प्लाज्मा आरएफक्यू लिनाक में प्रवेश करने से पहले एक क्षेत्रहीन क्षेत्र में बह जाता है।आरएफक्यू लिनैक के इनपुट में एक धातु कंटेनर में 6 मिमी व्यास का छेद होता है, और बायस वोल्टेज 52 केवी है।यद्यपि आरएफक्यू इलेक्ट्रोड वोल्टेज 100 मेगाहर्ट्ज पर तेजी से ±29 केवी बदलता है, वोल्टेज अक्षीय त्वरण का कारण बनता है क्योंकि आरएफक्यू त्वरक इलेक्ट्रोड की औसत क्षमता शून्य होती है।एपर्चर और आरएफक्यू इलेक्ट्रोड के किनारे के बीच 10 मिमी के अंतर में उत्पन्न मजबूत विद्युत क्षेत्र के कारण, एपर्चर पर प्लाज्मा से केवल सकारात्मक प्लाज्मा आयन निकाले जाते हैं।पारंपरिक आयन वितरण प्रणालियों में, आयनों को आरएफक्यू त्वरक के सामने काफी दूरी पर एक विद्युत क्षेत्र द्वारा प्लाज्मा से अलग किया जाता है और फिर बीम फोकसिंग तत्व द्वारा आरएफक्यू एपर्चर में केंद्रित किया जाता है।हालाँकि, एक तीव्र न्यूट्रॉन स्रोत के लिए आवश्यक तीव्र भारी आयन बीम के लिए, अंतरिक्ष चार्ज प्रभावों के कारण गैर-रेखीय प्रतिकारक बल आयन परिवहन प्रणाली में महत्वपूर्ण बीम वर्तमान हानि का कारण बन सकते हैं, जिससे शिखर धारा को सीमित किया जा सकता है जिसे त्वरित किया जा सकता है।हमारे डीपीआईएस में, उच्च तीव्रता वाले आयनों को बहते प्लाज्मा के रूप में सीधे आरएफक्यू एपर्चर के निकास बिंदु तक ले जाया जाता है, इसलिए स्पेस चार्ज के कारण आयन बीम का कोई नुकसान नहीं होता है।इस प्रदर्शन के दौरान, DPIS को पहली बार लिथियम-आयन बीम पर लागू किया गया था।
आरएफक्यू संरचना को कम ऊर्जा उच्च वर्तमान आयन बीम पर ध्यान केंद्रित करने और तेज करने के लिए विकसित किया गया था और यह पहले क्रम के त्वरण के लिए मानक बन गया है।हमने 22 keV/n से 204 keV/n की इम्प्लांट ऊर्जा से 7Li3+ आयनों को तेज करने के लिए RFQ का उपयोग किया।यद्यपि प्लाज्मा में कम चार्ज वाले लिथियम और अन्य कणों को भी प्लाज्मा से निकाला जाता है और आरएफक्यू एपर्चर में इंजेक्ट किया जाता है, आरएफक्यू लिनाक केवल 7Li3+ के करीब चार्ज-टू-मास अनुपात (क्यू/ए) के साथ आयनों को तेज करता है।
अंजीर पर.चित्र 4 चुंबक का विश्लेषण करने के बाद आरएफक्यू लिनैक और फैराडे कप (एफसी) के आउटपुट पर वर्तमान ट्रांसफार्मर (सीटी) द्वारा पता लगाए गए तरंग रूपों को दिखाता है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है।2. संकेतों के बीच समय परिवर्तन को डिटेक्टर के स्थान पर उड़ान के समय में अंतर के रूप में समझा जा सकता है।सीटी पर मापा गया शिखर आयन करंट 43 एमए था।आरटी स्थिति में, पंजीकृत बीम में न केवल गणना की गई ऊर्जा के लिए त्वरित आयन शामिल हो सकते हैं, बल्कि 7Li3+ के अलावा अन्य आयन भी हो सकते हैं, जो पर्याप्त रूप से त्वरित नहीं हैं।हालाँकि, QD और PC के माध्यम से पाए गए आयन वर्तमान रूपों की समानता इंगित करती है कि आयन धारा में मुख्य रूप से त्वरित 7Li3+ शामिल है, और PC पर धारा के शिखर मूल्य में कमी QD और के बीच आयन स्थानांतरण के दौरान बीम हानि के कारण होती है। पीसी.हानियाँ इसकी पुष्टि लिफ़ाफ़ा सिमुलेशन से भी होती है।7Li3+ बीम धारा को सटीक रूप से मापने के लिए, बीम का विश्लेषण एक द्विध्रुव चुंबक के साथ किया जाता है जैसा कि अगले भाग में बताया गया है।
त्वरित किरण के ऑसिलोग्राम डिटेक्टर स्थिति सीटी (काला वक्र) और एफसी (लाल वक्र) में दर्ज किए गए।ये माप लेज़र प्लाज्मा उत्पादन के दौरान एक फोटोडिटेक्टर द्वारा लेज़र विकिरण का पता लगाने से शुरू होते हैं।काला वक्र आरएफक्यू लिनाक आउटपुट से जुड़े सीटी पर मापा गया तरंगरूप दिखाता है।आरएफक्यू लिनाक से इसकी निकटता के कारण, डिटेक्टर 100 मेगाहर्ट्ज आरएफ शोर उठाता है, इसलिए डिटेक्शन सिग्नल पर लगाए गए 100 मेगाहर्ट्ज गुंजयमान आरएफ सिग्नल को हटाने के लिए 98 मेगाहर्ट्ज कम पास एफएफटी फिल्टर लागू किया गया था।विश्लेषणात्मक चुंबक द्वारा 7Li3+ आयन किरण को निर्देशित करने के बाद लाल वक्र FC पर तरंग रूप दिखाता है।इस चुंबकीय क्षेत्र में 7Li3+ के अलावा N6+ और O7+ का परिवहन किया जा सकता है।
आरएफक्यू लिनाक के बाद आयन किरण को तीन चतुर्ध्रुवीय फोकसिंग चुम्बकों की एक श्रृंखला द्वारा केंद्रित किया जाता है और फिर आयन किरण में अशुद्धियों को अलग करने के लिए द्विध्रुव चुम्बकों द्वारा विश्लेषण किया जाता है।0.268 T का चुंबकीय क्षेत्र 7Li3+ किरणों को FC में निर्देशित करता है।इस चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाने वाली तरंग को चित्र 4 में लाल वक्र के रूप में दिखाया गया है। पीक बीम करंट 35 mA तक पहुंचता है, जो मौजूदा पारंपरिक इलेक्ट्रोस्टैटिक एक्सेलेरेटर में उत्पादित सामान्य Li3+ बीम से 100 गुना अधिक है।बीम पल्स की चौड़ाई पूरी चौड़ाई पर अधिकतम आधी पर 2.0 μs है।द्विध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्र के साथ 7Li3+ किरण का पता लगाना सफल गुच्छन और किरण त्वरण का संकेत देता है।द्विध्रुव के चुंबकीय क्षेत्र को स्कैन करते समय एफसी द्वारा पता लगाया गया आयन बीम करंट चित्र 5 में दिखाया गया है। एक साफ एकल शिखर देखा गया, जो अन्य चोटियों से अच्छी तरह से अलग है।चूंकि आरएफक्यू लिनैक द्वारा डिज़ाइन ऊर्जा में त्वरित किए गए सभी आयनों की गति समान होती है, समान क्यू/ए वाले आयन बीम को द्विध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा अलग करना मुश्किल होता है।इसलिए, हम 7Li3+ को N6+ या O7+ से अलग नहीं कर सकते।हालाँकि, पड़ोसी चार्ज राज्यों से अशुद्धियों की मात्रा का अनुमान लगाया जा सकता है।उदाहरण के लिए, N7+ और N5+ को आसानी से अलग किया जा सकता है, जबकि N6+ अशुद्धता का हिस्सा हो सकता है और N7+ और N5+ के समान मात्रा में मौजूद होने की उम्मीद है।अनुमानित प्रदूषण स्तर लगभग 2% है।
बीम घटक स्पेक्ट्रा एक द्विध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्र को स्कैन करके प्राप्त किया जाता है।0.268 T पर शिखर 7Li3+ और N6+ से मेल खाता है।शिखर की चौड़ाई स्लिट पर बीम के आकार पर निर्भर करती है।व्यापक चोटियों के बावजूद, 7Li3+ 6Li3+, O6+ और N5+ से अच्छी तरह से अलग होता है, लेकिन O7+ और N6+ से खराब रूप से अलग होता है।
एफसी के स्थान पर, बीम प्रोफ़ाइल को प्लग-इन सिंटिलेटर के साथ पुष्टि की गई थी और एक तेज़ डिजिटल कैमरे के साथ रिकॉर्ड किया गया था जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है। 35 एमए के वर्तमान के साथ 7Li3+ स्पंदित बीम को गणना की गई आरएफक्यू में त्वरित दिखाया गया है 204 keV/n की ऊर्जा, जो 1.4 MeV से मेल खाती है, और FC डिटेक्टर को प्रेषित होती है।
बीम प्रोफाइल प्री-एफसी सिंटिलेटर स्क्रीन पर देखा गया (फिजी द्वारा रंगीन, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/)।विश्लेषणात्मक द्विध्रुव चुंबक के चुंबकीय क्षेत्र को Li3+ आयन किरण के त्वरण को डिज़ाइन ऊर्जा RFQ तक निर्देशित करने के लिए ट्यून किया गया था।हरे क्षेत्र में नीले बिंदु दोषपूर्ण सिंटिलेटर सामग्री के कारण होते हैं।
हमने एक ठोस लिथियम फ़ॉइल की सतह के लेजर एब्लेशन द्वारा 7Li3+ आयनों की पीढ़ी हासिल की, और एक उच्च वर्तमान आयन बीम को DPIS का उपयोग करके विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए RFQ लिनैक के साथ कैप्चर किया गया और त्वरित किया गया।1.4 MeV की बीम ऊर्जा पर, चुंबक के विश्लेषण के बाद 7Li3+ की चरम धारा 35 mA तक पहुंच गई।यह पुष्टि करता है कि व्युत्क्रम गतिकी के साथ न्यूट्रॉन स्रोत के कार्यान्वयन का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा प्रयोगात्मक रूप से लागू किया गया है।पेपर के इस भाग में, उच्च ऊर्जा त्वरक और न्यूट्रॉन लक्ष्य स्टेशनों सहित एक कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन स्रोत के संपूर्ण डिज़ाइन पर चर्चा की जाएगी।डिज़ाइन हमारी प्रयोगशाला में मौजूदा प्रणालियों से प्राप्त परिणामों पर आधारित है।यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लिथियम फ़ॉइल और आरएफक्यू लिनैक के बीच की दूरी को कम करके आयन बीम की चरम धारा को और बढ़ाया जा सकता है।चावल।7 त्वरक पर प्रस्तावित कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन स्रोत की संपूर्ण अवधारणा को दर्शाता है।
त्वरक पर प्रस्तावित कॉम्पैक्ट न्यूट्रॉन स्रोत का वैचारिक डिजाइन (फ्रीकैड द्वारा तैयार, 0.19, https://www.freecadweb.org/)।दाएं से बाएं: लेजर आयन स्रोत, सोलनॉइड चुंबक, आरएफक्यू लिनाक, मध्यम ऊर्जा किरण स्थानांतरण (एमईबीटी), आईएच लिनाक, और न्यूट्रॉन पीढ़ी के लिए इंटरेक्शन कक्ष।उत्पादित न्यूट्रॉन किरणों की संकीर्ण दिशा वाली प्रकृति के कारण विकिरण सुरक्षा मुख्य रूप से आगे की दिशा में प्रदान की जाती है।
आरएफक्यू लिनाक के बाद, इंटर-डिजिटल एच-स्ट्रक्चर (आईएच लिनाक)30 लिनाक के और त्वरण की योजना बनाई गई है।IH linacs गति की एक निश्चित सीमा पर उच्च विद्युत क्षेत्र ग्रेडिएंट प्रदान करने के लिए π-मोड ड्रिफ्ट ट्यूब संरचना का उपयोग करते हैं।वैचारिक अध्ययन 1डी अनुदैर्ध्य गतिशीलता सिमुलेशन और 3डी शैल सिमुलेशन के आधार पर किया गया था।गणना से पता चलता है कि उचित ड्रिफ्ट ट्यूब वोल्टेज (450 केवी से कम) और एक मजबूत फोकसिंग चुंबक के साथ 100 मेगाहर्ट्ज आईएच लिनैक 1.8 मीटर की दूरी पर 40 एमए बीम को 1.4 से 14 मेव तक तेज कर सकता है।त्वरक श्रृंखला के अंत में ऊर्जा वितरण ± 0.4 MeV अनुमानित है, जो न्यूट्रॉन रूपांतरण लक्ष्य द्वारा उत्पादित न्यूट्रॉन के ऊर्जा स्पेक्ट्रम को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करता है।इसके अलावा, बीम उत्सर्जन एक छोटे बीम स्थान पर ध्यान केंद्रित करने के लिए काफी कम है, जो सामान्य रूप से एक मध्यम शक्ति और आकार के चतुष्कोणीय चुंबक के लिए आवश्यक होता है।आरएफक्यू लिनैक और आईएच लिनैक के बीच मध्यम ऊर्जा बीम (एमईबीटी) संचरण में, बीमफॉर्मिंग रेज़ोनेटर का उपयोग बीमफॉर्मिंग संरचना को बनाए रखने के लिए किया जाता है।साइड बीम के आकार को नियंत्रित करने के लिए तीन चतुर्ध्रुव चुंबकों का उपयोग किया जाता है।इस डिज़ाइन रणनीति का उपयोग कई त्वरक 31,32,33 में किया गया है।आयन स्रोत से लक्ष्य कक्ष तक पूरे सिस्टम की कुल लंबाई 8 मीटर से कम होने का अनुमान है, जो एक मानक अर्ध-ट्रेलर ट्रक में फिट हो सकता है।
न्यूट्रॉन रूपांतरण लक्ष्य सीधे रैखिक त्वरक के बाद स्थापित किया जाएगा।हम व्युत्क्रम गतिज परिदृश्यों23 का उपयोग करते हुए पिछले अध्ययनों के आधार पर लक्ष्य स्टेशन डिजाइनों पर चर्चा करते हैं।रिपोर्ट किए गए रूपांतरण लक्ष्यों में ठोस सामग्री (पॉलीप्रोपाइलीन (C3H6) और टाइटेनियम हाइड्राइड (TiH2)) और गैसीय लक्ष्य प्रणालियाँ शामिल हैं।प्रत्येक लक्ष्य के फायदे और नुकसान हैं।ठोस लक्ष्य सटीक मोटाई नियंत्रण की अनुमति देते हैं।लक्ष्य जितना पतला होगा, न्यूट्रॉन उत्पादन की स्थानिक व्यवस्था उतनी ही सटीक होगी।हालाँकि, ऐसे लक्ष्यों में अभी भी कुछ हद तक अवांछित परमाणु प्रतिक्रियाएँ और विकिरण हो सकते हैं।दूसरी ओर, एक हाइड्रोजन लक्ष्य परमाणु प्रतिक्रिया के मुख्य उत्पाद 7Be के उत्पादन को समाप्त करके एक स्वच्छ वातावरण प्रदान कर सकता है।हालाँकि, हाइड्रोजन में कमजोर अवरोधक क्षमता होती है और पर्याप्त ऊर्जा जारी करने के लिए बड़ी भौतिक दूरी की आवश्यकता होती है।यह टीओएफ माप के लिए थोड़ा नुकसानदेह है।इसके अलावा, यदि हाइड्रोजन लक्ष्य को सील करने के लिए एक पतली फिल्म का उपयोग किया जाता है, तो पतली फिल्म और आपतित लिथियम किरण द्वारा उत्पन्न गामा किरणों की ऊर्जा हानि को ध्यान में रखना आवश्यक है।
LICORNE पॉलीप्रोपाइलीन लक्ष्यों का उपयोग करता है और लक्ष्य प्रणाली को टैंटलम फ़ॉइल से सील किए गए हाइड्रोजन कोशिकाओं में अपग्रेड किया गया है।7Li34 के लिए 100 nA का बीम करंट मानते हुए, दोनों लक्ष्य प्रणालियाँ 107 n/s/sr तक उत्पादन कर सकती हैं।यदि हम इस दावा किए गए न्यूट्रॉन उपज रूपांतरण को अपने प्रस्तावित न्यूट्रॉन स्रोत पर लागू करते हैं, तो प्रत्येक लेजर पल्स के लिए 7 × 10–8 C का लिथियम-चालित बीम प्राप्त किया जा सकता है।इसका मतलब यह है कि लेज़र को प्रति सेकंड केवल दो बार फायर करने से LICORNE की तुलना में 40% अधिक न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं, जो एक निरंतर किरण के साथ एक सेकंड में उत्पन्न हो सकता है।लेजर की उत्तेजना आवृत्ति को बढ़ाकर कुल प्रवाह को आसानी से बढ़ाया जा सकता है।यदि हम मान लें कि बाजार में 1 किलोहर्ट्ज़ लेजर प्रणाली है, तो औसत न्यूट्रॉन प्रवाह को आसानी से लगभग 7 × 109 n/s/sr तक बढ़ाया जा सकता है।
जब हम प्लास्टिक लक्ष्यों के साथ उच्च पुनरावृत्ति दर प्रणालियों का उपयोग करते हैं, तो लक्ष्यों पर गर्मी उत्पादन को नियंत्रित करना आवश्यक होता है क्योंकि, उदाहरण के लिए, पॉलीप्रोपाइलीन में 145-175 डिग्री सेल्सियस का कम पिघलने बिंदु और 0.1-0.22 डब्ल्यू / की कम तापीय चालकता होती है। एम/के.14 MeV लिथियम-आयन बीम के लिए, 7 µm मोटा पॉलीप्रोपाइलीन लक्ष्य बीम ऊर्जा को प्रतिक्रिया सीमा (13.098 MeV) तक कम करने के लिए पर्याप्त है।लक्ष्य पर एक लेज़र शॉट द्वारा उत्पन्न आयनों के कुल प्रभाव को ध्यान में रखते हुए, पॉलीप्रोपाइलीन के माध्यम से लिथियम आयनों की ऊर्जा रिहाई 64 एमजे/पल्स अनुमानित है।यह मानते हुए कि सारी ऊर्जा 10 मिमी व्यास वाले एक वृत्त में स्थानांतरित होती है, प्रत्येक पल्स लगभग 18 K/पल्स के तापमान में वृद्धि से मेल खाती है।पॉलीप्रोपाइलीन लक्ष्यों पर ऊर्जा विमोचन इस सरल धारणा पर आधारित है कि सभी ऊर्जा हानियों को ऊष्मा के रूप में संग्रहीत किया जाता है, जिसमें कोई विकिरण या अन्य ऊष्मा हानि नहीं होती है।चूंकि प्रति सेकंड दालों की संख्या बढ़ाने के लिए गर्मी संचय को खत्म करने की आवश्यकता होती है, हम उसी बिंदु23 पर ऊर्जा रिलीज से बचने के लिए स्ट्रिप लक्ष्य का उपयोग कर सकते हैं।100 हर्ट्ज की लेजर पुनरावृत्ति दर के साथ लक्ष्य पर 10 मिमी बीम स्पॉट मानते हुए, पॉलीप्रोपाइलीन टेप की स्कैनिंग गति 1 मीटर/सेकेंड होगी।यदि बीम स्पॉट ओवरलैप की अनुमति दी जाए तो उच्च पुनरावृत्ति दर संभव है।
हमने हाइड्रोजन बैटरी के साथ लक्ष्यों की भी जांच की, क्योंकि लक्ष्य को नुकसान पहुंचाए बिना मजबूत ड्राइव बीम का उपयोग किया जा सकता है।गैस चैम्बर की लंबाई और अंदर हाइड्रोजन दबाव को बदलकर न्यूट्रॉन बीम को आसानी से ट्यून किया जा सकता है।लक्ष्य के गैसीय क्षेत्र को निर्वात से अलग करने के लिए अक्सर त्वरक में पतली धातु की पन्नी का उपयोग किया जाता है।इसलिए, फ़ॉइल पर ऊर्जा हानि की भरपाई के लिए आपतित लिथियम-आयन बीम की ऊर्जा को बढ़ाना आवश्यक है।रिपोर्ट 35 में वर्णित लक्ष्य असेंबली में 1.5 एटीएम के एच2 गैस दबाव के साथ 3.5 सेमी लंबा एक एल्यूमीनियम कंटेनर शामिल था।16.75 MeV लिथियम आयन बीम एयर-कूल्ड 2.7 µm Ta फ़ॉइल के माध्यम से बैटरी में प्रवेश करती है, और बैटरी के अंत में लिथियम आयन बीम की ऊर्जा प्रतिक्रिया सीमा तक कम हो जाती है।लिथियम-आयन बैटरियों की बीम ऊर्जा को 14.0 MeV से 16.75 MeV तक बढ़ाने के लिए, IH लिनैक को लगभग 30 सेमी लंबा करना पड़ा।
गैस सेल लक्ष्यों से न्यूट्रॉन के उत्सर्जन का भी अध्ययन किया गया।उपरोक्त लिकोर्न गैस लक्ष्यों के लिए, GEANT436 सिमुलेशन से पता चलता है कि शंकु के अंदर अत्यधिक उन्मुख न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं, जैसा कि [37] में चित्र 1 में दिखाया गया है।संदर्भ 35 मुख्य बीम के प्रसार की दिशा के सापेक्ष 19.5° के अधिकतम शंकु उद्घाटन के साथ 0.7 से 3.0 MeV तक ऊर्जा सीमा दिखाता है।अत्यधिक उन्मुख न्यूट्रॉन अधिकांश कोणों पर परिरक्षण सामग्री की मात्रा को काफी कम कर सकते हैं, संरचना के वजन को कम कर सकते हैं और माप उपकरणों की स्थापना में अधिक लचीलापन प्रदान कर सकते हैं।विकिरण सुरक्षा के दृष्टिकोण से, न्यूट्रॉन के अलावा, यह गैसीय लक्ष्य केन्द्रक समन्वय प्रणाली38 में आइसोट्रोपिक रूप से 478 केवी गामा किरणों का उत्सर्जन करता है।ये γ-किरणें 7Be क्षय और 7Li विउत्तेजना के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती हैं, जो तब होता है जब प्राथमिक Li किरण इनपुट विंडो Ta से टकराती है।हालाँकि, एक मोटा 35 Pb/Cu बेलनाकार कोलाइमर जोड़कर, पृष्ठभूमि को काफी कम किया जा सकता है।
वैकल्पिक लक्ष्य के रूप में, कोई प्लाज्मा विंडो [39, 40] का उपयोग कर सकता है, जो अपेक्षाकृत उच्च हाइड्रोजन दबाव और न्यूट्रॉन पीढ़ी के एक छोटे स्थानिक क्षेत्र को प्राप्त करना संभव बनाता है, हालांकि यह ठोस लक्ष्यों से कमतर है।
हम GEANT4 का उपयोग करके अपेक्षित ऊर्जा वितरण और लिथियम आयन बीम के बीम आकार के लिए न्यूट्रॉन रूपांतरण लक्ष्यीकरण विकल्पों की जांच कर रहे हैं।हमारे सिमुलेशन उपरोक्त साहित्य में हाइड्रोजन लक्ष्यों के लिए न्यूट्रॉन ऊर्जा और कोणीय वितरण का लगातार वितरण दिखाते हैं।किसी भी लक्ष्य प्रणाली में, हाइड्रोजन-समृद्ध लक्ष्य पर एक मजबूत 7Li3+ किरण द्वारा संचालित व्युत्क्रम गतिज प्रतिक्रिया द्वारा अत्यधिक उन्मुख न्यूट्रॉन का उत्पादन किया जा सकता है।इसलिए, पहले से मौजूद प्रौद्योगिकियों को मिलाकर नए न्यूट्रॉन स्रोतों को लागू किया जा सकता है।
त्वरित प्रदर्शन से पहले लेजर विकिरण स्थितियों ने आयन किरण उत्पादन प्रयोगों को पुन: प्रस्तुत किया।लेज़र एक डेस्कटॉप नैनोसेकंड Nd:YAG प्रणाली है जिसमें लेज़र पावर घनत्व 1012 W/cm2, मौलिक तरंग दैर्ध्य 1064 एनएम, स्पॉट एनर्जी 800 mJ और पल्स अवधि 6 ns है।लक्ष्य पर स्पॉट व्यास 100 µm अनुमानित है।क्योंकि लिथियम धातु (अल्फा एज़र, 99.9% शुद्ध) काफी नरम होती है, सटीक रूप से कटी हुई सामग्री को सांचे में दबाया जाता है।फ़ॉइल आयाम 25 मिमी × 25 मिमी, मोटाई 0.6 मिमी।जब कोई लेज़र लक्ष्य से टकराता है तो उसकी सतह पर क्रेटर जैसी क्षति होती है, इसलिए प्रत्येक लेज़र शॉट के साथ लक्ष्य की सतह का एक नया हिस्सा प्रदान करने के लिए लक्ष्य को एक मोटर चालित प्लेटफ़ॉर्म द्वारा स्थानांतरित किया जाता है।अवशिष्ट गैस के कारण पुनर्संयोजन से बचने के लिए, कक्ष में दबाव 10-4 Pa की सीमा से नीचे रखा गया था।
लेज़र प्लाज़्मा की प्रारंभिक मात्रा छोटी है, क्योंकि लेज़र स्पॉट का आकार 100 μm है और इसके निर्माण के बाद 6 ns के भीतर है।आयतन को एक सटीक बिंदु के रूप में लिया जा सकता है और विस्तारित किया जा सकता है।यदि डिटेक्टर को लक्ष्य सतह से दूरी xm पर रखा गया है, तो प्राप्त सिग्नल संबंध का पालन करता है: आयन वर्तमान I, आयन आगमन समय t, और पल्स चौड़ाई τ।
उत्पन्न प्लाज्मा का अध्ययन टीओएफ विधि द्वारा एफसी और एक ऊर्जा आयन विश्लेषक (ईआईए) के साथ लेजर लक्ष्य से 2.4 मीटर और 3.85 मीटर की दूरी पर स्थित किया गया था।एफसी में इलेक्ट्रॉनों को रोकने के लिए -5 केवी द्वारा पक्षपाती एक दमन ग्रिड है।ईआईए में 90 डिग्री इलेक्ट्रोस्टैटिक डिफ्लेक्टर होता है जिसमें समान वोल्टेज लेकिन विपरीत ध्रुवता वाले दो समाक्षीय धातु बेलनाकार इलेक्ट्रोड होते हैं, जो बाहर की तरफ सकारात्मक और अंदर की तरफ नकारात्मक होते हैं।विस्तारित प्लाज्मा को स्लॉट के पीछे डिफ्लेक्टर में निर्देशित किया जाता है और सिलेंडर से गुजरने वाले विद्युत क्षेत्र द्वारा विक्षेपित किया जाता है।ई/जेड = ईकेयू संबंध को संतुष्ट करने वाले आयनों को एक माध्यमिक इलेक्ट्रॉन गुणक (एसईएम) (हमामात्सू आर2362) का उपयोग करके पता लगाया जाता है, जहां ई, जेड, ई, के, और यू आयन ऊर्जा, आवेश की स्थिति और आवेश ईआईए ज्यामितीय कारक हैं। .क्रमशः इलेक्ट्रॉन, और इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर।डिफ्लेक्टर में वोल्टेज को बदलकर, कोई प्लाज्मा में आयनों की ऊर्जा और चार्ज वितरण प्राप्त कर सकता है।स्वीप वोल्टेज U/2 EIA 0.2 V से 800 V तक की सीमा में है, जो 4 eV से 16 keV प्रति चार्ज अवस्था की सीमा में आयन ऊर्जा से मेल खाता है।
"पूरी तरह से स्ट्रिप्ड लिथियम बीम की पीढ़ी" अनुभाग में वर्णित लेजर विकिरण की स्थितियों के तहत विश्लेषण किए गए आयनों की चार्ज स्थिति के वितरण को अंजीर में दिखाया गया है।8.
आयनों के आवेश की स्थिति के वितरण का विश्लेषण।यहां ईआईए के साथ आयन वर्तमान घनत्व समय प्रोफ़ाइल का विश्लेषण किया गया है और समीकरण का उपयोग करके लिथियम फ़ॉइल से 1 मीटर पर स्केल किया गया है।(1) और (2)."पूरी तरह से एक्सफ़ोलीएटेड लिथियम बीम का निर्माण" अनुभाग में वर्णित लेजर विकिरण स्थितियों का उपयोग करें।प्रत्येक वर्तमान घनत्व को एकीकृत करके, प्लाज्मा में आयनों के अनुपात की गणना की गई, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।
लेजर आयन स्रोत उच्च चार्ज के साथ एक तीव्र मल्टी-एमए आयन किरण प्रदान कर सकते हैं।हालाँकि, स्पेस चार्ज प्रतिकर्षण के कारण बीम डिलीवरी बहुत कठिन है, इसलिए इसका व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया।पारंपरिक योजना में, आयन बीम को प्लाज्मा से निकाला जाता है और त्वरक की पिकअप क्षमता के अनुसार आयन बीम को आकार देने के लिए कई फोकसिंग मैग्नेट के साथ बीम लाइन के साथ प्राथमिक त्वरक तक पहुंचाया जाता है।अंतरिक्ष चार्ज बल बीम में, किरणें गैर-रैखिक रूप से अलग हो जाती हैं, और गंभीर बीम हानि देखी जाती है, खासकर कम वेग के क्षेत्र में।चिकित्सा कार्बन त्वरक के विकास में इस समस्या को दूर करने के लिए, एक नई DPIS41 बीम डिलीवरी योजना प्रस्तावित है।हमने एक नए न्यूट्रॉन स्रोत से शक्तिशाली लिथियम-आयन बीम को तेज करने के लिए इस तकनीक को लागू किया है।
जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।4, वह स्थान जिसमें प्लाज्मा उत्पन्न और विस्तारित होता है, एक धातु कंटेनर से घिरा हुआ है।संलग्न स्थान आरएफक्यू रेज़ोनेटर के प्रवेश द्वार तक फैला हुआ है, जिसमें सोलनॉइड कॉइल के अंदर की मात्रा भी शामिल है।कंटेनर पर 52 kV का वोल्टेज लगाया गया था।आरएफक्यू रेज़ोनेटर में, आयनों को आरएफक्यू को ग्राउंड करके 6 मिमी व्यास वाले छेद के माध्यम से संभावित रूप से खींचा जाता है।जैसे ही आयनों को प्लाज्मा अवस्था में ले जाया जाता है, बीम लाइन पर गैर-रैखिक प्रतिकारक बल समाप्त हो जाते हैं।इसके अलावा, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, हमने निष्कर्षण एपर्चर में आयनों के घनत्व को नियंत्रित करने और बढ़ाने के लिए डीपीआईएस के साथ संयोजन में एक सोलनॉइड क्षेत्र लागू किया।
आरएफक्यू त्वरक में एक बेलनाकार वैक्यूम कक्ष होता है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।9ए.इसके अंदर, ऑक्सीजन मुक्त तांबे की चार छड़ें बीम अक्ष के चारों ओर चतुर्भुज-सममित रूप से रखी जाती हैं (चित्र 9बी)।4 छड़ें और कक्ष एक गुंजयमान आरएफ सर्किट बनाते हैं।प्रेरित आरएफ क्षेत्र रॉड पर समय-परिवर्तनशील वोल्टेज बनाता है।अक्ष के चारों ओर अनुदैर्ध्य रूप से प्रत्यारोपित आयनों को चतुर्भुज क्षेत्र द्वारा पार्श्व रूप से धारण किया जाता है।उसी समय, एक अक्षीय विद्युत क्षेत्र बनाने के लिए रॉड की नोक को मॉड्यूलेट किया जाता है।अक्षीय क्षेत्र इंजेक्ट किए गए निरंतर बीम को बीम दालों की एक श्रृंखला में विभाजित करता है जिसे बीम कहा जाता है।प्रत्येक किरण एक निश्चित आरएफ चक्र समय (10 एनएस) के भीतर समाहित होती है।निकटवर्ती बीमों को रेडियो फ्रीक्वेंसी अवधि के अनुसार दूरी पर रखा जाता है।आरएफक्यू लिनैक में, लेजर आयन स्रोत से 2 μs बीम को 200 बीम के अनुक्रम में परिवर्तित किया जाता है।फिर किरण को गणना की गई ऊर्जा तक त्वरित किया जाता है।
रैखिक त्वरक आरएफक्यू।(ए) (बाएं) आरएफक्यू लिनाक कक्ष का बाहरी दृश्य।(बी) (दाएं) कक्ष में चार-रॉड इलेक्ट्रोड।
आरएफक्यू लिनैक के मुख्य डिजाइन पैरामीटर रॉड वोल्टेज, अनुनाद आवृत्ति, बीम छेद त्रिज्या और इलेक्ट्रोड मॉड्यूलेशन हैं।रॉड पर वोल्टेज ± 29 kV का चयन करें ताकि इसका विद्युत क्षेत्र विद्युत ब्रेकडाउन सीमा से नीचे हो।गुंजयमान आवृत्ति जितनी कम होगी, पार्श्व फोकसिंग बल उतना ही अधिक होगा और औसत त्वरण क्षेत्र उतना ही छोटा होगा।बड़े एपर्चर रेडी से बीम का आकार बढ़ाना संभव हो जाता है और परिणामस्वरूप, छोटे स्पेस चार्ज प्रतिकर्षण के कारण बीम करंट में वृद्धि होती है।दूसरी ओर, बड़े एपर्चर रेडी को आरएफक्यू लिनाक को पावर देने के लिए अधिक आरएफ पावर की आवश्यकता होती है।इसके अलावा, यह साइट की गुणवत्ता आवश्यकताओं द्वारा सीमित है।इन संतुलनों के आधार पर, उच्च-वर्तमान बीम त्वरण के लिए गुंजयमान आवृत्ति (100 मेगाहर्ट्ज) और एपर्चर त्रिज्या (4.5 मिमी) को चुना गया था।बीम हानि को कम करने और त्वरण दक्षता को अधिकतम करने के लिए मॉड्यूलेशन को चुना जाता है।आरएफक्यू लिनैक डिज़ाइन तैयार करने के लिए डिज़ाइन को कई बार अनुकूलित किया गया है जो 2 मीटर के भीतर 22 केवी/एन से 204 केवी/एन तक 40 एमए पर 7Li3+ आयनों को तेज कर सकता है।प्रयोग के दौरान मापी गई आरएफ शक्ति 77 किलोवाट थी।
आरएफक्यू लिनैक एक विशिष्ट क्यू/ए रेंज के साथ आयनों को तेज कर सकता है।इसलिए, एक रैखिक त्वरक के अंत में खिलाए गए बीम का विश्लेषण करते समय, आइसोटोप और अन्य पदार्थों को ध्यान में रखना आवश्यक है।इसके अलावा, वांछित आयन, आंशिक रूप से त्वरित, लेकिन त्वरक के बीच में त्वरण स्थितियों के तहत उतरे, अभी भी पार्श्व कारावास को पूरा कर सकते हैं और अंत तक ले जाया जा सकता है।इंजीनियर्ड 7Li3+ कणों के अलावा अन्य अवांछित किरणों को अशुद्धियाँ कहा जाता है।हमारे प्रयोगों में, 14N6+ और 16O7+ अशुद्धियाँ सबसे बड़ी चिंता का विषय थीं, क्योंकि लिथियम धातु की पन्नी हवा में ऑक्सीजन और नाइट्रोजन के साथ प्रतिक्रिया करती है।इन आयनों में Q/A अनुपात होता है जिसे 7Li3+ के साथ त्वरित किया जा सकता है।हम आरएफक्यू लिनैक के बाद बीम विश्लेषण के लिए विभिन्न गुणवत्ता और गुणवत्ता के बीम को अलग करने के लिए द्विध्रुवीय चुंबक का उपयोग करते हैं।
आरएफक्यू लिनाक के बाद बीम लाइन को द्विध्रुव चुंबक के बाद एफसी को पूरी तरह से त्वरित 7Li3+ बीम देने के लिए डिज़ाइन किया गया है।आयन बीम करंट को सटीक रूप से मापने के लिए कप में द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों को दबाने के लिए -400 V बायस इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है।इस प्रकाशिकी के साथ, आयन प्रक्षेप पथ को द्विध्रुवों में अलग किया जाता है और क्यू/ए के आधार पर विभिन्न स्थानों पर केंद्रित किया जाता है।संवेग प्रसार और अंतरिक्ष आवेश प्रतिकर्षण जैसे विभिन्न कारकों के कारण, फोकस पर किरण की एक निश्चित चौड़ाई होती है।प्रजातियों को केवल तभी अलग किया जा सकता है जब दो आयन प्रजातियों की फोकल स्थिति के बीच की दूरी बीम की चौड़ाई से अधिक हो।उच्चतम संभव रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए, बीम कमर के पास एक क्षैतिज स्लिट स्थापित किया जाता है, जहां बीम व्यावहारिक रूप से केंद्रित होती है।स्लिट और पीसी के बीच सेंट-गोबेन से एक जगमगाहट स्क्रीन (सीएसआई (टीएल), 40 मिमी × 40 मिमी × 3 मिमी) स्थापित की गई थी।सिंटिलेटर का उपयोग सबसे छोटे स्लिट को निर्धारित करने के लिए किया गया था जिससे डिज़ाइन किए गए कणों को इष्टतम रिज़ॉल्यूशन के लिए गुजरना था और उच्च वर्तमान भारी आयन बीम के लिए स्वीकार्य बीम आकार प्रदर्शित करना था।सिंटिलेटर पर किरण छवि एक सीसीडी कैमरे द्वारा वैक्यूम विंडो के माध्यम से रिकॉर्ड की जाती है।संपूर्ण बीम पल्स चौड़ाई को कवर करने के लिए एक्सपोज़र टाइम विंडो को समायोजित करें।
वर्तमान अध्ययन में प्रयुक्त या विश्लेषण किए गए डेटासेट उचित अनुरोध पर संबंधित लेखकों से उपलब्ध हैं।
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