Demostración de un intenso haz de litio para avance

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14016 (2022) Citar este artículo

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Como alternativa a los reactores nucleares de investigación, un generador de neutrones compacto impulsado por un acelerador que utiliza un controlador de haz de litio podría ser un candidato prometedor ya que casi no produce radiación no deseada. Sin embargo, proporcionar un haz intenso de iones de litio ha sido difícil y se pensó que la aplicación práctica de dicho dispositivo sería imposible. El problema más crítico de los flujos de iones insuficientes se ha resuelto aplicando un esquema de inyección directa de plasma. En este esquema, un plasma pulsado de alta densidad de una lámina de litio metálico generado por ablación con láser se inyecta y acelera de manera eficiente mediante un acelerador lineal de cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ linac). Hemos obtenido una corriente de haz máxima de 35 mA acelerada a 1,43 MeV, que es dos órdenes de magnitud más alta de lo que puede ofrecer un sistema de inyector y acelerador convencional.

Los neutrones, a diferencia de los rayos X o las partículas cargadas, tienen una alta profundidad de penetración e interacciones únicas con la materia condensada, lo que los convierte en sondas extremadamente versátiles para investigar las propiedades de los materiales1,2,3,4,5,6,7. En particular, las técnicas de dispersión de neutrones se utilizan a menudo para estudiar la composición, la estructura y la tensión interna de la materia condensada y pueden brindar información detallada sobre compuestos menores en aleaciones metálicas que son difíciles de detectar mediante espectroscopia de rayos X8. Esta técnica se considera una herramienta poderosa en la ciencia básica y ha sido adoptada por los fabricantes de metales y otros materiales. Más recientemente, la difracción de neutrones ha comenzado a aplicarse para detectar tensiones residuales en componentes mecánicos como rieles y partes de aeronaves9,10,11,12. Los neutrones también se están utilizando en pozos para buscar petróleo y gas porque pueden capturarse fácilmente en materiales ricos en protones13. También se están utilizando técnicas similares en el campo de la ingeniería civil. Las pruebas de neutrones no destructivas son una herramienta eficaz para detectar fallas ocultas en edificios, túneles y puentes. Las aplicaciones de los haces de neutrones se han utilizado activamente tanto en la investigación científica como en la industria, y muchas de estas tecnologías históricamente se han desarrollado utilizando reactores nucleares.

Sin embargo, con el consenso mundial sobre la no proliferación nuclear, la construcción de pequeños reactores con fines de investigación se está volviendo más difícil. Además, el reciente accidente nuclear de Fukushima ha hecho que la construcción de reactores nucleares sea casi inaceptable socialmente. Con esta tendencia, la demanda de fuentes de neutrones impulsadas por aceleradores está aumentando2. Varias grandes instalaciones de fuentes de neutrones por espalación impulsadas por aceleradores ya han estado en funcionamiento como alternativa a los reactores nucleares14,15. Sin embargo, para utilizar las características del haz de neutrones de manera más efectiva, es esencial promover el uso de fuentes compactas impulsadas por aceleradores que puedan ser propiedad de instalaciones de investigación de escala industrial y universitaria16. Una fuente de neutrones impulsada por un acelerador agrega nuevas funciones y características además de servir como reemplazo de un reactor nuclear14. Por ejemplo, un generador accionado por un acelerador lineal puede pulsar fácilmente el flujo de neutrones manipulando el haz conductor. Los neutrones son difíciles de controlar una vez que se emiten, y las mediciones de radiación son difíciles de analizar debido al ruido causado por los neutrones de fondo. Los neutrones pulsados impulsados por aceleradores pueden evitar este problema. Se han propuesto algunos proyectos basados en tecnología de aceleradores de protones en todo el mundo17,18,19. Las reacciones más populares utilizadas en un generador de neutrones compacto impulsado por protones son 7Li(p, n)7Be y 9Be(p, n)9B porque son reacciones endotérmicas20. Si la energía del haz de protones conductor se selecciona justo por encima del valor umbral, se pueden minimizar la radiación excesiva y los desechos radiactivos. Sin embargo, la masa del núcleo objetivo es mucho mayor que la del protón y los neutrones generados se dispersan en todas direcciones. Esta emisión casi isotrópica de flujo de neutrones impide un transporte eficiente de neutrones al objeto de estudio. Además, para producir la dosis de neutrones requerida en la posición del objeto, tanto el número de protones conductores como su energía deben aumentar considerablemente. Como resultado, una alta dosis de rayos γ y neutrones se distribuirá en grandes ángulos y estropeará las ventajas de las reacciones endotérmicas. Un típico generador de neutrones compacto impulsado por un acelerador basado en protones tiene un fuerte blindaje para la protección contra la radiación, y es la parte más masiva del sistema. La necesidad de aumentar la energía del protón conductor normalmente requiere un aumento adicional en el tamaño de la instalación de aceleración.

Para superar el inconveniente común de las fuentes de neutrones compactas impulsadas por aceleradores convencionales, se ha propuesto un esquema de reacción cinemática inversa21. En este esquema, se utiliza un haz de iones de litio más pesado como haz conductor en lugar del haz de protones, y el objetivo es un material rico en hidrógeno, como plásticos de hidrocarburos, hidruros, gas de hidrógeno o plasma de hidrógeno. Se ha considerado una alternativa, como un haz conductor de iones de berilio; sin embargo, el berilio es un material tóxico y necesita atención especial para su manipulación. Por lo tanto, el litio es el haz más adecuado para el esquema de reacción cinemática inversa. Dado que la cantidad de movimiento de un núcleo de litio es mayor que la de un protón, el centro de masa de la colisión nuclear sigue avanzando y los neutrones también se emiten en la dirección de avance. Esta característica elimina en gran medida los rayos γ no deseados y las emisiones de neutrones en ángulos grandes22. La comparación del caso del conductor de protones convencional y el escenario cinemático inverso se ilustra en la Fig. 1.

Ilustración del ángulo de producción de neutrones para un haz conductor de protones versus litio (dibujado con Adobe Illustrator CS5, 15.1.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html). (a) Los neutrones pueden ser expulsados en cualquier dirección por esta reacción, ya que el protón conductor incide sobre un átomo objetivo de litio mucho más pesado. (b) Por el contrario, si un conductor de iones de litio bombardea un objetivo rico en hidrógeno, los neutrones se generan dentro de un cono estrecho en dirección hacia adelante, debido a la gran velocidad del centro de masa del sistema.

Sin embargo, debido a la dificultad de producir el flujo necesario de iones pesados de alto estado de carga en comparación con los protones, solo existían unos pocos generadores de neutrones con la configuración cinemática inversa23,24,25. Todas estas instalaciones utilizan fuentes de iones de pulverización negativa combinadas con aceleradores electrostáticos en tándem. Hay propuestas para utilizar otros tipos de fuente de iones para aumentar la eficiencia de la aceleración del haz26. En cualquier caso, la corriente disponible del haz de iones de litio está limitada a solo 100 μA. Existe una propuesta para usar 1 mA de Li3+27, pero esta corriente de haz de iones que utiliza este método aún no se ha confirmado. En cuanto a la intensidad, los aceleradores impulsados por haces de litio no han podido competir con los aceleradores impulsados por haces de protones, que son capaces de generar picos de corriente de protones superiores a 10 mA28.

Para realizar un generador de neutrones compacto práctico basado en un haz de litio, es favorable producir iones totalmente despojados de alta intensidad. Los iones son acelerados y guiados por la fuerza electromagnética, y el estado de carga superior contribuye a una aceleración más eficiente. El controlador de haz de iones de litio requiere más de 10 mA de corriente máxima de Li3+.

En este trabajo, demostramos la aceleración del haz de Li3+ con una corriente máxima de hasta 35 mA, comparable a un acelerador de protones avanzado. El haz de iones de litio inicial se creó mediante ablación láser y se aplicó un esquema de inyección directa de plasma (DPIS), desarrollado originalmente para la aceleración C6+. Se fabricó un acelerador lineal de cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ linac) especialmente diseñado utilizando una estructura resonante de cuatro varillas29. Verificamos que el haz acelerado tuviera la energía del haz diseñado con alta pureza. Una vez que el haz de Li3+ es capturado y acelerado de manera eficiente por un acelerador de radiofrecuencia (RF), se puede usar una sección de acelerador lineal (linac) posterior para proporcionar la energía deseada para producir un intenso flujo de neutrones desde el objetivo.

La aceleración de iones de alto flujo es una técnica que ya está bien establecida. Las tareas restantes para la realización del generador de neutrones compacto novedoso y eficiente son la generación de una gran cantidad de iones de litio completamente despojados y la formación de una estructura de racimo, que consiste en un tren de pulsos de iones sincronizados con el período de RF en el acelerador. Los resultados de los experimentos diseñados para lograr este objetivo se describirán en las siguientes tres subsecciones: (1) la generación del haz de iones de litio completamente despojado, (2) la aceleración del haz mediante un acelerador lineal RFQ especialmente diseñado y (3) el análisis del haz acelerado para verificar su contenido. En el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL), construimos la configuración experimental que se muestra en la Fig. 2.

Descripción general del aparato experimental utilizado para el análisis de haz de los haces de litio acelerados (ilustrado por Inkscape, 1.0.2, https://inkscape.org/). De derecha a izquierda, se produce un plasma de ablación láser en la cámara de interacción láser-objetivo y se transporta hacia el RFQ linac. Al ingresar al RFQ linac, los iones se separan del plasma y se inyectan en el RFQ linac mediante un campo eléctrico abrupto generado por una diferencia de voltaje de 52 kV entre el electrodo de extracción de la región de deriva y los electrodos RFQ. Los iones extraídos se aceleran de 22 a 204 keV/n mientras son guiados por los electrodos RFQ de 2 m de largo. Un transformador de corriente (CT), instalado a la salida del linac RFQ, proporciona una medición no destructiva de la corriente del haz de iones. El haz es enfocado por tres imanes de cuadrupolo y guiado a un imán de dipolo que se utiliza para seleccionar el haz de Li3+ y convertirlo en un detector. Detrás de una rendija, se utilizan un centelleador de plástico retráctil y una copa de Faraday (FC) polarizada a -400 V para detectar el haz acelerado.

Para producir iones de litio (Li3+) totalmente ionizados, es necesario generar un plasma con una temperatura superior a su tercera energía de ionización, que es de 122,4 eV. Hemos intentado generar plasmas de alta temperatura usando ablación láser. Este tipo de fuente de iones láser no se ha utilizado comúnmente para generar haces de iones de litio, ya que el litio metálico es químicamente activo y requiere un manejo especial. Desarrollamos un sistema de carga objetivo para minimizar la contaminación causada por la humedad y el aire cuando se instaló la lámina de litio en la cámara de vacío de interacción láser. Toda la preparación del material se realizó en un ambiente controlado de gas argón seco. Una vez que la lámina de litio se montó en la cámara del objetivo del láser, la lámina se irradió con un láser pulsado de Nd:YAG con una energía de 800 mJ por disparo. La densidad de potencia del láser se estimó en aproximadamente 1012 W/cm2 en el punto focal del objetivo. Cuando el láser pulsado ablaciona el objetivo en el vacío, se genera un plasma. El plasma continúa calentándose durante los 6 ns del pulso láser, principalmente por el proceso inverso de Bremsstrahlung. Dado que no se aplica un campo externo de confinamiento durante la etapa de calentamiento, el plasma comienza a expandirse tridimensionalmente. Cuando el plasma comienza a expandirse en la superficie del objetivo, el centro de masa del plasma adquiere una velocidad perpendicular a la superficie del objetivo con una energía de 600 eV/n. Después del calentamiento, el plasma continúa alejándose del objetivo axialmente mientras se expande isotrópicamente.

Como se muestra en la Fig. 2, el plasma de ablación se expande en un volumen de vacío rodeado por un recipiente de metal que tiene el mismo potencial que el objetivo. Por lo tanto, el plasma se desplaza en la dirección del linac RFQ a través de una región libre de campo eléctrico. Se aplica un campo magnético axial entre la cámara de irradiación láser y el acelerador lineal RFQ mediante una bobina de solenoide enrollada alrededor de la cámara de vacío. El campo magnético solenoidal suprime la expansión radial del plasma a la deriva para preservar la alta densidad del plasma durante el transporte a la apertura RFQ. Por otro lado, el plasma continúa expandiéndose axialmente durante la deriva, formando un plasma alargado. Se aplica una polarización de alto voltaje al contenedor de metal que encierra el plasma hasta la apertura de extracción en la entrada de RFQ. El voltaje de polarización se selecciona para proporcionar la velocidad de inyección de 7Li3+ necesaria para que el acelerador lineal RFQ acelere correctamente.

El plasma de ablación generado contiene no solo 7Li3+, sino también otros estados de carga de litio y elementos contaminantes, que se transportan simultáneamente al RFQ linac. Antes de los experimentos de aceleración con el RFQ linac, se realizó un análisis de tiempo de vuelo (TOF) fuera de línea para investigar las especies y las distribuciones de energía de los iones en el plasma. El aparato de análisis detallado y la distribución del estado de carga observado se explicarán en la sección "Métodos". El análisis mostró que los iones 7Li3+ eran las especies predominantes, que ocupan alrededor del 54 % del número total de partículas, como se muestra en la Fig. 3. Según el análisis, se estimó que la corriente de iones eléctricos de 7Li3+ en el punto de extracción del haz de iones era 1,87 mA. Durante la prueba de aceleración, se aplicó un campo de solenoide de 79 mT al plasma en expansión. Como resultado, la corriente de 7Li3+ extraída del plasma y observada en el detector aumentó en un factor de treinta.

Fracción de iones en el plasma producido por láser obtenido mediante análisis de tiempo de vuelo. Los iones de 7Li1+ y 7Li2+ constituyen el 5 % y el 25 % del haz, respectivamente. Dentro del error experimental, la fracción de especies de 6Li detectada es consistente con la abundancia natural de 6Li (7,6 %) en el objetivo de lámina de litio. Se observó una pequeña cantidad de contaminación por oxígeno (6,2 %), principalmente O1+ (2,1 %) y O2+ (1,5 %), que podría deberse a la oxidación superficial del objetivo de lámina de litio.

El plasma de litio se desplaza en una región libre de campo eléctrico antes de llegar al linac RFQ como se mencionó anteriormente. A la entrada del linac RFQ existe un orificio de 6 mm de diámetro en el contenedor metálico, el cual está polarizado a 52 kV. El voltaje da como resultado una aceleración axial ya que los electrodos del acelerador RFQ tienen potencial cero en promedio, aunque el voltaje de los electrodos RFQ alterna rápidamente ± 29 kV a 100 MHz. Debido a que se crea un fuerte campo eléctrico en un espacio de 10 mm entre el orificio y el borde de los electrodos RFQ, solo los iones positivos del plasma se extraen del plasma en el orificio. En un sistema de transporte de iones convencional, los iones se separan de un plasma mediante un campo eléctrico a una distancia considerable antes de un acelerador lineal RFQ y luego se enfocan en la apertura RFQ mediante elementos de enfoque de haz. Sin embargo, para haces de iones pesados e intensos necesarios para fuentes de neutrones intensas, una fuerza de repulsión no lineal debida al efecto de la carga espacial provoca una pérdida de haz significativa en el sistema de transporte de iones, lo que limita la corriente máxima que se puede acelerar. En nuestro DPIS, los iones de alta intensidad se transportan como un plasma a la deriva directamente al punto de extracción en la apertura RFQ para que no se produzca una pérdida del haz de iones debido a la carga espacial. El DPIS se aplicó a un haz de iones de litio por primera vez durante la presente demostración.

Las estructuras RFQ se desarrollaron para agrupar y acelerar haces de iones de alta corriente y baja energía y se convirtieron en estándar para la primera etapa de aceleración. Usamos una RFQ para acelerar iones 7Li3+ desde la energía de inyección de 22 keV/n a 204 keV/n. Aunque el litio en estado de carga inferior y otras especies en el plasma también se extrajeron del plasma y se inyectaron en la apertura de RFQ, solo los iones con una relación de carga a masa (Q/A) cercana a la de 7Li3+ podrían ser acelerados por el RFQ linac.

La figura 4 muestra las formas de onda detectadas por un transformador de corriente (CT) a la salida del linac RFQ y por una copa de Faraday (FC) después del imán de análisis, como se muestra en la figura 2. El cambio de tiempo entre las formas de onda se puede explicar por la diferencia de TOF en las ubicaciones de los detectores. La corriente de iones máxima medida en el CT fue de 43 mA. En la posición CT, el haz detectado podría contener no solo iones que se hayan acelerado a la energía diseñada, sino también iones distintos de 7Li3+ que no se hayan acelerado lo suficiente. Sin embargo, la similitud de las formas de onda de la corriente de iones detectada por el CT y el FC implica que la corriente de iones consiste principalmente en 7Li3+ acelerado y la disminución del pico de corriente en el FC fue causada por la pérdida del haz durante el transporte de iones entre el CT y el FC. . La pérdida del haz también se confirmó mediante una simulación de envolvente. Para medir con precisión la corriente del haz de 7Li3+, este haz fue analizado por un imán dipolar como se explica en la siguiente sección.

Formas de onda del haz acelerado registradas en las ubicaciones de los detectores CT (trazo negro) y FC (trazo rojo). Estas mediciones fueron activadas por la luz láser detectada por un fotodetector cuando se generó un plasma producido por láser. La curva negra muestra una forma de onda medida en el CT conectado a la salida del linac RFQ. Debido a que este detector capta ruido de RF de 100 MHz debido a la proximidad del detector al linac de RFQ, se aplicó un filtro FFT de paso bajo de 98 MHz para eliminar la señal de RF resonante de 100 MHz impuesta sobre la señal detectada. La curva roja muestra una forma de onda en el FC después del imán de análisis que guía el haz de iones 7Li3+. En este campo magnético, se pueden transportar N6+ y O7+ además de 7Li3+.

El haz de iones después del RFQ linac fue enfocado por una serie de tres imanes de enfoque cuadrupolares, luego analizados por un imán dipolar para separar las impurezas en el haz. Un campo magnético de 0,268 T dirigió el haz de 7Li3+ al FC. La forma de onda detectada con este campo magnético se muestra mediante la curva roja en la Fig. 4. La corriente máxima del haz alcanzó los 35 mA, que es más de 100 veces mayor que la de un haz típico de Li3+ obtenido en un acelerador electrostático convencional existente. El ancho del pulso del haz fue de 2,0 μs en todo el ancho a la mitad del máximo. La detección del haz de 7Li3+ con el campo magnético dipolar indica el éxito del agrupamiento y la aceleración del haz. La corriente del haz de iones detectada por el FC al escanear el campo magnético del dipolo se muestra en la Fig. 5. Se observó un solo pico limpio y está bien separado de los otros picos. Dado que todos los iones acelerados a la energía de diseño por el RFQ linac tienen la misma velocidad, es difícil separar los haces con un Q/A similar mediante un campo magnético dipolar. Por lo tanto, no pudimos distinguir 7Li3+ de N6+ u O7+. Sin embargo, la cantidad de impurezas se puede estimar a partir de estados de carga adyacentes. Por ejemplo, N7+ y N5+ se pueden separar fácilmente, y se prevé que N6+, que puede ser parte de la impureza, sea aproximadamente la misma cantidad que N7+ y N5+. La cantidad de contaminación se estimó en alrededor del 2%.

Espectro de los constituyentes del haz obtenido al escanear el campo magnético dipolar. El pico a 0,268 T corresponde a 7Li3+ y N6+. El ancho del pico depende del tamaño del haz en la rendija. A pesar del ancho del pico, 7Li3+ está bien separado de 6Li3+, O6+ y N5+ pero no de O7+ y N6+.

En la posición del FC, el perfil del haz se confirmó utilizando un centelleador insertable y se registró con una cámara digital rápida, como se muestra en la Fig. 6. El resultado indicó que 35 mA del haz pulsado de 7Li3+ se aceleró a la energía de diseño RFQ de 204 keV /n, que corresponde a 1,4 MeV, y se transporta hasta el detector FC.

Perfil de haz observado en una pantalla de centelleo antes del FC (coloreado por Fiji, 2.3.0, https://imagej.net/software/fiji/). El campo magnético del imán dipolar de análisis se configuró para guiar el haz de iones Li3+ acelerado a la energía de diseño RFQ. La mancha azul en el área verde se debe a un material de centelleo defectuoso.

Logramos la producción de iones 7Li3+ mediante la ablación de la superficie de una lámina de litio sólida con el láser, y los haces de iones de alta corriente fueron capturados y acelerados por el linac RFQ especialmente diseñado utilizando el DPIS. La corriente máxima de 7Li3+ alcanzada en el FC después del imán de análisis fue de 35 mA a una energía de haz de 1,4 MeV. Esto verifica que la parte más crítica en la realización de una fuente de neutrones de cinemática inversa se ha logrado experimentalmente. En esta sección del documento, se analizará todo el diseño compacto de la fuente de neutrones, incluido un acelerador de alta energía y una estación de blanco de neutrones. El diseño se basa en los resultados obtenidos con el sistema existente en nuestro laboratorio. Cabe señalar que la corriente máxima del haz de iones podría aumentar aún más al acortar la distancia entre la lámina de litio y el acelerador lineal RFQ. La figura 7 ilustra el concepto completo de la fuente de neutrones impulsada por un acelerador compacta propuesta.

Diseño conceptual de la fuente de neutrones compacta impulsada por acelerador propuesta (dibujado por Freecad, 0.19, https://www.freecadweb.org/). De derecha a izquierda: fuente de iones láser, imán de solenoide, linac RFQ, transporte de haz de energía media (MEBT), linac IH y cámara de interacción para la generación de neutrones. Dado que el haz de neutrones generado es fuertemente direccional, el blindaje contra la radiación se proporciona principalmente en la dirección de avance.

Después de un RFQ linac, se planea un acelerador lineal de estructura H interdigital (IH linac)30 para una mayor aceleración. El linac IH proporciona un gradiente de campo eléctrico alto para el rango de velocidad particular, utilizando una estructura de tubo de deriva de modo π. Se realizó un estudio conceptual basado en una simulación dinámica longitudinal 1D y una simulación envolvente 3D. El cálculo mostró que un linac IH de 100 MHz con un voltaje de tubo de deriva razonable (menos de 450 kV) y fuerzas de imán de enfoque pueden acelerar un haz de 40 mA de 1,4 a 14 MeV en 1,8 m. Se estima que la dispersión de energía al final de la cadena del acelerador es de ± 0,4 MeV, lo que no tiene un impacto significativo en el espectro de energía de los neutrones producidos en el objetivo de conversión de neutrones. Además, la emitancia del haz es lo suficientemente baja como para permitir el enfoque de los haces en un punto de haz más pequeño que el que normalmente se requiere utilizando imanes de cuadrupolo de fuerza y tamaño modestos. En un transporte de haz de energía media (MEBT) entre el linac RFQ y el linac IH, se utiliza un resonador agrupador para preservar la estructura del agrupamiento. Para controlar el tamaño del haz en la dirección transversal, se utilizan tres imanes de cuadrupolo. Esta estrategia de diseño se ha utilizado en muchas instalaciones de aceleradores31,32,33. La longitud total estimada de todo el sistema desde la fuente de iones hasta la cámara de destino es inferior a 8 m, lo que podría cargarse en un camión semirremolque estándar.

El objetivo de conversión de neutrones se instalará inmediatamente aguas abajo de los aceleradores lineales. Discutimos el diseño de la estación objetivo en base a estudios previos utilizando escenarios de cinemática inversa23. Los objetivos de conversión informados incluyen materiales sólidos (polipropileno (C3H6) e hidruro de titanio (TiH2)) y un sistema objetivo de gas. Cada objetivo tiene ventajas y desventajas. Los objetivos sólidos permiten un control fino sobre el grosor. Cuanto más delgado es el objetivo, con mayor precisión se define la ubicación espacial de la generación de neutrones. Sin embargo, tales objetivos aún pueden tener algún grado de reacciones nucleares y radiación no deseadas. Por otro lado, los objetivos de gas hidrógeno pueden lograr un medio ambiente más limpio, excluyendo la producción de 7Be, que es el producto de la reacción nuclear principal. Sin embargo, el gas hidrógeno tiene un poder de frenado débil y requiere una gran distancia física para obtener suficiente deposición de energía. Esto es ligeramente desventajoso para las mediciones TOF. Además, si se usa una película delgada para sellar el objetivo de gas hidrógeno, se debe tener en cuenta la producción de rayos γ de la película y la pérdida de energía del haz de litio incidente.

Se había utilizado un objetivo de polipropileno en LICORNE y el sistema de objetivos se actualizó a una celda de gas de hidrógeno sellada con una lámina de tantalio. Ambos sistemas objetivo pueden producir hasta 107 n/s/sr, suponiendo una corriente de haz de 100 nA para 7Li34. Si aplicamos esta conversión de rendimiento de neutrones informada a nuestra fuente de neutrones propuesta, se pueden entregar 7 × 10–8 C del haz conductor de litio para cada disparo de láser. Esto significa que solo dos disparos de láser por segundo proporcionarán un 40% más de neutrones que los que LICORNE proporciona en un haz continuo durante un segundo. Cuando se aumenta la frecuencia de los disparos de láser, el flujo total puede aumentar fácilmente. Si asumimos un sistema láser de 1 kHz, que está disponible en el mercado, el flujo de neutrones promedio puede escalarse simplemente a aproximadamente 7 × 109 n/s/sr.

Cuando empleamos una alta tasa de repetición del sistema con un objetivo de plástico, se debe controlar la deposición de calor sobre el objetivo, ya que el polipropileno, por ejemplo, tiene un punto de fusión bajo de 145 a 175 °C y una conductividad térmica baja de 0,1 a 0,22. W/m/K. Para haces de iones de litio de 14 MeV, un objetivo de polipropileno de 7 μm de espesor es suficiente para reducir la energía del haz hasta el umbral de reacción (13,098 MeV). Teniendo en cuenta el impacto total de los iones producidos por un solo disparo de láser al objetivo, se estima que la deposición de energía de los iones de litio que pasan a través del polipropileno es de 64 mJ/pulso. Suponiendo que toda la energía se transfiere dentro de un círculo de 10 mm de diámetro, el aumento de temperatura correspondiente por pulso es de unos 18 K/pulso. La deposición de energía sobre el objetivo de polipropileno se basa en la simple suposición de que toda la pérdida de energía se acumula como calor, sin pérdida por radiación u otra pérdida de calor. Dado que aumentar el número de pulsos por segundo requiere la eliminación de la acumulación de calor, podemos usar un objetivo en forma de cinta para evitar la deposición de energía en el mismo lugar23. Suponiendo un punto de haz de 10 mm en el objetivo con una frecuencia de repetición del láser de 100 Hz, la velocidad de exploración de la cinta de polipropileno será de 1 m/s. Si se permite la superposición de los puntos del haz, es factible una mayor tasa de repetición.

También investigamos un objetivo de celda de gas de hidrógeno, porque se puede usar un rayo conductor más intenso sin dañar el objetivo. El haz de neutrones se puede ajustar fácilmente variando la longitud de la celda de gas y la presión del gas de hidrógeno en el interior. Para separar la región del gas objetivo y el vacío en el acelerador, normalmente se usa una lámina metálica delgada. En consecuencia, la energía del haz de litio incidente debe aumentarse para compensar la pérdida de energía en la lámina. El conjunto objetivo descrito en el informe35 consiste en un recipiente de aluminio de 3,5 cm de largo con una presión de gas H2 de 1,5 atm. El haz de litio de 16,75 MeV ingresa a la celda a través de una lámina de Ta de 2,7 μm de espesor enfriada por aire y la energía del haz de litio al final de la celda se desacelera hasta el umbral de reacción. Para aumentar la energía del haz de litio de 14,0 MeV a 16,75 MeV, el acelerador lineal IH debe extenderse unos 30 cm.

También se investigó la emisión de neutrones del objetivo de la celda de gas. Para el objetivo de gas descrito anteriormente en LICORNE, la simulación GEANT436 muestra que se producen neutrones altamente dirigidos dentro de un cono como se muestra en la Fig. 1 en la Ref.37. La referencia 35 muestra que el rango de energía estuvo entre 0,7 y 3,0 MeV y la apertura máxima del cono fue de 19,5° con respecto a la dirección de propagación del haz primario. Los neutrones altamente dirigidos permiten una reducción significativa en la cantidad de material de blindaje en la mayoría de los ángulos, reduciendo el peso de la estructura y brindando más flexibilidad al instalar los dispositivos de medición. Con respecto a la protección contra la radiación, además de los neutrones, un sistema de objetivo de gas de este tipo también emite isotrópicamente rayos γ de 478 keV en el marco del centro de masa38. Estos rayos γ se producen por la desintegración del 7Be y por la desexcitación del 7Li que se produce cuando el haz de Li primario incide en la ventana de entrada de Ta. Sin embargo, se consigue una fuerte reducción del fondo añadiendo un colimador cilíndrico de Pb/Cu grueso35.

Como objetivo alternativo, podemos emplear una ventana de plasma39,40 que nos permita alcanzar una presión de hidrógeno relativamente alta y un área espacial pequeña para la generación de neutrones, aunque todavía no es tan bueno como un objetivo sólido.

Estamos explorando las opciones de objetivos de conversión de neutrones para la distribución de energía esperada y el tamaño del haz de nuestro haz de litio utilizando GEANT4. Nuestras simulaciones muestran una energía de neutrones y una distribución angular consistentes para el objetivo de gas de hidrógeno que se muestra arriba en la literatura. En cualquier sistema objetivo, los neutrones altamente dirigidos pueden generarse mediante una reacción cinemática inversa impulsada por un haz intenso de 7Li3+ en un objetivo rico en hidrógeno. Por lo tanto, se puede realizar una nueva fuente de neutrones combinando técnicas ya establecidas.

Las condiciones de irradiación láser replicaron los experimentos de producción de haz de iones antes de la demostración de aceleración. El láser era un sistema Nd:YAG de nanosegundos de sobremesa empleado con una densidad de potencia láser de 1012 W/cm2 a una longitud de onda fundamental de 1064 nm, energía puntual de 800 mJ y 6 ns por duración de pulso. Se estimó que el tamaño del punto en el objetivo era de 100 μm de diámetro. Dado que el litio metálico (Alfa Aesar, 99,9 % de pureza) es suficientemente blando, el material cortado con precisión se presionó en el molde. Las dimensiones de la lámina fueron de 25 mm × 25 mm con un espesor de 0,6 mm. Cuando se irradió el láser, se produjo un daño similar a un cráter en la superficie del objetivo, por lo que el objetivo se movió mediante una etapa motorizada para proporcionar una parte fresca de la superficie del objetivo para cada disparo del láser. Para evitar la recombinación debida al gas residual, la presión en la cámara se mantuvo por debajo del rango de 10-4 Pa.

El plasma láser inicial tiene un volumen pequeño ya que el tamaño del punto láser era de 100 μm y dentro de los 6 ns desde su creación. Se puede suponer que el volumen es un punto y luego se expande. Si colocamos un detector a cierta distancia xm de la superficie del objetivo, la señal obtenida sigue las siguientes relaciones para la corriente de iones I, el tiempo de llegada de los iones t y el ancho de pulso τ.

Los plasmas generados fueron examinados por TOF a través del FC y el analizador de iones de energía (EIA) ubicados a 2,4 m y 3,85 m del objetivo del láser. El FC tenía una malla supresora polarizada a -5 kV para evitar electrones. El EIA tenía un deflector electrostático de 90 grados, que consta de dos electrodos cilíndricos metálicos coaxiales, con el mismo voltaje pero con polaridad opuesta, el exterior positivo y el interior negativo. El plasma en expansión fue guiado al deflector detrás de una rendija y doblado por el campo eléctrico a través de los cilindros. Un ion que satisface la relación E/z = eKU es detectado por el multiplicador de electrones secundarios (SEM) (Hamamatsu R2362), donde E, z, e, K y U son la energía del ion, el estado de carga, la carga del electrón, el factor de geometría EIA y la diferencia de potencial entre los electrodos, respectivamente. Cuando se varió el voltaje a través del deflector, se obtuvo la distribución de energía y estado de carga de los iones en el plasma. El voltaje de exploración, U/2, del EIA varía de 0,2 V a 800 V, lo que corresponde a energías iónicas de 4 eV a 16 keV por estado de carga.

La distribución del estado de carga iónica analizada con la condición de irradiación láser descrita en la sección "Generación de un haz de litio completamente despojado" se muestra en la Fig. 8.

Distribución de estado de carga iónica analizada. Este es un perfil temporal de la densidad de corriente de iones analizado por un EIA y escalado a 1 m de distancia de una lámina de litio utilizando la ecuación. (1) y (2). Se utilizó la condición de irradiación láser descrita en la sección "Generación de un haz de litio completamente despojado". Al integrar cada densidad de corriente, se calcularon las fracciones de iones en el plasma que se muestran en la Fig. 3.

Una fuente de iones láser puede proporcionar haces de iones intensos de clase multimiliamperios con estados de carga elevados. Sin embargo, no se ha utilizado comúnmente ya que la emisión del haz era muy difícil debido a la fuerza de repulsión de la carga espacial. En el esquema convencional, se extrae un haz de iones del plasma y se transporta al acelerador de primera etapa a través de una línea de haz, que tiene algunos imanes de enfoque para dar forma al haz de iones para que coincida con la aceptación del acelerador. En la línea de luz, la fuerza de la carga espacial diverge de forma no lineal el haz, especialmente en la región de baja velocidad, y se observan graves pérdidas en el haz. Para superar este problema en el diseño de aceleradores médicos de carbono, se ha propuesto un nuevo esquema de suministro de haz, es decir, el DPIS41. Hemos aplicado esta técnica para acelerar el intenso haz de iones de litio para la nueva fuente de neutrones.

El espacio donde se generaba y expandía el plasma estaba rodeado por un contenedor de metal como se ve en la Fig. 4. El espacio cerrado se extendía hasta la entrada del resonador RFQ, incluido el volumen dentro de la bobina del solenoide. Se aplicó un voltaje de 52 kV al contenedor. En el resonador RFQ, los iones eran extraídos por el potencial a través de una apertura de 6 mm de diámetro, debido a que el RFQ está puesto a tierra. Las fuerzas repulsivas no lineales en la línea de luz pueden eliminarse ya que los iones se entregan con un estado de plasma. Además, como se mencionó anteriormente, aplicamos un campo de solenoide combinado con el DPIS para controlar y mejorar la densidad de iones en el orificio de extracción.

El linac RFQ está compuesto por una cámara de vacío cilíndrica como se muestra en la Fig. 9a. En su interior, se colocan cuatro varillas de cobre libres de oxígeno con simetría cuadripolar alrededor de un eje de haz (Fig. 9b). Las 4 varillas y la cámara forman un circuito RF resonante. El campo de RF inducido produce un voltaje variable en el tiempo en las varillas. Los iones inyectados alrededor del eje en dirección longitudinal son confinados transversalmente por el campo cuadrupolar. Mientras tanto, las puntas de las varillas se modulan para generar un campo eléctrico axial. El campo axial divide el haz continuo inyectado en una serie de pulsos de haz, llamados haces de haz. Cada grupo está contenido en una cierta duración de tiempo dentro de un período de RF (10 ns). Los racimos adyacentes están espaciados según el período de RF. En el Linac RFQ, el haz de 2 μs de la fuente de iones láser se transforma en un tren de 200 grupos de haces. Luego, los racimos se aceleran a la energía diseñada.

Acelerador de Linac RFQ. (a) (izquierda) El exterior de la cámara del linac RFQ. (b) (derecha) Los electrodos de 4 varillas en la cámara.

Los principales parámetros de diseño para el RFQ linac son el voltaje de la varilla, la frecuencia resonante, el radio del orificio del haz y la modulación de los electrodos. El voltaje de la varilla, ± 29 kV, se seleccionó para tener un campo eléctrico inferior al umbral de ruptura eléctrica. Con una frecuencia de resonancia más baja, la fuerza de enfoque transversal es mayor, mientras que el campo de aceleración promedio es menor. Un radio de orificio más grande puede aceptar un tamaño de haz más grande y, por lo tanto, una corriente de haz más grande debido a una fuerza de repulsión de carga espacial más pequeña. Por otro lado, un radio de perforación más grande requiere una mayor potencia de RF para energizar el linac RFQ. Además, está limitado por el requisito de calidad de campo. A partir de estos balances, se seleccionaron la frecuencia resonante (100 MHz) y el radio de perforación (4,5 mm) para la aceleración del haz de alta corriente. La modulación fue elegida para hacer racimos de vigas con pequeñas pérdidas y maximizar la eficiencia de aceleración. El diseño se optimiza iterativamente y se obtuvo un diseño RFQ linac que acelera 40 mA de iones 7Li3+ de 22 a 204 keV/n en 2 m. La potencia de RF fue de 77 kW, medida durante el experimento.

Un linac RFQ puede acelerar iones que tienen un cierto rango de Q/A. Por lo tanto, se deben tener en cuenta los isótopos y otras especies para analizar los haces transportados hasta el final del acelerador lineal. Además, los iones deseados que se aceleran parcialmente pero se eliminan de la condición de aceleración en el medio del acelerador aún pueden satisfacer el confinamiento transversal y se pueden entregar hasta el final. Los haces no deseados que no sean partículas de diseño de 7Li3+ se denominan impurezas. En nuestro experimento, las principales preocupaciones sobre las impurezas son 14N6+ y 16O7+ porque la lámina de metal de litio puede reaccionar con el oxígeno y el nitrógeno del aire. Estos iones tienen un Q/A que se puede acelerar junto con 7Li3+. Usamos un imán dipolo para separar haces de diferentes Q/A para analizar los haces después del linac RFQ.

La línea de luz después del RFQ linac se diseñó para transportar haces de 7Li3+ completamente acelerados hacia el FC después del imán dipolar. Se usó un electrodo polarizado a -400 V para suprimir los electrones secundarios de la copa para medir con precisión la corriente del haz de iones. Con estas ópticas, las trayectorias de los iones se separaban en el dipolo y se enfocaban en diferentes posiciones dependiendo del Q/A. El haz en la posición focal tiene un cierto ancho debido a varios factores, como la dispersión del momento y la fuerza de repulsión de la carga espacial. Solo cuando la distancia entre las posiciones focales de dos especies de iones es mayor que el ancho del haz, las especies pueden separarse. Para lograr la mayor resolución posible, se instalaron rendijas horizontales cerca de la cintura del haz, donde los haces están casi enfocados. Había una pantalla de centelleo (CsI (Tl) de Saint-Gobain, 40 mm × 40 mm × 3 mm) entre las rendijas y el FC. El centelleador se usó para determinar el tamaño mínimo de la rendija para que las partículas de diseño simplemente pasen a través de ellas para lograr la mejor resolución, y para demostrar que se puede lograr un tamaño de haz razonable del haz de iones pesados de alta corriente. La imagen del haz del centelleador fue tomada por una cámara CCD a través de una ventana de vacío. La ventana de tiempo de exposición se ajustó para cubrir todo el ancho de pulso del haz.

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

El estudio experimental en el Laboratorio Nacional de Brookhaven fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU., bajo el contrato DE-SC0012704. Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI Grant Number JP20K20404, Program Development grant of Brookhaven National Laboratory y Mobility project del Ministerio de Educación, Juventud y Deporte (MEYS) de la República Checa (Mobility Grant No. MSM100481902).

Laboratorio Nacional de Brookhaven, Upton, NY, 11973, EE. UU.

Masahiro Okamura, Shunsuke Ikeda y Takeshi Kanesue

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

masahiro okamura

Iniciativa del Centro de Investigación Mundial de Tecnología de Tokio (WRHI), Instituto de Tecnología de Tokio, 4259 Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama, Kanagawa, 226-8503, Japón

masahiro okamura

Universidad de Tecnología de Nagaoka, 1603-1 Kamitomioka, Nagaoka, Niigata, Japón

kazumasa takahashi

Instituto de Física Nuclear de la Academia Checa de Ciencias, Hlavní 130, 250 68, Husinec-Řež, República Checa

Antonino Cannavó, Giovanni Ceccio y Anastasia Cassisa

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Correspondencia a Masahiro Okamura.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Okamura, M., Ikeda, S., Kanesue, T. et al. Demostración de un haz de litio intenso para la generación de neutrones pulsados dirigidos hacia adelante. Informe científico 12, 14016 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18270-0

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Recibido: 21 Abril 2022

Aceptado: 08 agosto 2022

Publicado: 18 agosto 2022

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

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