Демонстрация мощного литиевого луча для переднего

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 14016 (2022) Цитировать эту статью

1424 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В качестве альтернативы исследовательским ядерным реакторам многообещающим кандидатом может стать компактный нейтронный генератор с приводом от ускорителя, в котором используется литиевый драйвер пучка, поскольку он практически не производит нежелательного излучения. Однако обеспечить интенсивный литий-ионный пучок было сложно, и считалось, что практическое применение такого устройства будет невозможным. Наиболее острая проблема недостаточности потоков ионов решена применением схемы прямой инжекции плазмы. В этой схеме импульсная плазма высокой плотности из металлической литиевой фольги, генерируемая лазерной абляцией, эффективно инжектируется и ускоряется с помощью радиочастотного квадрупольного линейного ускорителя (RFQ linac). Мы получили пиковый ток пучка 35 мА, ускоренный до 1,43 МэВ, что на два порядка выше, чем может обеспечить традиционная инжекторно-ускорительная система.

Нейтроны, в отличие от рентгеновских лучей или заряженных частиц, обладают высокой глубиной проникновения и уникальными взаимодействиями с конденсированным веществом, что делает их чрезвычайно универсальными зондами для исследования свойств материалов1,2,3,4,5,6,7. В частности, методы рассеяния нейтронов часто используются для изучения состава, структуры и внутренних напряжений конденсированных сред и могут дать подробную информацию о второстепенных соединениях в металлических сплавах, которые трудно обнаружить методами рентгеновской спектроскопии8. Этот метод считается мощным инструментом фундаментальной науки и используется производителями металлов и других материалов. Совсем недавно дифракция нейтронов начала применяться для обнаружения остаточных напряжений в механических компонентах, таких как рельсы и детали самолетов9,10,11,12. Нейтроны также используются в скважинах для поиска нефти и газа, поскольку их можно легко захватить в материалах, богатых протонами13. Подобные методы также используются в гражданском строительстве. Неразрушающий нейтронный контроль — эффективный инструмент обнаружения скрытых неисправностей в зданиях, туннелях и мостах. Применение нейтронных пучков активно используется как в научных исследованиях, так и в промышленности, и многие из этих технологий исторически разрабатывались с использованием ядерных реакторов.

Однако, учитывая глобальный консенсус по вопросам нераспространения ядерного оружия, строительство небольших реакторов для исследовательских целей становится все более трудным. Более того, недавняя ядерная авария на Фукусиме сделала строительство ядерных реакторов практически социально неприемлемым. В связи с этой тенденцией растет спрос на ускорительные источники нейтронов2. Несколько крупных источников нейтронов расщепления с приводом от ускорителей уже эксплуатируются в качестве альтернативы ядерным реакторам14,15. Однако для более эффективного использования характеристик нейтронного пучка необходимо поощрять использование компактных источников с приводом от ускорителей, которые могут принадлежать промышленным и исследовательским центрам университетского масштаба16. Источник нейтронов, управляемый ускорителем, добавляет новые функции и характеристики, а также служит заменой ядерного реактора14. Например, генератор, управляемый линейным ускорителем, может легко создавать импульсы нейтронного потока, управляя лучом драйвера. Нейтроны трудно контролировать после их испускания, а измерения радиации трудно анализировать из-за шума, вызванного фоновыми нейтронами. Импульсные нейтроны, управляемые ускорителем, могут избежать этой проблемы. Некоторые проекты, основанные на технологии протонных ускорителей, были предложены по всему миру17,18,19. Наиболее популярными реакциями, используемыми в компактном генераторе нейтронов с протонным приводом, являются 7Li(p, n)7Be и 9Be(p, n)9B, поскольку они являются эндотермическими реакциями20. Если энергию пучка протонов-драйвера выбрать чуть выше порогового значения, можно свести к минимуму избыточное излучение и радиоактивные отходы. Однако масса ядра-мишени значительно тяжелее, чем у протона, и образующиеся нейтроны рассеиваются во всех направлениях. Эта почти изотропная эмиссия нейтронного потока препятствует эффективной транспортировке нейтронов к исследуемому объекту. Кроме того, для получения необходимой дозы нейтронов в позиции объекта необходимо значительно увеличить как количество протонов-драйверов, так и их энергию. В результате высокие дозы γ-лучей и нейтронов будут распространяться под большими углами и сводить на нет преимущества эндотермических реакций. Типичный компактный генератор нейтронов с ускорительным приводом на основе протонов имеет тяжелую радиационную защиту и является самой массивной частью системы. Необходимость увеличения энергии протонов-драйверов обычно требует дополнительного увеличения размеров ускорительной установки.