304L 6.35*1mm سٹینلیس سٹیل کوائلڈ نلیاں فراہم کرنے والے، سپندوں والے براہ راست نیوٹران پیدا کرنے کے لیے ایک شدید لیتھیم بیم کا مظاہرہ

Nature.com پر جانے کا شکریہ۔آپ محدود سی ایس ایس سپورٹ کے ساتھ براؤزر کا ورژن استعمال کر رہے ہیں۔بہترین تجربے کے لیے، ہم تجویز کرتے ہیں کہ آپ ایک اپ ڈیٹ شدہ براؤزر استعمال کریں (یا انٹرنیٹ ایکسپلورر میں مطابقت موڈ کو غیر فعال کریں)۔اس کے علاوہ، جاری تعاون کو یقینی بنانے کے لیے، ہم سائٹ کو بغیر اسٹائل اور جاوا اسکرپٹ کے دکھاتے ہیں۔
سلائیڈرز فی سلائیڈ تین مضامین دکھا رہے ہیں۔سلائیڈوں کے ذریعے جانے کے لیے پیچھے اور اگلے بٹنوں کا استعمال کریں، یا ہر سلائیڈ سے گزرنے کے لیے آخر میں سلائیڈ کنٹرولر بٹن استعمال کریں۔

جوہری ری ایکٹرز کے مطالعہ کے متبادل کے طور پر، لیتھیم آئن بیم ڈرائیور کا استعمال کرتے ہوئے ایک کمپیکٹ ایکسلریٹر سے چلنے والا نیوٹران جنریٹر ایک امید افزا امیدوار ہو سکتا ہے کیونکہ یہ بہت کم ناپسندیدہ تابکاری پیدا کرتا ہے۔تاہم، لیتھیم آئنوں کی شدید بیم فراہم کرنا مشکل تھا، اور اس طرح کے آلات کا عملی اطلاق ناممکن سمجھا جاتا تھا۔ناکافی آئن بہاؤ کا سب سے شدید مسئلہ براہ راست پلازما امپلانٹیشن اسکیم کو لاگو کرکے حل کیا گیا تھا۔اس اسکیم میں، لیتھیم میٹل فوائل کے لیزر ایبلیشن کے ذریعے پیدا ہونے والے ہائی ڈینسٹی پلسڈ پلازما کو ایک اعلی تعدد کواڈروپول ایکسلریٹر (RFQ ایکسلریٹر) کے ذریعے مؤثر طریقے سے انجکشن اور تیز کیا جاتا ہے۔ہم نے 1.43 MeV تک تیز رفتار 35 ایم اے کا چوٹی بیم کرنٹ حاصل کیا ہے، جو روایتی انجیکٹر اور ایکسلریٹر سسٹم فراہم کر سکتے ہیں اس سے زیادہ شدت کے دو آرڈر ہیں۔
ایکس رے یا چارج شدہ ذرات کے برعکس، نیوٹران کی دخول کی گہرائی بڑی ہوتی ہے اور گاڑھا مادّہ کے ساتھ انوکھا تعامل ہوتا ہے، جس سے وہ مادّے 1,2,3,4,5,6,7 کی خصوصیات کا مطالعہ کرنے کے لیے انتہائی ورسٹائل پروبز بناتے ہیں۔خاص طور پر، نیوٹران بکھرنے والی تکنیکوں کا استعمال عام طور پر گاڑھا مادے کی ساخت، ساخت اور اندرونی دباؤ کا مطالعہ کرنے کے لیے کیا جاتا ہے اور یہ دھاتی مرکبات میں ٹریس مرکبات کے بارے میں تفصیلی معلومات فراہم کر سکتی ہیں جن کا ایکس رے سپیکٹروسکوپی8 کے استعمال سے پتہ لگانا مشکل ہے۔یہ طریقہ بنیادی سائنس میں ایک طاقتور ٹول سمجھا جاتا ہے اور اسے دھاتیں اور دیگر مواد بنانے والے استعمال کرتے ہیں۔ابھی حال ہی میں، ریل اور ہوائی جہاز کے پرزہ جات 9,10,11,12 جیسے مکینیکل اجزاء میں بقایا تناؤ کا پتہ لگانے کے لیے نیوٹران کے پھیلاؤ کا استعمال کیا گیا ہے۔نیوٹران تیل اور گیس کے کنوؤں میں بھی استعمال ہوتے ہیں کیونکہ وہ آسانی سے پروٹون سے بھرپور مواد پکڑ لیتے ہیں۔اسی طرح کے طریقے سول انجینئرنگ میں بھی استعمال ہوتے ہیں۔غیر تباہ کن نیوٹران ٹیسٹنگ عمارتوں، سرنگوں اور پلوں میں چھپی ہوئی خرابیوں کا پتہ لگانے کے لیے ایک مؤثر ذریعہ ہے۔نیوٹران بیم کا استعمال سائنسی تحقیق اور صنعت میں فعال طور پر استعمال ہوتا ہے، جن میں سے بہت سے تاریخی طور پر جوہری ری ایکٹرز کے استعمال سے تیار کیے گئے ہیں۔
تاہم جوہری عدم پھیلاؤ پر عالمی اتفاق رائے کے ساتھ تحقیقی مقاصد کے لیے چھوٹے ری ایکٹر بنانا مشکل ہوتا جا رہا ہے۔مزید برآں، فوکوشیما کے حالیہ حادثے نے جوہری ری ایکٹرز کی تعمیر کو تقریباً سماجی طور پر قابل قبول بنا دیا ہے۔اس رجحان کے سلسلے میں، ایکسلریٹر پر نیوٹران ذرائع کی مانگ بڑھ رہی ہے۔نیوکلیئر ری ایکٹرز کے متبادل کے طور پر، کئی بڑے ایکسلریٹر کو تقسیم کرنے والے نیوٹران ذرائع پہلے سے ہی 14,15 میں کام کر رہے ہیں۔تاہم، نیوٹران بیم کی خصوصیات کے زیادہ موثر استعمال کے لیے، ایکسلریٹروں پر کمپیکٹ ذرائع کے استعمال کو بڑھانا ضروری ہے، 16 جن کا تعلق صنعتی اور یونیورسٹی کے تحقیقی اداروں سے ہوسکتا ہے۔ایکسلریٹر نیوٹران ذرائع نے جوہری ری ایکٹر14 کے متبادل کے طور پر کام کرنے کے علاوہ نئی صلاحیتوں اور افعال کو شامل کیا ہے۔مثال کے طور پر، ایک لینک سے چلنے والا جنریٹر ڈرائیو بیم کو جوڑ کر آسانی سے نیوٹران کا ایک سلسلہ بنا سکتا ہے۔ایک بار خارج ہونے کے بعد، نیوٹران کو کنٹرول کرنا مشکل ہوتا ہے اور بیک گراؤنڈ نیوٹران کے شور کی وجہ سے تابکاری کی پیمائش کا تجزیہ کرنا مشکل ہوتا ہے۔ایکسلیٹر کے ذریعے کنٹرول کیے جانے والے پلسڈ نیوٹران اس مسئلے سے بچتے ہیں۔پروٹون ایکسلریٹر ٹیکنالوجی پر مبنی کئی منصوبے دنیا بھر میں تجویز کیے گئے ہیں 17,18,19۔رد عمل 7Li(p, n)7Be اور 9Be(p, n)9B اکثر پروٹون سے چلنے والے کمپیکٹ نیوٹران جنریٹرز میں استعمال ہوتے ہیں کیونکہ یہ اینڈوتھرمک رد عمل ہیں۔اضافی تابکاری اور تابکار فضلہ کو کم کیا جا سکتا ہے اگر پروٹون بیم کو اکسانے کے لیے منتخب کی گئی توانائی حد کی قدر سے تھوڑی اوپر ہو۔تاہم، ہدف کے مرکز کا ماس پروٹون کے مقابلے میں بہت بڑا ہے، اور اس کے نتیجے میں نیوٹران تمام سمتوں میں بکھرتے ہیں۔نیوٹران فلوکس کے آئسوٹروپک اخراج کے اتنے قریب مطالعہ کے مقصد تک نیوٹران کی موثر نقل و حمل کو روکتا ہے۔اس کے علاوہ، آبجیکٹ کے مقام پر نیوٹران کی مطلوبہ خوراک حاصل کرنے کے لیے، حرکت پذیر پروٹون کی تعداد اور ان کی توانائی دونوں میں نمایاں اضافہ کرنا ضروری ہے۔نتیجے کے طور پر، گاما شعاعوں اور نیوٹران کی بڑی مقداریں بڑے زاویوں کے ذریعے پھیل جائیں گی، جس سے اینڈوتھرمک رد عمل کا فائدہ ختم ہو جائے گا۔ایک عام ایکسلریٹر سے چلنے والے کمپیکٹ پروٹون پر مبنی نیوٹران جنریٹر میں مضبوط ریڈی ایشن شیلڈنگ ہوتی ہے اور یہ سسٹم کا سب سے بڑا حصہ ہے۔ڈرائیونگ پروٹون کی توانائی کو بڑھانے کی ضرورت کے لیے عام طور پر ایکسلریٹر کی سہولت کے سائز میں اضافی اضافے کی ضرورت ہوتی ہے۔
ایکسلریٹر پر روایتی کومپیکٹ نیوٹران ذرائع کی عمومی خامیوں پر قابو پانے کے لیے، ایک الٹا-کائنیمیٹک رد عمل کی اسکیم تجویز کی گئی تھی۔اس اسکیم میں، ایک بھاری لیتھیم آئن بیم کو پروٹون بیم کے بجائے گائیڈ بیم کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، جو ہائیڈروجن سے بھرپور مواد جیسے ہائیڈرو کاربن پلاسٹک، ہائیڈرائیڈز، ہائیڈروجن گیس، یا ہائیڈروجن پلازما کو نشانہ بناتا ہے۔متبادلات پر غور کیا گیا ہے، جیسے کہ بیریلیم آئن سے چلنے والے بیم، تاہم، بیریلیم ایک زہریلا مادہ ہے جس کو سنبھالنے میں خصوصی احتیاط کی ضرورت ہوتی ہے۔لہذا، ایک لتیم بیم الٹا-کائنیمیٹک رد عمل اسکیموں کے لیے سب سے موزوں ہے۔چونکہ لیتھیم نیوکلی کی رفتار پروٹون سے زیادہ ہے، اس لیے جوہری تصادم کا مرکز مسلسل آگے بڑھ رہا ہے، اور نیوٹران بھی آگے نکل رہے ہیں۔یہ خصوصیت غیر مطلوبہ گاما شعاعوں اور ہائی اینگل نیوٹران کے اخراج کو بہت حد تک ختم کرتی ہے۔پروٹون انجن کے معمول کے کیس اور الٹا کائینیٹکس منظر نامے کا موازنہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔
پروٹون اور لیتھیم بیم کے لیے نیوٹران کی پیداوار کے زاویوں کی مثال (Adobe Illustrator CS5، 15.1.0، https://www.adobe.com/products/illustrator.html کے ساتھ تیار کردہ)۔(a) رد عمل کے نتیجے میں نیوٹران کسی بھی سمت سے نکالے جا سکتے ہیں اس حقیقت کی وجہ سے کہ حرکت پذیر پروٹون لیتھیم ہدف کے زیادہ بھاری ایٹموں سے ٹکراتے ہیں۔(b) اس کے برعکس، اگر کوئی لیتھیم آئن ڈرائیور ہائیڈروجن سے بھرپور ہدف پر بمباری کرتا ہے، تو نظام کے مرکزِ ماس کی تیز رفتاری کی وجہ سے آگے کی سمت میں ایک تنگ شنک میں نیوٹران پیدا ہوتے ہیں۔
تاہم، پروٹون کے مقابلے میں زیادہ چارج کے ساتھ بھاری آئنوں کے مطلوبہ بہاؤ کو پیدا کرنے میں دشواری کی وجہ سے صرف چند الٹا کائیمیٹک نیوٹران جنریٹر موجود ہیں۔یہ تمام پودے ٹینڈم الیکٹرو سٹیٹک ایکسلریٹر کے ساتھ مل کر منفی سپٹر آئن ذرائع استعمال کرتے ہیں۔بیم ایکسلریشن26 کی کارکردگی کو بڑھانے کے لیے آئن ذرائع کی دیگر اقسام تجویز کی گئی ہیں۔کسی بھی صورت میں، دستیاب لیتھیم آئن بیم کرنٹ 100 µA تک محدود ہے۔اسے Li3+27 کا 1 ایم اے استعمال کرنے کی تجویز دی گئی ہے، لیکن اس آئن بیم کرنٹ کی اس طریقہ سے تصدیق نہیں ہوئی ہے۔شدت کے لحاظ سے، لیتھیم بیم ایکسلریٹر پروٹون بیم ایکسلریٹر کا مقابلہ نہیں کر سکتے جن کی چوٹی پروٹون کرنٹ 10 mA28 سے زیادہ ہے۔
لتیم آئن بیم پر مبنی ایک عملی کمپیکٹ نیوٹران جنریٹر کو لاگو کرنے کے لیے، آئنوں سے مکمل طور پر مبرا اعلی شدت پیدا کرنا فائدہ مند ہے۔آئن برقی مقناطیسی قوتوں کے ذریعہ تیز اور رہنمائی کرتے ہیں، اور اعلی چارج کی سطح کے نتیجے میں زیادہ موثر سرعت ہوتی ہے۔لی آئن بیم ڈرائیوروں کو 10 ایم اے سے زیادہ Li3+ چوٹی کرنٹ کی ضرورت ہوتی ہے۔
اس کام میں، ہم 35 ایم اے تک کی چوٹی کرنٹ کے ساتھ Li3+ بیم کی سرعت کا مظاہرہ کرتے ہیں، جو کہ اعلی درجے کے پروٹون ایکسلریٹر سے موازنہ ہے۔اصل لتیم آئن بیم لیزر ایبلیشن کا استعمال کرتے ہوئے تخلیق کیا گیا تھا اور ایک ڈائریکٹ پلازما امپلانٹیشن اسکیم (DPIS) اصل میں C6+ کو تیز کرنے کے لیے تیار کیا گیا تھا۔ایک اپنی مرضی کے مطابق ڈیزائن کردہ ریڈیو فریکوئنسی کواڈروپول لینیک (RFQ linac) کو چار چھڑی کی گونج والی ساخت کا استعمال کرتے ہوئے من گھڑت بنایا گیا تھا۔ہم نے تصدیق کی ہے کہ تیز کرنے والی شہتیر میں حسابی اعلی طہارت بیم توانائی ہے۔ایک بار جب Li3+ بیم کو ریڈیو فریکوئنسی (RF) ایکسلریٹر کے ذریعے مؤثر طریقے سے پکڑ لیا جاتا ہے اور اس کو تیز کیا جاتا ہے، تو اس کے بعد کے linac (ایکسلیٹر) حصے کو ہدف سے مضبوط نیوٹران بہاؤ پیدا کرنے کے لیے درکار توانائی فراہم کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
اعلی کارکردگی کے آئنوں کی سرعت ایک اچھی طرح سے قائم ٹیکنالوجی ہے۔ایک نئے انتہائی موثر کمپیکٹ نیوٹران جنریٹر کو حاصل کرنے کا باقی کام یہ ہے کہ بڑی تعداد میں مکمل طور پر چھین لیتیم آئنوں کو تیار کیا جائے اور ایک کلسٹر ڈھانچہ تشکیل دیا جائے جس میں ایکسلیٹر میں RF سائیکل کے ساتھ مطابقت پذیر آئن پلس کی ایک سیریز شامل ہو۔اس مقصد کو حاصل کرنے کے لیے بنائے گئے تجربات کے نتائج کو درج ذیل تین ذیلی حصوں میں بیان کیا گیا ہے: (1) لیتھیم آئن بیم سے مکمل طور پر خالی ہونے والی نسل، (2) خاص طور پر ڈیزائن کردہ RFQ linac کا استعمال کرتے ہوئے بیم کی سرعت، اور (3) تجزیہ کی سرعت۔ اس کے مواد کو چیک کرنے کے لیے بیم کا۔Brookhaven نیشنل لیبارٹری (BNL) میں، ہم نے تصویر 2 میں دکھایا گیا تجرباتی سیٹ اپ بنایا۔
لیتھیم بیم کے تیز تجزیہ کے لیے تجرباتی سیٹ اپ کا جائزہ (انکسکیپ، 1.0.2، https://inkscape.org/ سے واضح)۔دائیں سے بائیں، لیزر-ابلیٹیو پلازما لیزر-ٹارگٹ انٹریکشن چیمبر میں تیار ہوتا ہے اور RFQ linac کو پہنچایا جاتا ہے۔آر ایف کیو ایکسلریٹر میں داخل ہونے پر، آئنوں کو پلازما سے الگ کر دیا جاتا ہے اور آر ایف کیو ایکسلریٹر میں اچانک برقی فیلڈ کے ذریعے انجکشن لگایا جاتا ہے جس سے نکلنے والے الیکٹروڈ اور ڈرفٹ ریجن میں آر ایف کیو الیکٹروڈ کے درمیان 52 kV وولٹیج فرق ہوتا ہے۔نکالے گئے آئنوں کو 2 میٹر طویل RFQ الیکٹروڈ کا استعمال کرتے ہوئے 22 keV/n سے 204 keV/n تک تیز کیا جاتا ہے۔RFQ linac کے آؤٹ پٹ پر نصب کرنٹ ٹرانسفارمر (CT) آئن بیم کرنٹ کی غیر تباہ کن پیمائش فراہم کرتا ہے۔بیم کو تین کواڈروپول میگنےٹ کے ذریعے فوکس کیا جاتا ہے اور اسے ایک ڈوپول مقناطیس کی طرف لے جاتا ہے، جو Li3+ بیم کو الگ کرتا ہے اور اسے پکڑنے والے میں لے جاتا ہے۔سلٹ کے پیچھے، ایک پیچھے ہٹنے والا پلاسٹک سنٹیلیٹر اور ایک فیراڈے کپ (FC) جس کا تعصب -400 V تک ہوتا ہے تیز رفتار بیم کا پتہ لگانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
مکمل طور پر آئنائزڈ لیتھیم آئنز (Li3+) پیدا کرنے کے لیے، اس کی تیسری آئنائزیشن انرجی (122.4 eV) سے اوپر درجہ حرارت کے ساتھ پلازما بنانا ضروری ہے۔ہم نے ہائی ٹمپریچر پلازما بنانے کے لیے لیزر ایبلیشن استعمال کرنے کی کوشش کی۔اس قسم کا لیزر آئن ماخذ عام طور پر لتیم آئن بیم بنانے کے لیے استعمال نہیں ہوتا ہے کیونکہ لتیم دھات رد عمل کی حامل ہوتی ہے اور اسے خصوصی ہینڈلنگ کی ضرورت ہوتی ہے۔ہم نے ویکیوم لیزر انٹریکشن چیمبر میں لیتھیم فوائل انسٹال کرتے وقت نمی اور ہوا کی آلودگی کو کم کرنے کے لیے ایک ہدف لوڈنگ سسٹم تیار کیا ہے۔مواد کی تمام تیاری خشک آرگن کے کنٹرول شدہ ماحول میں کی گئی تھی۔لیتھیم فوائل کو لیزر ٹارگٹ چیمبر میں نصب کرنے کے بعد، ورق کو 800 mJ فی نبض کی توانائی پر پلسڈ Nd:YAG لیزر ریڈی ایشن سے شعاع کیا گیا۔ہدف پر توجہ مرکوز کرنے پر، لیزر پاور کثافت کا تخمینہ تقریباً 1012 W/cm2 ہے۔پلازما اس وقت بنتا ہے جب ایک پلسڈ لیزر ویکیوم میں کسی ہدف کو تباہ کرتا ہے۔پورے 6 این ایس لیزر پلس کے دوران، پلازما گرم ہوتا رہتا ہے، بنیادی طور پر ریورس بریمسسٹراہلنگ عمل کی وجہ سے۔چونکہ حرارتی مرحلے کے دوران کوئی محدود بیرونی فیلڈ لاگو نہیں ہوتا ہے، اس لیے پلازما تین جہتوں میں پھیلنا شروع ہو جاتا ہے۔جب پلازما ہدف کی سطح پر پھیلنا شروع کرتا ہے، تو پلازما کے بڑے پیمانے پر مرکز 600 eV/n کی توانائی کے ساتھ ہدف کی سطح پر کھڑا رفتار حاصل کرتا ہے۔گرم ہونے کے بعد، پلازما اہداف سے محوری سمت میں حرکت کرتا رہتا ہے، جس سے isotropically پھیلتا ہے۔
جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے، ایبلیشن پلازما ایک ویکیوم والیوم میں پھیلتا ہے جس کے چاروں طرف ایک دھاتی کنٹینر ہوتا ہے جس کی صلاحیت ہدف کے برابر ہوتی ہے۔اس طرح، پلازما فیلڈ فری ریجن سے RFQ ایکسلریٹر کی طرف بڑھتا ہے۔ایک محوری مقناطیسی میدان لیزر شعاع ریزی چیمبر اور RFQ linac کے درمیان ویکیوم چیمبر کے ارد گرد سولینائڈ کوائل کے زخم کے ذریعے لگایا جاتا ہے۔سولینائڈ کا مقناطیسی میدان RFQ یپرچر تک پہنچانے کے دوران پلازما کی اعلی کثافت کو برقرار رکھنے کے لیے بہتے ہوئے پلازما کے ریڈیل توسیع کو دباتا ہے۔دوسری طرف، پلازما بڑھنے کے دوران محوری سمت میں پھیلتا رہتا ہے، ایک لمبا پلازما بناتا ہے۔ایک ہائی وولٹیج تعصب دھاتی برتن پر لاگو کیا جاتا ہے جس میں پلازما RFQ انلیٹ پر ایگزٹ پورٹ کے سامنے ہوتا ہے۔RFQ linac کی طرف سے مناسب سرعت کے لیے مطلوبہ 7Li3+ انجکشن کی شرح فراہم کرنے کے لیے تعصب وولٹیج کا انتخاب کیا گیا تھا۔
نتیجہ اخذ کرنے والے پلازما میں نہ صرف 7Li3+ ہوتا ہے، بلکہ دیگر چارج حالتوں میں لیتھیم اور آلودگی پھیلانے والے عناصر بھی ہوتے ہیں، جنہیں بیک وقت RFQ لکیری ایکسلریٹر میں منتقل کیا جاتا ہے۔RFQ linac کا استعمال کرتے ہوئے تیز تجربات سے پہلے، پلازما میں آئنوں کی ساخت اور توانائی کی تقسیم کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک آف لائن ٹائم آف فلائٹ (TOF) تجزیہ کیا گیا تھا۔تفصیلی تجزیاتی سیٹ اپ اور مشاہدہ شدہ اسٹیٹ آف چارج ڈسٹری بیوشنز کی وضاحت طریقے سیکشن میں کی گئی ہے۔تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ 7Li3+ آئن بنیادی ذرات تھے، جو کہ تمام ذرات کا تقریباً 54% بنتے ہیں، جیسا کہ تصویر 3 میں دکھایا گیا ہے۔ تجزیہ کے مطابق، آئن بیم آؤٹ پٹ پوائنٹ پر 7Li3+ آئن کرنٹ کا تخمینہ 1.87 mA ہے۔تیز رفتار ٹیسٹوں کے دوران، ایک 79 mT سولینائڈ فیلڈ کو پھیلتے ہوئے پلازما پر لگایا جاتا ہے۔نتیجے کے طور پر، 7Li3+ کرنٹ پلازما سے نکالا گیا اور ڈیٹیکٹر پر دیکھا گیا، اس میں 30 کے فیکٹر کا اضافہ ہوا۔
لیزر سے تیار کردہ پلازما میں آئنوں کے حصے پرواز کے وقت کے تجزیہ سے حاصل کیے گئے ہیں۔7Li1+ اور 7Li2+ آئن بالترتیب آئن بیم کا 5% اور 25% بناتے ہیں۔6Li ذرات کا پتہ چلا حصہ تجرباتی غلطی کے اندر لیتھیم فوائل ہدف میں 6Li (7.6%) کے قدرتی مواد سے متفق ہے۔تھوڑی سی آکسیجن آلودگی (6.2%) دیکھی گئی، بنیادی طور پر O1+ (2.1%) اور O2+ (1.5%)، جو لیتھیم فوائل ہدف کی سطح کے آکسیکرن کی وجہ سے ہو سکتی ہے۔
جیسا کہ پہلے ذکر کیا گیا ہے، RFQ linac میں داخل ہونے سے پہلے لیتھیم پلازما بغیر فیلڈ کے علاقے میں بہتی ہے۔RFQ linac کے ان پٹ میں دھاتی کنٹینر میں 6 ملی میٹر قطر کا سوراخ ہے، اور تعصب وولٹیج 52 kV ہے۔اگرچہ RFQ الیکٹروڈ وولٹیج 100 MHz پر ±29 kV تیزی سے تبدیل ہوتا ہے، وولٹیج محوری سرعت کا سبب بنتا ہے کیونکہ RFQ ایکسلریٹر الیکٹروڈز میں صفر کی اوسط صلاحیت ہوتی ہے۔یپرچر اور RFQ الیکٹروڈ کے کنارے کے درمیان 10 ملی میٹر کے فرق میں پیدا ہونے والے مضبوط برقی میدان کی وجہ سے، یپرچر پر پلازما سے صرف مثبت پلازما آئن نکالے جاتے ہیں۔روایتی آئن ڈلیوری سسٹم میں، آئنوں کو پلازما سے ایک برقی فیلڈ کے ذریعے RFQ ایکسلریٹر کے سامنے کافی فاصلے پر الگ کیا جاتا ہے اور پھر بیم فوکس کرنے والے عنصر کے ذریعے RFQ یپرچر میں فوکس کیا جاتا ہے۔تاہم، شدید نیوٹران ماخذ کے لیے درکار شدید بھاری آئن بیم کے لیے، خلائی چارج کے اثرات کی وجہ سے غیر لکیری ریپلسیو قوتیں آئن ٹرانسپورٹ سسٹم میں بیم کرنٹ کے اہم نقصانات کا باعث بن سکتی ہیں، جس سے چوٹی کرنٹ کو محدود کیا جا سکتا ہے جسے تیز کیا جا سکتا ہے۔ہمارے DPIS میں، زیادہ شدت والے آئنوں کو بہتے ہوئے پلازما کے طور پر براہ راست RFQ یپرچر کے ایگزٹ پوائنٹ پر لے جایا جاتا ہے، لہذا اسپیس چارج کی وجہ سے آئن بیم کا کوئی نقصان نہیں ہوتا ہے۔اس مظاہرے کے دوران ڈی پی آئی ایس کو پہلی بار لیتھیم آئن بیم پر لگایا گیا۔
RFQ ڈھانچہ کم توانائی کے ہائی کرنٹ آئن بیم کو فوکس کرنے اور تیز کرنے کے لیے تیار کیا گیا تھا اور یہ پہلے آرڈر کی سرعت کا معیار بن گیا ہے۔ہم نے 22 keV/n کی امپلانٹ توانائی سے 204 keV/n تک 7Li3+ آئنوں کو تیز کرنے کے لیے RFQ کا استعمال کیا۔اگرچہ پلازما میں کم چارج والے لیتھیم اور دیگر ذرات بھی پلازما سے نکالے جاتے ہیں اور RFQ یپرچر میں داخل کیے جاتے ہیں، RFQ linac صرف 7Li3+ کے قریب چارج ٹو ماس ریشو (Q/A) کے ساتھ آئنوں کو تیز کرتا ہے۔
انجیر پر۔شکل 4 مقناطیس کا تجزیہ کرنے کے بعد RFQ linac اور فیراڈے کپ (FC) کے آؤٹ پٹ پر موجودہ ٹرانسفارمر (CT) کے ذریعے پائے جانے والے ویوفارمز کو دکھاتا ہے، جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے۔2. سگنلز کے درمیان وقت کی تبدیلی کو ڈیٹیکٹر کے مقام پر پرواز کے وقت کے فرق سے تعبیر کیا جا سکتا ہے۔CT میں ناپا جانے والا چوٹی آئن کرنٹ 43 ایم اے تھا۔RT پوزیشن میں، رجسٹرڈ بیم نہ صرف حسابی توانائی میں تیز ہونے والے آئنوں پر مشتمل ہو سکتا ہے، بلکہ 7Li3+ کے علاوہ دیگر آئنز بھی ہو سکتا ہے، جو کہ کافی تیز نہیں ہیں۔تاہم، QD اور PC کے ذریعے پائے جانے والے آئن کرنٹ کی شکلوں کی مماثلت اس بات کی نشاندہی کرتی ہے کہ آئن کرنٹ بنیادی طور پر تیز رفتار 7Li3+ پر مشتمل ہوتا ہے، اور PC پر کرنٹ کی چوٹی کی قیمت میں کمی QD اور کے درمیان آئن کی منتقلی کے دوران شہتیر کے نقصان کی وجہ سے ہوتی ہے۔ پی سینقصانات اس کی تصدیق لفافے کی تخروپن سے بھی ہوتی ہے۔7Li3+ بیم کرنٹ کی درست پیمائش کرنے کے لیے، بیم کا تجزیہ ایک ڈوپول مقناطیس کے ساتھ کیا جاتا ہے جیسا کہ اگلے حصے میں بیان کیا گیا ہے۔
سرعت شدہ شہتیر کے آسیلوگرامس کو پکڑنے والے کی پوزیشنوں میں CT (سیاہ وکر) اور FC (سرخ وکر) میں ریکارڈ کیا گیا ہے۔یہ پیمائش لیزر پلازما کی پیداوار کے دوران فوٹو ڈیٹیکٹر کے ذریعہ لیزر تابکاری کا پتہ لگانے سے شروع ہوتی ہے۔سیاہ وکر RFQ linac آؤٹ پٹ سے منسلک CT پر ماپی گئی لہر کی شکل کو ظاہر کرتا ہے۔RFQ linac کے قریب ہونے کی وجہ سے، ڈیٹیکٹر 100 MHz RF شور اٹھاتا ہے، لہذا پتہ لگانے کے سگنل پر 100 MHz resonant RF سگنل کو ہٹانے کے لیے 98 MHz کم پاس FFT فلٹر لگایا گیا تھا۔تجزیاتی مقناطیس کے 7Li3+ آئن بیم کو ہدایت کرنے کے بعد سرخ وکر FC میں لہر کی شکل دکھاتا ہے۔اس مقناطیسی میدان میں 7Li3+ کے علاوہ N6+ اور O7+ کو منتقل کیا جا سکتا ہے۔
RFQ linac کے بعد آئن بیم کو تین کواڈروپول فوکس کرنے والے میگنےٹس کی ایک سیریز کے ذریعے فوکس کیا جاتا ہے اور پھر آئن بیم میں موجود نجاستوں کو الگ کرنے کے لیے ڈوپول میگنےٹ کے ذریعے تجزیہ کیا جاتا ہے۔0.268 T کا مقناطیسی میدان 7Li3+ بیم کو FC میں لے جاتا ہے۔اس مقناطیسی میدان کی کھوج کی لہر شکل 4 میں سرخ وکر کے طور پر دکھائی گئی ہے۔ چوٹی کی بیم کرنٹ 35 ایم اے تک پہنچ جاتا ہے، جو موجودہ روایتی الیکٹرو سٹیٹک ایکسلریٹروں میں پیدا ہونے والے ایک عام Li3+ بیم سے 100 گنا زیادہ ہے۔بیم پلس کی چوڑائی آدھی زیادہ سے زیادہ پوری چوڑائی پر 2.0 µs ہے۔ڈوپول میگنیٹک فیلڈ کے ساتھ 7Li3+ بیم کا پتہ لگانا کامیاب بنچنگ اور بیم ایکسلریشن کی نشاندہی کرتا ہے۔ڈوپول کے مقناطیسی میدان کو اسکین کرتے وقت ایف سی کے ذریعہ آئن بیم کرنٹ کا پتہ چلا تصویر 5 میں دکھایا گیا ہے۔ دوسری چوٹیوں سے اچھی طرح سے الگ ایک صاف واحد چوٹی دیکھی گئی۔چونکہ RFQ linac کے ذریعے ڈیزائن کی توانائی کے لیے تیز کیے گئے تمام آئنوں کی رفتار یکساں ہوتی ہے، اسی لیے ایک ہی Q/A والے آئن بیم کو ڈوپول مقناطیسی فیلڈز سے الگ کرنا مشکل ہوتا ہے۔لہذا، ہم 7Li3+ کو N6+ یا O7+ سے ممتاز نہیں کر سکتے۔تاہم، نجاست کی مقدار کا اندازہ پڑوسی چارج ریاستوں سے لگایا جا سکتا ہے۔مثال کے طور پر، N7+ اور N5+ کو آسانی سے الگ کیا جا سکتا ہے، جبکہ N6+ نجاست کا حصہ ہو سکتا ہے اور N7+ اور N5+ جیسی مقدار میں موجود ہونے کی توقع ہے۔آلودگی کی سطح کا تخمینہ تقریباً 2% ہے۔
ڈوپول مقناطیسی فیلڈ کو اسکین کرکے حاصل کردہ بیم جزو سپیکٹرا۔0.268 T پر چوٹی 7Li3+ اور N6+ سے مساوی ہے۔چوٹی کی چوڑائی سلٹ پر بیم کے سائز پر منحصر ہے۔وسیع چوٹیوں کے باوجود، 7Li3+ 6Li3+، O6+، اور N5+ سے اچھی طرح سے الگ ہے، لیکن O7+ اور N6+ سے بری طرح الگ ہے۔
FC کے مقام پر، بیم پروفائل کی تصدیق پلگ ان سنٹی لیٹر کے ساتھ کی گئی تھی اور ایک تیز ڈیجیٹل کیمرے کے ساتھ ریکارڈ کی گئی تھی جیسا کہ شکل 6 میں دکھایا گیا ہے۔ 7Li3+ پلسڈ بیم جس کا کرنٹ 35 ایم اے ہے اسے حسابی RFQ میں تیز ہوتا ہوا دکھایا گیا ہے۔ 204 keV/n کی توانائی، جو 1.4 MeV کے مساوی ہے، اور FC ڈیٹیکٹر میں منتقل ہوتی ہے۔
بیم پروفائل کا مشاہدہ پری ایف سی سنٹیلیٹر اسکرین پر کیا گیا (فجی کے ذریعے رنگین، 2.3.0، https://imagej.net/software/fiji/)۔تجزیاتی ڈوپول میگنیٹ کے مقناطیسی فیلڈ کو ڈیزائن انرجی RFQ کی طرف Li3+ آئن بیم کے ایکسلریشن کو ڈائریکٹ کرنے کے لیے ٹیون کیا گیا تھا۔سبز علاقے میں نیلے نقطے ناقص سنٹیلیٹر مواد کی وجہ سے ہوتے ہیں۔
ہم نے ٹھوس لیتھیم فوائل کی سطح کے لیزر ایبلیشن کے ذریعے 7Li3+ آئنوں کی نسل حاصل کی، اور DPIS کا استعمال کرتے ہوئے خاص طور پر ڈیزائن کردہ RFQ linac کے ساتھ ایک اعلی کرنٹ آئن بیم کو پکڑا اور تیز کیا گیا۔1.4 MeV کی بیم انرجی پر، مقناطیس کے تجزیہ کے بعد FC پر 7Li3+ کی چوٹی کرنٹ 35 mA تک پہنچ گیا۔یہ اس بات کی تصدیق کرتا ہے کہ الٹا کائیمیٹکس کے ساتھ نیوٹران ماخذ کے نفاذ کا سب سے اہم حصہ تجرباتی طور پر لاگو کیا گیا ہے۔کاغذ کے اس حصے میں، ایک کمپیکٹ نیوٹران ماخذ کے پورے ڈیزائن پر تبادلہ خیال کیا جائے گا، بشمول ہائی انرجی ایکسلریٹر اور نیوٹران ٹارگٹ اسٹیشن۔ڈیزائن ہماری لیبارٹری میں موجودہ نظاموں سے حاصل کردہ نتائج پر مبنی ہے۔واضح رہے کہ آئن بیم کے چوٹی کرنٹ کو لیتھیم فوائل اور آر ایف کیو لائنک کے درمیان فاصلہ کم کرکے مزید بڑھایا جاسکتا ہے۔چاول۔7 ایکسلریٹر پر مجوزہ کمپیکٹ نیوٹران سورس کے پورے تصور کی وضاحت کرتا ہے۔
ایکسلریٹر پر مجوزہ کمپیکٹ نیوٹران سورس کا تصوراتی ڈیزائن (Freecad، 0.19، https://www.freecadweb.org/ کے ذریعہ تیار کردہ)۔دائیں سے بائیں: لیزر آئن سورس، سولینائڈ میگنیٹ، RFQ linac، میڈیم انرجی بیم ٹرانسفر (MEBT)، IH linac، اور نیوٹران جنریشن کے لیے انٹرایکشن چیمبر۔تابکاری سے تحفظ بنیادی طور پر آگے کی سمت میں فراہم کیا جاتا ہے کیونکہ پیدا ہونے والے نیوٹران بیم کی تنگ سمت کی وجہ سے۔
RFQ linac کے بعد، Inter-digital H-structure (IH linac)30 linac کی مزید سرعت کی منصوبہ بندی کی گئی ہے۔IH linacs رفتار کی ایک مخصوص رینج پر ہائی الیکٹرک فیلڈ گریڈینٹ فراہم کرنے کے لیے π-موڈ ڈرفٹ ٹیوب ڈھانچہ استعمال کرتے ہیں۔تصوراتی مطالعہ 1D طولانی حرکیات کے تخروپن اور 3D شیل تخروپن کی بنیاد پر کیا گیا تھا۔حساب سے پتہ چلتا ہے کہ ایک 100 MHz IH linac جس میں معقول ڈرفٹ ٹیوب وولٹیج (450 kV سے کم) اور ایک مضبوط فوکس کرنے والا مقناطیس 1.8 میٹر کے فاصلے پر 1.4 سے 14 MeV تک 40 ایم اے بیم کو تیز کر سکتا ہے۔ایکسلریٹر چین کے آخر میں توانائی کی تقسیم کا تخمینہ ± 0.4 MeV لگایا گیا ہے، جو نیوٹران کی تبدیلی کے ہدف کے ذریعہ تیار کردہ نیوٹران کے توانائی کے سپیکٹرم کو نمایاں طور پر متاثر نہیں کرتا ہے۔اس کے علاوہ، شہتیر کا اخراج اتنا کم ہے کہ شہتیر کو ایک چھوٹے شہتیر کی جگہ پر مرکوز کر سکے جو عام طور پر درمیانی طاقت اور سائز کے کواڈروپول مقناطیس کے لیے درکار ہوتا ہے۔RFQ linac اور IH linac کے درمیان میڈیم انرجی بیم (MEBT) ٹرانسمیشن میں، beamforming resonator کا استعمال beamforming structure کو برقرار رکھنے کے لیے کیا جاتا ہے۔سائیڈ بیم کے سائز کو کنٹرول کرنے کے لیے تین کواڈروپول میگنےٹ استعمال کیے جاتے ہیں۔اس ڈیزائن کی حکمت عملی کو بہت سے ایکسلریٹر31,32,33 میں استعمال کیا گیا ہے۔آئن سورس سے ٹارگٹ چیمبر تک پورے سسٹم کی کل لمبائی کا تخمینہ 8 میٹر سے کم ہے، جو ایک معیاری نیم ٹریلر ٹرک میں فٹ ہو سکتا ہے۔
نیوٹران کی تبدیلی کا ہدف براہ راست لکیری ایکسلریٹر کے بعد نصب کیا جائے گا۔ہم الٹا کائیمیٹک منظرنامے 23 کا استعمال کرتے ہوئے پچھلے مطالعات کی بنیاد پر ہدف اسٹیشن کے ڈیزائن پر تبادلہ خیال کرتے ہیں۔رپورٹ کردہ تبادلوں کے اہداف میں ٹھوس مواد (پولی پروپیلین (C3H6) اور ٹائٹینیم ہائیڈرائڈ (TiH2)) اور گیسی ٹارگٹ سسٹم شامل ہیں۔ہر مقصد کے فوائد اور نقصانات ہوتے ہیں۔ٹھوس اہداف عین موٹائی کنٹرول کی اجازت دیتے ہیں۔ہدف جتنا پتلا ہوگا، نیوٹران کی پیداوار کا مقامی انتظام اتنا ہی درست ہوگا۔تاہم، ایسے اہداف میں اب بھی کچھ حد تک ناپسندیدہ جوہری رد عمل اور تابکاری ہو سکتی ہے۔دوسری طرف، ایک ہائیڈروجن ہدف 7Be کی پیداوار کو ختم کر کے ایک صاف ستھرا ماحول فراہم کر سکتا ہے، جو کہ جوہری ردعمل کی اہم پیداوار ہے۔تاہم، ہائیڈروجن میں کمزور رکاوٹ کی صلاحیت ہے اور کافی توانائی کے اخراج کے لیے اسے ایک بڑے جسمانی فاصلے کی ضرورت ہوتی ہے۔یہ TOF پیمائش کے لیے قدرے نقصان دہ ہے۔اس کے علاوہ، اگر ہائیڈروجن کے ہدف کو سیل کرنے کے لیے ایک پتلی فلم کا استعمال کیا جاتا ہے، تو پتلی فلم اور واقعہ لیتھیم بیم سے پیدا ہونے والی گاما شعاعوں کے توانائی کے نقصانات کو بھی مدنظر رکھنا ضروری ہے۔
LICORNE پولی پروپیلین اہداف کا استعمال کرتا ہے اور ٹارگٹ سسٹم کو ہائیڈروجن سیلز میں اپ گریڈ کیا گیا ہے جسے ٹینٹلم فوائل سے سیل کیا گیا ہے۔7Li34 کے لیے 100 nA کا بیم کرنٹ فرض کرتے ہوئے، دونوں ٹارگٹ سسٹم 107 n/s/sr تک پیدا کر سکتے ہیں۔اگر ہم اپنے مجوزہ نیوٹران ماخذ پر دعویٰ کردہ نیوٹران کی پیداوار کی تبدیلی کو لاگو کرتے ہیں، تو ہر لیزر پلس کے لیے 7 × 10–8 C کی لیتھیم سے چلنے والی بیم حاصل کی جا سکتی ہے۔اس کا مطلب یہ ہے کہ لیزر کو فی سیکنڈ میں صرف دو بار فائر کرنے سے 40 فیصد زیادہ نیوٹران پیدا ہوتے ہیں جتنا کہ LICORNE ایک سیکنڈ میں مسلسل شہتیر کے ساتھ پیدا کر سکتا ہے۔لیزر کی حوصلہ افزائی کی فریکوئنسی کو بڑھا کر کل بہاؤ کو آسانی سے بڑھایا جا سکتا ہے۔اگر ہم فرض کریں کہ مارکیٹ میں 1 کلو ہرٹز لیزر سسٹم موجود ہے تو اوسط نیوٹران فلوکس کو آسانی سے تقریباً 7 × 109 n/s/sr تک بڑھایا جا سکتا ہے۔
جب ہم پلاسٹک کے اہداف کے ساتھ اعلی تکرار کی شرح کے نظام کا استعمال کرتے ہیں، تو اہداف پر گرمی کی پیداوار کو کنٹرول کرنا ضروری ہوتا ہے کیونکہ، مثال کے طور پر، پولی پروپیلین کا پگھلنے کا کم نقطہ 145–175 °C اور کم تھرمل چالکتا 0.1–0.22 W/ ہے۔ m/K14 MeV لیتھیم آئن بیم کے لیے، 7 µm موٹا پولی پروپیلین ہدف بیم کی توانائی کو رد عمل کی حد (13.098 MeV) تک کم کرنے کے لیے کافی ہے۔ہدف پر ایک لیزر شاٹ سے پیدا ہونے والے آئنوں کے کل اثر کو مدنظر رکھتے ہوئے، پولی پروپیلین کے ذریعے لیتھیم آئنوں کی توانائی کے اخراج کا تخمینہ 64 ایم جے/پلس لگایا گیا ہے۔یہ فرض کرتے ہوئے کہ تمام توانائی 10 ملی میٹر قطر کے دائرے میں منتقل ہوتی ہے، ہر نبض تقریباً 18 K/پلس کے درجہ حرارت میں اضافے کے مساوی ہے۔پولی پروپیلین اہداف پر توانائی کی رہائی اس سادہ مفروضے پر مبنی ہے کہ توانائی کے تمام نقصانات کو حرارت کے طور پر ذخیرہ کیا جاتا ہے، بغیر تابکاری یا حرارت کے دیگر نقصانات کے۔چونکہ فی سیکنڈ دالوں کی تعداد میں اضافہ کرنے کے لیے گرمی کے اضافے کو ختم کرنے کی ضرورت ہوتی ہے، اس لیے ہم اسی پوائنٹ23 پر توانائی کے اخراج سے بچنے کے لیے پٹی کے اہداف کا استعمال کر سکتے ہیں۔100 Hz کی لیزر ریپیٹیشن ریٹ کے ساتھ ہدف پر 10 ملی میٹر بیم اسپاٹ کو فرض کرتے ہوئے، پولی پروپیلین ٹیپ کی اسکیننگ کی رفتار 1 m/s ہوگی۔اگر بیم اسپاٹ اوورلیپ کی اجازت ہو تو زیادہ تکرار کی شرح ممکن ہے۔
ہم نے ہائیڈروجن بیٹریوں کے ساتھ اہداف کی بھی چھان بین کی، کیونکہ مضبوط ڈرائیو بیم ہدف کو نقصان پہنچائے بغیر استعمال کیے جا سکتے ہیں۔نیوٹران بیم کو گیس چیمبر کی لمبائی اور اندر کے ہائیڈروجن پریشر کو تبدیل کرکے آسانی سے ٹیون کیا جاسکتا ہے۔ٹارگٹ کے گیسی علاقے کو ویکیوم سے الگ کرنے کے لیے باریک دھاتی ورقوں کو ایکسلریٹر میں استعمال کیا جاتا ہے۔لہذا، ورق پر توانائی کے نقصانات کی تلافی کرنے کے لیے واقعہ لتیم آئن بیم کی توانائی کو بڑھانا ضروری ہے۔رپورٹ 35 میں بیان کردہ ہدف اسمبلی 3.5 سینٹی میٹر لمبا ایلومینیم کنٹینر پر مشتمل ہے جس کا H2 گیس پریشر 1.5 atm ہے۔16.75 MeV لیتھیم آئن بیم ایئر کولڈ 2.7 µm Ta ورق کے ذریعے بیٹری میں داخل ہوتی ہے، اور بیٹری کے آخر میں لیتھیم آئن بیم کی توانائی رد عمل کی حد تک کم ہو جاتی ہے۔لیتھیم آئن بیٹریوں کی بیم توانائی کو 14.0 MeV سے 16.75 MeV تک بڑھانے کے لیے، IH linac کو تقریباً 30 سینٹی میٹر لمبا کرنا پڑا۔
گیس سیل کے اہداف سے نیوٹران کے اخراج کا بھی مطالعہ کیا گیا۔مندرجہ بالا LICORNE گیس کے اہداف کے لیے، GEANT436 تخروپن سے پتہ چلتا ہے کہ شنک کے اندر انتہائی اورینٹڈ نیوٹران پیدا ہوتے ہیں، جیسا کہ شکل 1 میں [37] میں دکھایا گیا ہے۔حوالہ 35 0.7 سے 3.0 MeV تک توانائی کی حد کو ظاہر کرتا ہے جس میں مرکزی بیم کے پھیلاؤ کی سمت کی نسبت 19.5° کی زیادہ سے زیادہ شنک کھلتی ہے۔ہائی اورینٹڈ نیوٹران زیادہ تر زاویوں پر شیلڈنگ مواد کی مقدار کو نمایاں طور پر کم کر سکتے ہیں، ساخت کا وزن کم کر سکتے ہیں اور پیمائش کے آلات کی تنصیب میں زیادہ لچک فراہم کر سکتے ہیں۔تابکاری کے تحفظ کے نقطہ نظر سے، نیوٹران کے علاوہ، یہ گیسی ہدف 478 keV گاما شعاعیں سنٹرائیڈ کوآرڈینیٹ سسٹم میں isotropically خارج کرتا ہے۔یہ γ-شعاعیں 7Be decay اور 7Li deexcitation کے نتیجے میں پیدا ہوتی ہیں، جو اس وقت ہوتی ہے جب پرائمری لی بیم ان پٹ ونڈو Ta سے ٹکراتی ہے۔تاہم، ایک موٹا 35 Pb/Cu سلنڈرکل کولیمیٹر شامل کرکے، پس منظر کو نمایاں طور پر کم کیا جا سکتا ہے۔
ایک متبادل ہدف کے طور پر، کوئی پلازما ونڈو [39, 40] کا استعمال کرسکتا ہے، جس سے نسبتاً زیادہ ہائیڈروجن دباؤ اور نیوٹران نسل کے ایک چھوٹے سے مقامی علاقے کو حاصل کرنا ممکن ہوتا ہے، حالانکہ یہ ٹھوس اہداف سے کمتر ہے۔
ہم GEANT4 کا استعمال کرتے ہوئے لتیم آئن بیم کے متوقع توانائی کی تقسیم اور بیم کے سائز کے لیے نیوٹران کی تبدیلی کے ہدف کے اختیارات کی چھان بین کر رہے ہیں۔ہمارے نقالی مندرجہ بالا لٹریچر میں ہائیڈروجن اہداف کے لیے نیوٹران توانائی اور کونیی تقسیم کی مستقل تقسیم کو ظاہر کرتے ہیں۔کسی بھی ٹارگٹ سسٹم میں، ہائیڈروجن سے بھرپور ہدف پر ایک مضبوط 7Li3+ بیم کے ذریعے کارفرما ایک الٹا کائیمیٹک رد عمل کے ذریعے انتہائی پر مبنی نیوٹران تیار کیے جا سکتے ہیں۔لہذا، نئے نیوٹران ذرائع کو پہلے سے موجود ٹیکنالوجیز کو ملا کر لاگو کیا جا سکتا ہے۔
لیزر شعاع ریزی کے حالات نے تیز رفتار مظاہرے سے پہلے آئن بیم جنریشن کے تجربات کو دوبارہ تیار کیا۔لیزر ایک ڈیسک ٹاپ nanosecond Nd:YAG سسٹم ہے جس کی لیزر پاور کثافت 1012 W/cm2 ہے، 1064 nm کی بنیادی طول موج، 800 mJ کی اسپاٹ انرجی، اور 6 ns کی نبض کا دورانیہ ہے۔ہدف پر جگہ کے قطر کا تخمینہ 100 µm لگایا گیا ہے۔چونکہ لیتھیم میٹل (الفا ایسر، 99.9% خالص) کافی نرم ہے، اس لیے درست طریقے سے کٹے ہوئے مواد کو سانچے میں دبایا جاتا ہے۔ورق کے طول و عرض 25 ملی میٹر × 25 ملی میٹر، موٹائی 0.6 ملی میٹر۔ہدف کی سطح پر گڑھے کی طرح کا نقصان اس وقت ہوتا ہے جب ایک لیزر اس سے ٹکراتا ہے، اس لیے ہدف کو موٹر والے پلیٹ فارم کے ذریعے منتقل کیا جاتا ہے تاکہ ہر لیزر شاٹ کے ساتھ ہدف کی سطح کا تازہ حصہ فراہم کیا جا سکے۔بقایا گیس کی وجہ سے دوبارہ ملاپ سے بچنے کے لیے، چیمبر میں دباؤ کو 10-4 Pa کی حد سے نیچے رکھا گیا تھا۔
لیزر پلازما کا ابتدائی حجم چھوٹا ہے، کیونکہ لیزر اسپاٹ کا سائز 100 μm ہے اور اس کی نسل کے بعد 6 ns کے اندر ہے۔حجم کو عین نقطہ کے طور پر لیا جا سکتا ہے اور بڑھایا جا سکتا ہے۔اگر ڈیٹیکٹر کو ہدف کی سطح سے xm کے فاصلے پر رکھا جاتا ہے، تو موصول ہونے والا سگنل اس تعلق کی پابندی کرتا ہے: آئن کرنٹ I، آئن کی آمد کا وقت t، اور نبض کی چوڑائی τ۔
لیزر ہدف سے 2.4 میٹر اور 3.85 میٹر کے فاصلے پر واقع FC اور انرجی آئن اینالائزر (EIA) کے ساتھ TOF طریقہ سے پیدا شدہ پلازما کا مطالعہ کیا گیا۔FC میں الیکٹرانوں کو روکنے کے لیے -5 kV کی طرف سے ایک دبانے والا گرڈ ہوتا ہے۔EIA میں ایک 90 ڈگری الیکٹرو سٹیٹک ڈیفلیکٹر ہے جس میں ایک ہی وولٹیج لیکن مخالف قطبیت کے ساتھ دو سماکشی دھاتی بیلناکار الیکٹروڈ ہوتے ہیں، باہر سے مثبت اور اندر سے منفی۔پھیلتے ہوئے پلازما کو سلاٹ کے پیچھے ڈیفلیکٹر میں بھیج دیا جاتا ہے اور سلنڈر سے گزرنے والے الیکٹرک فیلڈ کے ذریعے انحراف کیا جاتا ہے۔E/z = eKU کے تعلق کو پورا کرنے والے آئنوں کا پتہ سیکنڈری الیکٹران ملٹیپلائر (SEM) (Hamamatsu R2362) کے ذریعے کیا جاتا ہے، جہاں E, z, e, K, اور U آئن انرجی، چارج کی حالت، اور چارج EIA جیومیٹرک عوامل ہیں۔ .الیکٹران، بالترتیب، اور الیکٹروڈ کے درمیان ممکنہ فرق۔ڈیفلیکٹر میں وولٹیج کو تبدیل کرکے، کوئی بھی پلازما میں آئنوں کی توانائی اور چارج کی تقسیم حاصل کرسکتا ہے۔سویپ وولٹیج U/2 EIA 0.2 V سے 800 V کے درمیان ہے، جو 4 eV سے 16 keV فی چارج حالت میں آئن انرجی سے مساوی ہے۔
لیزر شعاع ریزی کے حالات کے تحت تجزیہ کردہ آئنوں کی چارج حالت کی تقسیم "مکمل طور پر سٹرپڈ لیتھیم بیم کی نسل" میں بیان کی گئی ہے، انجیر میں دکھایا گیا ہے۔8۔
آئنوں کے چارج کی حالت کی تقسیم کا تجزیہ۔یہ ہے آئن کرنٹ ڈینسٹی ٹائم پروفائل EIA کے ساتھ تجزیہ کیا گیا ہے اور مساوات کا استعمال کرتے ہوئے لتیم فوائل سے 1 میٹر پر اسکیل کیا گیا ہے۔(1) اور (2)۔لیزر شعاع ریزی کے حالات استعمال کریں جو "مکمل طور پر ایکسفولیٹیڈ لیتھیم بیم کی تخلیق" سیکشن میں بیان کی گئی ہیں۔ہر موجودہ کثافت کو یکجا کرکے، پلازما میں آئنوں کے تناسب کا حساب لگایا گیا، جسے شکل 3 میں دکھایا گیا ہے۔
لیزر آئن ذرائع زیادہ چارج کے ساتھ ایک شدید ملٹی ایم اے آئن بیم فراہم کر سکتے ہیں۔تاہم، اسپیس چارج ریپلیشن کی وجہ سے بیم کی ترسیل بہت مشکل ہے، اس لیے اسے بڑے پیمانے پر استعمال نہیں کیا گیا۔روایتی اسکیم میں، آئن بیم کو پلازما سے نکالا جاتا ہے اور ایکسلریٹر کی پک اپ صلاحیت کے مطابق آئن بیم کو شکل دینے کے لیے کئی فوکسنگ میگنےٹس کے ساتھ بیم لائن کے ساتھ پرائمری ایکسلریٹر پر منتقل کیا جاتا ہے۔خلائی چارج فورس بیم میں، شہتیر غیر لکیری طور پر ہٹ جاتے ہیں، اور بیم کے سنگین نقصانات دیکھے جاتے ہیں، خاص طور پر کم رفتار والے علاقے میں۔میڈیکل کاربن ایکسلریٹر کی ترقی میں اس مسئلے پر قابو پانے کے لیے، ایک نئی DPIS41 بیم ڈیلیوری اسکیم تجویز کی گئی ہے۔ہم نے اس تکنیک کو نئے نیوٹران ماخذ سے طاقتور لیتھیم آئن بیم کو تیز کرنے کے لیے استعمال کیا ہے۔
جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے۔4، وہ جگہ جس میں پلازما پیدا ہوتا ہے اور پھیلایا جاتا ہے وہ دھات کے کنٹینر سے گھرا ہوا ہے۔بند جگہ RFQ ریزونیٹر کے داخلی دروازے تک پھیلی ہوئی ہے، بشمول سولینائیڈ کوائل کے اندر والیوم۔کنٹینر پر 52 kV کا وولٹیج لگایا گیا تھا۔RFQ ریزونیٹر میں، آئنوں کو RFQ کو گراؤنڈ کر کے 6 ملی میٹر قطر کے سوراخ سے پوٹینشل کے ذریعے کھینچا جاتا ہے۔شہتیر کی لکیر پر غیر لکیری ریپلسیو قوتیں ختم ہو جاتی ہیں کیونکہ آئنوں کو پلازما کی حالت میں منتقل کیا جاتا ہے۔اس کے علاوہ، جیسا کہ اوپر ذکر کیا گیا ہے، ہم نے نکالنے والے یپرچر میں آئنوں کی کثافت کو کنٹرول کرنے اور بڑھانے کے لیے ڈی پی آئی ایس کے ساتھ مل کر سولینائیڈ فیلڈ کا اطلاق کیا۔
RFQ ایکسلریٹر ایک بیلناکار ویکیوم چیمبر پر مشتمل ہے جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے۔9aاس کے اندر، آکسیجن سے پاک تانبے کی چار سلاخوں کو شہتیر کے محور کے ارد گرد کواڈروپول متوازی طور پر رکھا گیا ہے (تصویر 9b)۔4 سلاخیں اور چیمبرز ایک گونجنے والا RF سرکٹ بناتے ہیں۔حوصلہ افزائی شدہ RF فیلڈ راڈ میں وقت کے لحاظ سے مختلف وولٹیج بناتا ہے۔محور کے گرد طولانی طور پر لگائے گئے آئنوں کو کواڈروپول فیلڈ کے ذریعے بعد میں رکھا جاتا ہے۔ایک ہی وقت میں، چھڑی کی نوک کو ایک محوری برقی میدان بنانے کے لیے ماڈیول کیا جاتا ہے۔محوری فیلڈ انجیکشن لگاتار بیم کو بیم دالوں کی ایک سیریز میں تقسیم کرتا ہے جسے بیم کہتے ہیں۔ہر بیم ایک مخصوص RF سائیکل وقت (10 ns) کے اندر موجود ہوتا ہے۔ملحقہ بیم ریڈیو فریکوئنسی کی مدت کے مطابق فاصلہ رکھتے ہیں۔RFQ linac میں، لیزر آئن ماخذ سے 2 µs بیم کو 200 بیم کی ترتیب میں تبدیل کیا جاتا ہے۔اس کے بعد شہتیر کو حسابی توانائی تک تیز کیا جاتا ہے۔
لکیری ایکسلریٹر RFQ۔(a) (بائیں) RFQ linac چیمبر کا بیرونی منظر۔(b) (دائیں) چیمبر میں فور راڈ الیکٹروڈ۔
RFQ linac کے بنیادی ڈیزائن کے پیرامیٹرز ہیں راڈ وولٹیج، ریزوننٹ فریکوئنسی، بیم ہول کا رداس، اور الیکٹروڈ ماڈیولیشن۔راڈ ± 29 kV پر وولٹیج کو منتخب کریں تاکہ اس کا برقی فیلڈ برقی خرابی کی حد سے نیچے ہو۔گونج کی فریکوئنسی جتنی کم ہوگی، پس منظر کی توجہ مرکوز کرنے والی قوت اتنی ہی زیادہ ہوگی اور اوسط ایکسلریشن فیلڈ اتنی ہی چھوٹی ہوگی۔بڑا یپرچر ریڈی بیم کے سائز کو بڑھانا ممکن بناتا ہے اور نتیجتاً، چھوٹے اسپیس چارج ریپلیشن کی وجہ سے بیم کرنٹ کو بڑھاتا ہے۔دوسری طرف، بڑے یپرچر ریڈی کو RFQ linac کو طاقت دینے کے لیے زیادہ RF پاور کی ضرورت ہوتی ہے۔اس کے علاوہ، یہ سائٹ کے معیار کی ضروریات کی طرف سے محدود ہے.ان بیلنس کی بنیاد پر، گونجنے والی فریکوئنسی (100 میگاہرٹز) اور یپرچر رداس (4.5 ملی میٹر) کو ہائی کرنٹ بیم ایکسلریشن کے لیے منتخب کیا گیا تھا۔ماڈیولیشن کا انتخاب بیم کے نقصان کو کم کرنے اور تیز رفتاری کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔RFQ linac ڈیزائن تیار کرنے کے لیے ڈیزائن کو کئی بار بہتر بنایا گیا ہے جو 2m کے اندر 22 keV/n سے 204 keV/n تک 40 mA پر 7Li3+ آئنوں کو تیز کر سکتا ہے۔تجربے کے دوران ماپا گیا RF پاور 77 کلو واٹ تھا۔
RFQ linacs ایک مخصوص Q/A رینج کے ساتھ آئنوں کو تیز کر سکتے ہیں۔لہٰذا، لکیری ایکسلریٹر کے آخر میں کھلائے جانے والے بیم کا تجزیہ کرتے وقت، آئسوٹوپس اور دیگر مادوں کو مدنظر رکھنا ضروری ہے۔اس کے علاوہ، مطلوبہ آئن، جزوی طور پر تیز، لیکن ایکسلریٹر کے وسط میں سرعت کے حالات میں اترتے ہیں، پھر بھی پس منظر کی قید کو پورا کر سکتے ہیں اور آخر تک لے جا سکتے ہیں۔انجینئرڈ 7Li3+ ذرات کے علاوہ غیر مطلوبہ شعاعوں کو نجاست کہا جاتا ہے۔ہمارے تجربات میں، 14N6+ اور 16O7+ نجاست سب سے زیادہ تشویشناک تھی، کیونکہ لیتھیم دھاتی ورق ہوا میں آکسیجن اور نائٹروجن کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ان آئنوں میں Q/A تناسب ہوتا ہے جسے 7Li3+ کے ساتھ تیز کیا جا سکتا ہے۔ہم RFQ linac کے بعد شہتیر کے تجزیے کے لیے مختلف معیار اور معیار کے شہتیروں کو الگ کرنے کے لیے ڈوپول میگنےٹ استعمال کرتے ہیں۔
RFQ linac کے بعد کی بیم لائن کو مکمل طور پر تیز رفتار 7Li3+ بیم کو ڈوپول مقناطیس کے بعد ایف سی تک پہنچانے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔آئن بیم کرنٹ کو درست طریقے سے ماپنے کے لیے کپ میں سیکنڈری الیکٹران کو دبانے کے لیے -400 V بائیس الیکٹروڈ استعمال کیے جاتے ہیں۔اس آپٹکس کے ساتھ، آئن کی رفتار کو ڈوپولس میں الگ کیا جاتا ہے اور Q/A کے لحاظ سے مختلف جگہوں پر فوکس کیا جاتا ہے۔مختلف عوامل جیسے مومینٹم ڈفیوژن اور اسپیس چارج ریپلیشن کی وجہ سے، فوکس میں بیم کی ایک خاص چوڑائی ہوتی ہے۔پرجاتیوں کو صرف اس صورت میں الگ کیا جا سکتا ہے جب دو آئن پرجاتیوں کی فوکل پوزیشنوں کے درمیان فاصلہ بیم کی چوڑائی سے زیادہ ہو۔سب سے زیادہ ممکنہ ریزولوشن حاصل کرنے کے لیے، بیم کی کمر کے قریب ایک افقی سلٹ نصب کیا جاتا ہے، جہاں بیم عملی طور پر مرکوز ہوتی ہے۔ایک سنٹیلیشن اسکرین (CsI(Tl) Saint-Gobain سے، 40 mm × 40 mm × 3 mm) سلٹ اور پی سی کے درمیان نصب کی گئی تھی۔سکنٹیلیٹر کا استعمال سب سے چھوٹی سلٹ کا تعین کرنے کے لیے کیا گیا تھا جس سے ڈیزائن کیے گئے ذرات کو زیادہ سے زیادہ ریزولوشن کے لیے گزرنا پڑتا تھا اور ہائی کرنٹ ہیوی آئن بیم کے لیے قابل قبول بیم کے سائز کا مظاہرہ کیا جاتا تھا۔سی سی ڈی کیمرے کے ذریعے ویکیوم ونڈو کے ذریعے سینٹیلیٹر پر بیم کی تصویر ریکارڈ کی جاتی ہے۔پوری بیم پلس کی چوڑائی کا احاطہ کرنے کے لیے ایکسپوزر ٹائم ونڈو کو ایڈجسٹ کریں۔
موجودہ مطالعہ میں استعمال شدہ یا تجزیہ کردہ ڈیٹا سیٹ متعلقہ مصنفین سے معقول درخواست پر دستیاب ہیں۔
مانکے، I. وغیرہمقناطیسی ڈومینز کی سہ جہتی امیجنگ۔قومی کمیون.1، 125۔ https://doi.org/10.1038/ncomms1125 (2010)۔
اینڈرسن، آئی ایس وغیرہ۔ایکسلریٹر پر کمپیکٹ نیوٹران ذرائع کا مطالعہ کرنے کے امکانات۔طبیعیاتRep. 654, 1-58.https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.007 (2016)۔
Urchuoli، A. et al.نیوٹران پر مبنی کمپیوٹڈ مائیکروٹوموگرافی: پلائیوبیٹس کیٹالونیا اور باربیراپیٹیکس ہیرزلیری بطور ٹیسٹ کیسز۔جی ہاں.J. طبیعیاتبشریات166، 987-993۔https://doi.org/10.1002/ajpa.23467 (2018)۔