Demonstração de um intenso feixe de lítio para avanço

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14016 (2022) Citar este artigo

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Como alternativa à pesquisa de reatores nucleares, um gerador de nêutrons compacto movido a um acelerador que usa um feixe de lítio pode ser um candidato promissor, pois quase não produz radiação indesejada. No entanto, fornecer um intenso feixe de íons de lítio tem sido difícil e acredita-se que a aplicação prática de tal dispositivo seja impossível. O problema mais crítico de fluxos iônicos insuficientes foi resolvido pela aplicação de um esquema de injeção direta de plasma. Neste esquema, um plasma pulsado de alta densidade de uma folha metálica de lítio gerada por ablação a laser é eficientemente injetado e acelerado por um acelerador linear quadrupolo de radiofrequência (RFQ linac). Obtivemos uma corrente de feixe de pico de 35 mA acelerada para 1,43 MeV, que é duas ordens de grandeza maior do que um sistema convencional de injetor e acelerador pode fornecer.

Os nêutrons, ao contrário dos raios X ou das partículas carregadas, têm alta profundidade de penetração e interações únicas com a matéria condensada, tornando-os sondas extremamente versáteis para investigar as propriedades dos materiais1,2,3,4,5,6,7. Em particular, as técnicas de dispersão de nêutrons são freqüentemente usadas para estudar a composição, estrutura e estresse interno da matéria condensada e podem fornecer informações detalhadas sobre compostos menores em ligas metálicas que são difíceis de detectar por espectroscopia de raios-X8. Essa técnica é considerada uma ferramenta poderosa na ciência básica e foi adotada por fabricantes de metais e outros materiais. Mais recentemente, a difração de nêutrons começou a ser aplicada para detectar tensões residuais em componentes mecânicos como trilhos e peças de aeronaves9,10,11,12. Os nêutrons também estão sendo usados ​​em poços para busca de petróleo e gás porque podem ser facilmente capturados em materiais ricos em prótons13. Técnicas semelhantes também estão sendo usadas no campo da engenharia civil. O teste não destrutivo de nêutrons é uma ferramenta eficaz para detectar falhas ocultas em edifícios, túneis e pontes. As aplicações de feixes de nêutrons têm sido usadas ativamente tanto na pesquisa científica quanto na indústria, e muitas dessas tecnologias foram historicamente desenvolvidas usando reatores nucleares.

No entanto, com o consenso global sobre a não proliferação nuclear, a construção de pequenos reatores para fins de pesquisa está se tornando mais difícil. Além disso, o recente acidente nuclear de Fukushima tornou a construção de reatores nucleares quase socialmente inaceitável. Com esta tendência, a demanda por fontes de nêutrons acionadas por aceleradores está aumentando2. Várias grandes instalações de fontes de nêutrons de espalação acionadas por aceleradores já estão em operação como uma alternativa aos reatores nucleares14,15. No entanto, para utilizar as características do feixe de nêutrons de forma mais eficaz, é essencial promover o uso de fontes compactas acionadas por aceleradores que possam ser de propriedade de instalações de pesquisa em escala industrial e universitária16. Uma fonte de nêutrons acionada por um acelerador agrega novas funções e características, além de servir como substituto de um reator nuclear14. Por exemplo, um gerador acionado por acelerador linear pode facilmente pulsar o fluxo de nêutrons manipulando o feixe de acionamento. Os nêutrons são difíceis de controlar uma vez emitidos, e as medições de radiação são difíceis de analisar devido ao ruído causado pelos nêutrons de fundo. Os nêutrons pulsados ​​​​acionados pelo acelerador podem evitar esse problema. Alguns projetos baseados na tecnologia de aceleradores de prótons têm sido propostos ao redor do mundo17,18,19. As reações mais populares usadas em um gerador compacto de nêutrons movido a prótons são 7Li(p, n)7Be e 9Be(p, n)9B porque são reações endotérmicas20. Se a energia do feixe de prótons for selecionada logo acima do valor limite, a radiação excessiva e os resíduos radioativos podem ser minimizados. No entanto, a massa do núcleo alvo é muito mais pesada que a do próton, e os nêutrons gerados são espalhados em todas as direções. Esta emissão quase isotrópica de fluxo de nêutrons impede um transporte eficiente de nêutrons para o objeto em estudo. Além disso, para produzir a dose necessária de nêutrons na posição do objeto, tanto o número de prótons condutores quanto sua energia precisam ser bastante aumentados. Como resultado, uma alta dose de raios γ e nêutrons será distribuída em grandes ângulos e prejudicará as vantagens das reações endotérmicas. Um típico gerador de nêutrons compacto baseado em prótons e acionado por acelerador tem blindagem pesada para proteção contra radiação e é a parte mais massiva do sistema. A necessidade de aumentar a energia do próton do driver geralmente requer um aumento adicional no tamanho da instalação de aceleração.