Dimostrazione di un intenso raggio di litio per la prua

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14016 (2022) Citare questo articolo

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Come alternativa alla ricerca sui reattori nucleari, un generatore di neutroni compatto azionato da un acceleratore che utilizza un fascio di litio potrebbe essere un candidato promettente poiché non produce quasi nessuna radiazione indesiderata. Tuttavia, fornire un intenso fascio di ioni di litio è stato difficile e si è pensato che l’applicazione pratica di un tale dispositivo sarebbe stata impossibile. Il problema più critico dei flussi ionici insufficienti è stato risolto applicando uno schema di iniezione diretta del plasma. In questo schema, un plasma pulsato ad alta densità da un foglio di litio metallico generato mediante ablazione laser viene iniettato e accelerato in modo efficiente da un acceleratore lineare a quadrupolo a radiofrequenza (RFQ linac). Abbiamo ottenuto una corrente di picco del fascio di 35 mA accelerata a 1,43 MeV, che è due ordini di grandezza superiore a quella che un sistema iniettore e acceleratore convenzionale può fornire.

I neutroni, a differenza dei raggi X o delle particelle cariche, hanno un'elevata profondità di penetrazione e interazioni uniche con la materia condensata, che li rendono sonde estremamente versatili per studiare le proprietà dei materiali1,2,3,4,5,6,7. In particolare, le tecniche di diffusione dei neutroni sono spesso utilizzate per studiare la composizione, la struttura e lo stress interno della materia condensata e possono fornire informazioni dettagliate su composti minori nelle leghe metalliche che sono difficili da rilevare mediante spettroscopia a raggi X8. Questa tecnica è considerata uno strumento potente nella scienza di base ed è stata adottata dai produttori di metalli e altri materiali. Più recentemente, si è cominciato ad applicare la diffrazione di neutroni per rilevare le sollecitazioni residue in componenti meccanici come rotaie e parti di aerei9,10,11,12. I neutroni vengono utilizzati anche nei pozzi per la ricerca di petrolio e gas perché possono essere facilmente catturati in materiali ricchi di protoni13. Tecniche simili vengono utilizzate anche nel campo dell'ingegneria civile. I test non distruttivi con neutroni sono uno strumento efficace per rilevare guasti nascosti in edifici, tunnel e ponti. Le applicazioni dei fasci di neutroni sono state utilizzate attivamente sia nella ricerca scientifica che nell’industria, e molte di queste tecnologie sono state storicamente sviluppate utilizzando reattori nucleari.

Tuttavia, con il consenso globale sulla non proliferazione nucleare, la costruzione di piccoli reattori a fini di ricerca sta diventando sempre più difficile. Inoltre, il recente incidente nucleare di Fukushima ha reso la costruzione di reattori nucleari quasi socialmente inaccettabile. Con questa tendenza, la domanda di sorgenti di neutroni guidate da acceleratori è in aumento2. Diversi grandi impianti con sorgenti di neutroni di spallazione azionati da acceleratori sono già in funzione come alternativa ai reattori nucleari14,15. Tuttavia, per sfruttare in modo più efficace le caratteristiche del fascio di neutroni, è essenziale promuovere l'uso di sorgenti compatte guidate da acceleratori che possano essere di proprietà di strutture di ricerca su scala industriale e universitaria16. Una sorgente di neutroni azionata da un acceleratore aggiunge nuove funzioni e caratteristiche oltre a fungere da sostituto di un reattore nucleare14. Ad esempio, un generatore azionato da un acceleratore lineare può facilmente pulsare il flusso di neutroni manipolando il raggio guida. I neutroni sono difficili da controllare una volta emessi e le misurazioni delle radiazioni sono difficili da analizzare a causa del rumore causato dai neutroni di fondo. I neutroni pulsati guidati dall'acceleratore possono evitare questo problema. Alcuni progetti basati sulla tecnologia degli acceleratori di protoni sono stati proposti in tutto il mondo17,18,19. Le reazioni più popolari utilizzate in un generatore di neutroni compatto azionato da protoni sono 7Li(p, n)7Be e 9Be(p, n)9B perché sono reazioni endotermiche20. Se l'energia del fascio di protoni pilota viene selezionata appena al di sopra del valore soglia, è possibile ridurre al minimo le radiazioni eccessive e le scorie radioattive. Tuttavia, la massa del nucleo bersaglio è molto più pesante di quella del protone e i neutroni generati vengono dispersi in tutte le direzioni. Questa emissione quasi isotropa del flusso di neutroni impedisce un trasporto efficiente dei neutroni verso l'oggetto in studio. Inoltre, per produrre la dose di neutroni richiesta nella posizione dell’oggetto, sia il numero di protoni guidatori che la loro energia devono essere notevolmente aumentati. Di conseguenza, un'elevata dose di raggi gamma e neutroni sarà distribuita ad angoli ampi e rovinerà i vantaggi delle reazioni endotermiche. Un tipico generatore di neutroni compatto azionato da un acceleratore basato su protoni ha una pesante schermatura per la protezione dalle radiazioni ed è la parte più massiccia del sistema. La necessità di aumentare l'energia dei protoni del conducente richiede solitamente un ulteriore aumento delle dimensioni della struttura di accelerazione.