전방을 위한 강력한 리튬빔 시연

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14016(2022) 이 기사 인용

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연구용 원자로의 대안으로, 리튬 빔 드라이버를 사용하는 소형 가속기 구동 중성자 발생기는 원하지 않는 방사선을 거의 생성하지 않기 때문에 유망한 후보가 될 수 있습니다. 그러나 강력한 리튬 이온 빔을 제공하는 것은 어렵고, 이러한 장치의 실제 적용은 불가능하다고 생각되어 왔습니다. 불충분한 이온 플럭스의 가장 중요한 문제는 직접 플라즈마 주입 방식을 적용하여 해결되었습니다. 이 방식에서는 레이저 절제로 생성된 금속 리튬 포일의 펄스형 고밀도 플라즈마가 RFQ linac(고주파 사중극자 선형 가속기)에 의해 효율적으로 주입되고 가속됩니다. 우리는 1.43 MeV로 가속된 35 mA의 피크 빔 전류를 얻었습니다. 이는 기존 인젝터 및 가속기 시스템이 제공할 수 있는 것보다 2배 더 높은 수치입니다.

X선이나 하전 입자와 달리 중성자는 높은 침투 깊이와 응축 물질과의 독특한 상호 작용을 가지므로 물질의 특성을 조사하는 데 매우 다양한 프로브가 됩니다1,2,3,4,5,6,7. 특히, 중성자 산란 기술은 응집 물질의 조성, 구조 및 내부 응력을 연구하는 데 종종 사용되며 X선 분광학으로 검출하기 어려운 금속 합금의 미량 화합물에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다8. 이 기술은 기초 과학의 강력한 도구로 간주되며 금속 및 기타 재료 제조업체에서 채택했습니다. 최근에는 레일 및 항공기 부품과 같은 기계 부품의 잔류 응력을 감지하기 위해 중성자 회절이 적용되기 시작했습니다9,10,11,12. 중성자는 양성자가 풍부한 물질에서 쉽게 포획될 수 있기 때문에 석유와 가스를 검색하기 위해 유정에서 사용되고 있습니다13. 토목공학 분야에서도 유사한 기술이 사용되고 있습니다. 비파괴 중성자 테스트는 건물, 터널, 교량에 숨겨진 결함을 탐지하는 효과적인 도구입니다. 중성자빔의 응용은 과학 연구와 산업 모두에서 활발히 사용되어 왔으며, 이러한 기술 중 상당수는 역사적으로 원자로를 사용하여 개발되었습니다.

그러나 핵 비확산에 대한 세계적 합의로 인해 연구 목적의 소형 원자로 건설이 점점 더 어려워지고 있습니다. 더욱이 최근 후쿠시마 원전 사고로 인해 원자로 건설은 사회적으로 거의 받아들여지지 않게 되었습니다. 이러한 추세에 따라 가속기 구동 중성자 소스에 대한 수요가 증가하고 있습니다2. 여러 개의 대형 가속기 구동 파쇄 중성자 소스 시설이 이미 원자로의 대안으로 운영되고 있습니다14,15. 그러나 중성자빔의 특성을 보다 효과적으로 활용하기 위해서는 산업 및 대학 규모의 연구 시설이 소유할 수 있는 소형 가속기 구동 소스의 사용을 촉진하는 것이 필수적입니다. 가속기 구동 중성자 소스는 원자로를 대체하는 것 외에도 새로운 기능과 특징을 추가합니다14. 예를 들어, 선형 가속기 구동 발전기는 드라이버 빔을 조작하여 중성자 선속을 쉽게 펄스할 수 있습니다. 중성자는 일단 방출되면 제어하기 어렵고, 배경 중성자로 인한 잡음으로 인해 방사선 측정도 분석하기 어렵습니다. 가속기 구동 펄스 중성자는 이 문제를 피할 수 있습니다. 양성자 가속기 기술을 기반으로 한 일부 프로젝트가 전 세계적으로 제안되었습니다17,18,19. 양성자 구동 소형 중성자 발생기에 사용되는 가장 인기 있는 반응은 흡열 반응이기 때문에 7Li(p, n)7Be 및 9Be(p, n)9B입니다. 구동 양성자빔의 에너지를 임계값 바로 위에서 선택하면 과도한 방사선 및 방사성 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 그러나 표적핵의 질량은 양성자보다 훨씬 무거워서 생성된 중성자는 사방으로 흩어진다. 중성자 플럭스의 거의 등방성 방출은 연구 대상 물체로 중성자를 효율적으로 전달하는 것을 방해합니다. 또한 물체 위치에서 필요한 중성자 선량을 생성하려면 구동 양성자의 수와 에너지가 모두 크게 증가해야 합니다. 결과적으로, 높은 선량의 γ선과 중성자가 큰 각도로 분포되어 흡열 반응의 장점을 손상시킵니다. 일반적인 양성자 기반 소형 가속기 구동 중성자 발생기는 방사선 보호를 위해 강력한 차폐 기능을 갖추고 있으며 시스템에서 가장 큰 부분입니다. 운전자 양성자 에너지를 증가시키기 위해서는 일반적으로 가속 시설의 크기를 추가적으로 증가시켜야 합니다.