Till vänster:Fotografi av den flytande litiumfilmen som bildas i FRIB-strållinjekammaren. Den extremt släta ytan på litiumfilmen såg ut som en spegel. Till höger:Motsvarande illustration med etiketter för tydlighetens skull. Kredit:Facility for Rare Isotope Beams
Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) accelererar tunga jonstrålar med stråleffekt upp till 400 kilowatt till ett mål för att skapa sällsynta isotoper för vetenskaplig forskning. En laddningsborttagare spelar en viktig roll i denna process. Den avlägsnar ytterligare elektroner från strålen med laddade partiklar för att accelerera den mer effektivt.
FRIB:s balk är för kraftfull för en konventionell laddningsavdrivare av kolfolie. Denna typ av laddningsborttagare skulle drabbas av allvarliga termiska skador och strålningsskador, vilket skulle begränsa dess livslängd och stråleffekt. För att övervinna detta utvecklade och demonstrerade FRIB en toppmodern flytande litiumladdningsavdrivare. Eftersom den är självpåfyllande är denna nya laddningsborttagare en överlägsen värmeborttagare och kan inte skadas av strålning.
Forskare övervägde två alternativa konstruktioner när de designade FRIB:s laddningsavskiljare. Även den bäst presterande laddningsavdrivaren för kolfolie skulle bara hålla i sex timmar på FRIB. En annan typ av självpåfyllande laddningsavdrivare är en gasavdrivare.
Även om detta kan pågå i oändlighet, är strålens laddningstillstånd efter gasladdningsavdrivaren betydligt lägre än efter en fast eller flytande laddningsavdrivare. Laddningstillståndet för jonen är lika med antalet elektroner som avlägsnas från en neutral atom. Ju högre laddningstillstånd, desto mer acceleration kan acceleratorn ge jonen.
En flytande litiumladdningsborttagare har en dubbel fördel:Den kan producera ett lika högt laddningstillstånd som en fastladdningsavdrivare och hålla på obestämd tid. Den här nya tekniken kommer att hjälpa FRIB att accelerera strålar med tunga joner upp till 400 kilowatt och öppna nya möjligheter i olika andra utvecklingar av högeffektacceleratorer.
Kraftfulla, tunga jonstråleanläggningar som FRIB behövs för att möjliggöra grundläggande kärntekniska upptäckter. FRIB gör det möjligt för forskare att studera egenskaperna hos sällsynta isotoper, kärnastrofysik, grundläggande interaktioner och tillämpningar för samhället, inklusive inom medicin, hemlandsäkerhet och industri. I sådana acceleratorer spelar laddningsavdrivare en viktig roll för att effektivt accelerera strålarna.
Den konventionella kolavskiljaren är dock flaskhalsen, vilket begränsar strålkraften. I denna forskning var en flytande litiumfilm med en tjocklek på 10–20 mikrometer (ungefär en tiondel av tjockleken på ett människohår), som flödade med mer än 50 meter per sekund (180 kilometer i timmen eller 112 miles per timme) stabilt bildas i acceleratorns strållinje vid FRIB, en användaranläggning för Department of Energy (DOE) Office of Science vid Michigan State University.
Xenon-, argon- och uranstrålar applicerades på filmen och dess stabilitet och avdragningsförmåga mättes. Resultaten visade att litiumfilmen var en effektiv avdrivare för tunga joner även med uranstrålen. Tillsammans med framgången med ett tidigare demonstrationsexperiment med hög effekt vid DOE:s Argonne National Laboratory, visade forskningen för första gången att laddningsavdrivaren för flytande litium avsevärt kan öka acceleratorns kraft bortom den nuvarande gränsen.
Forskningen publiceras i Physical Review Letters . + Utforska vidare
