Diseño de Spallation Neutron Source

Question

La Fuente de Neutrones por Espalación (todos los detalles tomada de este enlace) se describe como el disparo de un 1 GeV haz de protones en un mercurio de destino. Como este hace que el haz de protones relativista, un ciclotrón no se puede utilizar (no para todos de él, de todos modos), y por lo tanto un gran linac se utiliza en su lugar.

Podría la instalación se hace más pequeño por la aceleración de mercurio a 1 GeV y el disparo en un objetivo de hidrógeno? Como los átomos de mercurio tiene una masa de 186.85 GeV/c2, hago la velocidad y γ a 1 GeV a ser:

$$ \pequeño {\begin{alignat}{7} && 1 \, \mathrm{GeV} &~=~ (\gamma -1) \cdot 186.85 \, \frac{\mathrm{GeV}}{c^2} c^2, \qquad γ = \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \\[2.5px] \therefore~~ && 1 \, \mathrm{GeV} &~=~ \left(\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}-1\right) \cdot 186.85 \, \mathrm{GeV} \\[2.5px] \therefore~~ && \frac{1}{186.85} &~=~ \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}-1 \\[2.5px] \therefore~~ && 1 + \frac{1}{186.85} &~=~ \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \\[2.5px] \therefore~~ && \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}} &~=~ 1/(1 + \frac{1}{186.85}) \\[2.5px] \therefore~~ && 1-\frac{v^2}{c^2} &~=~ \frac{1}{\left(1 + \frac{1}{186.85}\right)^2} \\[2.5px] \therefore~~ && -\frac{v^2}{c^2} &~=~ \frac{1}{\left(1 + \frac{1}{186.85}\right)^2}-1 \\[2.5px] \therefore~~ && \frac{v^2}{c^2} &~=~ -\frac{1}{\left(1 + \frac{1}{186.85}\right)^2}+1 \\ && &~=~ 1-\frac{1}{\left(1 + \frac{1}{186.85}\right)^2} \\[2.5px] \therefore~~ && v^2 &~=~ c^2 \left(1-\frac{1}{\left(1 + \frac{1}{186.85}\right)^2}\right) \\[2.5px] \therefore~~ && v &~=~ \sqrt{c^2 \left(1-\frac{1}{\left(1 + \frac{1}{186.85}\right)^2}\right)} \\[2.5px] \therefore~~ && v &~≅~ 0.103 c, \qquad γ ≅ 1.0053471 \end{alignat}} $$

que está cerca de lo que me han dicho es el límite relativista de un ciclotrón (creo que en la parte de abajo del límite, pero no puede recordar).

Sin embargo, incluso si es en el lado equivocado de ese límite: elementos pesados como el mercurio se puede multiplicar ionizados, e incluso totalmente ionizantes mercurio requiere mucha menos energía que la aceleración a la velocidad, por lo que incluso un acelerador lineal con que el diseño podría ser 20 veces más corto. Si espalación funciona así.

Estoy principalmente a pensar en esto en términos de una nave espacial con un accionados por acelerador reactor subcrítico, y la reducción de la linac longitud de 335 m a 16.75 m parece una mejora significativa para tal tarea.

[Mi de física de nivel {reino unido: COMO de nivel equivalente, Estados Unidos: probablemente secundaria, no estoy seguro de que}; mis matemáticas nivel es {reino unido: doble-A2-nivel, USA: probablemente entre el primer y somophore año en la universidad, pero no estoy seguro}, por favor, destino respuestas a ese tipo de nivel]

Answer 1

En primer lugar, usted tiene que analizar la colisión en el centro de impulso marco de referencia. Dado que el núcleo de mercurio es de ochenta veces más masa que el protón, simplemente cambiando la energía cinética no le dan la misma interacción. Esta es una famosa introducción a la física del problema que voy a dejar de pensar por su propia cuenta.

Además, en espalación en metales pesados objetivos, la típica producción de neutrones es de veinte o treinta neutrones para cada uno de los protones de entrar en la meta. Que sugiere que, cuando el haz de protones interactúa con el objetivo de metal, cada uno de los protones interactúa con tal vez diez de los núcleos de metal. Si se va a acelerar el mercurio núcleos, podría perder esta ventaja: usted tendría que enviar cada núcleo de mercurio en el objetivo de hidrógeno con energía suficiente a la unidad de la espalación de reacción, y cualquier reacción secundaria sería rápido entre mercurio fragmentos y protones en reposo, en lugar de entre un todavía-rápido de protones y otro intacto el núcleo de mercurio.

Usted puede estar interesado en saber que la fuente de espalación de PSI, que al igual que el SNS es un megavatio de la máquina, es impulsado por un medio GeV ciclotrón.

Para la viga del espacio de propulsión, usted puede leer acerca de iones de unidades.