高壓倍加器微秒脈沖束系統的建立

陳紅濤，趙 芳

(中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室，北京 102413)

在一些效應本底較低的核物理實驗中，需通過電子學門控技術[1]將截面較小以至于峰面積較小的目標峰從較大本底的能譜中挑選出來，而這需要加速器提供脈沖形式的束流。由于目標峰的面積較小，為減小測量時間、提高效率，所需的脈沖束的束流較大。在無法提高總束流強度的條件下，需提高束流脈沖的占空比(脈沖的寬度與脈沖周期之比)。比如，中子檢測爆炸物實驗，目標峰包括14N(nt，γ)15N、1H(nt，γ)2H、16O(n，n′)16O、12C(n，n′)12C′等，且快中子等射線引起的本底很大，若不采用電子學門控技術，目標峰將很難清晰顯現。在某些利用中子進行多元素分析的實驗中，若采用脈沖束，可通過在脈沖區測量快中子引起的γ快譜，在空白區測量熱中子或慢中子引起的γ慢譜，減少快中子及(n，n′)反應引起的射線在測量系統中的干擾，來提高快譜的效應本底比，此方法稱脈沖快/熱中子分析法(PF/TNA[1])。對于不同的測量目標，中子慢化所需的時間不同，需要脈沖束的頻率可變。中國原子能科學研究院的高壓倍加器可提供直流束和納秒脈沖束[2]，納秒脈沖束的脈沖頻率固定為1.5 MHz，脈沖寬度為1.5 ns至幾十ns，但還不能滿足某些核物理實驗的需求。為滿足某些效應本底較低的實驗的需求，在中國原子能科學研究院的高壓倍加器上利用束流切割的方法建立一套微秒脈沖束系統，并對研制的系統進行性能測試。

1 微秒脈沖束實現方法

中國原子能科學研究院的高壓倍加器在加速管前放置一系列的束流光學元件[2]，由離子源開始依次為預加速間隙、單透鏡、導向器、切割板、切割孔、分析磁鐵和束流準直孔，可用如下3種方法產生脈沖束。

1.1 離子源產生脈沖束

離子源產生脈沖束是從離子源引出脈沖束流。實現的方法是將離子源的引出電壓設為脈沖方波，在一個脈沖周期內，有電壓脈沖時束流從離子源引出，在脈沖周期的空白區束流不引出，這種方法產生的脈沖束的波形和頻率與離子源引出電壓的脈沖波形和頻率一致。高壓倍加器采用的是高頻離子源，其引出電壓為0～4 kV，引出束流的強度與引出電壓的大小相關。一般情況下，引出電壓越大，束流強度越高，要保證較高的脈沖束流強度，需要引出電壓的脈沖幅度不小于4 kV。很多核物理實驗要求脈沖束的頻率達到幾kHz甚至幾十kHz，對脈沖束的寬度、上升前沿和下降后沿的要求均很高。因此，該方法要求離子源引出電壓的電源能輸出頻率達到幾十kHz、波形好、上升前沿和下降后沿很快的脈沖電壓，但這種電源并不容易得到。當對引出束流的強度要求不高，引出電壓小于2 kV時，此種方法才相對易實現。

1.2 掃描偏轉板與切割孔結合產生脈沖束

該方法是在束流傳輸的中心線上安裝兩個上、下對應的方形金屬板(切割板)，在金屬板后安裝一個限束光闌(切割孔)，在切割板上輸入一個方波脈沖電壓。束流通過切割板中心，在有脈沖時會發生偏轉，打在后面的光闌上；在沒有脈沖的空白區，束流會自由通過切割板和切割孔向后傳輸，通過切割孔的束流形成脈沖束。脈沖束的頻率和波形將與方波脈沖電壓的頻率和波形一致。經推算，若使用切割電壓的波形為方波，使束流發生偏轉的電壓只需幾百V[3]，此種類型的方波電源較易得到，切割板和切割孔的安裝也不難實現，因此，該種方法是一可行的方法。

1.3 分析磁鐵與束流準直孔產生脈沖束

該方法是在分析磁鐵和加速管入口處安裝一個切割孔，分析磁鐵的前端安裝一個磁導向器，磁導向器的電源作脈沖電源，在有脈沖時，束流打在切割光闌上；在沒有脈沖的空白區束流通過切割孔，形成脈沖束，脈沖束的頻率和波形將與導向器電源脈沖的頻率和波形一致。由于本文高壓倍加器是已建成的，在分析磁鐵的前端已沒有合適的空間安裝磁導向器。重新改造此處的元件布置，工程相對繁瑣，所需經費也較大。

綜合以上分析，本文高壓倍加器的微秒脈沖裝置的研制采用第二種微秒脈沖束的實現方法。

2 微秒脈沖束裝置及產生

2.1 切割裝置

a——離子源；b——離子源底盤；c——單透鏡；d——束流包絡；e——束腰；f——切割板；g——90°雙聚焦分析磁鐵；h——分析磁鐵焦點；i——束流偏出切割孔斑點；j——切割光闌；k——加速管；l——通過切割光闌后的束流

切割單元及微秒脈沖束的形成如圖1所示。束流切割裝置由切割板和切割光闌組成，切割板位于單透鏡后的束腰處，切割光闌位于90°雙聚焦分析磁鐵的焦點處。切割板由兩塊長100 mm、寬40 mm的銅板組成，兩塊板間距25 mm，其中心位于管道中心，兩板上下相對放置，下板接地，上板接方波切割電壓。切割光闌為一個中心帶孔的圓形石墨片，其外徑為30 mm，孔徑為4 mm。

2.2 微秒脈沖束產生過程

由離子源引出的正帶電粒子經加在離子源底盤上的正高壓預先加速使其能量提升到30 keV左右后，進入單透鏡使其聚焦，在切割板處形成束腰。此時，若切割板上不加切割電壓，束流將以直流的形式向后傳輸并通過切割光闌進入加速管；若切割板上加方波切割電壓，則在方波的低電平段(低電平電壓為0 V)束流才能通過切割光闌進入加速管，在方波的高電平段將偏出切割光闌，打在石墨片上，使進入加速管的粒子形成脈沖束。方波切割電壓的頻率代表脈沖束流的頻率，方波的寬度代表脈沖束流的時間寬度?？紤]到加速粒子在傳輸過程中會有能散(由離子源引出有一定的初始能散，切割會產生能散，在加速過程中由加速高壓的紋波也會產生能散)，再加上束流在經過切割孔時會有偏離(束流中心與切割孔機械中心偏離)，最后打在靶上的脈沖寬度將與切割電壓的脈沖寬度有一定的偏差。打到靶上的脈沖束的平均束流強度則與脈沖寬度的占空比相關。

2.3 方波切割電壓特性

該裝置的切割電壓由一臺方波脈沖電源提供，該電源的脈沖幅度、脈沖頻率和脈沖寬度均能連續調節。其中，脈沖幅度的調節范圍為0～500 V，脈沖頻率的調節范圍為1～100 kHz，脈沖寬度的調節范圍為200 ns～0.5 s。電源的輸出阻抗大于100 kΩ(根據對測量的切割板電容[4]預估選擇的)。每個方波脈沖的上升沿和下降沿時間均小于100 ns，最大占空比達到80%。該電源還能提供一個上升時間和頻率與輸出電壓信號相同的3 V的同步信號，該信號可作為飛行時間法測量時TAC的起始或停止觸發信號。

3 微秒脈沖束性能測試實驗

為測試建立的微秒脈沖束裝置的性能，研究采用液體閃爍體探測器測量切割電源輸出不同頻率和寬度脈沖時，由T(d,n)4He核反應產生的14 MeV脈沖中子飛行時間譜，該譜代表脈沖束流的形狀和時間寬度。通過比較所測譜的形狀和時間寬度與切割電源輸出的切割脈沖的形狀和時間寬度，判斷所建立的微秒脈沖束裝置的性能。

3.1 實驗方法

測量時探測器與氚靶之間的中心距離為4.5 m(T(d，n)4He中子飛行距離)，所用電子學線路如圖2所示。實驗中不加切割時直流束流強為430 μA，切割電壓為430 V。電子學插件用到了兩個935定時器，一個液體閃爍體中子探測器，一個延時器、一個556TAC(恒比定時器)，一個計算機及其多道。取切割電源輸出的切割電壓同步信號經延時器延時之后輸出給556TAC，作為其停止信號；取探測器的輸出信號給556TAC，作為其起始信號；最后由556TAC輸出給計算機多道采集飛行時間譜。

圖2 電子學線路示意圖

3.2 實驗結果

實驗中，在切割電源的脈沖頻率和脈沖寬度范圍內選取幾個不同的頻率和脈沖寬度對建立的微秒脈沖束系統的性能進行測試，測試結果列于表1，同時測量了T(d,n)4He中子飛行時間譜。由譜讀出脈沖中子的時間寬度，計算實測的譜寬度與切割電壓脈沖寬度的相對偏差，結果列于表1。其中，占空比表示切割寬度與切割脈沖的周期之比，譜寬度相對偏差表示實際測量得到的中子飛行時間譜的脈沖寬度與切割寬度的相對偏差。譜寬度的相對偏差可反映微秒脈沖裝置的可靠性。

表1 微秒脈沖束測試結果

3.3 結果分析

從測得的中子飛行時間譜可看出，中子峰的脈沖寬度與切割電壓輸出的脈沖寬度一致，束流強度等于占空比乘以總束流強度。切割電壓的大小滿足了裝置要求。譜寬度的相對偏差范圍較大，最大達10%，最小僅0.1%，且不能直觀地看出偏差與其他因素的關系，也沒有明顯的規律。分析整個切割系統，引起譜寬度的偏差可能是由于束流在經過切割孔時與切割孔的中心有一定的偏差，造成束流脈沖的寬度有一定的波動，從而使實際測量的中子飛行時間譜的寬度有偏差。實際應用中，將著重關注這一現象，避免譜的偏差過大。

4 結論

利用束流切割的方式在高壓倍加器上建立了一套完整的微秒脈沖束裝置，該裝置主要由切割掃描板、切割孔和切割電源組成。脈沖束的頻率在1 Hz～100 kHz范圍內連續可調，脈沖的寬度在200 ns～0.5 s范圍內連續可調。對建立的微秒脈沖束裝置，采用液體閃爍體探測器和飛行時間方法測量T(d,n)4He中子飛行時間譜，由該實驗測量結果對該套裝置進行驗證，發現該套裝置符合設計要求，可投入實際應用。

該裝置從建成至今已為多家用戶和實驗提供了不同條件的微秒脈沖束，包括啟明星1#裝置的檢驗實驗、深層爆炸物檢測系統的研制實驗、西北核技術所和防化兵工程學院的探測器刻度實驗等。

該裝置由核數據國家級重點實驗室資助完成，中國原子能科學研究院的周祖英、唐洪慶、朱佳政研究員提出了很多建議，鮑杰、阮錫超在中子飛行時間譜測量實驗中給予了幫助和建議，在此表以衷心感謝。

參考文獻：

[1] 陳涵德. 探測爆炸物和放射性材料的核技術方法[J]. 中國工程科學，2008，10(1)：77-78.

CHEN Hande. Nuclear technology for detecting explosives and radioactive materials[J]. Chinese Engineering Science, 2008, 10(1): 77-78(in Chinese).

[2] 沈冠仁，關遐令，陳洪濤. CIAE 600 kV ns脈沖中子發生器介紹[M]∥CIAE 600 kV ns脈沖中子發生器論文集. 北京： 中國原子能科學研究院，2001：1-4.

[3] 牛銘，李勝利. ns脈沖中子發生器切割板電壓計算[J]. 原子能科學技術，2001，35(3)：245-249.

NIU Ming, LI Shengli. Voltage calculation of the ns pulse neutron generator cutting plate[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2001, 35(3): 245-249(in Chinese).

[4] 李勝利，牛銘. ns脈沖中子發生器切割板電容值測量[J]. 原子能科學技術，2001，35(4)：375-378.

LI Shengli, NIU Ming. Capacitance measurement of the ns pulse neutron generator cutting plate[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2001, 35(4): 375-378(in Chinese).