北京放射性核束裝置在線同位素分離器的研制

崔保群，唐 兵，馬鷹俊，馬瑞剛，陳立華，黃青華，馬 燮

(中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413)

許多對核結構、核天體物理有重要意義的核反應，無法采用穩定束和靶開展研究，只能用放射性核束才能開展相關研究。放射性核束能提供加深了解核結構、宇宙中重核合成過程的機會。因此，國際上許多國家已建造或正在建造放射性核束裝置[1-3]，提供中短壽命放射性核束開展這些工作，其中包括北京放射性核束裝置(BRIF)。這些裝置分為兩種，一種是利用炮彈碎裂法(projectile fragmentation, PF)，高能重離子轟擊薄靶時碎裂形成短壽命放射性核束，如美國伯克利國家實驗室的次級束流線、法國GANIL研究所的LISE和中國科學院近代物理研究所的RIBLL等裝置。另一種是在線同位素分離器(Isotope Separator On-line, ISOL)，通過用輕離子轟擊靶材料，產生中、短壽命的放射性核束，如加拿大的TRIUMF的ISAC裝置、歐洲CERN的ISOLDE裝置、北京放射性核束裝置就是基于ISOL產生放射性核束的裝置。

北京放射性核束裝置在線同位素分離器(BRISOL)采用一臺新建100 MeV、200 μA的回旋加速器提供的質子束轟擊厚靶，在線產生中、短壽命放射性核束并加速到最高300 keV開展低能物理實驗。這些放射性核束也可注入到現有HI-13串列加速器進一步后加速，開展高能物理實驗。目前，北京放射性核束裝置已建成，并已投入運行開展物理實驗，本文主要介紹BRISOL的基本情況及系統性能。

1 BRISOL系統組成

圖1 BRIF布局圖Fig.1 Layout of BRIF

BRIF布局如圖1所示。BRISOL系統主要技術指標是能產生物理實驗要求的放射性核束，質量分辨率為20 000，以便分析同質異位素，最高能量為300 keV。BRISOL主要束流線由以下部分組成：靶源系統、第一分析段、主分析段、偏轉段以及低能實驗終端束流線，如圖2所示。

1.1 靶源系統

靶源工作在放射性環境下，工作時有大量的中子及γ輻射。停機后仍有較強的γ輻射，無法人工直接對靶源進行必要維修或換靶。為保證本裝置的可靠、高效運行，將靶源系統制成模塊化結構以達到快速對靶源進行處理。靶源系統分為3個模塊，分別是初級束流模塊、靶源模塊及透鏡模塊，如圖3所示。初級束流模塊內安裝有法拉第筒及束流在線監測儀用于監測質子束流強及束形。靶源模塊內為BRISOL離子源系統，通過更換不同的靶材料，可產生不同種類的放射性核束。透鏡模塊內設置1臺三單元四極透鏡及1臺xy導向器，引導放射性核束通過6 m長高壓穿墻管傳輸至第一分析段。

圖2 BRISOL系統布局圖Fig.2 Layout of BRISOL

圖3 靶源系統(a)及離子源模塊(b)Fig.3 Target system (a) and ion source model (b)

靶源室尺寸為4.3 m×4.3 m×5 m，墻壁內表面覆以2 mm的鋁板，靶源系統設置在300 kV的高壓臺架上，高壓屏蔽倉與周圍墻壁的距離為1.2 m，在靶源上方有2.6 m的重混凝土屏蔽，與外層的房間頂部合在一起，滿足房間頂部的屏蔽要求。靶室上部的屏蔽層采用可移動的水泥塞，便于靶源模塊的進出。屏蔽層由3層塞子組成，共18塊，每塊最大重量約為5 t。

計算表明，靶離子源的靶經100 MeV質子輻照200 h后冷卻32 h，靶上的活度依然超過3.7×1010Bq，主要是γ輻射和β輻射。除需例行更換靶材料以產生不同放射性核束外，還需在離子源故障時進行必要的維護。

在靶源區北側，建造了1個熱室，熱室長2.8 m、寬2.6 m、高2.1 m。熱室墻厚3.5 m、前方有0.6 m方形窺視窗，窺視窗上方安裝兩只型號為ZC109D的機械手，用來完成對熱室內離子源的零件的更換維護操作。在熱室上方安裝模塊旋轉提升機構。靶源區的離子源、透鏡及初級束流監測模塊可在旋轉提升機構上作±180°旋轉和1 000 mm行程上下移動，待維護的模塊可全方向被機械手接觸操作。在熱室右側，預留一小零件進出通道，靶源模塊在熱室內時，可隨時將必要的零件送入熱室。

靶源區模塊在熱室和工作位置的轉運依靠遠程控制靶源區上方的吊車實現，采用攝像頭監視模塊位置。因為靶源區模塊上方有360 mm厚的鐵屏蔽，在非工作狀態沒有中子輻射，所以在模塊移動過程中，位于該模塊上方的吊車受到的直接輻射很小。為保證可靠性，吊車的驅動為雙驅動，在1套系統發生故障停止工作時，可啟動備份系統繼續工作，避免吊車在放射性模塊轉運過程中停止工作。吊車對模塊的抓取和釋放由特制的自動抓具實現。

1.2 BRISOL譜儀

BRISOL譜儀設計質量分辨率為20 000，由4塊分析磁鐵及四極、六極透鏡組成。為達到20 000的質量分辨率，該譜儀采用異能大小鐵結構消除能量色散[4]，小鐵系統由兩塊偏轉半徑550 mm、偏轉角度90°的二極磁鐵反對稱組成，該系統處于300 kV高壓平臺上。束流經加速管加速至最高300 keV后進入大鐵系統，大鐵系統由兩塊偏轉半徑2 500 mm、偏轉角度100°的二極磁鐵反對稱組成。4塊分析磁鐵均采用表面線圈進行墊補，墊補后磁場均勻性好于0.003 5%[5]。

束流線除分析磁鐵外，其他束流傳輸元件均使用電元件，包括電導向器、電四極透鏡、電六極透鏡。四極透鏡和六極透鏡孔徑均為50 mm，好場區范圍內場均勻性好于0.1%。導向器采用平行板結構，間距50 mm。考慮到高分辨率的要求，其電源采用了高穩定性的模塊，配合PLC矯正曲線，實現了高對稱性，對稱性達到0.1%。

1.3 真空系統

BRISOL真空系統主要分為兩部分，一部分為靶源相關部分，位于高電位；另一部分處于地電位，累計束流線長度約80 m。地電位真空系統采用6臺分子泵和8臺離子泵獲得高真空，真空度好于2×10-5Pa。高電位真空系統采用7臺分子泵獲得高真空，避免其他吸附型的高真空泵因長時間吸附放射性造成處理困難。在靶源區，由于強的中子和γ輻射，3個分子泵由廠家專門研制，泵體、轉子等主要部件由鋁合金制成，泵體上密封材料使用金屬密封。泵內的半導體器件也全部去除。采用兩套干泵-羅茨泵機組為靶源段和第一分析段分子泵作前級泵。在線工作時，這兩部分真空廢氣收集到高壓平臺的300 L的廢氣收集罐內。在地電位還放置了兩個容積均為600 L的廢氣收集罐。當高壓平臺上廢氣收集滿后可轉儲到地電位的儲氣罐內。這兩個儲氣罐內氣體冷卻足夠時間后，經檢測滿足排放標準后向大氣排放。

1.4 束流診斷系統

BRISOL系統的束流診斷系統包括法拉第筒、發射度儀、分析縫、束流剖面儀、放射性核素束流鑒別裝置等。法拉第筒采用電機驅動，口徑φ40 mm，使用-300 V電壓抑制二次電子。法拉第筒配備的放大器可分為1 nA、100 nA、10 μA、100 μA 4個量程，測量精度好于0.1 pA。分析縫和CsI晶體裝配在一起，由1個步進電機驅動，其中分析縫上根據該處束的截面尺寸開有不同尺寸的縫隙，在步進電機控制下，可將需要的分析縫移動到束流通道上，電機位置分辨率好于0.05 mm。當需要觀察束流截面時，將CsI運動到束流通道上，束流轟擊CsI發光，采用高光敏度CCD攝像頭獲得束流截面信息，可監測到的束流下限為106s-1·mm-2。

1.5 控制系統

BRISOL控制系統采用PLC控制，BRISOL被控對象分布在圖2所示的幾十m的束流線上，它們分別分布在3個不同電位上：地電位、300 kV電位和350 kV電位，高壓臺架上的設備集中在電源房間內，地電位設備則零星分布在束流線上。控制室設5臺工作站，與分布在350、300 kV電位以及4個地電位控制柜中的交換機之間通過光纖實現以太網通信。每個機柜內的CPU為西門子S300系列。在獲得授權的情況下，場地外的計算機也可通過網絡監視系統運行情況。每個機柜上裝有交換機，必要時可用筆記本電腦連接到現場的任何機柜上，調節監視整個系統的情況。

2 系統性能

圖4 束流沿x方向的分布Fig.4 Beam distribution with x direction

采用39K-負離子開展了BRISOL與串列加速器的聯調實驗。BRISOL采用正表面電離源產生39K+束流，經電荷交換器后轉化為負離子，轉換效率為0.3%。39K-離子經加速管加速至165 keV后注入串列加速器進行后加速，注入串列加速器500 pA，加速后總束流600 pA，經過磁鐵分析后得到39K9+束流56 pA(離子流強6.2 pA)。

BRISOL首個放射性核束實驗采用100 MeV質子束轟擊CaO靶，產生37K、38K等放射性核束。在第一分析段和主分析段分別設置1臺高純鍺探測器用于鑒別放射性核束，實驗前采用多種γ源對探測器進行標定。首次實驗采用0.5 μA的質子束轟擊靶，測量產生放射性核束38K+產額為1×106s-1。

為獲得半衰期T1/2僅0.44 s的20Na短壽命放射性核束，開展了MgO靶的研制及在線實驗研究，優化了傳統電子束碰撞等離子體離子源結構，使之具備表面電離的工作模式，鈉同位素的束流強度增加了兩個量級，其中在線測試獲得的20Na的產額達2×105s-1，遠高于實驗用戶所需的1×104s-1。2018年5月完成了BRISOL首個物理實驗，開展了20Na衰變特性的實驗測量，累計供束約200 h。實驗測量得到的其他放射性核束的產額列于表1。

表1 natMgO靶放射性核束產額Table 1 Radioactive ion beam production of natMgO target

3 結論

一臺在線同位素分離器系統已建成，系統具有20 000的質量分辨率，可根據需要提供多種放射性核束，提供能量最高300 keV的低能放射性核束，或約每電荷態14 MeV的高能離子束，在低能段預計最高可提供108s-1·μA-1的離子束。然而，在高能部分，受限于電荷交換和后加速剝離及不同電荷態的損失，束流強度將減少3～5個數量級。