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(jié)構(gòu)、核天體物理有重要意義的核反應(yīng)，無法采用穩(wěn)定束和靶開展研究，只能用放射性核束才能開展相關(guān)研究。放射性核束能提供加深了解核結(jié)構(gòu)、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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)子束轟擊厚靶，在線產(chǎn)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(xiàn)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(tǒng)性能。

1 BRISOL系統(tǒng)組成

圖1 BRIF布局圖Fig.1 Layout of BRIF

BRIF布局如圖1所示。BRISOL系統(tǒng)主要技術(shù)指標是能產(chǎn)生物理實驗要求的放射性核束，質(zhì)量分辨率為20 000，以便分析同質(zhì)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(tǒng)、第一分析段、主分析段、偏轉(zhuǎn)段以及低能實驗終端束流線，如圖2所示。

1.1 靶源系統(tǒng)

靶源工作在放射性環(huán)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(tǒng)制成模塊化結(jié)構(gòu)以達到快速對靶源進行處理。靶源系統(tǒng)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(nèi)安裝有法拉第筒及束流在線監(jiān)測儀用于監(jiān)測質(zhì)子束流強及束形。靶源模塊內(nèi)為BRISOL離子源系統(tǒng)，通過更換不同的靶材料，可產(chǎn)生不同種類的放射性核束。透鏡模塊內(nèi)設(shè)置1臺三單元四極透鏡及1臺xy導(dǎo)向器，引導(dǎo)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(tǒng)布局圖Fig.2 Layout of BRISOL

圖3 靶源系統(tǒng)(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(nèi)表面覆以2 mm的鋁板，靶源系統(tǒng)設(shè)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(jīng)100 MeV質(zhì)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(chǎn)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(qū)北側(cè)，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(nèi)離子源的零件的更換維護操作。在熱室上方安裝模塊旋轉(zhuǎn)提升機構(gòu)。靶源區(qū)的離子源、透鏡及初級束流監(jiān)測模塊可在旋轉(zhuǎn)提升機構(gòu)上作±180°旋轉(zhuǎn)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(cè)，預(yù)留一小零件進出通道，靶源模塊在熱室內(nèi)時，可隨時將必要的零件送入熱室。

靶源區(qū)模塊在熱室和工作位置的轉(zhuǎn)運依靠遠程控制靶源區(qū)上方的吊車實現(xiàn)，采用攝像頭監(jiān)視模塊位置。因為靶源區(qū)模塊上方有360 mm厚的鐵屏蔽，在非工作狀態(tài)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(qū)動為雙驅(qū)動，在1套系統(tǒng)發(fā)生故障停止工作時，可啟動備份系統(tǒng)繼續(xù)工作，避免吊車在放射性模塊轉(zhuǎn)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(xiàn)。

1.2 BRISOL譜儀

BRISOL譜儀設(shè)計質(zhì)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(zhì)量分辨率，該譜儀采用異能大小鐵結(jié)構(gòu)消除能量色散[4]，小鐵系統(tǒng)由兩塊偏轉(zhuǎn)半徑550 mm、偏轉(zhuǎn)角度90°的二極磁鐵反對稱組成，該系統(tǒng)處于300 kV高壓平臺上。束流經(jīng)加速管加速至最高300 keV后進入大鐵系統(tǒng)，大鐵系統(tǒng)由兩塊偏轉(zhuǎn)半徑2 500 mm、偏轉(zhuǎn)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(dǎo)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(qū)范圍內(nèi)場均勻性好于0.1%。導(dǎo)向器采用平行板結(jié)構(gòu)，間距50 mm?？紤]到高分辨率的要求，其電源采用了高穩(wěn)定性的模塊，配合PLC矯正曲線，實現(xiàn)了高對稱性，對稱性達到0.1%。

1.3 真空系統(tǒng)

BRISOL真空系統(tǒng)主要分為兩部分，一部分為靶源相關(guān)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(tǒng)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(tǒng)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(qū)，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(zhuǎn)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(nèi)的半導(dǎo)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(nèi)。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(zhuǎn)儲到地電位的儲氣罐內(nèi)。這兩個儲氣罐內(nèi)氣體冷卻足夠時間后，經(jīng)檢測滿足排放標準后向大氣排放。

1.4 束流診斷系統(tǒng)

BRISOL系統(tǒng)的束流診斷系統(tǒng)包括法拉第筒、發(fā)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(qū)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(qū)動，其中分析縫上根據(jù)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(fā)光，采用高光敏度CCD攝像頭獲得束流截面信息，可監(jiān)測到的束流下限為106s-1·mm-2。

1.5 控制系統(tǒng)

BRISOL控制系統(tǒng)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(shè)備集中在電源房間內(nèi)，地電位設(shè)備則零星分布在束流線上?？刂剖以O(shè)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(xiàn)以太網(wǎng)通信。每個機柜內(nèi)的CPU為西門子S300系列。在獲得授權(quán)的情況下，場地外的計算機也可通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)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(xiàn)場的任何機柜上，調(diào)節(jié)監(jiān)視整個系統(tǒng)的情況。

2 系統(tǒng)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(lián)調(diào)實驗。BRISOL采用正表面電離源產(chǎn)生39K+束流，經(jīng)電荷交換器后轉(zhuǎn)化為負離子，轉(zhuǎn)換效率為0.3%。39K-離子經(jīng)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(jīng)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(zhì)子束轟擊CaO靶，產(chǎn)生37K、38K等放射性核束。在第一分析段和主分析段分別設(shè)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(zhì)子束轟擊靶，測量產(chǎn)生放射性核束38K+產(chǎn)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(yōu)化了傳統(tǒng)電子束碰撞等離子體離子源結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(chǎn)額列于表1。

表1 natMgO靶放射性核束產(chǎn)額Table 1 Radioactive ion beam production of natMgO target

3 結(jié)論

一臺在線同位素分離器系統(tǒng)已建成，系統(tǒng)具有20 000的質(zhì)量分辨率，可根據(jù)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(tài)14 MeV的高能離子束，在低能段預(yù)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(tài)的損失，束流強度將減少3～5個數(shù)量級。