近物所反冲谱仪端的转靶系统研制

马 龙 甘再国 黄明辉 黄天衡 张志远,2 贾国斌,2周小红 徐瑚珊 詹文龙

1 (中国科学院近代物理研究所 兰州 730000)

2 (中国科学院研究生院 北京 100049)

在超重核合成及衰变性质研究中，随着被研究核素核电荷数的增加，其生成截面越来越小，其研究也愈加困难。须尽可能地利用生成截面大的反应道，采用厚靶并增大束流强度以增加产额。但是，超重核合成可供选用的反应道较少，有时甚至是唯一的反应道；而采用电磁分离法进行产物分离时，靶厚也有限制。因此，增大束流强度就更为现实，如GSI(德国重离子研究中心)的269110、271110、272111和277112合成实验[1]，所用束流流强为0.5–1 pμA。然而，高流强高能量的重离子束在反应靶中沉积更多能量，使靶过热，低熔点靶(如Pb、Bi靶)会因熔化而损坏。采用转动靶，可适当降低靶温，有效解决此问题。参考国外实验室的转靶系统[2−4]，我们研制了近物所反冲谱仪端用于低熔点靶材料的转靶系统，并在24Mg+208Pb和64Ni+208Pb实验中使用了该系统，对其进行了检验。

1 薄靶的温度模拟

在融合蒸发反应中，在长时间强离子束照射下，固定靶会因过热、溅射或辐照损伤而损坏，靶的使用寿命大为减小。转动靶则可有效解决此问题。我们先进行转动薄靶的温度计算，模拟在一定能量、一定流强的重离子束照射下，转动靶转速与靶温度的关系，为转靶的设计提供依据。在脉冲束照射下的薄靶温度可由能量守恒定律计算[4−6]：

式中，T为靶的即时温度，Tu为环境温度，ΔF为束斑大小，ε为热辐射系数，c为靶材料的比热容，ρ为靶材料密度，d为靶厚，σ为Stefan–Boltzmann常数。式(1)考虑了束流在靶中的沉积能量、靶的热辐射以及靶的吸收热。对于脉冲束，设 c、ρ和ε不因靶温变化而改变；同时，为模拟转靶的转动，设定束流时有时无，有束流时靶加热，无束流时靶冷却。

图1是 4.89 MeV/u的64Ni束流轰击厚度为40/450/10(单位μg/cm2)的C/Pb/C夹心靶，靶转速分别为600 r/min和1 000 r/min时，靶达到热平衡时最大靶温度随流强的模拟计算结果。由图可见，600和1 000 r/min时，Pb靶温度达其熔点(600 K)时的流强分别近1 pμA和1.3 pμA。

图1 转速在1 000 r/min和600 r/min时Pb靶温度的最大值随流强的变化Fig.1 Maximum temperatures Tmax as a function of the beam current I at thermal equilibrium correspond to rotating target wheel frequency ν =16.7 s–1 and ν =10 s–1.

图2为转靶转速600 r/min、4.89 MeV/u 0.5 pμA的64Ni束轰击如上Pb靶时的靶升温和靶冷却过程的模拟结果。辐照期(tin≈1.5 ms)，靶温迅速上升，此后即进入长时间的冷却期(tout≈98.5 ms)直至被下次辐照；经5个转动周期后，靶温度达到动态平衡。

图2 转靶的升温和冷却过程示意图Fig.2 Calculated temperature curves for rotating lead target in vacuum.

2 转靶装置

转靶装置如图3左图所示，分靶室内外两部分。靶室内有靶盘、反应靶、转动机构及束流调制器等。靶盘设计见图3右图，靶盘直接安装于磁流密封传动单元上。靶盘中心点距靶中心径距离11.2 cm，一个靶盘可安装10个扇形靶，大小～15 mm×60 mm，靶与靶相距10 mm，每块靶可独立地被辐照。靶室外部分包括电机和磁流体密封装置，为减小机械振动，电机与磁流体的衔接采取硬连接方式并保证其同轴性。该设计构型经多次试验和改进，在102Pa真空条件下，转靶转速1 000 r/min时薄靶均无损坏；在束实验时，真空为数十Pa。束流调制部分通过光电系统结合靶盘产生脉冲式控制信号，使用该信号对束流进行调制，把近物所重离子加速器产生的连续束改变为同步于转靶的脉冲束。在靶的后束流方向，分别在距靶点～15 cm 处的10°、30°和45°方向安装APD(雪崩光电探测器)实时监测流强变化。

图3 转靶装置示意图及其靶盘照片Fig.3 A sketch map of the rotating target set-up and a photo of the target frame.

3 实验结果

转靶系统用于近物所反冲谱仪的24Mg+208Pb实验中，208Pb靶两边分别衬以40 μg/cm2和10 μg/cm2的C膜，靶厚0.4–0.6 mg/cm2，实验初期的转速为600 r/min，用调制脉冲束，设备工作情况一如预期，反冲谱仪也分离出融合蒸发的产物。实验末期，依据Mg束轰击Pb靶的温度模拟，转速从600 r/min逐次降至100 r/min，定时观测靶的状态，Pb靶均未损坏。实验结束后，与未照射靶相比，辐照 Pb靶小孔增多，但其覆盖面积比例很小，靶的均匀性并无实质性改变。实验结果与温度模拟计算相符(图4)。

图4 实验前(a)和～1 eμA 5.84 MeV/u 24Mg7+束流轰击后(b)的Pb靶示意图Fig.4 The Pb targets before (a) and after (b) bombardments of ～1 eμA 24Mg7+ ion beams at 5.84 MeV/u.

2010年1月，此系统用于64Ni+208Pb实验中，靶的平均厚度为40/450/10 μg/cm2(C/Pb/C)，用4.95 MeV/u、～0.1 pμA的64Ni19+。实验为期一周，其间多次检查靶的状态，运行良好。

4 结语

实验证明转靶可有效降低强重离子束照射时薄靶温度，达到了设计目的。该转靶系统可用于以后的实验研究中。温度模拟还需进一步完善，在程序中需考虑工作气体的冷却环节。

致谢 近代物理研究所重离子加速器工作人员为本实验提供了稳定的24Mg和64Ni束流，在此表示衷心感谢。

1 Hofmanm S. New Elements-Approaching Z = 114[J]. Rep Prog Phys, 1998, 61: 639–689

2 Folger H, Hartmann W, Heβberger F P, et al. Developments of170Er,204,206,207,208Pb and209Bi target wheels for reaction studies and synthesis of heaviest elements[J]. Nucl Instr Meth, 1995, A362: 64–69

3 Folger H, Hartmann W, Heβberger F P, et al. Developments of207,208Pb and209Bi target wheels in the synthesis of107NS,108Hs and109Mt[J]. Nucl Instr Meth, 1993, A334: 69–79

4 Marx D, Nickel F, Munzenberg G, et al. A rotating target wheel with thin targets for heavy ion beams of high current densities[J]. Nucl Instr Meth, 1979, 163: 15–20

5 Nickel F, Marx D, Ewald H. Temperature of thin targets in a pulsed electron beam[J]. Nucl Instr Meth, 1976, 134: 11–14

6 Antalic S, Cagarda P, Ackermann D, et al. Target cooling for high-current experiments at SHIP[J]. Nucl Instr Meth, 2004, A530: 185–193