北京放射性核束装置在线同位素分离器的研制

崔保群，唐 兵，马鹰俊，马瑞刚，陈立华，黄青华，马 燮

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

许多对核结构、核天体物理有重要意义的核反应，无法采用稳定束和靶开展研究，只能用放射性核束才能开展相关研究。放射性核束能提供加深了解核结构、宇宙中重核合成过程的机会。因此，国际上许多国家已建造或正在建造放射性核束装置[1-3]，提供中短寿命放射性核束开展这些工作，其中包括北京放射性核束装置(BRIF)。这些装置分为两种，一种是利用炮弹碎裂法(projectile fragmentation, PF)，高能重离子轰击薄靶时碎裂形成短寿命放射性核束，如美国伯克利国家实验室的次级束流线、法国GANIL研究所的LISE和中国科学院近代物理研究所的RIBLL等装置。另一种是在线同位素分离器(Isotope Separator On-line, ISOL)，通过用轻离子轰击靶材料，产生中、短寿命的放射性核束，如加拿大的TRIUMF的ISAC装置、欧洲CERN的ISOLDE装置、北京放射性核束装置就是基于ISOL产生放射性核束的装置。

北京放射性核束装置在线同位素分离器(BRISOL)采用一台新建100 MeV、200 μA的回旋加速器提供的质子束轰击厚靶，在线产生中、短寿命放射性核束并加速到最高300 keV开展低能物理实验。这些放射性核束也可注入到现有HI-13串列加速器进一步后加速，开展高能物理实验。目前，北京放射性核束装置已建成，并已投入运行开展物理实验，本文主要介绍BRISOL的基本情况及系统性能。

1 BRISOL系统组成

图1 BRIF布局图Fig.1 Layout of BRIF

BRIF布局如图1所示。BRISOL系统主要技术指标是能产生物理实验要求的放射性核束，质量分辨率为20 000，以便分析同质异位素，最高能量为300 keV。BRISOL主要束流线由以下部分组成：靶源系统、第一分析段、主分析段、偏转段以及低能实验终端束流线，如图2所示。

1.1 靶源系统

靶源工作在放射性环境下，工作时有大量的中子及γ辐射。停机后仍有较强的γ辐射，无法人工直接对靶源进行必要维修或换靶。为保证本装置的可靠、高效运行，将靶源系统制成模块化结构以达到快速对靶源进行处理。靶源系统分为3个模块，分别是初级束流模块、靶源模块及透镜模块，如图3所示。初级束流模块内安装有法拉第筒及束流在线监测仪用于监测质子束流强及束形。靶源模块内为BRISOL离子源系统，通过更换不同的靶材料，可产生不同种类的放射性核束。透镜模块内设置1台三单元四极透镜及1台xy导向器，引导放射性核束通过6 m长高压穿墙管传输至第一分析段。

图2 BRISOL系统布局图Fig.2 Layout of BRISOL

图3 靶源系统(a)及离子源模块(b)Fig.3 Target system (a) and ion source model (b)

靶源室尺寸为4.3 m×4.3 m×5 m，墙壁内表面覆以2 mm的铝板，靶源系统设置在300 kV的高压台架上，高压屏蔽仓与周围墙壁的距离为1.2 m，在靶源上方有2.6 m的重混凝土屏蔽，与外层的房间顶部合在一起，满足房间顶部的屏蔽要求。靶室上部的屏蔽层采用可移动的水泥塞，便于靶源模块的进出。屏蔽层由3层塞子组成，共18块，每块最大重量约为5 t。

计算表明，靶离子源的靶经100 MeV质子辐照200 h后冷却32 h，靶上的活度依然超过3.7×1010Bq，主要是γ辐射和β辐射。除需例行更换靶材料以产生不同放射性核束外，还需在离子源故障时进行必要的维护。

在靶源区北侧，建造了1个热室，热室长2.8 m、宽2.6 m、高2.1 m。热室墙厚3.5 m、前方有0.6 m方形窥视窗，窥视窗上方安装两只型号为ZC109D的机械手，用来完成对热室内离子源的零件的更换维护操作。在热室上方安装模块旋转提升机构。靶源区的离子源、透镜及初级束流监测模块可在旋转提升机构上作±180°旋转和1 000 mm行程上下移动，待维护的模块可全方向被机械手接触操作。在热室右侧，预留一小零件进出通道，靶源模块在热室内时，可随时将必要的零件送入热室。

靶源区模块在热室和工作位置的转运依靠远程控制靶源区上方的吊车实现，采用摄像头监视模块位置。因为靶源区模块上方有360 mm厚的铁屏蔽，在非工作状态没有中子辐射，所以在模块移动过程中，位于该模块上方的吊车受到的直接辐射很小。为保证可靠性，吊车的驱动为双驱动，在1套系统发生故障停止工作时，可启动备份系统继续工作，避免吊车在放射性模块转运过程中停止工作。吊车对模块的抓取和释放由特制的自动抓具实现。

1.2 BRISOL谱仪

BRISOL谱仪设计质量分辨率为20 000，由4块分析磁铁及四极、六极透镜组成。为达到20 000的质量分辨率，该谱仪采用异能大小铁结构消除能量色散[4]，小铁系统由两块偏转半径550 mm、偏转角度90°的二极磁铁反对称组成，该系统处于300 kV高压平台上。束流经加速管加速至最高300 keV后进入大铁系统，大铁系统由两块偏转半径2 500 mm、偏转角度100°的二极磁铁反对称组成。4块分析磁铁均采用表面线圈进行垫补，垫补后磁场均匀性好于0.003 5%[5]。

束流线除分析磁铁外，其他束流传输元件均使用电元件，包括电导向器、电四极透镜、电六极透镜。四极透镜和六极透镜孔径均为50 mm，好场区范围内场均匀性好于0.1%。导向器采用平行板结构，间距50 mm。考虑到高分辨率的要求，其电源采用了高稳定性的模块，配合PLC矫正曲线，实现了高对称性，对称性达到0.1%。

1.3 真空系统

BRISOL真空系统主要分为两部分，一部分为靶源相关部分，位于高电位；另一部分处于地电位，累计束流线长度约80 m。地电位真空系统采用6台分子泵和8台离子泵获得高真空，真空度好于2×10-5Pa。高电位真空系统采用7台分子泵获得高真空，避免其他吸附型的高真空泵因长时间吸附放射性造成处理困难。在靶源区，由于强的中子和γ辐射，3个分子泵由厂家专门研制，泵体、转子等主要部件由铝合金制成，泵体上密封材料使用金属密封。泵内的半导体器件也全部去除。采用两套干泵-罗茨泵机组为靶源段和第一分析段分子泵作前级泵。在线工作时，这两部分真空废气收集到高压平台的300 L的废气收集罐内。在地电位还放置了两个容积均为600 L的废气收集罐。当高压平台上废气收集满后可转储到地电位的储气罐内。这两个储气罐内气体冷却足够时间后，经检测满足排放标准后向大气排放。

1.4 束流诊断系统

BRISOL系统的束流诊断系统包括法拉第筒、发射度仪、分析缝、束流剖面仪、放射性核素束流鉴别装置等。法拉第筒采用电机驱动，口径φ40 mm，使用-300 V电压抑制二次电子。法拉第筒配备的放大器可分为1 nA、100 nA、10 μA、100 μA 4个量程，测量精度好于0.1 pA。分析缝和CsI晶体装配在一起，由1个步进电机驱动，其中分析缝上根据该处束的截面尺寸开有不同尺寸的缝隙，在步进电机控制下，可将需要的分析缝移动到束流通道上，电机位置分辨率好于0.05 mm。当需要观察束流截面时，将CsI运动到束流通道上，束流轰击CsI发光，采用高光敏度CCD摄像头获得束流截面信息，可监测到的束流下限为106s-1·mm-2。

1.5 控制系统

BRISOL控制系统采用PLC控制，BRISOL被控对象分布在图2所示的几十m的束流线上，它们分别分布在3个不同电位上：地电位、300 kV电位和350 kV电位，高压台架上的设备集中在电源房间内，地电位设备则零星分布在束流线上。控制室设5台工作站，与分布在350、300 kV电位以及4个地电位控制柜中的交换机之间通过光纤实现以太网通信。每个机柜内的CPU为西门子S300系列。在获得授权的情况下，场地外的计算机也可通过网络监视系统运行情况。每个机柜上装有交换机，必要时可用笔记本电脑连接到现场的任何机柜上，调节监视整个系统的情况。

2 系统性能

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

采用39K-负离子开展了BRISOL与串列加速器的联调实验。BRISOL采用正表面电离源产生39K+束流，经电荷交换器后转化为负离子，转换效率为0.3%。39K-离子经加速管加速至165 keV后注入串列加速器进行后加速，注入串列加速器500 pA，加速后总束流600 pA，经过磁铁分析后得到39K9+束流56 pA(离子流强6.2 pA)。

BRISOL首个放射性核束实验采用100 MeV质子束轰击CaO靶，产生37K、38K等放射性核束。在第一分析段和主分析段分别设置1台高纯锗探测器用于鉴别放射性核束，实验前采用多种γ源对探测器进行标定。首次实验采用0.5 μA的质子束轰击靶，测量产生放射性核束38K+产额为1×106s-1。

为获得半衰期T1/2仅0.44 s的20Na短寿命放射性核束，开展了MgO靶的研制及在线实验研究，优化了传统电子束碰撞等离子体离子源结构，使之具备表面电离的工作模式，钠同位素的束流强度增加了两个量级，其中在线测试获得的20Na的产额达2×105s-1，远高于实验用户所需的1×104s-1。2018年5月完成了BRISOL首个物理实验，开展了20Na衰变特性的实验测量，累计供束约200 h。实验测量得到的其他放射性核束的产额列于表1。

表1 natMgO靶放射性核束产额Table 1 Radioactive ion beam production of natMgO target

3 结论

一台在线同位素分离器系统已建成，系统具有20 000的质量分辨率，可根据需要提供多种放射性核束，提供能量最高300 keV的低能放射性核束，或约每电荷态14 MeV的高能离子束，在低能段预计最高可提供108s-1·μA-1的离子束。然而，在高能部分，受限于电荷交换和后加速剥离及不同电荷态的损失，束流强度将减少3～5个数量级。