全永磁ECR离子源研究进展

ECR(电子回旋共振)离子源是产生稳定的强流多电荷态离子束流最有效装置.全永磁ECR离子源因其独特的特点为很多中小型多电荷态离子束流实验平台与离子注入机等系统所采用,为后者产生重复性好、稳定性强的多电荷态离子束流.本文着重论述了中国科学院近代物理研究所研制的几台全永磁多电荷态ECR离子源及其特性与典型性能,如能产生强流高电荷态离子束流的高性能全永磁离子源LAPECR2,能产生强流中低电荷态离子束流的LAPECR1,能产生多电荷态重金属离子柬流的LAPECRl-M等.这些性能稳定的离子源为提高近代物理研究所相关试验平台的性能提供了关键的束流品质保障.     

双频加热的LECR3离子源设计及初步的调试

研制成功了一台新的ECR（Electron Cyclotron Resonance）离子源LECR3（Lanzhou ECR No.3）。该离子源能为原子核物理与表面物理研究提供高电荷态离子束流，LECR3的设计主要基于IMP（Institute of Modern Physics）的14.5GHz ECR离子源（Lanzhou ECR No.2），但采用了双频加热、波导直接馈入微波功率及铝制等离子体弧腔等新技术和新方法。另外，LECR3的弧腔容积比LECR2的大，增加可注入的微波功率，可有效地增加引出的高电荷态离子束流的强度。虽然增大了弧腔的内么，但仍然保持径向六极磁铁在弧腔内壁上产生最大磁场强度与LECR2的同样大小。     

高性能全永磁ECR离子源LAPECR2的研制

研制了一台体积和重量都较大、设计性能较高的全永磁电子回旋共振(Electron cyclotron resonance,ECR)离子源LAPECR2(Lanzhou all permanent magnetic ECRion source No.2 ).该离子源将用于中国科学院近代物理研究所320 kV高压平台,为其提供强流高电荷态离子束流.LAPECR2的研制采用全新的全永磁磁体结构设计,通过采用高性能的NdFeB永磁材料、优化的磁结构设计以及精确的计算,实测源体的磁场参数能达到高性能ECR离子源的设计要求.离子源采用较高频率的14.5 GHz微波馈入加热等离子体,波导直接馈入离子源以增强馈入微波的稳定性与效率.此外,还大量采用了一些有利于提高离子源高电荷态离子产额的关键技术,如铝内衬等离子体弧腔、负偏压盘、铝制等离子体电极、三电极引出系统、辅助掺气等.     

ECR离子源高电荷态金属离子产生的MIVOC法实验研究

为满足兰州重离子加速器的实验要求,先后在中国科学院近代物理研究所14．5GHz（LECR2）及10GHz＋14．5GHz（LECR3）高电荷态ECR离子源上使用MIVOC（Metallic ion from volatile compounds）方法进行了高电荷态金属离子产生的实验研究。主要研究了铁和镍的各种高电荷态离子的产生,具有代表性的是210eμA的Fe^11＋、175eμA的Fe^12＋、142eμA的Fe^13＋、25eμA的Fe^16＋、64eμA的Ni^10＋、57eμA的Ni^13＋、31eμA的Ni^15＋和15eμA的Ni^16＋。本文将分别给出两种金属离子产生的多电荷态束流谱图,并对实验装置的安排、实验现象及结果进行讨论与总结。     

2.45GHz单电荷态电子回旋共振离子源

描述了一台2．45GHz单电荷态电子回旋共振（ECR）离子源的原理、结构与应用。介绍了其微波系统与磁场结构。在微波输入功率约600W,引出高压22kV,引出孔径为φ6mm时,该离子源的总束流I（H1^ H2^ H3^ )可达90mA。     

袖珍溅射PIG离子源

本文描述一个袖珍端引出溅射PIG离子源。它用SmCo永久磁钢来产生源的约束场。该源既可以产生气体离子,也可以通过阴极溅射,产生相应金属离子。用该源通常可获得Ar~+500—680μA,Ar~(2+)～150μA;当用BF_3做放电气体时,可得B_(11)~+100—130μA,放电功率约为30W。当用Ar做辅助气体时,在30—50W的弧功率下,可得锆、铁、铝等金属离子70多μA;钽离子50—60μA;钛、钼等金属离子30多μA。两个电荷态的金属离子通常约为一个电荷态金属离子的1/2—1/5。     

用于同位素电磁分离系统的强流离子源设计

随着我国核科学与核技术的发展，高丰度同位素的产量无法满足市场需求，极大地限制了相关领域的发展。因此，迫切需要发展高产额、高效率的电磁同位素分离装置。离子源作为电磁同位素分离器中的关键部分，其性能直接影响目标同位素的分离与产额。设计了一台2.45 GHz微波驱动的离子源用于稳定同位素电磁分离器的注入，目标是在引出能量40 keV下产生20 emA Xe⁺及5 emA Mo⁺。为了获得高密度等离子体，设计了双线包螺线管产生放电磁场，并通过仿真软件CST微波模块计算优化了高耦合效率的磁场位型和匹配波导。为了产生强流金属离子束，设计了内置放电室坩埚熔化金属氧化物。模拟结果表明：当加热丝电流为70 A时，坩埚温度最高为917℃，可以高效地产生金属钼蒸气，进入放电室进行离化。     

ECR离子源原理及其磁场分析计算

文章介绍了ECR离子源的发展历史和一般原理;给出了它产生高电荷态离子所必须的工作条件;着重讨论了磁场对源内等离子体性能的影响。基于对CAPRICE源磁镜场及六极约束场的计算,给出了该源磁场较精确的数量概念,这对了解它的磁路结构及磁场场型特点以及各铁元件的功能十分有益。通过对计算数据的分析,发现该源在磁路结构及场型上还有尚待修改的地方。所有这些对我们现有ECR源的调试、运行及局部改进提供了可靠的依据。     

反应堆上产生强流放射性核束的模拟实验装置

正研制了一台反应堆上产生强流放射性核束的模拟实验装置。模拟装置示于图1,模拟装置真空室与反应堆中子管道尺寸一致。模拟装置由真空系统、真空室、加热系统、离子源、导向器、四极透镜、束测单元等元件组成。离子源阴极采用LaB6材料,由加热元件加热发射电子,电子在阴极和阳极之间加速获得能量后在阳极内与原子碰撞将原子电离。离子源位于20kV的电位上,离子通过引出电极引出加速获得20keV的能量。紧跟着离子源,布置了一套XY导向器,然后是两组四极     

不锈钢和铜吸氚及其干法去污

为了对不锈钢和无氧铜吸氚后氚在其内部的分布情况及除氚去污方法进行研究,对模拟吸氚及加热去污后的样品进行了酸蚀刻以考察氚在金属层中的分布情况;单独加热或加热结合通入空气、O3和紫外线(UV)进行去污,考察不同去污方式的去污效果。结果表明:金属在表层1μm内吸附了大量的氚,约占总量的42%;加热到500℃及联合去污不锈钢的最佳去污因子达到286,铜为150,通入气体在中温条件下对金属去污最有效,加热是金属去污最有效方式;氚热解吸形态分析表明氚污染不锈钢有4种吸附态。     

高产额中子发生器研制

本文介绍了用于安检辐射成像的高产额中子管及中子发生器装置的主要性能指标和研发设计过程。中子管离子源采用冷阴极潘宁离子源,在引出阴极加磁钢,提高引出离子浓度。离子光学系统采用单电极加速结构,靶端通过外加电阻产生抑制电压,减小靶流,提高中子管工作稳定性。对中子管离子源和靶端通过散热结构设计和利用变压器油进行散热,效果良好。通过对中子管的各项性能参数进行测试,离子流可达50 mA以上,引出束流接近1 mA,中子产额达1.1×10¹⁰s^-1。研发的高产额中子管及发生器装置具有产额高、工作稳定、安全便携等优点,达到了设计目的。     

基于0.3MV小型AMS的~(129)I测量方法研究

<正>基于中国原子能科学研究院自主设计建造的端电压为0.3 MV的AMS(图1)开展了~(129)I的测量技术研究,通过离子的传输、气体剥离、电荷态选取、本底排除等方法实现了~(129)I的高效、高精度与高灵敏度测量。1粒子传输过程~(129)I-离子的传输通路通过127I-离子束流进行模拟。测量样品形式为AgI与银粉按1∶1质量比混合后压入钛锥。调整离子源参数、静电分析器电压、注入磁铁磁场后,将得到的最佳~(127)I-束流     

流动泡核沸腾中汽泡行为的MPS数值模拟

采用移动粒子半隐式（MPS）方法分别对加热面水平、竖直和45°倾斜放置时流动泡核沸腾中1个汽泡的成长至脱离过程进行了二维数值模拟,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比。结果表明：汽泡的形状与成长速率的数值模拟结果与实验结果相符合,数值模拟成功地预测了实验中观察到的汽泡脱离前的滑移现象。     

萃取色层-ICP-MS法测定金属钚中杂质元素

正为保证钚金属的产品质量,需建立准确测定钚金属中微量杂质元素的分析方法。由于金属钚中大量钚基体对杂质的测量干扰严重,因此测定前需将钚基体与杂质元素分离。本工作建立了采用TEVA(三烷基甲基胺盐,烷基为C8-C10)新型分离材料分离基体钚、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定杂质的分析方法。采用体积比为1∶1硝酸溶液和少量氢氟酸加热溶解金属钚,采用H2O2调节钚的价态,用3mol/L HNO3上柱、3 mol/L HNO3淋洗Zr等杂质元素,并利用ICP-MS测量分离后样品中锆     

基于D-T中子源的板状铌样品的评价数据基准检验实验

利用中国原子能科学研究院核数据国家重点实验室的脉冲化氘氚聚变中子源产生的145 MeV单能中子,通过飞行时间法,测量了5、10、15 cm厚度板状铌（Nb）样品在与60°和120°两个方向上的泄漏中子飞行时间谱。利用蒙特卡罗模拟软件MCNP 4C进行了泄漏中子飞行时间谱的模拟计算,分别获得了CENDL 31、ENDF/B Ⅷ0和JENDL 40 3个数据库中Nb评价数据的模拟结果。通过各数据库不同能区的模拟结果与实验结果的比值（C/E）,对3个数据库中93Nb与145 MeV中子作用的角分布和双微分截面等相关评价数据进行了检验,重点分析了CENDL 31库的数据。结果表明,CENDL 31数据库的模拟结果在弹性散射能区、非弹性散射能区以及(n,2n)反应能区与实验结果均存在一定的偏差。而JENDL 40数据库除在120°弹性散射能区有高估现象,其他能区的模拟结果与实验结果均符合较好。ENDF/B Ⅷ0数据库的模拟结果除在60°方向弹性散射峰偏低外,其他能量范围的模拟结果均高于实验。     

中子发生器的纳秒脉冲聚束系统

为了用飞行时间法精确测量中子能谱,从俄罗斯Efremov电物理所引进了一台纳秒脉冲中子发生器。该中子发生器采用聚束系统产生纳秒脉冲束流,其中的纳秒脉冲信号源、高频聚束电源、负反馈调节系统等关键设备都是自主研制的。采用双扫描技术解决了聚束电源电压过高的问题,采用负反馈技术使纳秒脉冲聚束系统长期稳定工作。为了测量纳秒脉冲束流,研制了快脉冲同轴靶测量装置,测得中子发生器的离子束流脉冲半高全宽为1.5 ns,脉冲重复频率为1kHz-4MHz,束斑直径为10 mm。由于采用了电子回旋共振离子源(Electron Cyclotron Resonance,ECR),所以该中子发生器具有发射度小、能散小、无灯丝、可长时间连续工作的优点,是中子物理研究的良好实验平台。     

激光波长对超热电子产生影响的实验研究

实验研究了两种波长超短脉冲激光(744 nm/120 fs/12 mJ、248 nm/420 fs/35 mJ)与固体(Cu)等离子体的相互作用,利用电子磁谱仪与成像板探测器测量了激光入射平面内超热电子的能谱与角分布.在无预脉冲、P极化激光45°斜入射的条件下,采用Maxwellian分布拟合得到的超热电子温度分别为46和19.4 keV,超热电子主要沿靶法线方向发射.产生超热电子的主导机制为真空加热,实验验证了真空吸收定标率Th≈4.11×10-2(Iλ2)1/2.54(keV).等离子体的电荷分离势分别为70和45 keV.     

SHINE腔式BPM系统射频信号调理前端研制

基于低温超导直线加速器的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）需1个分辨率可达200 nm的束流位置测量系统,以实现电子束与光子束在波荡器中的紧密相互作用和能量交换。现已研制的束流位置测量系统不能完全满足上述要求,为此,基于对关键技术指标的分配,设计研制了一个由C波段腔式探头、低噪声系数的单路下变频至低中频的射频信号调理前端以及专用数字信号束流位置处理器构成的CBPM系统样机。而作为连接腔式探头和数字信号采集电子学之间的桥梁,射频信号调理前端（radio frequency front end, RF前端）的结构和性能也直接决定了CBPM系统的性能。本文从SHINE对CBPM系统的整体需求为出发点,分析了系统对射频信号调理前端的指标分配,提出了一种放大器开关切换型RF前端的方案设计,并成功搭建了1套可模拟束流条件的离线全锁相采样测试平台。此外,在上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）中搭建了测试平台并完成了射频信号调理前端的带束性能评估,束流实验结果表明,在束团电荷量为100 pC、系统动态范围在±100 μm的条件下,采用腔式探头射频信号一分二的评估方法,位置分辨率可达71 nm,优于设计指标需求。     

上海软X射线自由电子激光腔式束流位置测量系统

上海软X射线自由电子激光装置（Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL）需1个分辨率达到亚μm量级的束流位置测量系统，并采用基于束流准直的方法实现波荡器段电子束与光子束的紧密重合。为此设计研制了1个由C波段腔式探头、单路混频至低中频的射频前端以及自主研发的专用数字信号束流位置处理器（digital beam position monitor processor, DBPM）构成的腔式束流位置测量（cavity beam position monitor, CBPM）系统。本文对系统的设计、软硬件结构、系统搭建进行了介绍，并基于漂移段搭建的3个紧邻的CBPM阵列完成了在线系统性能评估。束流实验结果表明，在束团电荷量为500 pC、系统动态范围在±800 μm的条件下，位置分辨率可达880 nm，这也是国内首次研制成功可在线运行的具有亚μm位置分辨率的CBPM系统。此外，采用CBPM的相位腔进行相对束团电荷量、束团到达时间的测量，其性能评估结果也均优于SXFEL设计要求。     

基于小型单极加速器质谱测量~(14)C的样品制备技术研究

为满足新研发的200kV单极静电加速器质谱仪测量14 C的需要,开展了14 C样品制备技术研究。在自主设计的14C制样装置上优化了H2-Fe法、Zn-Fe法、Zn-H-Fe法制备石墨样品的实验条件,制备的样品经离子源引出12C-的束流均可达15~40μA,稳定性好于0.2%。在加速器质谱仪的调试中发现压低制备样品12CH+13C和12C的粒子个数比更有利于实现14 C-SE-AMS小型化及高灵敏测量。~(14)C-SE-AMS的测试样品中碳含量小于1mg时,采用Zn-Fe法有利于压低~(12)CH+~(13)C和~(12)C的粒子个数比;样品碳含量为1~5mg时,采用Zn-Fe法和Zn-H-Fe法效果相当。建立的制样方法对含碳量为100μg~5mg的样品,其产率均能达到95%以上,且空白样品测试结果表明此系统能有效避免样品制备中的交叉污染。