[科普中國(guó)]-束流調(diào)制

束流調(diào)制是通過(guò)光屏等物理手段對(duì)粒子束流進(jìn)行調(diào)控，現(xiàn)在，利用束流調(diào)制制成的束流調(diào)制器已成為核物理實(shí)驗(yàn)研究中不可缺少的重要的核儀器之一。當(dāng)然,束流調(diào)制器也需要不斷地完善功能并進(jìn)一步提高技術(shù)指標(biāo),才能滿(mǎn)足核物理實(shí)驗(yàn)研究的需要。

束流調(diào)制的原理束流調(diào)制是通過(guò)光屏等物理手段對(duì)粒子束流進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)注入漂移空間的電子束流超過(guò)其空間電荷限制電流時(shí),在陽(yáng)極后將形成等于陰極電位的電勢(shì)極小區(qū)域,即虛陰極。振蕩的虛陰極以及在陰極和虛陰極之間振蕩的束電子均輻射強(qiáng)電磁波。研究者主要采用粒子模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究虛陰極振蕩器,但是從粒子模擬和實(shí)驗(yàn)中獲得的規(guī)律性認(rèn)識(shí)是十分有限的,因此許多研究者在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上,利用各種簡(jiǎn)化模型來(lái)分析虛陰極振蕩器的物理特性,獲得了一些規(guī)律性認(rèn)識(shí),這些認(rèn)識(shí)對(duì)進(jìn)一步的粒子模擬和實(shí)驗(yàn)研究是非常有價(jià)值的。運(yùn)用“環(huán)形輸運(yùn)”模型來(lái)分析簡(jiǎn)單虛陰極振蕩器中粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及場(chǎng)的變化,研究結(jié)果與粒子模擬得到的結(jié)果相符,說(shuō)明采用此模型描述虛陰極振蕩器中粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是合理的。文獻(xiàn)的模型中,每個(gè)時(shí)間周期Δτ內(nèi)進(jìn)入到漂移空間的電荷元的帶電量Δq是固定的,只能用來(lái)分析以恒定電流注入到漂移空間的簡(jiǎn)單虛陰極振蕩器。對(duì)于注入到漂移空間電子束流隨時(shí)間變化的調(diào)制型虛陰極振蕩器,模型將不再適用1。

束流調(diào)制的應(yīng)用束流調(diào)制作用于β+緩發(fā)粒子發(fā)射的測(cè)量,是研究遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的豐質(zhì)子核的性質(zhì)的一個(gè)重要方法。利用RIBLL裝置,先產(chǎn)生放射性母核,再進(jìn)行緩發(fā)粒子與β粒子或γ射線的關(guān)聯(lián)測(cè)量,可以得到子核激發(fā)能級(jí)的性質(zhì)。但是,通常母核的壽命較短,只能進(jìn)行在束測(cè)量。而且,由于次級(jí)束流的強(qiáng)度較小,純度較低,實(shí)際測(cè)量時(shí)計(jì)數(shù)率偏低,本底較強(qiáng)。為了克服這些困難,實(shí)驗(yàn)人員采用了束流調(diào)制的方法,用束流調(diào)制器實(shí)現(xiàn)束流的在線鑒別與調(diào)制,于2001年和2002年在RIBLL上分別完成20Na→β+20Ne*→16O+α和23Al→β+23Mg*→22Na+α的在線測(cè)量。以20Na→+20Ne*→16O+α為例,說(shuō)明我們所采用的實(shí)驗(yàn)方法和束流調(diào)制器的具體應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)是在RIBLL上進(jìn)行的,由HIRFL引出的65MeV/u的36Ar初級(jí)束轟擊9Be初級(jí)靶,產(chǎn)生20Na次級(jí)束流,經(jīng)RIBLL傳輸?shù)竭_(dá)第二焦點(diǎn)后189面的次級(jí)反應(yīng)靶室,穿過(guò)40μm厚的鋁膜降能片后入射到由近物所自制的一個(gè)四疊層半導(dǎo)體望遠(yuǎn)鏡上,每疊層都是100μm的金硅面壘探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)中20Na束流主要停阻在第三和第四片探測(cè)器中。在望遠(yuǎn)鏡后面緊跟一塊碘化銫晶體,用來(lái)測(cè)量和緩發(fā)粒子符合的電子。20Na束流純度約為3%,強(qiáng)度約為0.1s-1。由于束流強(qiáng)度及純度比較低,而且20Na的β+緩發(fā)粒子衰變的半衰期比較長(zhǎng),約為0.45s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于一個(gè)束流周期130ns,也長(zhǎng)于獲取系統(tǒng)的一個(gè)獲取周期700μs,因此在實(shí)際測(cè)量中必須進(jìn)行束流鑒別與調(diào)制。即當(dāng)確認(rèn)記錄到一個(gè)20Na后,必須切斷束流,等待和測(cè)量該20Na的β+延發(fā)粒子。否則無(wú)法從本底中挑選真正的20Na的β+緩發(fā)衰變事件2。

大間隙速調(diào)管的諧振腔具有較寬的間隙,所以能承受更大的注入功率,有望實(shí)現(xiàn)100MW量級(jí)大功率注入的兩腔相對(duì)論速調(diào)管結(jié)構(gòu),有利于系統(tǒng)的緊湊化。大間隙速調(diào)管諧振腔采用了由感性金屬桿支撐的膜片結(jié)構(gòu),這改變了間隙處的邊界條件,使得間隙處的空間極限流與漂移區(qū)內(nèi)相當(dāng)[9-11]。這意味著大間隙速調(diào)管不但有更多的能量可轉(zhuǎn)化為動(dòng)能被提取,從而提高系統(tǒng)的效率,而且能夠容納更多的電功率。Friedman等人于1995年對(duì)一種具有“內(nèi)錐型”漸變膜片輸出腔的大間隙速調(diào)管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了2.85GW的平均功率,平均效率大于60%,是目前相對(duì)論速調(diào)管中效率最高的。但是,與普通RKA一樣,大間隙RKA在高頻段存在管子半徑過(guò)小的問(wèn)題,因此提出了三軸速調(diào)管的概念。理論上講,只要同軸漂移段內(nèi)外導(dǎo)體間距離足夠小,三軸速調(diào)管就可以截止所有TM模式,而不受頻率的限制,也即是說(shuō)TKA即使在高頻段也能夠采用大平均半徑結(jié)構(gòu)。而且,TKA同軸漂移管允許的空間極限電流為尺寸相同的空心漂移管的2倍。但是,大平均半徑的TKA不能截止TEM模式及高階TE模式,存在“模式泄漏”問(wèn)題。盡管理論上給出了約50%的平均效率,但是三軸速調(diào)管的實(shí)驗(yàn)效率仍然較低,其平均效率僅約10%3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

楊曉紅 - 副教授 - 西南大學(xué)