[科普中國]-氘束

氘束或氫的離子種類常使用分析多普勒頻移光譜的方法來測定。在較低束能量下，以分析多普勒頻移光譜方法測定氫或氘離子源離子種類，采用粒子碰撞截面，計算其所用的系數(shù)；用質(zhì)譜儀測量離子成分并給出了計算公式。兩種方法確定的離子種類，結(jié)果基本一致。

概念在測量氘束種類時，如果用多普勒頻移法測定離子種類，并用質(zhì)譜儀測定中性轉(zhuǎn)換后離子與中性粒子混合束中離子成分的電流，則可計算出反應(yīng)組分。然后，從反應(yīng)組分隨靶厚變化的關(guān)系曲線查出給定束能量下的靶厚。用質(zhì)譜儀測量中性轉(zhuǎn)換后的離子成分來確定離子種類，與用多普勒頻移光譜方法測得的結(jié)果相當(dāng)一致。由于氘束在中性化室內(nèi)引起氣體加熱效應(yīng)，確定中性化室內(nèi)氣體靶的厚度是一個困難的問題。把多普勒頻移方法與質(zhì)譜儀方法結(jié)合起來測量，可得到有束時的靶厚。1

400keV倍加器氘束脈沖化裝置研究背景隨著飛行時間法在核物理研究中的廣泛應(yīng)用，人們對脈沖中子工作不斷產(chǎn)生了強烈的興趣。國際上一系列加速器都增加了束流脈沖化裝置。國內(nèi)現(xiàn)有不少臺高壓倍加器，為了提高設(shè)備的利用率，作一些技術(shù)水平較高的核物理實驗，必須使束流脈沖化。為此，我們在一臺400keV倍加器上安裝了束流脈沖化裝置。

脈沖化裝置的基本原理核物理研究工作對脈沖束的性能要求是多方面的。 一般要求脈沖束的頻率是1-5 MHz，希望脈沖束寬度盡可能窄，流強盡可能大。但是這些條件常常不可能同時得封滿足，因此，我們必須根據(jù)現(xiàn)有具體條件和核物理實驗的要求，獲得性能恰當(dāng)?shù)拿}沖束。要獲得理想的脈沖束，通常采用切割器-聚束器的組合系統(tǒng)。僅用切割器所獲得的脈沖束，束流利用率太低，束流的脈沖流強與平均流強都太小。同樣，僅用聚束器雖然能獲得脈沖流強高的窄脈沖，但是，由于聚束效率有限，在正弦波聚束時，每一個周期內(nèi)最多僅50%的離子聚在一起，造成測量本底太大，不符合實驗的要求。另外，有時還需要利用切割器降低群聚脈沖的頻率。要獲得較理想的脈沖束，首先用掃描切割器將連續(xù)束切成較寬的脈沖束，然后讓此切割脈沖束在預(yù)定的相位下進入聚束腔，由聚束腔聚成很窄的滿足我們要求的脈沖束。聚束后，脈沖束的頻率與掃描切割脈沖束的頻率相同，圖1為400keV氛束脈沖化裝置的原理示意圖和高頻控制方框圖。在400keV倍加器后安裝的脈沖化裝置實驗線，包括掃描切割器、螺旋波導(dǎo)聚束腔、三個電器極透鏡，一個X-Y倒相器、二個在線束流測量靶、二套真空機組和末端束流測量靶。

研究結(jié)論由于安裝了切割聚束脈沖化裝置，使這臺五十年代的倍加器大大地提高了使用效率，是國內(nèi)第一臺后聚束方式完成的倍加器束流脈沖化裝置。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低廉，適應(yīng)注入離子能量范圍寬，高頻及控制系統(tǒng)簡單。兩年的實際應(yīng)用證明，運行穩(wěn)定可靠。2

低能強流氘束脈沖系統(tǒng)研制低能強流脈沖化系統(tǒng)是低能機升級項目中的子課題，研制目標(biāo)是在靶上形成重復(fù)頻率為4 MHz、脈沖半高寬為2 ns、平均流強為60 μA的低能氘束的脈沖化。

低能聚束器通常有以下幾種形式：單漂移聚束器 、雙漂移聚束器和單間隙諧波聚束器，統(tǒng)稱為速調(diào)管聚束器。單漂移聚束器雖聚束效率低，但其結(jié)構(gòu)簡單，因此，本系統(tǒng)選取單漂移聚束器作為聚束元件。聚束器只是把中心粒子附近一定范圍內(nèi)的粒子匯聚在1個短脈沖內(nèi)，而其它粒子若不加處理則將作為脈沖的本底，因此，為聚束器匹配單偏轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)、方波驅(qū)動形式的切割器。此外，為保證束流的傳輸，根據(jù)束流光學(xué)計算，使用螺線管透鏡作為橫向聚焦元件。系統(tǒng)布局如圖2所示，所有元件建立在-40 ～ 60 kV的高壓平臺上。40 keV的束流從離子源引出，經(jīng)偏轉(zhuǎn)進入聚束系統(tǒng)，再經(jīng)加速/減速器將能量降低或提升1～100 keV 最終到靶。

物理元件設(shè)計（1）單漂移聚束器

單漂移聚束器由 3 個等直徑的圓筒電極構(gòu)成，正弦波施加在中間圓筒上，另兩個圓筒接地，因此形成兩個調(diào)制縫隙。為使粒子通過兩個間隙均具有同向的調(diào)制作用，要求兩個縫隙中心間的距離為半周期的奇數(shù)倍時間間隔內(nèi)中心同步粒子飛行的距離。

粒子飛離聚束器到達靶上的過程中，要經(jīng)歷另一影響束流縱向參數(shù)的物理器件———加速/減速單元，它對縱向聚束會引起聚束器等效漂移距離的變化。等效長度的計算結(jié)果列于表 1。

初始能量為40 keV的氘束，經(jīng)聚束器聚束電壓的調(diào)制，再經(jīng)加速/減速裝置，在靶上得到不同能量的脈沖束。表 2 為獲得所需的靶上能量的氘束脈沖、聚束器對應(yīng)的聚束電壓計算結(jié)果。上述結(jié)果與TRACE 3D 的計算輸出結(jié)果基本一致。即有效長度越小，所要求的聚束電壓越大，最大電壓為5.04 kV。

（2）其它物理元件和設(shè)備

經(jīng)計算，確定的其它物理元件及設(shè)備的技術(shù)參數(shù)為：切割器極板縱向長度120 mm，板間距40 mm，切割器的驅(qū)動采用 4 MHz、±400 V脈沖電源；螺線管透鏡外形尺寸400 mm×300 mm，束流孔110 mm，中心磁感應(yīng)強度
40 mT , 其驅(qū)動電源功率 250 A ×30 V。針對被控設(shè)備位于高壓臺架上的特點，采用了分布式兩層結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，兩層間采用以太網(wǎng)連接，使用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。高壓平臺上的控制硬件采用西門子PLC S7-300 系列，用戶層處于地電位，采用1臺工控機作為人機接口設(shè)備，兩層間使用光纖隔離。

實驗與分析低能強流聚束系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后進行在線實驗，測量中使用串列加速器上的同軸法拉第筒，但由于它不是針對低能束設(shè)計，因此使用ANSYS 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行模擬。使用40 μA束流脈沖實驗的結(jié)果示于圖3，其半高寬為4.8 ns。

模擬計算結(jié)果為：束徑12 mm 時，脈沖半高寬為4.8 ns，峰值流強為 0.26 mA。實驗數(shù)據(jù)為：切割聚束后的測量脈沖半高寬4.8 ns，峰值電流0.28 mA，束徑約12 mm。模擬計算與實驗數(shù)據(jù)非常吻合，根據(jù)模擬計算中使用的束團模型，40 keV 能量的氘束的速度約為2 mm/s，模型長度為2 mm，由此推測實驗中的聚束脈沖半高寬約為1 ns，小于束流光學(xué)計算值1.3 ns，其原因為實驗中的平均流強較低，空間電荷效應(yīng)較小。

研究結(jié)論低能強流脈沖化系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計、安裝與調(diào)試后，各設(shè)備正常穩(wěn)定運行，主要指標(biāo)達到了設(shè)計要求。使用HI-13串列加速器上使用的同軸法拉第筒對脈沖束進行了測量，通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)與 ANSYS 模擬計算結(jié)果比對，40 keV的氘束的脈沖束半高寬為 1～1.5 ns，基本符合設(shè)計值1.3 ns。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所