放射性核束產生

放射性核束是指由放射性核素構成的束流。放射性核素，也叫不穩定核素，它能自發地放射各種射線（包括α、β和γ等）【1】。束流是指由帶電粒子或中性粒子群構成的連續射線。

國際上產生放射性核束的方法可分為三種：線上同位素分離法（Isotope Separator On-Line，簡稱 ISOL法）、彈核碎裂法（Projectile fragmentation，簡稱PF法）和兩步法（ISOL+PF）。

基本介紹

• 中文名：放射性核束產生
• 外文名：Production of radioactive nuclear beam

研究領域簡介

研究領域為核物理，近年集中在放射性核束物理與核天體物理，它們是當今物理學基礎研究的重要前沿領域，其需求是建造大型放射性核束設施的主要推動力。自然界的眾多宇觀核物質體系都處於同位旋極端不對稱狀態。因此放射性核束物理與核天體物理在學術上形成自然的融合，相互促進。

放射性核束產生方法

國際上產生放射性核束可分為線上同位素分離法（Isotope Separator On-Line，簡稱 ISOL法）、彈核碎裂法（Projectile fragmentation，簡稱PF法）和兩步法（ISOL+PF）。

ISOL法

ISOL法採用驅動加速器加速輕粒子束流（能量從每核子幾十MeV到1GeV）然後打厚靶，通過各種核反應（低能時為熔合蒸發和轉移反應，高能時為碎裂或裂變）產生不穩定的原子核（即放射性核），將這些不穩定的反應產物用離子源收集，通過離子源電離產生單電荷態放射性核束，經過線上同位素分離器分離選擇後，通過電荷倍增器提高電荷態，再利用常規加速器進行後加速形成放射性核束P1。ISOL法需要兩台加速器，束流品質好、能量範圍寬（幾十keV到100MeV/u），束流能量可調，但僅能產生壽命較長（大於幾百毫秒）的放射性核束。

ISOL型放射性核束裝置示意圖

PF法

PF法也稱飛行中分離（in flight）方法，它利用驅動加速器加速的穩定核束（通常是重離子核束，能量幾十MeV/u-1GeV/u）打薄靶，反應產物的速度與穩定核束相當，由靶中向前方飛出。再利用電磁分離裝置，經過收集、分離並形成放射性核束提供實驗使用P2。PF法可產生壽命短至幾百納秒量級的放射性核束，更加接近中子或質子滴線。其缺點是束流品質差，束流能散和束斑較大，束流能量與初級束流接近，較多研究需要降能。為克服以上缺點，可以把放射性核束注入儲存環以改善束流品質，這種方式的代價是損失那些短壽命的放射性束流。

PF型放射性核束裝置示意圖

兩步法

產生放射性核束的未來發展方向之一是ISOL+PF（或PF+ISOL）兩步法，該方法結合前述兩種方法的優點而彌補其弱點。ISOL+PF是從ISOL方法出發，用強流輕粒子束（轉換成中子束）或反應堆驅動第一步反應產生豐中子放射性核素，利用ISOL法分離後進行後加速，再利用PF法通過第二步反應產生更加遠離穩定線的核素，通過電磁分離後產生放射性核束。由於ISOL法得到的豐中子放射性核素比穩定核素多出5-8箇中子，通過這些豐中子核素產生極端豐中子核素的反應截面比使用穩定核素（如U）提高4-6個量級。考慮放射性核束強度比穩定核束強度低2-3個量級和其他損失因素，極端豐中子束流強度比在建裝置提高1-2個量級。PF+ISOL方法，則是從PF方法出發，經電磁分離選取所需的放射性核，在氣體俘獲器（gas-catcher）中慢化和收集，然後做後加速，這樣可以大大提高束流品質。

國際現有裝置

ISOL型裝置

ISOL型裝置產生的放射性核束的品質高，能量適中，具有獨特的地位。從1989年比利時魯汶大學建成第一台ISOL型放射性核束裝置開始，美國、加拿大、瑞士、義大利、中國都分別提出並建設了自己的ISOL型裝置。這些放射性核束裝置中，除歐洲核子研究中心（CERN）的REX ISOLDE採用了質子同步加速器外，其他國家的驅動加速器均採用回旋加速器；後加速採用了三種模式：回旋加速器、串列加速器和直線加速器。中國原子能科學研究院的北京放射性核束設施（BRIF）P3採用了100MeV強流質子回旋加速器作為驅動加速器，15MV串列加速器作為後加速器。

PF型裝置

採用PF法的國內外放射性核束裝置，建成並運行的比較多。按傳輸效率和束流品質分為幾個階段：早期的放射性核束裝置，開拓了放射性核束研究領域，如美國伯克利國家實驗室的次級束流線、法國GANIL研究所的LISE 和中科院近代物理研究所的RIBLL 裝置等；現有改進型裝置包括德國重離子研究所（GSI）的SuperFRS、日本理化學研究所（RIKEN）的BigRIPS、美國密西根州立大學的次級束流線和中科院近代物理研究所的CSR 上的RIBLL-II 裝置等。

中科院近代物理研究所的放射性核束裝置

在建和計畫中的裝置

隨著研究工作越加接近滴線區，放射性核束的強度急劇降低，需要發展新一代的裝置。未來裝置大多採用兩步法，國際上目前在建裝置主要是美國密西根州立大學的FRIB。

針對未來高流強、高品質、多用途的發展方向和需求，我國通過多年的技術積累和對國際發展趨勢的分析，也提出了未來發展的路線圖。一是中科院近代物理研究所的強流重離子加速器（HIAF），這是一台多用途裝置，已列入計畫，可以在核物理基礎研究和多學科套用中發揮重要作用。二是中國原子能科學研究院和北京大學聯合提出的北京豐中子束流裝置（BISOL），這是堆器結合、雙驅動和基礎套用結合的平台，可以產生國際最強的豐中子束流，並可兼顧核科學的多項套用。