氘束

氘束或氫的離子種類常使用分析都卜勒頻移光譜的方法來測定。在較低束能量下，以分析都卜勒頻移光譜方法測定氫或氘離子源離子種類，採用粒子碰撞截面，計算其所用的係數；用質譜儀測量離子成分並給出了計算公式。兩種方法確定的離子種類，結果基本一致。

基本介紹

• 中文名：氘束
• 外文名：Deuterium beam
• 描述：氫的同位素束
• 測量方法：都卜勒頻移光譜方法
• 學科：核物理

概念

在測量氘束種類時，如果用都卜勒頻移法測定離子種類，並用質譜儀測定中性轉換後離子與中性粒子混合束中離子成分的電流，則可計算出反應組分。然後，從反應組分隨靶厚變化的關係曲線查出給定束能量下的靶厚。用質譜儀測量中性轉換後的離子成分來確定離子種類，與用都卜勒頻移光譜方法測得的結果相當一致。由於氘束在中性化室內引起氣體加熱效應，確定中性化室內氣體靶的厚度是一個困難的問題。把都卜勒頻移方法與質譜儀方法結合起來測量，可得到有束時的靶厚。

400keV倍加器氘束脈衝化裝置

研究背景

隨著飛行時間法在核物理研究中的廣泛套用，人們對脈衝中子工作不斷產生了強烈的興趣。國際上一系列加速器都增加了束流脈衝化裝置。國內現有不少台高壓倍加器，為了提高設備的利用率，作一些技術水平較高的核物理實驗，必須使束流脈衝化。為此，我們在一台400keV倍加器上安裝了束流脈衝化裝置。

脈衝化裝置的基本原理

核物理研究工作對脈衝束的性能要求是多方面的。 一般要求脈衝束的頻率是1-5 MHz，希望脈衝束寬度儘可能窄，流強儘可能大。但是這些條件常常不可能同時得封滿足，因此，我們必須根據現有具體條件和核物理實驗的要求，獲得性能恰當的脈衝束。要獲得理想的脈衝束，通常採用切割器-聚束器的組合系統。僅用切割器所獲得的脈衝束，束流利用率太低，束流的脈衝流強與平均流強都太小。同樣，僅用聚束器雖然能獲得脈衝流強高的窄脈衝，但是，由於聚束效率有限，在正弦波聚束時，每一個周期內最多僅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衝的頻率。要獲得較理想的脈衝束，首先用掃描切割器將連續束切成較寬的脈衝束，然後讓此切割脈衝束在預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衝束。聚束後，脈衝束的頻率與掃描切割脈衝束的頻率相同，圖1為400keV氛束脈衝化裝置的原理示意圖和高頻控制方框圖。在400keV倍加器後安裝的脈衝化裝置實驗線，包括掃描切割器、螺旋波導聚束腔、三個電器極透鏡，一個X-Y倒相器、二個線上束流測量靶、二套真空機組和末端束流測量靶。

圖1 400keV 氚束脈衝化裝置原理示意圖

研究結論

由於安裝了切割聚束脈衝化裝置，使這台五十年代的倍加器大大地提高了使用效率，是國內第一台後聚束方式完成的倍加器束流脈衝化裝置。此裝置結構簡單，設備成本低廉，適應注入離子能量範圍寬，高頻及控制系統簡單。兩年的實際套用證明，運行穩定可靠。

低能強流氘束脈衝系統研製

低能強流脈衝化系統是低能機升級項目中的子課題，研製目標是在靶上形成重複頻率為4 MHz、脈衝半高寬為2 ns、平均流強為60 μA的低能氘束的脈衝化。

圖 2 低能強流氘束脈衝化系統

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，統稱為速調管聚束器。單漂移聚束器雖聚束效率低，但其結構簡單，因此，本系統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範圍內的粒子匯聚在1個短脈衝內，而其它粒子若不加處理則將作為脈衝的本底，因此，為聚束器匹配單偏轉板結構、方波驅動形式的切割器。此外，為保證束流的傳輸，根據束流光學計算，使用螺線管透鏡作為橫向聚焦元件。系統布局如圖2所示，所有元件建立在-40 ～ 60 kV的高壓平台上。40 keV的束流從離子源引出，經偏轉進入聚束系統，再經加速/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，因此形成兩個調製縫隙。為使粒子通過兩個間隙均具有同向的調製作用，要求兩個縫隙中心間的距離為半周期的奇數倍時間間隔內中心同步粒子飛行的距離。

表 1 加速/減速裝置的等效距離

粒子飛離聚束器到達靶上的過程中，要經歷另一影響束流縱向參數的物理器件———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。等效長度的計算結果列於表 1。

初始能量為40 keV的氘束，經聚束器聚束電壓的調製，再經加速/減速裝置，在靶上得到不同能量的脈衝束。表 2 為獲得所需的靶上能量的氘束脈衝、聚束器對應的聚束電壓計算結果。上述結果與TRACE 3D 的計算輸出結果基本一致。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。

表 2 聚束電壓

（2）其它物理元件和設備

經計算，確定的其它物理元件及設備的技術參數為：切割器極板縱向長度120 mm，板間距40 mm，切割器的驅動採用 4 MHz、±400 V脈衝電源；螺線管透鏡外形尺寸400 mm×300 mm，束流孔110 mm，中心磁感應強度
40 mT , 其驅動電源功率 250 A ×30 V。針對被控設備位於高壓台架上的特點，採用了分散式兩層結構的控制系統，兩層間採用乙太網連線，使用TCP/IP 網路協定。高壓平台上的控制硬體採用西門子PLC S7-300 系列，用戶層處於地電位，採用1台工控機作為人機接口設備，兩層間使用光纖隔離。

實驗與分析

低能強流聚束系統安裝調試完成後進行線上實驗，測量中使用串列加速器上的同軸法拉第筒，但由於它不是針對低能束設計，因此使用ANSYS 軟體對實驗數據進行模擬。使用40 μA束流脈衝實驗的結果示於圖3，其半高寬為4.8 ns。

圖3 測量結果

模擬計算結果為：束徑12 mm 時，脈衝半高寬為4.8 ns，峰值流強為 0.26 mA。實驗數據為：切割聚束後的測量脈衝半高寬4.8 ns，峰值電流0.28 mA，束徑約12 mm。模擬計算與實驗數據非常吻合，根據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衝半高寬約為1 ns，小於束流光學計算值1.3 ns，其原因為實驗中的平均流強較低，空間電荷效應較小。

研究結論

低能強流脈衝化系統經設計、安裝與調試後，各設備正常穩定運行，主要指標達到了設計要求。使用HI-13串列加速器上使用的同軸法拉第筒對脈衝束進行了測量，通過數據分析，結合實驗數據與 ANSYS 模擬計算結果比對，40 keV的氘束的脈衝束半高寬為 1～1.5 ns，基本符合設計值1.3 ns。