線上同位素分離器

線上同位素分離器是一種把加速器或反應堆中產生的核反應產物直接傳送到同位素分離器中進行質量分離、鑑別和衰變特性測量的設備。

採用一般的離線實驗裝置，耗費時間較長，壽命在102～10-2 秒範圍的新核素早已衰變得無法進行分析和測定了。因此需要一種專門的線上裝置，可以將這些短壽命核素由產生地點快速連續地進行分離和測量，實現對它們進行質量分離鑑定以及對單個核素的衰變特性進行測量等任務。線上同位素分離器把反應產物的傳送、電離、分離、收集和分析測定等過程組成一條流水線，是合成和研究短壽命新核素如超鈾元素以及遠離β穩定線的核素的重要實驗裝置。

基本介紹

• 中文名：線上同位素分離器
• 外文名：BRISOL
• 用途：質量分離、鑑別、衰變特性測量
• 優點：耗時短，壽命長等
• 領域：核能研究
• 特點：流水線式工作

概念

同位素分離器是化學實驗與研究裝置，用於分析、研究元素的同位素組成。同位素分離(即是將某元素的一種或多種同位素與該元素的其他同位素分離或富集的過程)的必備儀器。同位素的發現依賴於同位素分離器的發明。同位素分離器主要用於化學實驗\核工業\化學工業\採礦\金屬製造以及醫療行業。1931年發現重氫後，建立了重水生產工廠。在H.C.尤里提出同位素化學交換的理論後，建立了各種化學交換法分離同位素的裝置。40年代以來，由於核工業的需要，同位素分離技術得以長足發展。鈾235、重水、鋰 6、硼 10以噸量級生產，並建立了大規模分離同位素過程的級聯理論。碳13、氮 15、氧 18、硫34等以千克量生產，主要作示蹤原子。

線上同位素分離器同普通同位素分離器的主要區別在於離子源部分和離子收集探測系統結構不同。

線上同位素分離器主要與高能質子束、反應堆O-T或低能重離子束在編。蘭線上同位素分離器作為重離-TN速器終端，它工作在中能(20— 100 MeV/A)重離子束線上，這為短壽命核素的合成和研究，提供很有利的條件。

為適應各種反應機制和不同性質核素的研究，要求線上同位素分離器有高的分辨本領和高的分離效率。 靶離子源是線上同位素分離器的重要組成部分，人們已設計了厚靶、多屢靶、帶噴氮的離子源等，以滿足不同的實驗需要。此外，人們還試圖設計高溫靶、熔融靶，以探索合成高溫難熔元素新核素的可能性。隨著中能重離子核反應機制的深入研究和靶離子源技術的發展， 線上同位素分離器將在這一學科的研究和發展中發揮重要的作用。

原理

反應產物（它們可以由各種帶電粒子或中子轟擊核靶產生）從靶箔中反衝出來，進入分離器離子源的放電室中被電離，再被帶孔的高壓電極（高壓為幾萬伏）從離子源中拉出。用靜電或磁透鏡系統使離子束聚焦，然後進入分析磁鐵。不同質量的離子在磁場中由於偏轉半徑不同而被分離，最後，被聚焦在收集室中，再用探測器對它們的衰變特性進行測量。

結構

離子源

快速有效地將反應產物引進分離器的離子源，是實現線上分離的關鍵。常用的將反應產物饋入離子源的系統有兩種：①靶-離子源系統,它將靶箔和分離器的離子源安裝在一起，使靶箔中反衝出來的反應產物直接進入離子源，被阻止在離子源中的某種俘獲物質（例如石墨）中，由於加熱作用使它們擴散到放電室的等離子區進行電離；②氦噴嘴離子源系統，這時的靶箔不在離子源內，反應產物由產生地點經慢化後，藉助氦氣流，通過一個“毛細管漏勺”組合系統傳送到離子源放電室進行電離。

離子光學系統

即離子束的聚集和磁偏轉系統。類似於普通的分離器，在焦面上可獲得離子束的最佳強度和聚焦狀態。常用的分析磁鐵的偏轉角是90°或55°；磁場的曲率半徑一般都設計得大於1m,以便增大色散度。離子束進入收集室後，原則上就可以進行測量。有時為了在測量某種質量數的核素時，不受其他核素的干擾，可以在收集室中設定一套傳輸帶裝置，將需要測量的核素先收集在收集帶上，再自動傳送到附近的探測站，對收集帶上的活性產物進行不同目的的測量；也有人將收集帶設計成可以從真空收集室直接運動到大氣中來，以便於用配置的控測器進行測量。

基本特點

因為線上同位素分離器利用核反應線上產生放射性核束，它具有不同於其它加速器設備的特點。
1.核反應能夠產生的放射性核素數量有限、壽命很短；產生的放射性束流強度低；

2.系統要求很高的質量解析度；

3.系統工作時及工作後有很強的放射性。

這些特點要求線上同位素分離器具有快速、高效產生放射性核束的能力，具有高質量的束流傳輸分析系統及元件，具有有效的束流調試手段，具有對放射性元件進行處理的能力。

系統布局

線上同位素分離器又靶源、預分析段、主分析段及其後的束流偏轉段組成。

從離子源引出的束將通過一組四極透鏡及一對導向器，以保證離子束能夠通過 3.5 米的禁止牆和2.5 米高壓隔離區，使束以較高的效率進入第一分析段。

在第一分析段中，進行分析以前，安置了一台電荷交換器，用來在向串列加速器注入時，將一些正離子轉換為負離子。在電荷交換器前後，各有一組雙單元四極透鏡來調整束的形狀使其在電荷交換器中心成腰，保證在電荷交換器的出口和入口束徑小於 5mm，儘量減少用來作為電荷交換的鹼金屬蒸汽向真空系統中的擴散。

電荷交換器後，安置了兩組四極透鏡，這樣可以把靶源中引出的不同束形的離子束在分析磁鐵的物點形成要求的束形，當離子束參數變化時，系統仍能有效地分析和傳輸從離子源引出的放射性核束。

分析磁鐵的物點以後，安置一個四極透鏡和一個六極透鏡，四極透鏡用於在豎直方向壓縮離子束的包絡，使得分析磁鐵的氣隙可以較小，減小分析磁鐵的尺寸及功率消耗。六極透鏡用來消除二級像差。

系統使用一對反對稱的分析磁鐵，進行同位素選擇。同時可以把離子束傳輸到主分析磁鐵的束線上。緊接著第二塊小分析磁鐵，安置了一個六極透鏡與四極透鏡，作用與第一塊磁鐵前的六極與四極相同。
在第二塊分析磁鐵的像點後，放置一對四極透鏡，用於在低能情況調整粒子束的束形，使得離子束能夠高效通過加速管。在高能情況下，此對四極不必使用。四極透鏡後，為 300kV 加速管，用於將離子束能量加速300keV。

在加速管後，安置了兩組四極透鏡，這樣可以把加速管能量變化時不同形狀的離子束在分析磁鐵的物點形成要求的束形，適應不同的加速電壓時，系統仍能有效地分析和傳輸放射性核束。在主分析磁鐵物點後，安置了一個四極透鏡和一個六極透鏡，四極透鏡用於在豎直方向壓縮離子束的包絡，使得分析磁鐵的氣隙可以較小，減小分析磁鐵的尺寸及功率消耗。六極透鏡用來消除二級像差。使用一對反對稱的分析磁鐵，進行同質異位素的選擇，選出需要的放射性核束。在第二塊主分析磁鐵後，安置一個六極透鏡與四極透鏡，作用與第一塊磁鐵前的六極與四極相同。在此磁鐵的像點完成放射性核束的同位素分離。