近物所反沖譜儀端的轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)研制

馬 龍 甘再國 黃明輝 黃天衡 張志遠(yuǎn),2 賈國斌,2周小紅 徐瑚珊 詹文龍

1 (中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000)

2 (中國科學(xué)院研究生院 北京 100049)

在超重核合成及衰變性質(zhì)研究中，隨著被研究核素核電荷數(shù)的增加，其生成截面越來越小，其研究也愈加困難。須盡可能地利用生成截面大的反應(yīng)道，采用厚靶并增大束流強(qiáng)度以增加產(chǎn)額。但是，超重核合成可供選用的反應(yīng)道較少，有時(shí)甚至是唯一的反應(yīng)道；而采用電磁分離法進(jìn)行產(chǎn)物分離時(shí)，靶厚也有限制。因此，增大束流強(qiáng)度就更為現(xiàn)實(shí)，如GSI(德國重離子研究中心)的269110、271110、272111和277112合成實(shí)驗(yàn)[1]，所用束流流強(qiáng)為0.5–1 pμA。然而，高流強(qiáng)高能量的重離子束在反應(yīng)靶中沉積更多能量，使靶過熱，低熔點(diǎn)靶(如Pb、Bi靶)會(huì)因熔化而損壞。采用轉(zhuǎn)動(dòng)靶，可適當(dāng)降低靶溫，有效解決此問題。參考國外實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)[2?4]，我們研制了近物所反沖譜儀端用于低熔點(diǎn)靶材料的轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)，并在24Mg+208Pb和64Ni+208Pb實(shí)驗(yàn)中使用了該系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 薄靶的溫度模擬

在融合蒸發(fā)反應(yīng)中，在長時(shí)間強(qiáng)離子束照射下，固定靶會(huì)因過熱、濺射或輻照損傷而損壞，靶的使用壽命大為減小。轉(zhuǎn)動(dòng)靶則可有效解決此問題。我們先進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)薄靶的溫度計(jì)算，模擬在一定能量、一定流強(qiáng)的重離子束照射下，轉(zhuǎn)動(dòng)靶轉(zhuǎn)速與靶溫度的關(guān)系，為轉(zhuǎn)靶的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在脈沖束照射下的薄靶溫度可由能量守恒定律計(jì)算[4?6]：

式中，T為靶的即時(shí)溫度，Tu為環(huán)境溫度，ΔF為束斑大小，ε為熱輻射系數(shù)，c為靶材料的比熱容，ρ為靶材料密度，d為靶厚，σ為Stefan–Boltzmann常數(shù)。式(1)考慮了束流在靶中的沉積能量、靶的熱輻射以及靶的吸收熱。對(duì)于脈沖束，設(shè) c、ρ和ε不因靶溫變化而改變；同時(shí)，為模擬轉(zhuǎn)靶的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定束流時(shí)有時(shí)無，有束流時(shí)靶加熱，無束流時(shí)靶冷卻。

圖1是 4.89 MeV/u的64Ni束流轟擊厚度為40/450/10(單位μg/cm2)的C/Pb/C夾心靶，靶轉(zhuǎn)速分別為600 r/min和1 000 r/min時(shí)，靶達(dá)到熱平衡時(shí)最大靶溫度隨流強(qiáng)的模擬計(jì)算結(jié)果。由圖可見，600和1 000 r/min時(shí)，Pb靶溫度達(dá)其熔點(diǎn)(600 K)時(shí)的流強(qiáng)分別近1 pμA和1.3 pμA。

圖1 轉(zhuǎn)速在1 000 r/min和600 r/min時(shí)Pb靶溫度的最大值隨流強(qiáng)的變化Fig.1 Maximum temperatures Tmax as a function of the beam current I at thermal equilibrium correspond to rotating target wheel frequency ν =16.7 s–1 and ν =10 s–1.

圖2為轉(zhuǎn)靶轉(zhuǎn)速600 r/min、4.89 MeV/u 0.5 pμA的64Ni束轟擊如上Pb靶時(shí)的靶升溫和靶冷卻過程的模擬結(jié)果。輻照期(tin≈1.5 ms)，靶溫迅速上升，此后即進(jìn)入長時(shí)間的冷卻期(tout≈98.5 ms)直至被下次輻照；經(jīng)5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期后，靶溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖2 轉(zhuǎn)靶的升溫和冷卻過程示意圖Fig.2 Calculated temperature curves for rotating lead target in vacuum.

2 轉(zhuǎn)靶裝置

轉(zhuǎn)靶裝置如圖3左圖所示，分靶室內(nèi)外兩部分。靶室內(nèi)有靶盤、反應(yīng)靶、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及束流調(diào)制器等。靶盤設(shè)計(jì)見圖3右圖，靶盤直接安裝于磁流密封傳動(dòng)單元上。靶盤中心點(diǎn)距靶中心徑距離11.2 cm，一個(gè)靶盤可安裝10個(gè)扇形靶，大小～15 mm×60 mm，靶與靶相距10 mm，每塊靶可獨(dú)立地被輻照。靶室外部分包括電機(jī)和磁流體密封裝置，為減小機(jī)械振動(dòng)，電機(jī)與磁流體的銜接采取硬連接方式并保證其同軸性。該設(shè)計(jì)構(gòu)型經(jīng)多次試驗(yàn)和改進(jìn)，在102Pa真空條件下，轉(zhuǎn)靶轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)薄靶均無損壞；在束實(shí)驗(yàn)時(shí)，真空為數(shù)十Pa。束流調(diào)制部分通過光電系統(tǒng)結(jié)合靶盤產(chǎn)生脈沖式控制信號(hào)，使用該信號(hào)對(duì)束流進(jìn)行調(diào)制，把近物所重離子加速器產(chǎn)生的連續(xù)束改變?yōu)橥接谵D(zhuǎn)靶的脈沖束。在靶的后束流方向，分別在距靶點(diǎn)～15 cm 處的10°、30°和45°方向安裝APD(雪崩光電探測器)實(shí)時(shí)監(jiān)測流強(qiáng)變化。

圖3 轉(zhuǎn)靶裝置示意圖及其靶盤照片F(xiàn)ig.3 A sketch map of the rotating target set-up and a photo of the target frame.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)用于近物所反沖譜儀的24Mg+208Pb實(shí)驗(yàn)中，208Pb靶兩邊分別襯以40 μg/cm2和10 μg/cm2的C膜，靶厚0.4–0.6 mg/cm2，實(shí)驗(yàn)初期的轉(zhuǎn)速為600 r/min，用調(diào)制脈沖束，設(shè)備工作情況一如預(yù)期，反沖譜儀也分離出融合蒸發(fā)的產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?，依?jù)Mg束轟擊Pb靶的溫度模擬，轉(zhuǎn)速從600 r/min逐次降至100 r/min，定時(shí)觀測靶的狀態(tài)，Pb靶均未損壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，與未照射靶相比，輻照 Pb靶小孔增多，但其覆蓋面積比例很小，靶的均勻性并無實(shí)質(zhì)性改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與溫度模擬計(jì)算相符(圖4)。

圖4 實(shí)驗(yàn)前(a)和～1 eμA 5.84 MeV/u 24Mg7+束流轟擊后(b)的Pb靶示意圖Fig.4 The Pb targets before (a) and after (b) bombardments of ～1 eμA 24Mg7+ ion beams at 5.84 MeV/u.

2010年1月，此系統(tǒng)用于64Ni+208Pb實(shí)驗(yàn)中，靶的平均厚度為40/450/10 μg/cm2(C/Pb/C)，用4.95 MeV/u、～0.1 pμA的64Ni19+。實(shí)驗(yàn)為期一周，其間多次檢查靶的狀態(tài)，運(yùn)行良好。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明轉(zhuǎn)靶可有效降低強(qiáng)重離子束照射時(shí)薄靶溫度，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。該轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)可用于以后的實(shí)驗(yàn)研究中。溫度模擬還需進(jìn)一步完善，在程序中需考慮工作氣體的冷卻環(huán)節(jié)。

致謝 近代物理研究所重離子加速器工作人員為本實(shí)驗(yàn)提供了穩(wěn)定的24Mg和64Ni束流，在此表示衷心感謝。

1 Hofmanm S. New Elements-Approaching Z = 114[J]. Rep Prog Phys, 1998, 61: 639–689

2 Folger H, Hartmann W, Heβberger F P, et al. Developments of170Er,204,206,207,208Pb and209Bi target wheels for reaction studies and synthesis of heaviest elements[J]. Nucl Instr Meth, 1995, A362: 64–69

3 Folger H, Hartmann W, Heβberger F P, et al. Developments of207,208Pb and209Bi target wheels in the synthesis of107NS,108Hs and109Mt[J]. Nucl Instr Meth, 1993, A334: 69–79

4 Marx D, Nickel F, Munzenberg G, et al. A rotating target wheel with thin targets for heavy ion beams of high current densities[J]. Nucl Instr Meth, 1979, 163: 15–20

5 Nickel F, Marx D, Ewald H. Temperature of thin targets in a pulsed electron beam[J]. Nucl Instr Meth, 1976, 134: 11–14

6 Antalic S, Cagarda P, Ackermann D, et al. Target cooling for high-current experiments at SHIP[J]. Nucl Instr Meth, 2004, A530: 185–193