陳紅濤，趙 芳

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

在一些效應(yīng)本底較低的核物理實(shí)驗(yàn)中，需通過(guò)電子學(xué)門(mén)控技術(shù)[1]將截面較小以至于峰面積較小的目標(biāo)峰從較大本底的能譜中挑選出來(lái)，而這需要加速器提供脈沖形式的束流。由于目標(biāo)峰的面積較小，為減小測(cè)量時(shí)間、提高效率，所需的脈沖束的束流較大。在無(wú)法提高總束流強(qiáng)度的條件下，需提高束流脈沖的占空比(脈沖的寬度與脈沖周期之比)。比如，中子檢測(cè)爆炸物實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)峰包括14N(nt，γ)15N、1H(nt，γ)2H、16O(n，n′)16O、12C(n，n′)12C′等，且快中子等射線(xiàn)引起的本底很大，若不采用電子學(xué)門(mén)控技術(shù)，目標(biāo)峰將很難清晰顯現(xiàn)。在某些利用中子進(jìn)行多元素分析的實(shí)驗(yàn)中，若采用脈沖束，可通過(guò)在脈沖區(qū)測(cè)量快中子引起的γ快譜，在空白區(qū)測(cè)量熱中子或慢中子引起的γ慢譜，減少快中子及(n，n′)反應(yīng)引起的射線(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)中的干擾，來(lái)提高快譜的效應(yīng)本底比，此方法稱(chēng)脈沖快/熱中子分析法(PF/TNA[1])。對(duì)于不同的測(cè)量目標(biāo)，中子慢化所需的時(shí)間不同，需要脈沖束的頻率可變。中國(guó)原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器可提供直流束和納秒脈沖束[2]，納秒脈沖束的脈沖頻率固定為1.5 MHz，脈沖寬度為1.5 ns至幾十ns，但還不能滿(mǎn)足某些核物理實(shí)驗(yàn)的需求。為滿(mǎn)足某些效應(yīng)本底較低的實(shí)驗(yàn)的需求，在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器上利用束流切割的方法建立一套微秒脈沖束系統(tǒng)，并對(duì)研制的系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。

1 微秒脈沖束實(shí)現(xiàn)方法

中國(guó)原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器在加速管前放置一系列的束流光學(xué)元件[2]，由離子源開(kāi)始依次為預(yù)加速間隙、單透鏡、導(dǎo)向器、切割板、切割孔、分析磁鐵和束流準(zhǔn)直孔，可用如下3種方法產(chǎn)生脈沖束。

1.1 離子源產(chǎn)生脈沖束

離子源產(chǎn)生脈沖束是從離子源引出脈沖束流。實(shí)現(xiàn)的方法是將離子源的引出電壓設(shè)為脈沖方波，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，有電壓脈沖時(shí)束流從離子源引出，在脈沖周期的空白區(qū)束流不引出，這種方法產(chǎn)生的脈沖束的波形和頻率與離子源引出電壓的脈沖波形和頻率一致。高壓倍加器采用的是高頻離子源，其引出電壓為0～4 kV，引出束流的強(qiáng)度與引出電壓的大小相關(guān)。一般情況下，引出電壓越大，束流強(qiáng)度越高，要保證較高的脈沖束流強(qiáng)度，需要引出電壓的脈沖幅度不小于4 kV。很多核物理實(shí)驗(yàn)要求脈沖束的頻率達(dá)到幾kHz甚至幾十kHz，對(duì)脈沖束的寬度、上升前沿和下降后沿的要求均很高。因此，該方法要求離子源引出電壓的電源能輸出頻率達(dá)到幾十kHz、波形好、上升前沿和下降后沿很快的脈沖電壓，但這種電源并不容易得到。當(dāng)對(duì)引出束流的強(qiáng)度要求不高，引出電壓小于2 kV時(shí)，此種方法才相對(duì)易實(shí)現(xiàn)。

1.2 掃描偏轉(zhuǎn)板與切割孔結(jié)合產(chǎn)生脈沖束

該方法是在束流傳輸?shù)闹行木€(xiàn)上安裝兩個(gè)上、下對(duì)應(yīng)的方形金屬板(切割板)，在金屬板后安裝一個(gè)限束光闌(切割孔)，在切割板上輸入一個(gè)方波脈沖電壓。束流通過(guò)切割板中心，在有脈沖時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，打在后面的光闌上；在沒(méi)有脈沖的空白區(qū)，束流會(huì)自由通過(guò)切割板和切割孔向后傳輸，通過(guò)切割孔的束流形成脈沖束。脈沖束的頻率和波形將與方波脈沖電壓的頻率和波形一致。經(jīng)推算，若使用切割電壓的波形為方波，使束流發(fā)生偏轉(zhuǎn)的電壓只需幾百V[3]，此種類(lèi)型的方波電源較易得到，切割板和切割孔的安裝也不難實(shí)現(xiàn)，因此，該種方法是一可行的方法。

1.3 分析磁鐵與束流準(zhǔn)直孔產(chǎn)生脈沖束

該方法是在分析磁鐵和加速管入口處安裝一個(gè)切割孔，分析磁鐵的前端安裝一個(gè)磁導(dǎo)向器，磁導(dǎo)向器的電源作脈沖電源，在有脈沖時(shí)，束流打在切割光闌上；在沒(méi)有脈沖的空白區(qū)束流通過(guò)切割孔，形成脈沖束，脈沖束的頻率和波形將與導(dǎo)向器電源脈沖的頻率和波形一致。由于本文高壓倍加器是已建成的，在分析磁鐵的前端已沒(méi)有合適的空間安裝磁導(dǎo)向器。重新改造此處的元件布置，工程相對(duì)繁瑣，所需經(jīng)費(fèi)也較大。

綜合以上分析，本文高壓倍加器的微秒脈沖裝置的研制采用第二種微秒脈沖束的實(shí)現(xiàn)方法。

2 微秒脈沖束裝置及產(chǎn)生

2.1 切割裝置

a——離子源；b——離子源底盤(pán)；c——單透鏡；d——束流包絡(luò)；e——束腰；f——切割板；g——90°雙聚焦分析磁鐵；h——分析磁鐵焦點(diǎn)；i——束流偏出切割孔斑點(diǎn)；j——切割光闌；k——加速管；l——通過(guò)切割光闌后的束流

切割單元及微秒脈沖束的形成如圖1所示。束流切割裝置由切割板和切割光闌組成，切割板位于單透鏡后的束腰處，切割光闌位于90°雙聚焦分析磁鐵的焦點(diǎn)處。切割板由兩塊長(zhǎng)100 mm、寬40 mm的銅板組成，兩塊板間距25 mm，其中心位于管道中心，兩板上下相對(duì)放置，下板接地，上板接方波切割電壓。切割光闌為一個(gè)中心帶孔的圓形石墨片，其外徑為30 mm，孔徑為4 mm。

2.2 微秒脈沖束產(chǎn)生過(guò)程

由離子源引出的正帶電粒子經(jīng)加在離子源底盤(pán)上的正高壓預(yù)先加速使其能量提升到30 keV左右后，進(jìn)入單透鏡使其聚焦，在切割板處形成束腰。此時(shí)，若切割板上不加切割電壓，束流將以直流的形式向后傳輸并通過(guò)切割光闌進(jìn)入加速管；若切割板上加方波切割電壓，則在方波的低電平段(低電平電壓為0 V)束流才能通過(guò)切割光闌進(jìn)入加速管，在方波的高電平段將偏出切割光闌，打在石墨片上，使進(jìn)入加速管的粒子形成脈沖束。方波切割電壓的頻率代表脈沖束流的頻率，方波的寬度代表脈沖束流的時(shí)間寬度?？紤]到加速粒子在傳輸過(guò)程中會(huì)有能散(由離子源引出有一定的初始能散，切割會(huì)產(chǎn)生能散，在加速過(guò)程中由加速高壓的紋波也會(huì)產(chǎn)生能散)，再加上束流在經(jīng)過(guò)切割孔時(shí)會(huì)有偏離(束流中心與切割孔機(jī)械中心偏離)，最后打在靶上的脈沖寬度將與切割電壓的脈沖寬度有一定的偏差。打到靶上的脈沖束的平均束流強(qiáng)度則與脈沖寬度的占空比相關(guān)。

2.3 方波切割電壓特性

該裝置的切割電壓由一臺(tái)方波脈沖電源提供，該電源的脈沖幅度、脈沖頻率和脈沖寬度均能連續(xù)調(diào)節(jié)。其中，脈沖幅度的調(diào)節(jié)范圍為0～500 V，脈沖頻率的調(diào)節(jié)范圍為1～100 kHz，脈沖寬度的調(diào)節(jié)范圍為200 ns～0.5 s。電源的輸出阻抗大于100 kΩ(根據(jù)對(duì)測(cè)量的切割板電容[4]預(yù)估選擇的)。每個(gè)方波脈沖的上升沿和下降沿時(shí)間均小于100 ns，最大占空比達(dá)到80%。該電源還能提供一個(gè)上升時(shí)間和頻率與輸出電壓信號(hào)相同的3 V的同步信號(hào)，該信號(hào)可作為飛行時(shí)間法測(cè)量時(shí)TAC的起始或停止觸發(fā)信號(hào)。

3 微秒脈沖束性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試建立的微秒脈沖束裝置的性能，研究采用液體閃爍體探測(cè)器測(cè)量切割電源輸出不同頻率和寬度脈沖時(shí)，由T(d,n)4He核反應(yīng)產(chǎn)生的14 MeV脈沖中子飛行時(shí)間譜，該譜代表脈沖束流的形狀和時(shí)間寬度。通過(guò)比較所測(cè)譜的形狀和時(shí)間寬度與切割電源輸出的切割脈沖的形狀和時(shí)間寬度，判斷所建立的微秒脈沖束裝置的性能。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)量時(shí)探測(cè)器與氚靶之間的中心距離為4.5 m(T(d，n)4He中子飛行距離)，所用電子學(xué)線(xiàn)路如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中不加切割時(shí)直流束流強(qiáng)為430 μA，切割電壓為430 V。電子學(xué)插件用到了兩個(gè)935定時(shí)器，一個(gè)液體閃爍體中子探測(cè)器，一個(gè)延時(shí)器、一個(gè)556TAC(恒比定時(shí)器)，一個(gè)計(jì)算機(jī)及其多道。取切割電源輸出的切割電壓同步信號(hào)經(jīng)延時(shí)器延時(shí)之后輸出給556TAC，作為其停止信號(hào)；取探測(cè)器的輸出信號(hào)給556TAC，作為其起始信號(hào)；最后由556TAC輸出給計(jì)算機(jī)多道采集飛行時(shí)間譜。

圖2 電子學(xué)線(xiàn)路示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，在切割電源的脈沖頻率和脈沖寬度范圍內(nèi)選取幾個(gè)不同的頻率和脈沖寬度對(duì)建立的微秒脈沖束系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果列于表1，同時(shí)測(cè)量了T(d,n)4He中子飛行時(shí)間譜。由譜讀出脈沖中子的時(shí)間寬度，計(jì)算實(shí)測(cè)的譜寬度與切割電壓脈沖寬度的相對(duì)偏差，結(jié)果列于表1。其中，占空比表示切割寬度與切割脈沖的周期之比，譜寬度相對(duì)偏差表示實(shí)際測(cè)量得到的中子飛行時(shí)間譜的脈沖寬度與切割寬度的相對(duì)偏差。譜寬度的相對(duì)偏差可反映微秒脈沖裝置的可靠性。

表1 微秒脈沖束測(cè)試結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

從測(cè)得的中子飛行時(shí)間譜可看出，中子峰的脈沖寬度與切割電壓輸出的脈沖寬度一致，束流強(qiáng)度等于占空比乘以總束流強(qiáng)度。切割電壓的大小滿(mǎn)足了裝置要求。譜寬度的相對(duì)偏差范圍較大，最大達(dá)10%，最小僅0.1%，且不能直觀(guān)地看出偏差與其他因素的關(guān)系，也沒(méi)有明顯的規(guī)律。分析整個(gè)切割系統(tǒng)，引起譜寬度的偏差可能是由于束流在經(jīng)過(guò)切割孔時(shí)與切割孔的中心有一定的偏差，造成束流脈沖的寬度有一定的波動(dòng)，從而使實(shí)際測(cè)量的中子飛行時(shí)間譜的寬度有偏差。實(shí)際應(yīng)用中，將著重關(guān)注這一現(xiàn)象，避免譜的偏差過(guò)大。

4 結(jié)論

利用束流切割的方式在高壓倍加器上建立了一套完整的微秒脈沖束裝置，該裝置主要由切割掃描板、切割孔和切割電源組成。脈沖束的頻率在1 Hz～100 kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，脈沖的寬度在200 ns～0.5 s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。對(duì)建立的微秒脈沖束裝置，采用液體閃爍體探測(cè)器和飛行時(shí)間方法測(cè)量T(d,n)4He中子飛行時(shí)間譜，由該實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)該套裝置進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該套裝置符合設(shè)計(jì)要求，可投入實(shí)際應(yīng)用。

該裝置從建成至今已為多家用戶(hù)和實(shí)驗(yàn)提供了不同條件的微秒脈沖束，包括啟明星1#裝置的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、深層爆炸物檢測(cè)系統(tǒng)的研制實(shí)驗(yàn)、西北核技術(shù)所和防化兵工程學(xué)院的探測(cè)器刻度實(shí)驗(yàn)等。

該裝置由核數(shù)據(jù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助完成，中國(guó)原子能科學(xué)研究院的周祖英、唐洪慶、朱佳政研究員提出了很多建議，鮑杰、阮錫超在中子飛行時(shí)間譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)中給予了幫助和建議，在此表以衷心感謝。

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