曾 晟，柳衛(wèi)平,*，葉沿林，北京ISOL團(tuán)隊(duì),

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.北京大學(xué)，北京 100871)

放射性核束物理是國際核物理研究的前沿。滴線區(qū)新物理、鐵以上重元素的天體合成過程、超重穩(wěn)定島核素合成[1-3]等關(guān)鍵科學(xué)問題的突破將對(duì)整個(gè)自然科學(xué)產(chǎn)生重大影響[4-6]。這些研究需高強(qiáng)度的極端豐中子核束，在線同位素分離(ISOL)和入射粒子碎片(PF)兩種方法產(chǎn)生不穩(wěn)定核束具有高度的互補(bǔ)性。ISOL方法局限于產(chǎn)生壽命較長(zhǎng)(大于1 ms)的不穩(wěn)定核素，但其束流品質(zhì)好、能量范圍寬(幾十keV/A至100 MeV/A)。PF方法可產(chǎn)生壽命短(8至幾百ns)的不穩(wěn)定核素，更接近中子或質(zhì)子滴線，其缺點(diǎn)是束流品質(zhì)差，束流能量與初級(jí)束流接近，較多研究需降能?，F(xiàn)有以及在建的裝置(無論是PF型還是ISOL型)基本上是通過一次反應(yīng)產(chǎn)生放射性核束[7-15]，都存在自身的弱點(diǎn)[16]：PF裝置利用穩(wěn)定彈核制約了碎裂產(chǎn)物可達(dá)到的豐中子核區(qū)；而ISOL裝置分離不同的核素需不同離子源，同時(shí)有效分離時(shí)間可達(dá)s級(jí)，制約了μs級(jí)短壽命核離子束的產(chǎn)生。

北京ISOL(北京在線分離豐中子束流裝置，亦簡(jiǎn)稱BISOL)，是由中國原子能科學(xué)研究院和北京大學(xué)聯(lián)合提出的一臺(tái)大科學(xué)裝置[17-18]。該裝置的主要特點(diǎn)是：采用反應(yīng)堆與加速器雙源驅(qū)動(dòng)；用ISOL和PF相結(jié)合的方法產(chǎn)生高強(qiáng)度的豐中子核束及(1～5)×1015cm-2·s-1的1～20 MeV強(qiáng)流中子。在開展科學(xué)基礎(chǔ)前沿放射性核束物理的創(chuàng)新研究的同時(shí)，可率先在國際上開展先進(jìn)核能(特別是聚變能)系統(tǒng)材料的輻照測(cè)評(píng)及多種核數(shù)據(jù)所需的應(yīng)用研究。

得益于反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)的獨(dú)特思路，北京ISOL在若干關(guān)鍵質(zhì)量區(qū)可產(chǎn)生較國內(nèi)外現(xiàn)有裝置強(qiáng)度高1～2個(gè)量級(jí)的極端豐中子核束流，從而將核科學(xué)研究推進(jìn)到迄今尚未達(dá)到的極端豐中子原子核區(qū)域，將我國核基礎(chǔ)科學(xué)研究提高到國際領(lǐng)先水平。同時(shí)，北京ISOL的強(qiáng)流氘離子加速器既能作為互補(bǔ)的裂變驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生豐中子核束，亦能獨(dú)立運(yùn)行產(chǎn)生強(qiáng)快中子束，用于開展亟需的核能材料快中子輻照測(cè)評(píng)和其他應(yīng)用研究。到目前為止，國際上還沒有足夠強(qiáng)的快中子輻照裝置，北京ISOL建成后將使我國在該領(lǐng)域步入國際前列，滿足先進(jìn)核能裝置需求，產(chǎn)生的質(zhì)子、氘離子、重離子、中子、高強(qiáng)度極端豐中子核束等多種束流可在核科學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的諸多領(lǐng)域開展具有重要意義的研究。

1 北京ISOL建設(shè)方案研究進(jìn)展

北京ISOL的建設(shè)內(nèi)容包括反應(yīng)堆與加速器驅(qū)動(dòng)放射性核束離子源、強(qiáng)流氘離子加速器、高功率靶站與核能材料輻照裝置、放射性核束后加速器、放射性核束實(shí)驗(yàn)站(包括分離能區(qū)實(shí)驗(yàn)站、低能區(qū)實(shí)驗(yàn)站、次級(jí)束流線及中能區(qū)實(shí)驗(yàn)站)等(圖1)。

1.1 反應(yīng)堆與加速器驅(qū)動(dòng)放射性核束離子源建設(shè)方案

反應(yīng)堆上靶源系統(tǒng)利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱中子誘發(fā)235U裂變，將產(chǎn)生的裂變碎片轉(zhuǎn)換為20 keV的放射性離子束引出[19]。反應(yīng)堆上靶源系統(tǒng)包括靶離子源、堆內(nèi)傳輸導(dǎo)向、束流診斷、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輻射監(jiān)測(cè)與防護(hù)、激光系統(tǒng)、換靶系統(tǒng)等。反應(yīng)堆上靶離子源使用含5 g235U的碳化鈾靶，離子源為表面及電子碰撞混合型離子源，既可在表面電離模式下工作，又可在電子碰撞方式下工作，結(jié)合反應(yīng)堆外的激光系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)激光共振電離，能產(chǎn)生元素周期表上大多數(shù)元素的離子。換靶系統(tǒng)用于快速將新的靶材料替換用過的靶材料，并將用過的靶材料包裝運(yùn)走。

圖1 北京ISOL的主要組成部分Fig.1 Main components of Beijing ISOL

在實(shí)驗(yàn)室還將建立靶離子源離線測(cè)試系統(tǒng)，用于對(duì)準(zhǔn)備投入在線工作的靶離子源的工作性能進(jìn)行驗(yàn)證及進(jìn)行除氣等必要的工藝處理，避免失效部件進(jìn)入反應(yīng)堆管道內(nèi)。

加速器靶源系統(tǒng)利用氘離子加速器打靶產(chǎn)生的中子轟擊238U靶引起的裂變，產(chǎn)生放射性核束。除靶材料及外部接口需進(jìn)行另外設(shè)計(jì)外，源芯部分與已在運(yùn)行中的串列升級(jí)工程中的靶源系統(tǒng)類似。

堆內(nèi)靶源(圖2)是北京ISOL項(xiàng)目需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一，在中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司自主研發(fā)項(xiàng)目支持下，中國原子能科學(xué)研究院已建成了一套1∶1尺寸的靶離子源模擬實(shí)驗(yàn)裝置，外形尺寸上完全模擬了反應(yīng)堆中子管道的環(huán)境，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高電壓、高功率熱量釋放、離子源陰極發(fā)射、高真空實(shí)現(xiàn)、傳輸聚焦元件的小型化等關(guān)鍵功能，用表面-電子碰撞混合離子源成功引出20 keV的Sn和Rb穩(wěn)定束流，靶源工作溫度為1 800 ℃，強(qiáng)度達(dá)到1011pps。模擬反應(yīng)堆中子管道情況，在管道一端抽真空的情況下，離子束從引出到傳輸?shù)焦艿澜K端5 m長(zhǎng)的距離上(對(duì)應(yīng)反應(yīng)堆中子管道外)傳輸效率達(dá)95.2%。

圖2 反應(yīng)堆內(nèi)靶源Fig.2 Reactor driven ion source

利用激光選擇電離感興趣核素具有選擇性好、放射性產(chǎn)物可控制在小范圍內(nèi)、離子源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)。目前在離子源模擬裝置旁已建成了一套激光系統(tǒng)，該激光系統(tǒng)產(chǎn)生3束不同可調(diào)波長(zhǎng)的激光束后，合成為1條光束，沿離子源模擬實(shí)驗(yàn)裝置的軸線入射到離子源內(nèi)，將可實(shí)現(xiàn)元素的選擇性電離。它可實(shí)現(xiàn)元素周期表內(nèi)約1/2元素的電離。激光電離系統(tǒng)投入使用將進(jìn)一步提高靶源系統(tǒng)的效率與可靠性。

1.2 強(qiáng)流氘離子加速器設(shè)計(jì)

圖3 強(qiáng)流氘離子加速器Fig.3 High intensity deuteron accelerator

強(qiáng)流氘離子加速器可將10 mA的CW氘離子束加速到40 MeV。400 kW的氘離子束被輸運(yùn)到靶站，轟擊液態(tài)鋰靶產(chǎn)生強(qiáng)中子束，強(qiáng)中子束可進(jìn)一步轟擊碳化鈾靶產(chǎn)生放射性核束，或直接用于對(duì)核能材料進(jìn)行輻照(圖3)。強(qiáng)流氘離子加速器包括ECR離子源、RFQ加速器、超導(dǎo)HWR加速器、束流輸運(yùn)線，以及相應(yīng)的射頻、低溫、磁鐵、電源、真空、水冷、束流診斷、控制、輻射監(jiān)測(cè)與防護(hù)等系統(tǒng)。RFQ和超導(dǎo)HWR加速器的工作頻率為162.5 MHz，RFQ加速器將氘離子束加速到3 MeV，超導(dǎo)HWR加速器進(jìn)一步將氘離子束加速到40 MeV。超導(dǎo)HWR加速器由14個(gè)β=0.09的HWR超導(dǎo)腔體和18個(gè)β=0.15的HWR超導(dǎo)腔體組成，分組安裝在5個(gè)超導(dǎo)加速單元液氦恒溫器內(nèi)。為提高氘離子束的使用效率、保障靶站工作安全，需在高能束流輸運(yùn)線中對(duì)轟擊液鋰靶表面的氘離子束進(jìn)行整形與均勻化，要求靶上束斑為扁矩形束，束斑內(nèi)束流密度的不均勻性小于25%。

在線同位素分離器將靶-離子源系統(tǒng)產(chǎn)生的放射性核束，由質(zhì)量分析器進(jìn)行質(zhì)量分離選出需要的放射性核束，并將一價(jià)放射性核束離子增殖到質(zhì)荷比為6～7的多電荷離子，從中選出電荷態(tài)相近的2～3個(gè)電荷態(tài)離子傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)終端或注入到后端加速器進(jìn)一步加速。ISOL系統(tǒng)包括低能束流聚焦傳輸系統(tǒng)、四極射頻束流冷卻器(RFQ COOLER)、高質(zhì)量分辨率系統(tǒng)、電荷增殖器、消色散系統(tǒng)、束流監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、廢氣收集排放系統(tǒng)以及輻射屏蔽、防護(hù)、監(jiān)測(cè)及安全系統(tǒng)等。低能束流聚焦傳輸系統(tǒng)將反應(yīng)堆和加速器靶源產(chǎn)生的放射性核束傳輸?shù)街仉x子加速器或低能實(shí)驗(yàn)終端。RFQ COOLER冷卻低能放射性核束，降低其能散度及發(fā)射度；高質(zhì)量分辨率系統(tǒng)質(zhì)量分辨率為10 000，篩選出物理實(shí)驗(yàn)所要求的核束。

1.3 高功率靶站與核能材料輻照裝置

高功率靶站(包括輔助設(shè)施)是構(gòu)成北京ISOL的主要設(shè)施之一。該設(shè)施主要用于將加速器加速的能量為40 MeV、流強(qiáng)為10 mA的D離子束，以5°的入射角度入射到液態(tài)鋰靶，通過D-Li核反應(yīng)生成具有角分布的中子場(chǎng)，從而為材料輻照及放射性核素生成提供中子。

從中子的產(chǎn)生機(jī)制來看，為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)流離子束向中子束流的轉(zhuǎn)換，需在離子加速器束流末端設(shè)置中子轉(zhuǎn)化靶。由于實(shí)驗(yàn)中需較高的中子通量，這就要求中子轉(zhuǎn)換靶能經(jīng)受高功率束流的轟擊，這對(duì)靶的抗負(fù)載能力提出了極高的要求。與旋轉(zhuǎn)固態(tài)靶相比，液態(tài)鋰靶可承受更高的功率，是今后更強(qiáng)的中子源所用轉(zhuǎn)換靶的發(fā)展方向。北京ISOL中的高功率靶站(包括高流速下獲取穩(wěn)定的液鋰自由液面、液鋰循環(huán)回路、輻射環(huán)境下的狀態(tài)監(jiān)控與遠(yuǎn)程操控維護(hù)技術(shù)及輻照單元等)擬采用液態(tài)鋰作為無窗靶的靶材，由于液態(tài)鋰具有良好的中子學(xué)性能、抗輻照性能和傳熱性能，是目前中子液態(tài)靶材的主要候選材料。當(dāng)前設(shè)計(jì)的束流功率是400 kW，與強(qiáng)流氘加速器等裝置相配合，快中子產(chǎn)額可達(dá)(1～5)×1014cm-2·s-1，相應(yīng)地在輻照單元處約15 cm3的體積內(nèi)達(dá)到10～20 dpa/fpy。

1.4 放射性核束后加速器設(shè)計(jì)

后加速器將反應(yīng)堆或強(qiáng)流氘離子加速器產(chǎn)生的初級(jí)放射性核束加速至150 MeV/u后，打靶產(chǎn)生次級(jí)極端豐中子核束進(jìn)行核物理前沿科學(xué)研究。后加速器包括RFQ加速器、超導(dǎo)加速器、束流輸運(yùn)線以及配套的低溫、高頻、真空、控制等系統(tǒng)，可加速質(zhì)荷比不大于7的束流。RFQ加速器的工作頻率為81.25 MHz[20]，束流輸入能量3 keV/u，輸出能量300 keV/u；超導(dǎo)加速器采用了工作頻率為81.25 MHz的QWR純鈮超導(dǎo)腔和工作頻率為325 MHz的HWR純鈮超導(dǎo)腔(β分別為0.04、0.09、0.29和0.53)共276個(gè)，將束流從300 keV/u加速至150 MeV/u。后加速同時(shí)加速含有多種電荷態(tài)的束流，提高初級(jí)束的利用率。

1.5 分離能區(qū)實(shí)驗(yàn)站(SEE)初步設(shè)計(jì)

北京ISOL可在A=90和A=140兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生世界最強(qiáng)的百余種極豐中子核素，對(duì)這兩個(gè)質(zhì)量區(qū)原子核的特性開展精確和細(xì)致的研究，對(duì)核天體物理r-過程、中子殼層演化、中子滴線區(qū)核結(jié)構(gòu)研究等領(lǐng)域具有極其重要的意義。利用北京ISOL的束流優(yōu)勢(shì)，計(jì)劃開展衰變特性、質(zhì)量和共線激光譜的研究。用于衰變研究的探測(cè)設(shè)備能對(duì)β衰變出射的各種粒子進(jìn)行符合測(cè)量。該探測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)不同粒子有高的探測(cè)效率。用于精確質(zhì)量測(cè)量的彭寧阱裝置將以短壽命弱流強(qiáng)的極豐中子放射性核素為目標(biāo)。一方面將采用最新發(fā)展的高電荷態(tài)技術(shù)，降低測(cè)量壽命下限。另一方面發(fā)展FT-ICR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極弱束流放射性核素的質(zhì)量測(cè)量。用于共線激光譜研究的共線共振電離激光譜裝置研制具有目前國際上最先進(jìn)的高分辨率和高效率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)78Ni附近核素基態(tài)性質(zhì)的直接測(cè)量，提供具有國際影響的突破性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.6 低能區(qū)實(shí)驗(yàn)站(LEE)初步設(shè)計(jì)

低能實(shí)驗(yàn)區(qū)提供高品質(zhì)的豐中子裂變核束和強(qiáng)流穩(wěn)定核束，最大能量18 MeV/u，主要開展天體核反應(yīng)、超重核合成機(jī)制、豐中子核和奇特核結(jié)構(gòu)與反應(yīng)等研究?，F(xiàn)有4個(gè)實(shí)驗(yàn)終端：1) 大接收度磁譜儀終端，配備兩個(gè)大型磁譜儀，組成雙臂結(jié)構(gòu)，可工作于充氣模式，主要開展多核子轉(zhuǎn)移、超重核合成等反應(yīng)機(jī)制研究，與γ探測(cè)器陣列結(jié)合，可開展極豐中子核結(jié)構(gòu)的研究；2) 通用實(shí)驗(yàn)終端，配備直徑2 m的通用大靶室、雙臂重離子飛行時(shí)間譜儀和靜電偏轉(zhuǎn)板，主要開展彈性與準(zhǔn)彈性、轉(zhuǎn)移、熔合和裂變等反應(yīng)機(jī)制的研究；3) 核天體實(shí)驗(yàn)終端，配備由超導(dǎo)螺線管和反沖質(zhì)量分離器組成的譜儀，適用于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)，如r-過程相關(guān)的d(132Sn,133Sn)p反應(yīng)測(cè)量；4) 在束核譜學(xué)終端，配備由HPGe、CLOVER和LaBr3等組成的γ探測(cè)器陣列，配合帶電粒子和中子探測(cè)器陣列，開展豐中子核結(jié)構(gòu)研究，如殼演化、形狀共存、軟模巨共振等。

1.7 次級(jí)束流線及中能區(qū)實(shí)驗(yàn)站(IEE)初步設(shè)計(jì)

次級(jí)束流線和零度譜儀主要用于利用初級(jí)束打靶產(chǎn)生遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的極豐中子放射性束流，對(duì)產(chǎn)生的極豐中子放射性束流進(jìn)行分離和鑒別，也可輸送到通用終端進(jìn)行其他相關(guān)的核物理實(shí)驗(yàn)研究。次級(jí)束流線和零度譜儀包括PF靶站、束流垃圾桶、常溫二極磁鐵、超導(dǎo)三單元四極磁鐵，以及相應(yīng)的管道、電源、真空、水冷、束流診斷、輻射監(jiān)測(cè)與防護(hù)等系統(tǒng)。常溫二極磁鐵可達(dá)7 Tm的磁鋼度。超導(dǎo)三單元四極磁鐵采用液氦回路制冷，極頭磁場(chǎng)可達(dá)2.4 T，磁場(chǎng)梯度可達(dá)15 T/m以上。次級(jí)束流線采用大立體角和動(dòng)量接收度的設(shè)計(jì)，有效提高了束流線的傳輸效率，同時(shí)具有6%的動(dòng)量接收度，能覆蓋更大范圍的次級(jí)粒子動(dòng)量分布寬度。零度譜儀具有大接收度、高分辨率、分離譜儀模式3種運(yùn)行模式，這些工作模式能滿足放射性離子束強(qiáng)度低、純度差和束斑大的粒子鑒別與傳輸?shù)囊?，開展多種方式的核物理實(shí)驗(yàn)。

北京ISOL的物理布局示于圖4。

圖4 北京ISOL物理布局Fig.4 General design of Beijing ISOL

2 總結(jié)與展望

北京ISOL項(xiàng)目由中國原子能科學(xué)研究院和北京大學(xué)聯(lián)合提出，擬在中國原子能科學(xué)研究院中國先進(jìn)研究堆南側(cè)進(jìn)行建設(shè)。中國原子能科學(xué)研究院和北京大學(xué)在核物理、加速器物理與技術(shù)、核技術(shù)應(yīng)用以及相應(yīng)的科學(xué)裝置建設(shè)方面擁有高水平的人才隊(duì)伍、技術(shù)基礎(chǔ)和工程建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)，本裝置所涉及的關(guān)鍵技術(shù)在我國已具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)積累，同時(shí)裝置建設(shè)所需場(chǎng)地已預(yù)留、配套設(shè)施齊全。因此，中國原子能科學(xué)研究院和北京大學(xué)完全有能力完成本項(xiàng)目的建設(shè)。

北京ISOL建成后，將形成向國內(nèi)外全面開放的世界級(jí)大型核科學(xué)平臺(tái)，吸引國內(nèi)外最優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)前來開展基礎(chǔ)前沿和重大應(yīng)用研究，形成強(qiáng)大的用戶群體，有效提升我國的科技實(shí)力和國際競(jìng)爭(zhēng)力，并為保障國家的能源安全做出貢獻(xiàn)。