近物所反沖譜儀端的轉靶系統研制

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

1 (中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000)

2 (中國科學院研究生院 北京 100049)

在超重核合成及衰變性質研究中，隨著被研究核素核電荷數的增加，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道，采用厚靶并增大束流強度以增加產額。但是，超重核合成可供選用的反應道較少，有時甚至是唯一的反應道；而采用電磁分離法進行產物分離時，靶厚也有限制。因此，增大束流強度就更為現實，如GSI(德國重離子研究中心)的269110、271110、272111和277112合成實驗[1]，所用束流流強為0.5–1 pμA。然而，高流強高能量的重離子束在反應靶中沉積更多能量，使靶過熱，低熔點靶(如Pb、Bi靶)會因熔化而損壞。采用轉動靶，可適當降低靶溫，有效解決此問題。參考國外實驗室的轉靶系統[2?4]，我們研制了近物所反沖譜儀端用于低熔點靶材料的轉靶系統，并在24Mg+208Pb和64Ni+208Pb實驗中使用了該系統，對其進行了檢驗。

1 薄靶的溫度模擬

在融合蒸發反應中，在長時間強離子束照射下，固定靶會因過熱、濺射或輻照損傷而損壞，靶的使用壽命大為減小。轉動靶則可有效解決此問題。我們先進行轉動薄靶的溫度計算，模擬在一定能量、一定流強的重離子束照射下，轉動靶轉速與靶溫度的關系，為轉靶的設計提供依據。在脈沖束照射下的薄靶溫度可由能量守恒定律計算[4?6]：

式中，T為靶的即時溫度，Tu為環境溫度，ΔF為束斑大小，ε為熱輻射系數，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。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。對于脈沖束，設 c、ρ和ε不因靶溫變化而改變；同時，為模擬轉靶的轉動，設定束流時有時無，有束流時靶加熱，無束流時靶冷卻。

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，靶轉速分別為600 r/min和1 000 r/min時，靶達到熱平衡時最大靶溫度隨流強的模擬計算結果。由圖可見，600和1 000 r/min時，Pb靶溫度達其熔點(600 K)時的流強分別近1 pμA和1.3 pμA。

圖1 轉速在1 000 r/min和600 r/min時Pb靶溫度的最大值隨流強的變化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為轉靶轉速600 r/min、4.89 MeV/u 0.5 pμA的64Ni束轟擊如上Pb靶時的靶升溫和靶冷卻過程的模擬結果。輻照期(tin≈1.5 ms)，靶溫迅速上升，此后即進入長時間的冷卻期(tout≈98.5 ms)直至被下次輻照；經5個轉動周期后，靶溫度達到動態平衡。

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

2 轉靶裝置

轉靶裝置如圖3左圖所示，分靶室內外兩部分。靶室內有靶盤、反應靶、轉動機構及束流調制器等。靶盤設計見圖3右圖，靶盤直接安裝于磁流密封傳動單元上。靶盤中心點距靶中心徑距離11.2 cm，一個靶盤可安裝10個扇形靶，大小～15 mm×60 mm，靶與靶相距10 mm，每塊靶可獨立地被輻照。靶室外部分包括電機和磁流體密封裝置，為減小機械振動，電機與磁流體的銜接采取硬連接方式并保證其同軸性。該設計構型經多次試驗和改進，在102Pa真空條件下，轉靶轉速1 000 r/min時薄靶均無損壞；在束實驗時，真空為數十Pa。束流調制部分通過光電系統結合靶盤產生脈沖式控制信號，使用該信號對束流進行調制，把近物所重離子加速器產生的連續束改變為同步于轉靶的脈沖束。在靶的后束流方向，分別在距靶點～15 cm 處的10°、30°和45°方向安裝APD(雪崩光電探測器)實時監測流強變化。

圖3 轉靶裝置示意圖及其靶盤照片Fig.3 A sketch map of the rotating target set-up and a photo of the target frame.

3 實驗結果

轉靶系統用于近物所反沖譜儀的24Mg+208Pb實驗中，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，實驗初期的轉速為600 r/min，用調制脈沖束，設備工作情況一如預期，反沖譜儀也分離出融合蒸發的產物。實驗末期，依據Mg束轟擊Pb靶的溫度模擬，轉速從600 r/min逐次降至100 r/min，定時觀測靶的狀態，Pb靶均未損壞。實驗結束后，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，靶的均勻性并無實質性改變。實驗結果與溫度模擬計算相符(圖4)。

圖4 實驗前(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，此系統用于64Ni+208Pb實驗中，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+。實驗為期一周，其間多次檢查靶的狀態，運行良好。

4 結語

實驗證明轉靶可有效降低強重離子束照射時薄靶溫度，達到了設計目的。該轉靶系統可用于以后的實驗研究中。溫度模擬還需進一步完善，在程序中需考慮工作氣體的冷卻環節。

致謝 近代物理研究所重離子加速器工作人員為本實驗提供了穩定的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