[科普中国]-在线同位素分离器

概念

同位素分离器是化学实验与研究装置，用于分析、研究元素的同位素组成。同位素分离(即是将某元素的一种或多种同位素与该元素的其他同位素分离或富集的过程)的必备仪器。同位素的发现依赖于同位素分离器的发明。同位素分离器主要用于化学实验\核工业\化学工业\采矿\金属制造以及医疗行业。1931年发现重氢后，建立了重水生产工厂。在H.C.尤里提出同位素化学交换的理论后，建立了各种化学交换法分离同位素的装置。40年代以来，由于核工业的需要，同位素分离技术得以长足发展。铀235、重水、锂 6、硼 10以吨量级生产，并建立了大规模分离同位素过程的级联理论。碳13、氮 15、氧 18、硫34等以千克量生产，主要作示踪原子。

在线同位素分离器同普通同位素分离器的主要区别在于离子源部分和离子收集探测系统结构不同。

在线同位素分离器主要与高能质子束、反应堆O-T或低能重离子束在编。兰在线同位素分离器作为重离-TN速器终端，它工作在中能(20— 100 MeV/A)重离子束线上，这为短寿命核素的合成和研究，提供很有利的条件。

为适应各种反应机制和不同性质核素的研究，要求在线同位素分离器有高的分辨本领和高的分离效率。 靶离子源是在线同位素分离器的重要组成部分，人们已设计了厚靶、多屡靶、带喷氮的离子源等，以满足不同的实验需要。此外，人们还试图设计高温靶、熔融靶，以探索合成高温难熔元素新核素的可能性。随着中能重离子核反应机制的深入研究和靶离子源技术的发展， 在线同位素分离器将在这一学科的研究和发展中发挥重要的作用2。

原理反应产物（它们可以由各种带电粒子或中子轰击核靶产生）从靶箔中反冲出来，进入分离器离子源的放电室中被电离，再被带孔的高压电极（高压为几万伏）从离子源中拉出。用静电或磁透镜系统使离子束聚焦，然后进入分析磁铁。不同质量的离子在磁场中由于偏转半径不同而被分离，最后，被聚焦在收集室中，再用探测器对它们的衰变特性进行测量。

结构离子源快速有效地将反应产物引进分离器的离子源，是实现在线分离的关键。常用的将反应产物馈入离子源的系统有两种：①靶-离子源系统,它将靶箔和分离器的离子源安装在一起，使靶箔中反冲出来的反应产物直接进入离子源，被阻止在离子源中的某种俘获物质（例如石墨）中，由于加热作用使它们扩散到放电室的等离子区进行电离；②氦喷嘴离子源系统，这时的靶箔不在离子源内，反应产物由产生地点经慢化后，借助氦气流，通过一个“毛细管漏勺”组合系统传送到离子源放电室进行电离3。

离子光学系统即离子束的聚集和磁偏转系统。类似于普通的分离器，在焦面上可获得离子束的最佳强度和聚焦状态。常用的分析磁铁的偏转角是90°或55°；磁场的曲率半径一般都设计得大于1m,以便增大色散度。离子束进入收集室后，原则上就可以进行测量。有时为了在测量某种质量数的核素时，不受其他核素的干扰，可以在收集室中设置一套传输带装置，将需要测量的核素先收集在收集带上，再自动传送到附近的探测站，对收集带上的活性产物进行不同目的的测量；也有人将收集带设计成可以从真空收集室直接运动到大气中来，以便于用配置的控测器进行测量。

基本特点因为在线同位素分离器利用核反应在线产生放射性核束，它具有不同于其它加速器设备的特点。
1.核反应能够产生的放射性核素数量有限、寿命很短；产生的放射性束流强度低；

2.系统要求很高的质量分辨率；

3.系统工作时及工作后有很强的放射性。

这些特点要求在线同位素分离器具有快速、高效产生放射性核束的能力，具有高质量的束流传输分析系统及元件，具有有效的束流调试手段，具有对放射性元件进行处理的能力4。

系统布局在线同位素分离器又靶源、预分析段、主分析段及其后的束流偏转段组成。

从离子源引出的束将通过一组四极透镜及一对导向器，以保证离子束能够通过 3.5 米的屏蔽墙和2.5 米高压隔离区，使束以较高的效率进入第一分析段。

在第一分析段中，进行分析以前，安置了一台电荷交换器，用来在向串列加速器注入时，将一些正离子转换为负离子。在电荷交换器前后，各有一组双单元四极透镜来调整束的形状使其在电荷交换器中心成腰，保证在电荷交换器的出口和入口束径小于 5mm，尽量减少用来作为电荷交换的碱金属蒸汽向真空系统中的扩散。

电荷交换器后，安置了两组四极透镜，这样可以把靶源中引出的不同束形的离子束在分析磁铁的物点形成要求的束形，当离子束参数变化时，系统仍能有效地分析和传输从离子源引出的放射性核束。

分析磁铁的物点以后，安置一个四极透镜和一个六极透镜，四极透镜用于在竖直方向压缩离子束的包络，使得分析磁铁的气隙可以较小，减小分析磁铁的尺寸及功率消耗。六极透镜用来消除二级像差。

系统使用一对反对称的分析磁铁，进行同位素选择。同时可以把离子束传输到主分析磁铁的束线上。紧接着第二块小分析磁铁，安置了一个六极透镜与四极透镜，作用与第一块磁铁前的六极与四极相同。
在第二块分析磁铁的像点后，放置一对四极透镜，用于在低能情况调整粒子束的束形，使得离子束能够高效通过加速管。在高能情况下，此对四极不必使用。四极透镜后，为 300kV 加速管，用于将离子束能量加速300keV。

在加速管后，安置了两组四极透镜，这样可以把加速管能量变化时不同形状的离子束在分析磁铁的物点形成要求的束形，适应不同的加速电压时，系统仍能有效地分析和传输放射性核束。在主分析磁铁物点后，安置了一个四极透镜和一个六极透镜，四极透镜用于在竖直方向压缩离子束的包络，使得分析磁铁的气隙可以较小，减小分析磁铁的尺寸及功率消耗。六极透镜用来消除二级像差。使用一对反对称的分析磁铁，进行同质异位素的选择，选出需要的放射性核束。在第二块主分析磁铁后，安置一个六极透镜与四极透镜，作用与第一块磁铁前的六极与四极相同。在此磁铁的像点完成放射性核束的同位素分离4。