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为了掌握碳化硅靶的高温实验特性,开展了一系列离线实验研究。使用SRIM程序模拟100 MeV质子入射碳化硅靶(密度1.05 g/cm3)的射程约为90 mm,实验中将45片2 mm厚、密度1.05 g/cm3碳化硅靶装入靶筒中。由于质子束在靶材中射程较长且靶片上有毫米量级的宏观大孔,为了防止质子束穿过靶筒导致设备损坏,靶筒中再装入5 mm厚、密度1.5 g/cm3的碳化硅靶。在高真空条件下,通过给靶筒施加大电流,即可实现对靶的高温测试,图4是靶加热电流与靶温的关系,实线为模拟温度。模拟中对靶筒模型进行网格划分,靶筒热源为加热电流产生的焦耳热,靶筒散热主要依靠热辐射,使用有限元法计算靶筒的温度分布。实验发现,碳化硅靶在加热过程中出气不严重,加热8 h即可达到1 800 ℃,加热过程中靶室真空度好于5×10−4 Pa,加热24 h后,靶室真空可达2×10−4 Pa。碳化硅靶在1 800 ℃高温条件下工作8 h后,离子源内壁及引出电极上未出现有明显的杂质沉积。图5是碳化硅加热前后的微观结构对比,可以看出,碳化靶在1 800 ºC高温加热后虽然有部分微观孔闭合,但靶材整体上仍拥有较好的微观多孔结构;同时靶材颗粒尺寸仍为微米量级,满足用于放射性核束产生的靶材要求。
离线实验同时测量了离子束质谱。束流测量采用带电抑制的法拉第筒,配备弱束流电流放大器,测量下限可达0.3 pA。当离子源工作在电子束电离模式时,阴极加热电流为355 A,靶加热电流为480 A时(靶筒温度约1 800 ºC),离子束质谱如图6所示(纵轴为对数坐标)。
从图6中可以看到,离子源引出的离子束总强度为2.9 μA,离子束主要成分为23Na+和39K+,其束流强度分别为2.5和0.3 μA,其中23Na+占总束流比例为85.4%,主要来自于离子源结构材料的杂质。来自碳化硅靶材的离子可能为28Si+、44SiO+及60SiO2+,其流强分别为77、58、2.6 nA。由于28N2+、44CO2+的质量数与28Si+、44SiO+相同,为了确定28Si+、44SiO+的流强,再次测量了质量数为29、30以及45、46的流强并通过硅天然同位素丰度计算,得到28Si+的流强约为11 nA,44SiO+的流强约为7 nA。质谱中28Si+、44SiO+及60SiO2+占总束流的比例分别为0.38%、0.24%、0.09%,该比例很小;在氧化镁靶离线实验中,当靶加热电流为380 A时(靶温约1 600 ºC),总流强为517 nA,质谱中24Mg+的流强为182 nA,占总束流的比例为35.2%。这表明,相比氧化镁靶,碳化硅靶材在高温下性质更稳定。当离子源工作在表面电离模式下,质谱中离子主要为碱金属类离子,23Na+、39K+占束流的绝大部分。实验过程中,离子源工作稳定,未出现靶材高温工作而造成打火或者离子源高压异常。
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2020年在BRISOL装置上开展了碳化硅靶的首次在线实验,实验中初级质子束最高达到15 μA,同时靶筒上还设置有300 A的辅助加热电流,这表明通过减小辅助加热还可近一步提升初级质子束束流强度。图7是模拟计算得到的实验条件下的靶温分布图,从图中可以看出,此时靶的最高温度约为1 850 ºC。
BRISOL装置束线上设置了放射性核素鉴别装置[9],可以鉴别放射性核素种类和定量测量其束流强度。表1列出了BRISOL在线实验测量到的氧化镁靶[4]、碳化硅靶放射性核束产额。实验中,在表面电离模式下,在线产生了20-26Na放射性核束。由于质子与硅核反应生成钠同位素的截面较小,相比氧化镁靶,碳化硅靶在BRISOL产生钠放射性同位素上没有明显优势。此次实验在BRISOL装置上首次获得了铝放射性核束,实验中离子源表面电离模式下26gAl+的产额约为电子束电离模式下的10倍,推测原因是高温环境下离子源内部的其他气体影响了电子束模式的电离效率。在表面电离模式下26gAl+的束流强度为8.7×107 pps,短寿命核束23Al+的束流强度为2.2×102 pps,图8为能量100 MeV,不同流强质子束下26gAl+的产额。
靶材种类 离子束 半衰期 质子束流强/μA 产额/pps MgO 20Na+ 0.448 s 8.0 2×105 21Na+ 22.5 s 8.0 4×108 22Na+ 2.6 y 2.6 6×109 24Na+ 14.9 h 8.0 5×107 25Na+ 59.1 s 8.0 3.7×107 26Na+ 1.07 s 6.5 1.6×103 SiC 20Na+ 0.448 s 15.0 2.1×105 21Na+ 22.5 s 15.0 1.6×107 22Na+ 2.6 y 15.5 4.4×109 24Na+ 14.9 h 15.0 2.3×108 25Na+ 59.1 s 15.5 2.9×106 26Na+ 1.07 s 10.0 1.7×104 23Al+ 0.47 s 13.5 2.2×102 25Al+ 7.183 s 15.5 7.2×103 26gAl+ 7.16×105 y 13.5 8.7×107 26mAl+ 6.35 s 10.0 1.5×104 28Al+ 2.245 min 15.5 2.7×104 实验中26gAl+的束流强度为8.7×107 pps,低于根据反应截面计算的产额,这是由于靶材中核反应生成的放射性核素需要经过扩散、迁移、电离、引出、传输等过程最终到达终端进行测量,由于上述过程效率的影响及放射性核素本身的衰变导致束流强度低于计算产额。此次实验为后期的物理实验奠定了很好的基础。
Production of Ion Beams of Radioactive Aluminum Isotopes at BRISOL Facility
doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021061
- Received Date: 2021-08-17
- Rev Recd Date: 2021-09-17
- Available Online: 2022-06-29
- Publish Date: 2022-06-29
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Key words:
- radioactive ion beam /
- SiC target /
- isotope separator on-line /
- Al RIB
Abstract: Isotope separator on-line of Beijing radioactive ion-beam facility (BRISOL) produces medium and short-lived radioactive isotope beams by irradiating targets with a maxium 200 µA proton beam from a 100 MeV cyclotron. Na and K radioactive ion beams(RIBs) have been generated with CaO and MgO targets at BRISOL. Recentely Al RIB is produced with a SiC target, the beam intensity of 26gAl+ and 23Al+ is 8.7×107 pps and 2.2×102 pps respectively. The SiC target can endure 15 µA proton beam. In this paper, the development of SiC targets and the results of AL RIB on-line production are presented.
Citation: | Xie MA, Baoqun CUI, Bing TANG, Ruigang MA, Lihua CHEN, Yingjun MA, Qinghua HUANG, Yifan ZHANG, Yunfeng WANG, Chong YAN, Rongkai YU. Production of Ion Beams of Radioactive Aluminum Isotopes at BRISOL Facility[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 201-205. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021061 |