高压倍加器微秒脉冲束系统的建立

陈红涛，赵 芳

(中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413)

在一些效应本底较低的核物理实验中，需通过电子学门控技术[1]将截面较小以至于峰面积较小的目标峰从较大本底的能谱中挑选出来，而这需要加速器提供脉冲形式的束流。由于目标峰的面积较小，为减小测量时间、提高效率，所需的脉冲束的束流较大。在无法提高总束流强度的条件下，需提高束流脉冲的占空比(脉冲的宽度与脉冲周期之比)。比如，中子检测爆炸物实验，目标峰包括14N(nt，γ)15N、1H(nt，γ)2H、16O(n，n′)16O、12C(n，n′)12C′等，且快中子等射线引起的本底很大，若不采用电子学门控技术，目标峰将很难清晰显现。在某些利用中子进行多元素分析的实验中，若采用脉冲束，可通过在脉冲区测量快中子引起的γ快谱，在空白区测量热中子或慢中子引起的γ慢谱，减少快中子及(n，n′)反应引起的射线在测量系统中的干扰，来提高快谱的效应本底比，此方法称脉冲快/热中子分析法(PF/TNA[1])。对于不同的测量目标，中子慢化所需的时间不同，需要脉冲束的频率可变。中国原子能科学研究院的高压倍加器可提供直流束和纳秒脉冲束[2]，纳秒脉冲束的脉冲频率固定为1.5 MHz，脉冲宽度为1.5 ns至几十ns，但还不能满足某些核物理实验的需求。为满足某些效应本底较低的实验的需求，在中国原子能科学研究院的高压倍加器上利用束流切割的方法建立一套微秒脉冲束系统，并对研制的系统进行性能测试。

1 微秒脉冲束实现方法

中国原子能科学研究院的高压倍加器在加速管前放置一系列的束流光学元件[2]，由离子源开始依次为预加速间隙、单透镜、导向器、切割板、切割孔、分析磁铁和束流准直孔，可用如下3种方法产生脉冲束。

1.1 离子源产生脉冲束

离子源产生脉冲束是从离子源引出脉冲束流。实现的方法是将离子源的引出电压设为脉冲方波，在一个脉冲周期内，有电压脉冲时束流从离子源引出，在脉冲周期的空白区束流不引出，这种方法产生的脉冲束的波形和频率与离子源引出电压的脉冲波形和频率一致。高压倍加器采用的是高频离子源，其引出电压为0～4 kV，引出束流的强度与引出电压的大小相关。一般情况下，引出电压越大，束流强度越高，要保证较高的脉冲束流强度，需要引出电压的脉冲幅度不小于4 kV。很多核物理实验要求脉冲束的频率达到几kHz甚至几十kHz，对脉冲束的宽度、上升前沿和下降后沿的要求均很高。因此，该方法要求离子源引出电压的电源能输出频率达到几十kHz、波形好、上升前沿和下降后沿很快的脉冲电压，但这种电源并不容易得到。当对引出束流的强度要求不高，引出电压小于2 kV时，此种方法才相对易实现。

1.2 扫描偏转板与切割孔结合产生脉冲束

该方法是在束流传输的中心线上安装两个上、下对应的方形金属板(切割板)，在金属板后安装一个限束光阑(切割孔)，在切割板上输入一个方波脉冲电压。束流通过切割板中心，在有脉冲时会发生偏转，打在后面的光阑上；在没有脉冲的空白区，束流会自由通过切割板和切割孔向后传输，通过切割孔的束流形成脉冲束。脉冲束的频率和波形将与方波脉冲电压的频率和波形一致。经推算，若使用切割电压的波形为方波，使束流发生偏转的电压只需几百V[3]，此种类型的方波电源较易得到，切割板和切割孔的安装也不难实现，因此，该种方法是一可行的方法。

1.3 分析磁铁与束流准直孔产生脉冲束

该方法是在分析磁铁和加速管入口处安装一个切割孔，分析磁铁的前端安装一个磁导向器，磁导向器的电源作脉冲电源，在有脉冲时，束流打在切割光阑上；在没有脉冲的空白区束流通过切割孔，形成脉冲束，脉冲束的频率和波形将与导向器电源脉冲的频率和波形一致。由于本文高压倍加器是已建成的，在分析磁铁的前端已没有合适的空间安装磁导向器。重新改造此处的元件布置，工程相对繁琐，所需经费也较大。

综合以上分析，本文高压倍加器的微秒脉冲装置的研制采用第二种微秒脉冲束的实现方法。

2 微秒脉冲束装置及产生

2.1 切割装置

a——离子源；b——离子源底盘；c——单透镜；d——束流包络；e——束腰；f——切割板；g——90°双聚焦分析磁铁；h——分析磁铁焦点；i——束流偏出切割孔斑点；j——切割光阑；k——加速管；l——通过切割光阑后的束流

切割单元及微秒脉冲束的形成如图1所示。束流切割装置由切割板和切割光阑组成，切割板位于单透镜后的束腰处，切割光阑位于90°双聚焦分析磁铁的焦点处。切割板由两块长100 mm、宽40 mm的铜板组成，两块板间距25 mm，其中心位于管道中心，两板上下相对放置，下板接地，上板接方波切割电压。切割光阑为一个中心带孔的圆形石墨片，其外径为30 mm，孔径为4 mm。

2.2 微秒脉冲束产生过程

由离子源引出的正带电粒子经加在离子源底盘上的正高压预先加速使其能量提升到30 keV左右后，进入单透镜使其聚焦，在切割板处形成束腰。此时，若切割板上不加切割电压，束流将以直流的形式向后传输并通过切割光阑进入加速管；若切割板上加方波切割电压，则在方波的低电平段(低电平电压为0 V)束流才能通过切割光阑进入加速管，在方波的高电平段将偏出切割光阑，打在石墨片上，使进入加速管的粒子形成脉冲束。方波切割电压的频率代表脉冲束流的频率，方波的宽度代表脉冲束流的时间宽度。考虑到加速粒子在传输过程中会有能散(由离子源引出有一定的初始能散，切割会产生能散，在加速过程中由加速高压的纹波也会产生能散)，再加上束流在经过切割孔时会有偏离(束流中心与切割孔机械中心偏离)，最后打在靶上的脉冲宽度将与切割电压的脉冲宽度有一定的偏差。打到靶上的脉冲束的平均束流强度则与脉冲宽度的占空比相关。

2.3 方波切割电压特性

该装置的切割电压由一台方波脉冲电源提供，该电源的脉冲幅度、脉冲频率和脉冲宽度均能连续调节。其中，脉冲幅度的调节范围为0～500 V，脉冲频率的调节范围为1～100 kHz，脉冲宽度的调节范围为200 ns～0.5 s。电源的输出阻抗大于100 kΩ(根据对测量的切割板电容[4]预估选择的)。每个方波脉冲的上升沿和下降沿时间均小于100 ns，最大占空比达到80%。该电源还能提供一个上升时间和频率与输出电压信号相同的3 V的同步信号，该信号可作为飞行时间法测量时TAC的起始或停止触发信号。

3 微秒脉冲束性能测试实验

为测试建立的微秒脉冲束装置的性能，研究采用液体闪烁体探测器测量切割电源输出不同频率和宽度脉冲时，由T(d,n)4He核反应产生的14 MeV脉冲中子飞行时间谱，该谱代表脉冲束流的形状和时间宽度。通过比较所测谱的形状和时间宽度与切割电源输出的切割脉冲的形状和时间宽度，判断所建立的微秒脉冲束装置的性能。

3.1 实验方法

测量时探测器与氚靶之间的中心距离为4.5 m(T(d，n)4He中子飞行距离)，所用电子学线路如图2所示。实验中不加切割时直流束流强为430 μA，切割电压为430 V。电子学插件用到了两个935定时器，一个液体闪烁体中子探测器，一个延时器、一个556TAC(恒比定时器)，一个计算机及其多道。取切割电源输出的切割电压同步信号经延时器延时之后输出给556TAC，作为其停止信号；取探测器的输出信号给556TAC，作为其起始信号；最后由556TAC输出给计算机多道采集飞行时间谱。

图2 电子学线路示意图

3.2 实验结果

实验中，在切割电源的脉冲频率和脉冲宽度范围内选取几个不同的频率和脉冲宽度对建立的微秒脉冲束系统的性能进行测试，测试结果列于表1，同时测量了T(d,n)4He中子飞行时间谱。由谱读出脉冲中子的时间宽度，计算实测的谱宽度与切割电压脉冲宽度的相对偏差，结果列于表1。其中，占空比表示切割宽度与切割脉冲的周期之比，谱宽度相对偏差表示实际测量得到的中子飞行时间谱的脉冲宽度与切割宽度的相对偏差。谱宽度的相对偏差可反映微秒脉冲装置的可靠性。

表1 微秒脉冲束测试结果

3.3 结果分析

从测得的中子飞行时间谱可看出，中子峰的脉冲宽度与切割电压输出的脉冲宽度一致，束流强度等于占空比乘以总束流强度。切割电压的大小满足了装置要求。谱宽度的相对偏差范围较大，最大达10%，最小仅0.1%，且不能直观地看出偏差与其他因素的关系，也没有明显的规律。分析整个切割系统，引起谱宽度的偏差可能是由于束流在经过切割孔时与切割孔的中心有一定的偏差，造成束流脉冲的宽度有一定的波动，从而使实际测量的中子飞行时间谱的宽度有偏差。实际应用中，将着重关注这一现象，避免谱的偏差过大。

4 结论

利用束流切割的方式在高压倍加器上建立了一套完整的微秒脉冲束装置，该装置主要由切割扫描板、切割孔和切割电源组成。脉冲束的频率在1 Hz～100 kHz范围内连续可调，脉冲的宽度在200 ns～0.5 s范围内连续可调。对建立的微秒脉冲束装置，采用液体闪烁体探测器和飞行时间方法测量T(d,n)4He中子飞行时间谱，由该实验测量结果对该套装置进行验证，发现该套装置符合设计要求，可投入实际应用。

该装置从建成至今已为多家用户和实验提供了不同条件的微秒脉冲束，包括启明星1#装置的检验实验、深层爆炸物检测系统的研制实验、西北核技术所和防化兵工程学院的探测器刻度实验等。

该装置由核数据国家级重点实验室资助完成，中国原子能科学研究院的周祖英、唐洪庆、朱佳政研究员提出了很多建议，鲍杰、阮锡超在中子飞行时间谱测量实验中给予了帮助和建议，在此表以衷心感谢。

参考文献：

[1] 陈涵德. 探测爆炸物和放射性材料的核技术方法[J]. 中国工程科学，2008，10(1)：77-78.

CHEN Hande. Nuclear technology for detecting explosives and radioactive materials[J]. Chinese Engineering Science, 2008, 10(1): 77-78(in Chinese).

[2] 沈冠仁，关遐令，陈洪涛. CIAE 600 kV ns脉冲中子发生器介绍[M]∥CIAE 600 kV ns脉冲中子发生器论文集. 北京： 中国原子能科学研究院，2001：1-4.

[3] 牛铭，李胜利. ns脉冲中子发生器切割板电压计算[J]. 原子能科学技术，2001，35(3)：245-249.

NIU Ming, LI Shengli. Voltage calculation of the ns pulse neutron generator cutting plate[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2001, 35(3): 245-249(in Chinese).

[4] 李胜利，牛铭. ns脉冲中子发生器切割板电容值测量[J]. 原子能科学技术，2001，35(4)：375-378.

LI Shengli, NIU Ming. Capacitance measurement of the ns pulse neutron generator cutting plate[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2001, 35(4): 375-378(in Chinese).