北京ISOL项目进展

曾 晟，柳卫平,*，叶沿林，北京ISOL团队,

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.北京大学，北京 100871)

放射性核束物理是国际核物理研究的前沿。滴线区新物理、铁以上重元素的天体合成过程、超重稳定岛核素合成[1-3]等关键科学问题的突破将对整个自然科学产生重大影响[4-6]。这些研究需高强度的极端丰中子核束，在线同位素分离(ISOL)和入射粒子碎片(PF)两种方法产生不稳定核束具有高度的互补性。ISOL方法局限于产生寿命较长(大于1 ms)的不稳定核素，但其束流品质好、能量范围宽(几十keV/A至100 MeV/A)。PF方法可产生寿命短(8至几百ns)的不稳定核素，更接近中子或质子滴线，其缺点是束流品质差，束流能量与初级束流接近，较多研究需降能。现有以及在建的装置(无论是PF型还是ISOL型)基本上是通过一次反应产生放射性核束[7-15]，都存在自身的弱点[16]：PF装置利用稳定弹核制约了碎裂产物可达到的丰中子核区；而ISOL装置分离不同的核素需不同离子源，同时有效分离时间可达s级，制约了μs级短寿命核离子束的产生。

北京ISOL(北京在线分离丰中子束流装置，亦简称BISOL)，是由中国原子能科学研究院和北京大学联合提出的一台大科学装置[17-18]。该装置的主要特点是：采用反应堆与加速器双源驱动；用ISOL和PF相结合的方法产生高强度的丰中子核束及(1～5)×1015cm-2·s-1的1～20 MeV强流中子。在开展科学基础前沿放射性核束物理的创新研究的同时，可率先在国际上开展先进核能(特别是聚变能)系统材料的辐照测评及多种核数据所需的应用研究。

得益于反应堆驱动的独特思路，北京ISOL在若干关键质量区可产生较国内外现有装置强度高1～2个量级的极端丰中子核束流，从而将核科学研究推进到迄今尚未达到的极端丰中子原子核区域，将我国核基础科学研究提高到国际领先水平。同时，北京ISOL的强流氘离子加速器既能作为互补的裂变驱动源产生丰中子核束，亦能独立运行产生强快中子束，用于开展亟需的核能材料快中子辐照测评和其他应用研究。到目前为止，国际上还没有足够强的快中子辐照装置，北京ISOL建成后将使我国在该领域步入国际前列，满足先进核能装置需求，产生的质子、氘离子、重离子、中子、高强度极端丰中子核束等多种束流可在核科学基础研究和应用研究的诸多领域开展具有重要意义的研究。

1 北京ISOL建设方案研究进展

北京ISOL的建设内容包括反应堆与加速器驱动放射性核束离子源、强流氘离子加速器、高功率靶站与核能材料辐照装置、放射性核束后加速器、放射性核束实验站(包括分离能区实验站、低能区实验站、次级束流线及中能区实验站)等(图1)。

1.1 反应堆与加速器驱动放射性核束离子源建设方案

反应堆上靶源系统利用反应堆产生的热中子诱发235U裂变，将产生的裂变碎片转换为20 keV的放射性离子束引出[19]。反应堆上靶源系统包括靶离子源、堆内传输导向、束流诊断、真空系统、控制系统、辐射监测与防护、激光系统、换靶系统等。反应堆上靶离子源使用含5 g235U的碳化铀靶，离子源为表面及电子碰撞混合型离子源，既可在表面电离模式下工作，又可在电子碰撞方式下工作，结合反应堆外的激光系统还可实现激光共振电离，能产生元素周期表上大多数元素的离子。换靶系统用于快速将新的靶材料替换用过的靶材料，并将用过的靶材料包装运走。

图1 北京ISOL的主要组成部分Fig.1 Main components of Beijing ISOL

在实验室还将建立靶离子源离线测试系统，用于对准备投入在线工作的靶离子源的工作性能进行验证及进行除气等必要的工艺处理，避免失效部件进入反应堆管道内。

加速器靶源系统利用氘离子加速器打靶产生的中子轰击238U靶引起的裂变，产生放射性核束。除靶材料及外部接口需进行另外设计外，源芯部分与已在运行中的串列升级工程中的靶源系统类似。

堆内靶源(图2)是北京ISOL项目需要突破的关键技术之一，在中国核工业集团有限公司自主研发项目支持下，中国原子能科学研究院已建成了一套1∶1尺寸的靶离子源模拟实验装置，外形尺寸上完全模拟了反应堆中子管道的环境，在有限的空间内实现了高电压、高功率热量释放、离子源阴极发射、高真空实现、传输聚焦元件的小型化等关键功能，用表面-电子碰撞混合离子源成功引出20 keV的Sn和Rb稳定束流，靶源工作温度为1 800 ℃，强度达到1011pps。模拟反应堆中子管道情况，在管道一端抽真空的情况下，离子束从引出到传输到管道终端5 m长的距离上(对应反应堆中子管道外)传输效率达95.2%。

图2 反应堆内靶源Fig.2 Reactor driven ion source

利用激光选择电离感兴趣核素具有选择性好、放射性产物可控制在小范围内、离子源结构简单、可靠的优点。目前在离子源模拟装置旁已建成了一套激光系统，该激光系统产生3束不同可调波长的激光束后，合成为1条光束，沿离子源模拟实验装置的轴线入射到离子源内，将可实现元素的选择性电离。它可实现元素周期表内约1/2元素的电离。激光电离系统投入使用将进一步提高靶源系统的效率与可靠性。

1.2 强流氘离子加速器设计

图3 强流氘离子加速器Fig.3 High intensity deuteron accelerator

强流氘离子加速器可将10 mA的CW氘离子束加速到40 MeV。400 kW的氘离子束被输运到靶站，轰击液态锂靶产生强中子束，强中子束可进一步轰击碳化铀靶产生放射性核束，或直接用于对核能材料进行辐照(图3)。强流氘离子加速器包括ECR离子源、RFQ加速器、超导HWR加速器、束流输运线，以及相应的射频、低温、磁铁、电源、真空、水冷、束流诊断、控制、辐射监测与防护等系统。RFQ和超导HWR加速器的工作频率为162.5 MHz，RFQ加速器将氘离子束加速到3 MeV，超导HWR加速器进一步将氘离子束加速到40 MeV。超导HWR加速器由14个β=0.09的HWR超导腔体和18个β=0.15的HWR超导腔体组成，分组安装在5个超导加速单元液氦恒温器内。为提高氘离子束的使用效率、保障靶站工作安全，需在高能束流输运线中对轰击液锂靶表面的氘离子束进行整形与均匀化，要求靶上束斑为扁矩形束，束斑内束流密度的不均匀性小于25%。

在线同位素分离器将靶-离子源系统产生的放射性核束，由质量分析器进行质量分离选出需要的放射性核束，并将一价放射性核束离子增殖到质荷比为6～7的多电荷离子，从中选出电荷态相近的2～3个电荷态离子传输到实验终端或注入到后端加速器进一步加速。ISOL系统包括低能束流聚焦传输系统、四极射频束流冷却器(RFQ COOLER)、高质量分辨率系统、电荷增殖器、消色散系统、束流监测诊断系统、真空系统、控制系统、废气收集排放系统以及辐射屏蔽、防护、监测及安全系统等。低能束流聚焦传输系统将反应堆和加速器靶源产生的放射性核束传输到重离子加速器或低能实验终端。RFQ COOLER冷却低能放射性核束，降低其能散度及发射度；高质量分辨率系统质量分辨率为10 000，筛选出物理实验所要求的核束。

1.3 高功率靶站与核能材料辐照装置

高功率靶站(包括辅助设施)是构成北京ISOL的主要设施之一。该设施主要用于将加速器加速的能量为40 MeV、流强为10 mA的D离子束，以5°的入射角度入射到液态锂靶，通过D-Li核反应生成具有角分布的中子场，从而为材料辐照及放射性核素生成提供中子。

从中子的产生机制来看，为实现强流离子束向中子束流的转换，需在离子加速器束流末端设置中子转化靶。由于实验中需较高的中子通量，这就要求中子转换靶能经受高功率束流的轰击，这对靶的抗负载能力提出了极高的要求。与旋转固态靶相比，液态锂靶可承受更高的功率，是今后更强的中子源所用转换靶的发展方向。北京ISOL中的高功率靶站(包括高流速下获取稳定的液锂自由液面、液锂循环回路、辐射环境下的状态监控与远程操控维护技术及辐照单元等)拟采用液态锂作为无窗靶的靶材，由于液态锂具有良好的中子学性能、抗辐照性能和传热性能，是目前中子液态靶材的主要候选材料。当前设计的束流功率是400 kW，与强流氘加速器等装置相配合，快中子产额可达(1～5)×1014cm-2·s-1，相应地在辐照单元处约15 cm3的体积内达到10～20 dpa/fpy。

1.4 放射性核束后加速器设计

后加速器将反应堆或强流氘离子加速器产生的初级放射性核束加速至150 MeV/u后，打靶产生次级极端丰中子核束进行核物理前沿科学研究。后加速器包括RFQ加速器、超导加速器、束流输运线以及配套的低温、高频、真空、控制等系统，可加速质荷比不大于7的束流。RFQ加速器的工作频率为81.25 MHz[20]，束流输入能量3 keV/u，输出能量300 keV/u；超导加速器采用了工作频率为81.25 MHz的QWR纯铌超导腔和工作频率为325 MHz的HWR纯铌超导腔(β分别为0.04、0.09、0.29和0.53)共276个，将束流从300 keV/u加速至150 MeV/u。后加速同时加速含有多种电荷态的束流，提高初级束的利用率。

1.5 分离能区实验站(SEE)初步设计

北京ISOL可在A=90和A=140两个区域产生世界最强的百余种极丰中子核素，对这两个质量区原子核的特性开展精确和细致的研究，对核天体物理r-过程、中子壳层演化、中子滴线区核结构研究等领域具有极其重要的意义。利用北京ISOL的束流优势，计划开展衰变特性、质量和共线激光谱的研究。用于衰变研究的探测设备能对β衰变出射的各种粒子进行符合测量。该探测设备结构紧凑，对不同粒子有高的探测效率。用于精确质量测量的彭宁阱装置将以短寿命弱流强的极丰中子放射性核素为目标。一方面将采用最新发展的高电荷态技术，降低测量寿命下限。另一方面发展FT-ICR技术，实现对极弱束流放射性核素的质量测量。用于共线激光谱研究的共线共振电离激光谱装置研制具有目前国际上最先进的高分辨率和高效率，可实现对78Ni附近核素基态性质的直接测量，提供具有国际影响的突破性实验结果。

1.6 低能区实验站(LEE)初步设计

低能实验区提供高品质的丰中子裂变核束和强流稳定核束，最大能量18 MeV/u，主要开展天体核反应、超重核合成机制、丰中子核和奇特核结构与反应等研究。现有4个实验终端：1) 大接收度磁谱仪终端，配备两个大型磁谱仪，组成双臂结构，可工作于充气模式，主要开展多核子转移、超重核合成等反应机制研究，与γ探测器阵列结合，可开展极丰中子核结构的研究；2) 通用实验终端，配备直径2 m的通用大靶室、双臂重离子飞行时间谱仪和静电偏转板，主要开展弹性与准弹性、转移、熔合和裂变等反应机制的研究；3) 核天体实验终端，配备由超导螺线管和反冲质量分离器组成的谱仪，适用于逆运动学实验，如r-过程相关的d(132Sn,133Sn)p反应测量；4) 在束核谱学终端，配备由HPGe、CLOVER和LaBr3等组成的γ探测器阵列，配合带电粒子和中子探测器阵列，开展丰中子核结构研究，如壳演化、形状共存、软模巨共振等。

1.7 次级束流线及中能区实验站(IEE)初步设计

次级束流线和零度谱仪主要用于利用初级束打靶产生远离稳定线的极丰中子放射性束流，对产生的极丰中子放射性束流进行分离和鉴别，也可输送到通用终端进行其他相关的核物理实验研究。次级束流线和零度谱仪包括PF靶站、束流垃圾桶、常温二极磁铁、超导三单元四极磁铁，以及相应的管道、电源、真空、水冷、束流诊断、辐射监测与防护等系统。常温二极磁铁可达7 Tm的磁钢度。超导三单元四极磁铁采用液氦回路制冷，极头磁场可达2.4 T，磁场梯度可达15 T/m以上。次级束流线采用大立体角和动量接收度的设计，有效提高了束流线的传输效率，同时具有6%的动量接收度，能覆盖更大范围的次级粒子动量分布宽度。零度谱仪具有大接收度、高分辨率、分离谱仪模式3种运行模式，这些工作模式能满足放射性离子束强度低、纯度差和束斑大的粒子鉴别与传输的要求，开展多种方式的核物理实验。

北京ISOL的物理布局示于图4。

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

2 总结与展望

北京ISOL项目由中国原子能科学研究院和北京大学联合提出，拟在中国原子能科学研究院中国先进研究堆南侧进行建设。中国原子能科学研究院和北京大学在核物理、加速器物理与技术、核技术应用以及相应的科学装置建设方面拥有高水平的人才队伍、技术基础和工程建设管理经验，本装置所涉及的关键技术在我国已具有相当的技术积累，同时装置建设所需场地已预留、配套设施齐全。因此，中国原子能科学研究院和北京大学完全有能力完成本项目的建设。

北京ISOL建成后，将形成向国内外全面开放的世界级大型核科学平台，吸引国内外最优秀的团队前来开展基础前沿和重大应用研究，形成强大的用户群体，有效提升我国的科技实力和国际竞争力，并为保障国家的能源安全做出贡献。