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　第 32 卷第 1 期 原 子 能 科 学 技 术 . 32, . 1 V o l N o 　1998 年 1 月 A tom ic Energy Science and T echno logy Jan. 1998 产生放射性核束的厚靶的物理设计 张　焱　蒋渭生　关遐令 ( 中国原子能科学研究院核物理研究所, 北京, 102413) 介绍用来产生放射性核束的厚靶的物理设计过程, 提出对靶材料特性和温度条件的严格要 求, 列举了几种候选靶材, 设计了 1 个石墨靶衬并合理安排靶的水冷散热结构, 计算了厚靶的三维 温度分布情况。计算结果表明: 此厚靶完全能够承受最高达 14 kW 的质子束入射束流功率, 靶的温 度可以根据不同要求控制在 1300—2000 ℃。 关键词　放射性核束　厚靶　散热结构 中图法分类号　TL 5034 在线同位素分离器( ISOL ) 是北京放射性核束装置(BRNBF ) [ 1 ] 计划的主要设备之一, 产 生放射性核素的厚靶为技术关键, 它涉及初级强流离子束与靶物质的核反应, 放射性核素的产 生、扩散和引出, 这些因素决定了放射性核束的产生效率及总强度, 设计中须重点考虑。为了提 高放射性核素的扩散速度, 减少短寿命核素的衰变损失, 靶的温度应尽可能高, 但是, 过高的温 度将带来一系列的问题, 因此, 靶温一般应控制在 1300—2000 ℃。厚靶技术对靶材料的物理、 化学性质, 靶物质的尺寸和形态, 以及靶结构和散热系统设计等方面都提出了严格要求。特别 是BRNBF 计划中的初级束功率很大, 很难控制靶温。针对上述条件应进行厚靶结构的物理设 计。 1　产生放射性核束的流程 在线同位素分离器的靶源系统产生放射性核素离子束的基本流程是: 前级加速器提供初 ( ) 级强流离子束 如质子、氘核等 轰击特殊材料制成的厚靶, 初级束与靶原子发生核反应, 生成 放射性核素的中性原子, 这些原子扩散到靶表面, 从表面释放并通过蒸气管道进入离子源电离 ( ) 室, 通过电离和加速引出放射性核素的离子束 图 1 。厚靶产生放射性核素过程中的损失, 除 各种泄漏外, 主要是短寿命核素在传输过程中的衰变损失, 其中最重要的过程包括从核素生成 地点扩散到靶表面和各表面对核素的吸附滞留。 [ 2 ] 放射性核素的中性原子在固体靶物质中形成后, 将产生扩散运动以达到浓度平衡 , 流量 张　焱: 男, 32 岁, 加速器物理专业, 硕士, 助理研究员 收稿日期:收到修改稿日期: 第 1 期　张　焱等: 产生放射性核束的厚靶的物理设计 39 q 用 F ick 第一方程给出为: q = - D n ( 1) 其中: n 为放射性核素原子浓度的梯度, D 为靶材料扩散系数。 ( ) ( ) D = D 0 exp [- H A k T ] 2 其中:D 0 为材料固有扩散系数, k 为玻耳兹 曼常数, T 为绝对温度, H A 为激发能。 物体表面对粒子的吸附作用通过 图 1　放射性核素离子束的产生示意图 方程表示为滞留时间 : F ig. 1　P rocess of generating radioactive ion beam F renkel t