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天然放射现象一、教学目标学习目标：1、了解放射性、放射性元素，并α、β、γ射线的本质及其特性，能正确书写它们的符号；2、知道几个放射性元素的衰变的情况，能正确根据电荷数和质量数守恒的规律写出衰变方程；3、知道半衰期的意义。
能力训练目标：1、能正确写出几种常见的粒子及原子的符号，并能够依据实际情况写出放射性元素的衰变方程；2、能够通过阅读、讨论、列表、对比等方式进行自学和总结。
德育教育目标：1、通过介绍相关史料，使学生认识到科学的发现与科学家良好的实验素养和严谨的科学态度间有密切的关系，同时也使学生体会到科学家的献身精神和爱国主义情怀，从而在学习的同时思想品德教育；2、通过介绍放射线的科普知识，引导学生认识到任何一种科学知识都有其两面性，如何扬长避短是所有有良知的科学工作者的重任，培养学生的社会责任感。
3、通过揭示本课的线索，由宏观现象（天然放射现象）的发现得出微观粒子（原子核）具有复杂的内部结构的结论，引导学生体会自然界的和谐统一美，激发学生的探索自然界的奥秘的兴趣。
二、教学重点：天然放射现象的规律，用电场的磁场探测放射线的特性和发现天然放射现象的历史意义。
三、教学难点：用电场和磁场的知识分析天然放射线的实质以及对发现天然放射现象的历史意义的真正理解。
四、教材、学情分析：本节教材内容较多，篇幅较长，阅读量大。
知识点比较抽象，而且能和前面的知识（力学和电学知识）有机结合，对我校学生而言，难度很大。
为突破教学难点，在教学过程中，采用计算机辅助教学，设计射线在电场和磁场中偏转并分开的动画，为学生理解该知识点提供感性材料，帮助学生掌握本节知识。
针对学生对此部分知识平时很少接触，非常陌生的实际情况，在课前将和放射现象有关的资料（《坏天气带来的好运》，《居里夫妇的故事》等）发给学生，通过对资料的阅读，不仅使学生对这部分内容有初步的了解，也进行科学道德与唯物史观的教育。
五、教具准备：多媒体教学器材（电脑、投影仪）、教学挂图、印刷资料六、教学过程：放射性元素的衰变（一）阅读教材，思考：1、什么是原子核的衰变？2、如何书写核的符号？3、原子核的衰变遵守哪些规律？原子核的衰变过程，可用核衰变方程来表示。
第32卷第1期原子能科学技术V o l.32,N o.1 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14k W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 TL50314在线同位素分离器(ISOL)是北京放射性核束装置(BRNB F)[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BRNB F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2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。
01/21ln 2tN N e T λτλλ-===活度：A=λ∙N [Bq]or[Ci] N=m ∙N A /M 连续衰变：N1→N2→N312121,021=()-t t N N e e λλλλλ---非平衡：λ1>λ2暂时平衡：λ1<λ2，A 2/A 1=λ2/(λ2-λ1)22111ln mt λλλλ=- 长期平衡：λ1≪λ2，A 2 = A 1粒子注量 ϕ=dN/da （小球体截面积）=∆L/∆V 粒子注量率 φ=d ϕ/dt=d 2N/(da ∙dt) [m -2∙s -1]能量注量 Ψ=dE n /da [J ∙m -2] 能量注量率 ψ=dΨ/dt [J ∙m -2∙s -1] 0d E E dEdE ∞Φψ=Φ⋅ψ=⋅⎰0()()d E d E dE E dE dEdE∞∞ΦΦΦ=ψ=⋅⎰⎰第三章 辐射与物质的相互作用1. 线碰撞阻止本领：（）col dE dEdl dx=质量碰撞阻止本领：11（）col dE dEdl dxρρ=各类粒子的碰撞阻止本领分析：PPT-P9 电子能量转变为轫致辐射的份额 β射线厚靶：f β=×10-4ZE m(Z 吸收介质的原子序数，E m 为β粒子最大能量[MeV])电子束厚靶：f e =×10-4ZE总质量阻止本领：1()()()()colrad S dE SS S dlρρρρρ==+ rad / col ≈ ZE/800射程（1）α~空气~E<4MeV: R=; α~空气~4<E<8MeV: R= α~其他介质：R m =3R(R m 介质射程[mg/cm 2]，R 空气射程cm) 介质厚度 T= R m /ρ（2）电子和β射线（铝） ~：R= [mg/cm 2]>：R=530E-106 [mg/cm 2]比电离（单位径迹长度上产生的离子对数）：S p,i =(dE/dl)col /W [ip/cm]; S average =E/(WR) 传能线密度（能量的就地沉积）L ∆=(dE/dl)∆2. X 、γ射线的衰减（I/I 0=e -μt）(1) 光电效应线衰减系数：=n ττσ [cm -1]光电效应截面：57/2(1)Z h τσυ∝ [cm 2]原子密度：/A A n N M ρ= [cm -3](2) 康普顿效应 PPT-P53 (3) 电子对效应 PPT-P62线衰减系数：μ=τ(光电)+σc (康普顿)+σcoh (相干散射)+κ(电子对)线能量转移系数： 212(1)(1)tr a a ac E mc cmh h h ττσκδτσκυυυ-=++=-++- 质能吸收系数：μen /ρ=μtr (1-g)/ρ (g 为次级电子轫致辐射损失的能量份额) 混合物/化合物：()i i iμρμρω=∑ (ωi 为元素i 的重量百分比)3. 中子与物质相互作用 (PPT-P83)非弹性散射阈能：E tr =E r (M N +M n )/M N(E r 靶核第一激发能，M N 、M n 反冲核靶核质量) 中子能量转移系数：,,()()L L J n L J n L J tr nN E E E εσμρρ⋅⋅=⋅∑∑第四章 辐射防护的相关量与系数剂量学的量=辐射场的量×相互作用系数 1. 基本量比释动能K 是不带电粒子在单位质量物质中向次级带电粒子转移的能量。
第一章1.1 若卢瑟福散射用的α粒子是放射性物质镭'C 放射的，其动能为67.6810⨯电子伏特。
散射物质是原子序数79Z =的金箔。
试问散射角150οθ=所对应的瞄准距离b 多大？解：根据卢瑟福散射公式：20222442K Mv ctgb b Ze Zeαθπεπε==得到：2192150152212619079(1.6010) 3.97104(48.8510)(7.681010)Ze ctg ctg b K οθαπεπ---⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯⨯米式中212K Mvα=是α粒子的功能。
1.3 钋放射的一种α粒子的速度为71.59710⨯米/秒，正面垂直入射于厚度为710-米、密度为41.93210⨯3/公斤米的金箔。
试求所有散射在90οθ>的α粒子占全部入射粒子数的百分比。
已知金的原子量为197。
解：散射角在d θθθ+之间的α粒子数dn 与入射到箔上的总粒子数n 的比是：dnNtd nσ=其中单位体积中的金原子数：0//Au Au N m N A ρρ==而散射角大于090的粒子数为：2'dndn nNt d ππσ=⎰=⎰所以有：2'dn Nt d nππσ=⎰22218002903cos122()()4sin 2AuN Ze t d A Mu οοθρπθθπε=⋅⋅⎰ 等式右边的积分：180180909033cos sin 2221sin sin 22d I d οοοοθθθθθ=⎰=⎰=故'22202012()()4Au N dn Ze t n A Muρππε=⋅⋅ 648.5108.510--≈⨯=⨯即速度为71.59710/⨯米秒的α粒子在金箔上散射，散射角大于90ο以上的粒子数大约是4008.510-⨯。
1.4能量为3.5兆电子伏特的细α粒子束射到单位面积上质量为22/1005.1米公斤-⨯的银箔上，α粒子与银箔表面成ο60角。
在离L=0.12米处放一窗口面积为25100.6米-⨯的计数器。
第32卷第5期原子能科学技术V o l.32,N o.5 1998年9月A tom ic Energy Science and T echno logy Sep.1998放射性核束的产生秦久昌 崔心 姜永良 游曲波 陈 泉许谨诚 白希祥 杨丙凡 苏胜勇 柴世琴(中国原子能科学研究院,北京,102413)为适应国际核物理学的发展,开展放射性核束物理这一世界前沿工作,对放射性核束的产生和加速方面的多项工作进行了研究。
文章简要介绍相关的离子源和加速器工程技术问题。
关键词 放射性核束 在线 离线 离子源中图法分类号 TL50313 TL503192放射性核束物理是核物理研究前沿领域之一,它要求产生和加速放射性离子。
产生放射性核束有两种方法:在线法和离线法。
在线法是指利用加速器加速的离子轰击反应靶,在线产生放射性核素和离子,并加速。
在线法又分二大类,即弹核碎裂法(PF法)和在线同位素分离法(ISOL法)。
离线法是利用反应堆辐照(或其它方法)产生感兴趣的放射性核素,置入离子源中产生放射性离子,再注入加速器中加速。
1 次级放射性束流线的研制1993年在H I213串列加速器上成功地建成了国内第一条放射性次级束流线(G I RA FFE)。
选用H I213串列加速器提供的低能重离子打H或D靶,通过逆几何反应产生感兴趣的放射性离子。
H I213串列加速器的开关磁铁后有11条束流线,G I RA FFE是在左50°(L50°)束流线上建成的。
它由初级反应靶室,二级磁铁、磁四级透镜,缝隙仪、光阑及次级反应靶室等组成。
在次级放射性束流线上先后获得11C、17F、7B e、13N、6H e放射性核束。
为了提高放射性核束纯度,次级束流线相对入射束整体移动了3°。
移动后,次级束的纯度有了明显提高。
已获次级放射性核束性能列于表1。
秦久昌:男,58岁,加速器专业,研究员收稿日期:1998202210 收到修改稿日期:1998203205表1 次级放射性核束性能Table 1 Perfor mance of rad ioactive nuclear beam放射性核束反应能量 M eV 纯度 %转换率 s -1・ΛA -16H e2H (7L i ,6Be )3H e 351343314×10-87Be1H (7L i ,7B )n 231092211×10-711C1H (11B ,11C )n 381285618×10-813N 2H (12C ,13N )n 65176610×10-817F 2H (16O ,17F )n 7419418616×10-72 放射性核束实验研究装置的初步设计“北京放射性核束装置”由回旋加速器(70M eV 、200ΛA H +),放射性核束产生系统(ISOL ),串列加速器和超导直线加速器(17M eV 电荷)组成。
三、 拟解决的关键科学问题和主要研究内容在通常的稳定原子核中，质子和中子有对称相处的趋势(同位旋对称)，由此形成β稳定线。
远离β稳定线，则是指原子核的中子-质子数之比发生很大变化，或者说同位旋远离对称值。
此时系统的单核子束缚能减小（接近连续态），容易发生放射性衰变。
理论估计这种放射性的核可以达到约8000个，比传统核物理研究的对象（约300个）要多得多，它们可以在实验室或者天体核过程中大量产生。
初期的实验和理论研究表明，在远离稳定线区域，由于量子多体关联和与连续态的耦合，核的基本结构和反应过程可以发生引人注目的变化，如晕结构、集团结构、新幻数、软巨共振、多反应道耦合和多步反应过程等等。
这些变化通常是量子化和跳跃式的，往往被少数价核子的特殊关联性质所决定。
特别值得注意的是轻核区和新的幻数附近区域（包括超重核区），若干价核子的耦合效应更加突出。
这些变化会引发核反应概率反常地增强或减弱，从而改变人们对诸如能量释放和核素变迁过程的传统认识，产生难以估量的新的应用和对天体过程等的新的解释。
实验室研究远离稳定线核物理需要首先通过加速器和初级反应产生非稳定核组成的次级束流，所以又称为放射性核束物理（也称非稳定核物理、弱束缚核物理、奇特核物理等等）。
目前已经实现的放射性束流装置还只能达到部分非稳定核区域，并且束流强度普遍较弱（比稳定核束小几个数量级）。
随着粒子束流技术和探测技术的发展，还会不断观察到新现象和新例证。
因此，放射性核束物理还是正在起步的总体上待开发的广阔领域，它的核心问题就是非稳定核的结构和反应特性。
放射性核束物理必然直接影响到人们已经追求了几十年的超重元素的合成、鉴别和应用。
元素是自然界的最基本资源，超重元素的合成关系到一系列重大的基本科学和应用问题。
自二十世纪60年代中期理论预言了在Z=114、N=184附近存在超重核素稳定岛以来，欧洲和美国的一些著名实验室一直以巨大的热情进行超重元素合成的探索，不断取得进展。
物理实验技术中的核物理实验方法介绍概述：在物理学领域中，核物理实验是研究原子核结构、核反应、放射性衰变等核现象的重要手段。
核物理实验方法包括核反应实验、核粒子散射实验以及测量和探测技术等方面。
本文将介绍核物理实验中常用的一些实验方法和实验技术。
一、核反应实验方法核反应实验是通过激发或引发核反应，观察反应产物来研究核结构和核反应规律的实验方法之一。
常用的核反应实验方法包括静电加速器实验和中子束实验。
1. 静电加速器实验静电加速器是一种利用静电力加速离子的装置，在核物理实验中得到广泛应用。
加速器能够产生高速离子束，使它们撞击靶物质，从而引发核反应。
通过测量反应产物的性质和产生的辐射，可以研究原子核的结构和核反应规律。
2. 中子束实验中子束实验是将高能中子轰击靶物质，产生核反应，进而研究原子核的性质和反应规律的实验方法。
通常采用加速中子束的方法，如使用线性加速器或核反应堆来产生高能中子。
中子束实验广泛应用于核能领域、核材料研究以及核物理基础研究中。
二、核粒子散射实验方法核粒子散射实验是利用核粒子在靶核上的散射现象来研究原子核结构和核力的实验方法，主要包括α粒子散射和中子散射。
1. α粒子散射实验α粒子散射实验是通过将高能的α粒子轰击靶核，观察散射的角度和能量分布来研究核结构的实验方法。
通过测量散射角度和散射截面等信息，可以推断出靶核的结构和特性。
2. 中子散射实验中子散射实验是将高能中子轰击靶核，观察中子的散射行为来研究核结构和核力的实验方法。
中子对靶核的散射性质能够提供关于核结构和核力的重要信息，因此中子散射实验在核物理研究中有着重要的地位。
三、测量和探测技术在核物理实验中，精确测量和有效探测技术是非常重要的。
常用的测量和探测技术包括能量测量、时间测量、角度测量和谱仪探测等。
1. 能量测量能量测量是核物理实验中常用的技术手段之一，通过测量粒子的能量变化，可以推断出粒子所处的状态和反应过程中的能量变化，从而研究核结构和核反应规律。
第32卷第1期原子能科学技术V o l.32,N o.1 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14k W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 TL50314在线同位素分离器(ISOL)是北京放射性核束装置(BRNB F)[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BRNB F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2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。
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[2],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:1997201224 收到修改稿日期:1997204202图1 放射性核素离子束的产生示意图F ig .1 P rocess of generating radi oactive i on beamq 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(kT )](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F renkel 方程表示为滞留时间t :t =t 0 exp [Q (kT )](3)其中:Q 为吸热量,t 0为材料常数(约10-13s )。
从式(2)、(3)可以看到,为了提高放射性核素的扩散速度,减少放射性核素在靶表面的吸附时间,都要求提高靶的工作温度,从而降低短寿命核素在传输过程中的衰变损失。
如果靶的温度过高,靶材料则被融化或烧结,阻碍放射性核素的扩散,同时还会引起靶2源系统真空度下降,影响离子源的电离效率。
因此,根据靶材料的蒸气压特性和离子源真空度的要求(一般小于10-2Pa ),靶的温度通常控制在1300—2000℃。
2 靶材料选择选择的靶物质必须能与初级束粒子发生核反应,产生所需的放射性核素,并且应具有较大的反应截面和较高的产生效率,其次,靶材料应耐高温,具备低蒸气压特性。
核反应产生的放射性核素本身应具有高蒸气压、易扩散,而且不能与靶材料发生化学反应生成难挥发物质。
由于,与靶物质反应后产生的放射性核和靶核一般只差一两个质量单位,在这种情况下要求它们的物理性质完全不同,这给靶材料的选择带来了难度。
有许多物质符合上述要求,可作为靶的材料,如:C 、B 、C r 、H f 、Ir 、M o 、N b 、O s 、R e 、R u 、T a 、V 、W 、Zr 等,一些金属硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硫化物等,许多金属铝酸盐、硅酸盐、钛酸盐,某些金属合成材料如H f 3Si 2、L i A l 2、Zr 5Ge 3、Zr 5Si 3和一些更复杂的化合物等[3]。
选择靶的尺寸和形态同样重要,理想条件下的靶物质应呈微细的粉状、很薄的薄片状或极细的纤维状,这些材料结构都具有较好的渗透性,有利于放射性核素的迅速扩散。
选择疏松结构的靶材,材料的有效导热系数非常小,靶本身的散热问题就更为突出。
由于初级束流打到靶中后,绝大部分的能量将转换成热能形式沉积下来,需要在靶上合理安排散热系统。
为保持靶在强流辐照条件下的结构完整性,既要把靶控制在一定的高温,又要使靶具有比较均匀的温度分布。
3 靶的散热结构靶温一般在1300—2000℃,因为靶处于真空中,主要散热方式为热传导和热辐射。
通常的设计是在靶的底部加水冷衬板冷却,当束功率较大时,适当扩大靶面积来增强散热。
北京放射性核束装置计划中,前级回旋加速器提供的70M eV 质子束流强高达200ΛA ,约有14k W 的束流功率将以热的形式沉积在靶中。
对于如此强的束流功率,不能采用通常的靶结构。
计算表明:当靶的厚度较大时,单纯依靠扩大靶的面积并不能使靶内部的温度降到允许数值。
为此,设93第1期 张 焱等:产生放射性核束的厚靶的物理设计计了1种特殊的靶结构(图2),束流入射的表面为狭长形,两个侧面均可安装水冷板,有利于热量的导出。
图2 靶衬和散热结构示意图F ig .2 T arget and its heat remo ral system 因为靶材料结构疏松,导热性能很差,应将靶材料构成的区域x 方向做得很薄(约1c m ),两侧及底部石墨层厚度为115c m ,石墨层一方面把靶内高温与水冷板隔开,另一方面也把热能传导出来。
石墨具有耐高温、导热系数适中、产生的放射性较小等特性,因此,可作为束流阻挡层和隔热材料。
水冷板置于靶外侧的两边和阻挡靶的后面,进行水冷散热。
靶的前面接受初级束辐照,安装5Λm 厚的R e 金属膜,减少放射性核素的泄漏,通过热辐射散热;靶的上下两图3 70M eV 质子束在靶和阻挡层中的能量损失曲线F ig .3 Energy lo ss cu rve of 70M eV p ro ton beam in the target面不加水冷板,也通过热辐射散热,这样可使靶内温度的分布更为均匀。
靶材料z 向的厚度是根据初级束流的能量沉积情况来选择的,应使初级束的能量尽可能被用来产生放射性核素,而当束流能量降低到库仑位垒以下不再发生核反应时,立即打到石墨阻挡层上,有利于热能的传导。
靶的y 向宽度约为6c m ,束流在这个区间的分布应尽可能均匀,采用散宽束包络或利用扫描方法均能做到这一点。
4 温度分布计算利用TR I M 程序计算了能量为70M eV 的质子束在靶材料和阻挡层中的能量损失情况,采用CBCF 碳纤维靶时质子束能量损失曲线示于图3,靶前面是5Λm 厚的R e 金属膜,CBCF 碳纤维靶的厚度为50mm ,后面是15mm 厚的石墨阻挡层。
把束流在靶中的能量损失作为有限元三维温度场计算程序AD I NA T 的热量输入数据,04原子能科学技术 第32卷计算靶的三维温度分布,由于对称性,只计算整个靶的四分之一。
通过多种不同靶结构参数的计算,获得了比较满意的结果。
入射质子束功率为16、14、12和10k W 时沿x 、y 和z 轴的靶温度分布情况示于图4。
从图中可以看到,靶在z 轴上的温度分布呈两端略低,靠近底部一定距离处的温度最高,这是由于束流在靶前部的能量沉积较小,因而靶前端温度较低(热辐射起很小作用),虽然在靶后部的能量沉积很大,但因距离水冷板近,所以温度也不高。
x 轴的温度分布说明,靶从中心到两侧有一定的温度梯度,这是传导散热的结果。
14k W 束功率时,靶在z 2x 和z 2y 平面上的温度分布示于图5,其中靶中最高温度约2000℃,说明此厚靶能承受束流总功率为14k W 的质子束,达到了设计要求。
图4 靶在几种束功率下的温度分布F ig .4 T arget temperatu re distribu ti on at differen t beam pow era ——沿x 轴的温度分布;b ——沿y 轴的温度分布;c ——沿z 轴的温度分布;○——16k W ;●——14k W ;∃——12k W ;×——10k W图5 14k W 束功率时的靶温度分布F ig .5 T arget temperatu re distribu ti on at 14k W beam pow era ——z 2x 平面上的温度分布;b ——z 2y 平面上的温度分布5 结论通过对靶材料的慎重选择和设计特殊的靶结构,得到了北京放射性核束装置计划中用来14第1期 张 焱等:产生放射性核束的厚靶的物理设计24原子能科学技术 第32卷产生放射性核束的厚靶的物理设计方案,利用温度场计算软件,获得了满意的靶温分布。
这个厚靶可以充分地利用前级加速器提供的强流离子束,最高束流功率可达14k W,靶温能够控制在1300—2000℃,从而使产生的放射性核素迅速扩散出来并被离子源电离和引出,减少短寿命核素的衰变损失,最大限度地提高放射性束的流强。
参 考 文 献1 北京放射性核束装置建议书.北京:中国原子能科学研究院资料.1994.2 A lton GD.T argets and I on Sou rces fo r R I B Generati on at the Ho lifield R adi oactive I on Beam Facility.O ak R idge N ati onal L abo rato ry.1991.3 A lton GD.A P ropo sal fo r Physics w ith Exo tic Beam s at the Ho lifield H eavy I on R esearch Facility.O ak R idge N ati onal L abo rato ry.1991.CONCEPT D ESIGN OF A TH I CK TARGETFOR GENERAT ING RAD I OACT IVE I ON BEAMZhang Yan J iang W eisheng Guan X ialing(Ch ina Institu te of A to m ic E nergy,B eij ing,102413)AB STRA CTConcep t2design p rocedu re of a th ick target u sed to generate radi oactive i on beam(R I B) is in troduced,several requ irem en ts to the target m aterial are p resen ted and som e candidate m aterials are listed too.A grap h ite target m atrix and its w ater2coo ling heat2sink system are designed and the th ree di m en si onal tem p eratu re distribu ti on s of the target are calcu lated.T he resu lt show s that the target can bear the h it of p ro ton beam at pow er of14k W and the tem2 p eratu re can be con tro lled w ith in the range of1300—2000℃in acco rdance w ith differen t de2 m ands.Key words R adi oactive i on beam T h ick target H eat2sink system。
