近代物理所在超導離子源高電荷態鈾離子束流強度研究中獲進展

2020-11-23 中國科學院

近代物理所在超導離子源高電荷態鈾離子束流強度研究中獲進展

2019-09-11 近代物理研究所

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　　核物理是通過原子核反應研究物質核微觀層次上的基本結構和相互作用，重要核反應的截面一般都非常低，要提高核反應事件率使重離子核物理獲得突破性發現，關鍵瓶頸之一是如何提高加速器的重離子束流強度，提高重離子束流強度的關鍵是高電荷態離子源。中國科學院近代物理研究所離子源研究組近日在超導高電荷態離子源上產生了一系列高電荷態鈾離子束流強度世界新紀錄，為近代物理所已開工建設的國家「十二五」重大科技基礎設施「強流重離子加速器裝置HIAF」提供強流高電荷態極重離子束奠定了基礎。

　　超導ECR（電子迴旋共振）離子源是產生強流高電荷態離子束的磁約束等離子體裝置，蘭州重離子加速器研究裝置所需的高電荷態重離子束主要由超導ECR離子源提供。近代物理所離子源研究組利用超導磁約束結構、磁場新構型和微波饋入新方法，解決了高電荷態等離子體約束和電子碰撞電離產生並引出高電荷態離子束的問題，自主設計研製的超導ECR離子源是目前國際上性能最好的高電荷態離子源之一（如圖1所示）。絕大部分高電荷態重離子束流強度的世界紀錄都是由近代物理所的超導ECR離子源產生或保持，只有高電荷態鈾離子束的束流強度由於材料性能等原因稍遜於美國勞倫斯伯克利國家實驗室的超導ECR離子源。該研究組通過數年的深入研究，自主研製成功高穩定性感應加熱高溫蒸發爐，可以在4特斯拉強磁場和超過2000度高溫的條件下長期穩定工作，從而解決了鈾蒸汽穩定供應問題。該研究組近期在國際上首次把Vlasov型微波輻射器應用於超導ECR離子源，改善了加熱ECR等離子體的微波功率分布，提高了微波加熱ECR等離子體的效率，形成了利於高電荷態離子產生的熱電子能量和密度分布，在相同微波功率下把產生的高電荷態離子束流強度提高了13%-30%。近日該研究組在超導ECR離子源上利用24GHz和18GHz雙頻微波加熱的方法以及感應加熱高溫蒸發爐，首次產生了238U33+ 450 微安、238U42+ 60 微安、238U46+ 26微安和238U54+ 2.6微安等高電荷態鈾離子束（鈾離子多電荷態譜如圖2所示），這是高電荷態鈾離子束流強度最新世界紀錄。

　　以上研究成果在9月1日至6日由近代物理所主辦在蘭州召開的第十八屆國際離子源會議（18th International Conference on Ion Sources ICIS'19）上，以兩個大會邀請報告和一個會議口頭報告的形式進行了詳細報告與交流，受到了國際同行的廣泛關注和好評，來自日本理化學研究所（RIKEN）的T. Nakagawa博士在其大會的總結報告（Conclusion Remarks）中將上述研究成果作為大會亮點進行評述。該研究組博士郭俊偉因在微波匹配和新饋入模式研究方面的進展，經過會議國際評獎委員會評選，獲得本次會議唯一的最佳口頭報告即「青年科學家獎」（Young Scientist Award）。

　　本次國際離子源會議在蘭州成功召開，來自全世界60多家科研機構和高校的200餘名專家學者齊聚一堂，交流探討離子源物理、技術、應用及其相關領域的發展現狀與趨勢，會議情況及報告詳見（https://icis2019.impcas.ac.cn/event/1/）。該系列國際會議始於1969年，每兩年一次（70-80年代曾停辦幾屆），是國際上規模最大的以離子源為主題的國際學術會議。上一屆會議2017年由歐洲核子中心（CERN）在瑞士日內瓦主辦，下一屆會議將於2021年由加拿大的TRIUMF實驗室主辦。

　　該研究工作得到中科院大科學裝置維修改造項目、國家基金委和國家重點基礎研究發展計劃等資助。

 

圖1：超導ECR離子源SECRAL II 

 

圖2：優化420 eμA 238U33+ 時的多電荷態譜圖和測量的水平方向束流發射度 


　　核物理是通過原子核反應研究物質核微觀層次上的基本結構和相互作用，重要核反應的截面一般都非常低，要提高核反應事件率使重離子核物理獲得突破性發現，關鍵瓶頸之一是如何提高加速器的重離子束流強度，提高重離子束流強度的關鍵是高電荷態離子源。中國科學院近代物理研究所離子源研究組近日在超導高電荷態離子源上產生了一系列高電荷態鈾離子束流強度世界新紀錄，為近代物理所已開工建設的國家「十二五」重大科技基礎設施「強流重離子加速器裝置HIAF」提供強流高電荷態極重離子束奠定了基礎。
　　超導ECR（電子迴旋共振）離子源是產生強流高電荷態離子束的磁約束等離子體裝置，蘭州重離子加速器研究裝置所需的高電荷態重離子束主要由超導ECR離子源提供。近代物理所離子源研究組利用超導磁約束結構、磁場新構型和微波饋入新方法，解決了高電荷態等離子體約束和電子碰撞電離產生並引出高電荷態離子束的問題，自主設計研製的超導ECR離子源是目前國際上性能最好的高電荷態離子源之一（如圖1所示）。絕大部分高電荷態重離子束流強度的世界紀錄都是由近代物理所的超導ECR離子源產生或保持，只有高電荷態鈾離子束的束流強度由於材料性能等原因稍遜於美國勞倫斯伯克利國家實驗室的超導ECR離子源。該研究組通過數年的深入研究，自主研製成功高穩定性感應加熱高溫蒸發爐，可以在4特斯拉強磁場和超過2000度高溫的條件下長期穩定工作，從而解決了鈾蒸汽穩定供應問題。該研究組近期在國際上首次把Vlasov型微波輻射器應用於超導ECR離子源，改善了加熱ECR等離子體的微波功率分布，提高了微波加熱ECR等離子體的效率，形成了利於高電荷態離子產生的熱電子能量和密度分布，在相同微波功率下把產生的高電荷態離子束流強度提高了13%-30%。近日該研究組在超導ECR離子源上利用24GHz和18GHz雙頻微波加熱的方法以及感應加熱高溫蒸發爐，首次產生了238U33+ 450 微安、238U42+ 60 微安、238U46+ 26微安和238U54+ 2.6微安等高電荷態鈾離子束（鈾離子多電荷態譜如圖2所示），這是高電荷態鈾離子束流強度最新世界紀錄。
　　以上研究成果在9月1日至6日由近代物理所主辦在蘭州召開的第十八屆國際離子源會議（18th International Conference on Ion Sources ICIS'19）上，以兩個大會邀請報告和一個會議口頭報告的形式進行了詳細報告與交流，受到了國際同行的廣泛關注和好評，來自日本理化學研究所（RIKEN）的T. Nakagawa博士在其大會的總結報告（Conclusion Remarks）中將上述研究成果作為大會亮點進行評述。該研究組博士郭俊偉因在微波匹配和新饋入模式研究方面的進展，經過會議國際評獎委員會評選，獲得本次會議唯一的最佳口頭報告即「青年科學家獎」（Young Scientist Award）。
　　本次國際離子源會議在蘭州成功召開，來自全世界60多家科研機構和高校的200餘名專家學者齊聚一堂，交流探討離子源物理、技術、應用及其相關領域的發展現狀與趨勢，會議情況及報告詳見（https://icis2019.impcas.ac.cn/event/1/）。該系列國際會議始於1969年，每兩年一次（70-80年代曾停辦幾屆），是國際上規模最大的以離子源為主題的國際學術會議。上一屆會議2017年由歐洲核子中心（CERN）在瑞士日內瓦主辦，下一屆會議將於2021年由加拿大的TRIUMF實驗室主辦。
　　該研究工作得到中科院大科學裝置維修改造項目、國家基金委和國家重點基礎研究發展計劃等資助。
　　 
　　圖1：超導ECR離子源SECRAL II 
　　 
　　圖2：優化420 eμA 238U33+ 時的多電荷態譜圖和測量的水平方向束流發射度 
　　

列印 責任編輯：葉瑞優

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