在線同位素分離器

什麼是同位素分離器？

同位素分離器是化學實驗與研究裝置，用於分析、研究元素的同位素組成。同位素分離(即是將某元素的一種或多種同位素與該元素的其他同位素分離或富集的過程)的必備儀器。同位素的發現依賴於同位素分離器的發明。同位素分離器主要用於化學實驗\核工業\化學工業\採礦\金屬製造以及醫療行業。1931年發現重氫后，建立了重水生產工廠。在H.C.尤里提出同位素化學交換的理論后，建立了各種化學交換法分離同位素的裝置。40年代以來，由於核工業的需要，同位素分離技術得以長足發展。鈾235、重水、鋰 6、硼 10以噸量級生產，並建立了大規模分離同位素過程的級聯理論。碳13、氮 15、氧 18、硫34等以千克量生產，主要作示蹤原子。

什麼是在線同位素分離器？

線同位素分離器同普通同位素分離器的主要區別在於離子源部分和離子收集探測系統結構不同。

在線同位素分離器主要與高能質子束、反應堆O-T或低能重離子束在編。蘭在線同位素分離器作為重離-TN速器

終端，它工作在中能(20— 100 MeV／A)重離子束線上，這為短壽命核素的合成和研究，提供很有利的條件。

為適應各種反應機制和不同性質核素的研究，要求在線同位素分離器有高的分辨本領和高的分離效率。靶離子源是在線同位素分離器的重要組成部分，人們已設計了厚靶、多屢靶、帶噴氮的離子源等，以滿足不同的實驗需要。此外，人們還試圖設計高溫靶、熔融靶，以探索合成高溫難熔元素新核素的可能性。隨著中能重離子核反應機制的深入研究和靶離子源技術的發展，在線同位素分離器將在這一學科的研究和發展中發揮重要的作用。

原理

反應產物（它們可以由各種帶電粒子或中子轟擊核靶產生）從靶箔中反衝出來，進入分離器離子源的放電室中被電離，再被帶孔的高壓電極（高壓為幾萬伏）從離子源中拉出。用靜電或磁透鏡系統使離子束聚焦，然後進入分析磁鐵。不同質量的離子在磁場中由於偏轉半徑不同而被分離，最後，被聚焦在收集室中，再用探測器對它們的衰變特性進行測量。

結構

快速有效地將反應產物引進分離器的離子源，是實現在線分離的關鍵。常用的將反應產物饋入離子源的系統有兩種：①靶-離子源系統，它將靶箔和分離器的離子源安裝在一起，使靶箔中反衝出來的反應產物直接進入離子源，被阻止在離子源中的某種俘獲物質（例如石墨）中，由於加熱作用使它們擴散到放電室的等離子區進行電離；②氦噴嘴離子源系統，這時的靶箔不在離子源內，反應產物由產生地點經慢化后，藉助氦氣流，通過一個“毛細管漏勺”組合系統傳送到離子源放電室進行電離。

離子光學系統

即離子束的聚集和磁偏轉系統。類似於普通的分離器，在焦面上可獲得離子束的最佳強度和聚焦狀態。常用的分析磁鐵的偏轉角是90°或55°；磁場的曲率半徑一般都設計得大於1m,以便增大色散度。離子束進入收集室后，原則上就可以進行測量。有時為了在測量某種質量數的核素時，不受其他核素的干擾，可以在收集室中設置一套傳輸帶裝置，將需要測量的核素先收集在收集帶上，再自動傳送到附近的探測站，對收集帶上的活性產物進行不同目的的測量；也有人將收集帶設計成可以從真空收集室直接運動到大氣中來，以便於用配置的控測器進行測量。

在線同位素分離器是放射性核束裝置(BRNBF)0 的核心設備，它利用前級70 MeV質子回旋加速器提供的強流質子束轟擊厚靶產生放射性核素，經離子源電離形成離子束，通過在線同位索分離器篩選並加速后注入HI—l3串列加速器和超導直線助能器，進一步提高能量，供核物理實驗所用。

在線同位素分離器的靶一源系統為技術關鍵，由於涉及質子束與靶的相互作用，放射性核素的產生、擴散、電離和引出，決定了放射性核束的產生效率、流強及品質。

首先是靶材料的選擇，靶材料必須能與初級束髮生反應產生放射性核紊並且具有較高的產生效率。由於一些放射性核索的壽命很短，必須儘快從靶中擴散到離子源，為提高放射性核素的擴散速度，靶的工作溫度一般高達1300-2000℃ ，而離子源的電離效率要求系統具有一定的真空度，因此，靶材料本身應為具有低蒸氣壓的耐高溫材料，而產生的放射性核素卻應具有高的蒸氣壓，易擴散且不易與靶材料化合形成難融物質。一般選甩C，B，Cr，Re，Hf，Ir，Mo，Ta，V，W 和一些金屬硼化物，碳化物，氮化物，氧化物以及硫化物，某些金屬合成材料及金屬鋁酸鹽，硅酸鹽，鈦酸鹽等也可做為靶材。

靶的尺寸形態同樣重要，理想條件下的靶物質應為細粉狀或細纖維狀，利於放射性核素的擴散。由於這種疏鬆的靶結構導熱性能很差，在十幾個立方厘米的體積內承受10一l4 kW的超強熱功率，對阻擋靶和散熱系統的設計提出了嚴峻的考驗。用有限元三維溫度場計算軟體ADINAT計算了以石墨做阻擋靶，外層水冷，靶材料為碳纖維的靶結構，其結果表明，合理的設計可以把靶溫控制在1300-2000℃ 。

離子源採用電子束等離子體源(EBPIS)，陰極材料選用耐高溫的金屬材料如鎢、鉭等，表面塗Ir、Re等化學惰性金屬。這種離子源的優點是可電離離子種類多，電離效率高，束流發射度小。

靶源系統位於300 kV的高壓台架上，運行后，靶源系統尤其是整個靶成為強放射性部件，所以，靶一源系統設計成可遠睛裝卸、控制和維護。

質量分析系統分兩級，第一級為一個偏轉半徑1．3 m的二極均勻場磁鐵，工作在250 kV的高壓台架上，質量解析度為1300。第二級為兩個偏轉半徑2．5 m 的磁鐵，工作在地電位，兩塊磁鐵構成—個反對稱結構，總質量解析度為20000。為了降低磁鐵造價和提高束流傳輸效率，磁鐵前安裝兩個雙單元磁四極透鏡組，使束流在磁鐵中非偏轉方向上的包絡較小，而在分析縫處，偏轉方向上的包絡較小。

離子源引出的放射睫核束為正離子束，為了注入串列加速器，必須進行電荷交換，電荷交換器是一段內充銫蒸氣的管道，正離子與銫蒸氣原子發生碰撞而捕獲電子，轉變成負離子，然後注入到HI一13串列加速器。在線同位素分離器形成的放射性離子束能量最高為300keV，束流強度約為5×10 s一。

根據分離原理

各種分離混合物的方法均可用來分離同位素，根據分離原理可以分為五大類：①根據分子或離子的質量差而進行分離的電磁法、離心法等；②根據分子或離子的運動速度不同而進行分離的擴散、熱擴散、分子蒸餾、電泳法等；③根據熱力學同位素效應而進行分離的精餾法、化學交換法、氣相色譜法、超流動性法等；④根據動力學同位素效應而進行分離的電解、光化學法、激光法等；⑤根據生物學同位素效應而進行的分離。

根據分離過程

根據分離過程，各種方法可分類如下

氣體擴散法

又稱孔膜擴散法。根據同位素分子通過孔膜（孔徑約0.01～0.03微米）擴散速度的不同來分離同位素。結果，輕同位素富集在隔膜一側，重組分富集在隔膜的另一側。擴散法是分離鈾 235的主要方法，以六氟化鈾為原料，分離係數□＝1.0043,由幾千個級組成級聯以生產濃縮鈾。

電磁分離法

它的工作原理與質譜法相類似。經第一次分離即可得到高富集的同位素，但產量很小，早期曾用於生產濃縮鈾，後來主要用於生產克量級的重同位素，供科研使用。

熱擴散法

當組成均勻的氣體或液體混合物中有溫度梯度時，輕組分將富集在熱區而重組分將富集在冷區，這就是熱擴散效應。熱擴散法就是根據這一效應將雙溫法生產的濃度約15％的重水富集到高於99.8％。

化學交換法

同位素化學交換法是分離輕同位素的一種特殊方法。它是基於在同位素化學交換反應中，同位素在各反應分子間的分佈不是等幾率的。工業上大量生產重水，就是利用硫化氫和水之間的同位素交換反應。由於輕元素同位素分子間的零點能相差大，交換反應的分離係數大，而且交換過程在熱力學平衡條件下進行，能量消耗小。因此，化學交換法在輕同位素生產中占重要地位。一些重要的同位素如氘、氮15、硼10、鋰6都用此法生產。

根據一元素的各同位素在電極上析出速度的不同來分離同位素。電解水時，氫同位素□和氘的分離係數在 3～12之間。電解分離係數受電極材料、電極表面狀況、電流密度和溫度等因素的影響。工業上最初生產重水就是用電解法。氫以外其他元素的同位素在電解時分離係數都接近1,此用電解法生產的實用價值不大。

光化學法

由於同位素核質量的不同，使原子或分子的能級發生變化，從而引起原子或分子光譜的譜線位移。光化學法就是利用同位素分子在吸收光譜上的這種差異，用一定頻率的光去激發同位素混合物中的一個組分，而不激發其他組分，然後利用處於激發態的組分和未激發組分在物理或化學性質上的不同，在激發態原子或分子能量未轉移之前，採用適當的方法把它們分離出來。在激光出現以前，人們就利用光化學法分離汞同位素。

60年代激光出現以後，由於激光具有單色性、強度高和連續可調等特點，使激光同位素分離成為激光應用的一個重要領域，已在實驗室範圍內成功地分離了十幾種同位素。鈾235的激光分離很受重視，無論原子法或分子法在實驗室都已取得結果。原子法是在高溫下得到鈾蒸氣，再通過兩步光激發使235U電離成235U+，然後用負電場將235U+和未電離的238U分離。分子法是用惰性氣體將氣態UF□稀釋后，經過超聲絕熱膨脹，使UF□的溫度降至30～50K,從而得到良好的同位素譜線位移，再用激光將235UF□激發和電離，而與238UF□分離。

此外還有噴嘴分離法、等離子體法、電泳法、分子蒸餾法、離子交換法、溶劑萃取法、氣相色譜法、生物法等。

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