質子源

所有類型的粒子加速器，為了加速所需類型的粒子，如電子、質子或者重離子，都必須有一個相應粒子源將例子注入到該類型粒子加速器中。在加速器中一般質子源和重離子源都稱離子源，而電子源也叫電子槍。為了例子加速器中得到高品質的粒子束（電流大，能量均勻，束流的截面合適，張角小），對這些粒子源有一定的技術要求。

基本介紹

• 中文名：質子源
• 外文名：Proton source
• 性質：物理設備
• 主要作用：提供質子流
• 後續儀器：加速器
• 原料：一般為氫氣/其他固體儲氫材料

氫氣質子源

在地球實驗室里，氫分子是很方便的質子來源。

將氫氣注入到抽成真空的空間，再用有一定速度的電子束流與之碰撞，使氫分子電離成質子。這樣，空間就形成質子、電子、氫分子離子組成的電漿。從電漿中用外加的較高電壓將所需的質子吸引出去，然後注入到粒子加速器中進行進一步的加速。

固體質子源

超短超強雷射與固體薄膜靶相互作用能夠產生高能質子束，特別是高能質子束在快點火方面具有誘人的套用前景。通過構造特殊結構的雙層靶，由高Z材料和富含 H 元素的低Z材料構成，控制靶的厚度和含 H 層的縱向及橫向尺寸，可以顯著減少質子束的能量發散，獲得準單色的質子束。固體靶的元素組成（高Z元素和 H 元素）和與雷射耦合的微觀結構是產生單能質子束的關鍵因素。

發展

近年來加速器驅動次臨界潔淨核能系統、強中子源IHPI等強流加速器的發展，對直流質子源的束流能力、穩定性、可靠性等提出了更加嚴格的要求。在眾多類型的離子源中，2.45 GHz ECR(電子迴旋共振)離子源成為此類加速器的首選。目前北京大學、法國CEA/Saclay、美國LANL和中國科學院近代物理研究所等單位研製的各種結構的2.45 GHz ECR質子源都具備了產生10~100 mA直流質子束的能力，但現在面臨的挑戰是在強束流長期連續運行下如何避免引出區高壓打火或電漿熄弧等現象引起束流瞬間中斷的現象發生。在直流質子源的穩定性方面，法國CEA/Saclay、美國LANL和中國科學院近代物理研究所等單位均開展過一些研究。CEA直流質子源的最長束流不間斷記錄為102小時，LANL的直流質子源連續工作了170小時，最長不打火間隔為5小時。

在科技部的支持下，北京大學物理學院重離子物理研究所彭士香老師課題組承擔了973項目“2.45 GHz ECR質子源的穩定性和壽命研究”的子課題“高密度ECR電漿的建立和強流離子束產生”（2014CB845502）。該子課題最核心的研究目標是在2017年底前研製出一個2.45 GHz ECR 直流質子源，該源在50 kV高壓下引出50 mA的質子束流可實現長時間連續穩定運行，在穩定運行期間內發生的短時間斷束少於5次。

繼2015年1月份完成了50 mA/35 keV直流質子源300小時的穩定性研究之後，彭士香老師課題組近期又開展了直流質子源50 mA/50 keV長時間連續穩定實驗研究。實驗時間為2016年6月6日6月18日。圖1為實驗結束時數據記錄計算機的截屏。此次系統總共運行了300.4小時，其中前6.4小時為系統的調試時間，其間曾發生過少量打火及2次短時間束流中斷現象。隨後系統在50 kV、流強高於50 mA的條件下穩定運行時間達294小時，在此期間直流質子源未出現過任何因引出系統打火或者電漿不穩定導致束流中斷的失束現象。實驗結果好於預期。