在线同位素分离器研究下的氧的同位素同位素分离器是化学实验与研究装置，用于分析、研究元素的同位素组成。同位素分离(即是将某元素的一种或多种同位素与该元素的其他同位素分离或富集的过程)的必备仪器。同位素的发现依赖于同位素分离器的发明。同位素分离器主要用于化学实验\核工业\化学工业\采矿\金属制造以及医疗行业。1931年发现重氢后，建立了重水生产工厂。在H.C.尤里提出同位素化学交换的理论后，建立了各种化学交换法分离同位素的装置。40年代以来，由于核工业的需要，同位素分离技术得以长足发展。铀235、重水、锂 6、硼 10以吨量级生产，并建立了大规模分离同位素过程的级联理论。碳13、氮 15、氧 18、硫34等以千克量生产，主要作示踪原子。
什么是在线同位素分离器？
线同位素分离器同普通同位素分离器的主要区别在于离子源部分和离子收集探测系统结构不同。
在线同位素分离器主要与高能质子束、反应堆O-T或低能重离子束在编。兰在线同位素分离器作为重离-TN速器
终端，它工作在中能(20— 100 MeV／A)重离子束线上，这为短寿命核素的合成和研究，提供很有利的条件。
为适应各种反应机制和不同性质核素的研究，要求在线同位素分离器有高的分辨本领和高的分离效率。 靶离子源是在线同位素分离器的重要组成部分，人们已设计了厚靶、多屡靶、带喷氮的离子源等，以满足不同的实验需要。此外，人们还试图设计高温靶、熔融靶，以探索合成高温难熔元素新核素的可能性。随着中能重离子核反应机制的深入研究和靶离子源技术的发展， 在线同位素分离器将在这一学科的研究和发展中发挥重要的作用。
在线同位素分离器原理(部分图)反应产物（它们可以由各种带电粒子或中子轰击核靶产生）从靶箔中反冲出来，进入分离器离子源的放电室中被电离，再被带孔的高压电极（高压为几万伏）从离子源中拉出。用静电或磁透镜系统使离子束聚焦，然后进入分析磁铁。不同质量的离子在磁场中由于偏转半径不同而被分离，最后，被聚焦在收集室中，再用探测器对它们的衰变特性进行测量。
结构
离子源快速有效地将反应产物引进分离器的离子源，是实现在线分离的关键。常用的将反应产物馈入离子源的系统有两种：①靶-离子源系统,它将靶箔和分离器的离子源安装在一起，使靶箔中反冲出来的反应产物直接进入离子源，被阻止在离子源中的某种俘获物质（例如石墨）中，由于加热作用使它们扩散到放电室的等离子区进行电离；②氦喷嘴离子源系统，这时的靶箔不在离子源内，反应产物由产生地点经慢化后，借助氦气流，通过一个“毛细管漏勺”组合系统传送到离子源放电室进行电离。
离子光学系统
即离子束的聚集和磁偏转系统。类似于普通的分离器，在焦面上可获得离子束的最佳强度和聚焦状态。常用的分析磁铁的偏转角是90°或55°；磁场的曲率半径一般都设计得大于1m,以便增大色散度。离子束进入收集室后，原则上就可以进行测量。有时为了在测量某种质量数的核素时，不受其他核素的干扰，可以在收集室中设置一套传输带装置，将需要测量的核素先收集在收集带上，再自动传送到附近的探测站，对收集带上的活性产物进行不同目的的测量；也有人将收集带设计成可以从真空收集室直接运动到大气中来，以便于用配置的控测器进行测量。
在线同位素分离器构件:校正磁铁电源在线同位素分离器的靶一源系统为技术关键，由于涉及质子束与靶的相互作用，放射性核素的产生、扩散、电离和引出，决定了放射性核束的产生效率、流强及品质。
首先是靶材料的选择，靶材料必须能与初级束发生反应产生放射性核紊并且具有较高的产生效率。由于一些放射性核索的寿命很短，必须尽快从靶中扩散到离子源，为提高放射性核素的扩散速度，靶的工作温度一般高达1300-2000℃ ，而离子源的电离效率要求系统具有一定的真空度，因此，靶材料本身应为具有低蒸气压的耐高温材料，而产生的放射性核素却应具有高的蒸气压，易扩散且不易与靶材料化合形成难融物质。一般选甩C，B，Cr，Re，Hf，Ir，Mo，Ta，V，W 和一些金属硼化物，碳化物，氮化物，氧化物以及硫化物，某些金属合成材料及金属铝酸盐，硅酸盐，钛酸盐等也可做为靶材。
靶的尺寸形态同样重要，理想条件下的靶物质应为细粉状或细纤维状，利于放射性核素的扩散。由于这种疏松的靶结构导热性能很差，在十几个立方厘米的体积内承受10一l4 kW的超强热功率，对阻挡靶和散热系统的设计提出了严峻的考验。用有限元三维温度场计算软件ADINAT计算了以石墨做阻挡靶，外层水冷，靶材料为碳纤维的靶结构，其结果表明，合理的设计可以把靶温控制在1300-2000℃ 。
离子源采用电子束等离子体源(EBPIS)，阴极材料选用耐高温的金属材料如钨、钽等，表面涂Ir、Re等化学惰性金属。这种离子源的优点是可电离离子种类多，电离效率高，束流发射度小。
在线同位素分离器(构件)质量分析系统分两级，第一级为一个偏转半径1．3 m的二极均匀场磁铁，工作在250 kV的高压台架上，质量分辨率为1300。第二级为两个偏转半径2．5 m 的磁铁，工作在地电位，两块磁铁构成—个反对称结构，总质量分辨率为20000。为了降低磁铁造价和提高束流传输效率，磁铁前安装两个双单元磁四极透镜组，使束流在磁铁中非偏转方向上的包络较小，而在分析缝处，偏转方向上的包络较小。
离子源引出的放射睫核束为正离子束，为了注入串列加速器，必须进行电荷交换，电荷交换器是一段内充铯蒸气的管道，正离子与铯蒸气原子发生碰撞而捕获电子，转变成负离子，然后注入到HI一13串列加速器。在线同位素分离器形成的放射性离子束能量最高为300keV，束流强度约为5×10 s一。
在线同位素分离器实验室操作各种分离混合物的方法均可用来分离同位素，根据分离原理可以分为五大类：①根据分子或离子的质量差而进行分离的电磁法、离心法等；②根据分子或离子的运动速度不同而进行分离的扩散、热扩散、分子蒸馏、电泳法等；③根据热力学同位素效应而进行分离的精馏法、化学交换法、气相色谱法、超流动性法等；④根据动力学同位素效应而进行分离的电解、光化学法、激光法等；⑤根据生物学同位素效应而进行的分离。
根据分离过程
根据分离过程，各种方法可分类如下
气体扩散法
又称孔膜扩散法。根据同位素分子通过孔膜（孔径约0.01～0.03微米）扩散速度的不同来分离同位素。结果，轻同位素富集在隔膜一侧，重组分富集在隔膜的另一侧。扩散法是分离铀 235的主要方法，以六氟化铀为原料，分离系数□＝1.0043,由几千个级组成级联以生产浓缩铀。
在线同位素分离器(构件)它的工作原理与质谱法相类似。经第一次分离即可得到高富集的同位素，但产量很小，早期曾用于生产浓缩铀，后来主要用于生产克量级的重同位素，供科研使用。
热扩散法
当组成均匀的气体或液体混合物中有温度梯度时，轻组分将富集在热区而重组分将富集在冷区，这就是热扩散效应。热扩散法就是根据这一效应将双温法生产的浓度约15％的重水富集到高于99.8％。
化学交换法
同位素化学交换法是分离轻同位素的一种特殊方法。它是基于在同位素化学交换反应中，同位素在各反应分子间的分布不是等几率的。工业上大量生产重水，就是利用硫化氢和水之间的同位素交换反应。由于轻元素同位素分子间的零点能相差大，交换反应的分离系数大,而且交换过程在热力学平衡条件下进行,能量消耗小。因此，化学交换法在轻同位素生产中占重要地位。一些重要的同位素如氘、氮15、硼10、锂6都用此法生产。
电解法
根据一元素的各同位素在电极上析出速度的不同来分离同位素。电解水时，氢同位素□和氘的分离系数在 3～12之间。电解分离系数受电极材料、电极表面状况、电流密度和温度等因素的影响。工业上最初生产重水就是用电解法。氢以外其他元素的同位素在电解时分离系数都接近1,此用电解法生产的实用价值不大。
光化学法
由于同位素核质量的不同，使原子或分子的能级发生变化，从而引起原子或分子光谱的谱线位移。光化学法就是利用同位素分子在吸收光谱上的这种差异，用一定频率的光去激发同位素混合物中的一个组分，而不激发其他组分，然后利用处于激发态的组分和未激发组分在物理或化学性质上的不同，在激发态原子或分子能量未转移之前，采用适当的方法把它们分离出来。在激光出现以前，人们就利用光化学法分离汞同位素。
在线同位素分离器:整运鸟瞰60年代激光出现以后，由于激光具有单色性、强度高和连续可调等特点，使激光同位素分离成为激光应用的一个重要领域，已在实验室范围内成功地分离了十几种同位素。铀235的激光分离很受重视,无论原子法或分子法在实验室都已取得结果。原子法是在高温下得到铀蒸气，再通过两步光激发使235U电离成235U+，然后用负电场将235U+和未电离的238U分离。分子法是用惰性气体将气态UF□稀释后,经过超声绝热膨胀,使UF□的温度降至30～50K,从而得到良好的同位素谱线位移,再用激光将235UF□激发和电离,而与238UF□分离。
此外还有喷嘴分离法、等离子体法、电泳法、分子蒸馏法、离子交换法、溶剂萃取法、气相色谱法、生物法等。[1]
| 戴传曾 | 王淦昌 |
| 朱光亚 | 蒋渭生 |
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| 张焱 | 朱佳政 |
| 祁步嘉 | 杨毅 |