中国极化电子离子对撞机探测器设计

核子是构成宇宙可见物质的最主要成分，也是研究强相互作用的最佳实验室。对核子内部结构的研究是当前理论和实验研究的重要前沿。在核子内部结构的实验研究中，电子- 离子对撞机(Electron Ion Collider, EIC)是最理想的装置，能提供核子内部最清晰的图像，是人类认识物质世界深层次结构，特别是核子与原子核结构最理想的工具。中国极化电子离子对撞机EicC项目，设想在已开建的HIAF 高能离子束的基础上进行升级:将离子束流升级成15~20 GeV 的极化束流，建设3~5 GeV 高能极化电子束流，实现质心系能量为10~20 GeV双极化电子- 离子对撞，在海夸克能区对核子内部结构进行精细测量，并对质子质量、奇特强子态等诸多重要物理课题展开研究。在本文中，我们开发了EicC 快模拟软件，对探测器性能进行参数化模拟；通过物理模拟汇集EicC探测需求，利用探测器模拟软件进行优化并提出EicC 探测器谱仪的初步设计方案。该谱仪方案提供了接近全立体角的覆盖范围和大动量范围内的粒子鉴别能力，兼顾EicC项目丰富的物理课题。     

EicC对撞光学设计

EicC是中国科学院近代物理研究所计划建造的中国电子-离子对撞机装置,该对撞机质心能位于20 GeV附近,是研究海夸克的最佳能量窗口,同时还可研究胶子和价夸克。EicC对撞粒子为高极化率质子和电子束团,质子环pRing采用八字环设计方案,可以更好地保持极化质子束团极化率,电子环eRing采用跑道形环设计方案,可以更好地利用隧道空间。该装置电子束流能量中心值为3.5 GeV,电子束RMS发射度为水平方向60 nm·rad,垂直方向60 nm·rad,对撞点b函数为水平方向0.4 m,垂直方向0.12 m;质子束流能量中心值20 GeV,质子束RMS发射度为水平方向300 nm·rad,垂直方向180 nm·rad,对撞点b函数为水平方向0.08 m,垂直方向0.04 m,设计亮度2×1033 cm–2s–1。EicC采用双对撞区非对称光学设计,通过对EicC不同色品补偿方案的研究,最终确定了弧区加短直线节共同补偿的色品补偿方案;通过研究对撞点处b函数以及对撞点间相移对动力学孔径的影响,最终得到pRing动力学孔径大于8 s(s为束团RMS尺寸)、eRing动力学孔径大于20 s,满足大于束团尺寸6 s的要求。     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍,并具有高积分亮度,为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造,提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束,达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求.这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战.在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上,着重叙述了束流参数的调试结果,束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标.描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行.最后简述了新建中的次谐波聚束系统,以进一步提高束流性能和注入速率.     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍, 并具有高积分亮度, 为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造, 提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束, 达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求. 这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战. 在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上, 着重叙述了束流参数的调试结果, 束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标. 描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行. 最后简述了新建中的次谐波聚束系统, 以进一步提高束流性能和注入速率.     

SESRI 300 MeV同步加速器注入线的传输效率与接受效率

为了完成SESRI300MeV同步加速器的束流调试,使用Tracewin软件和加速腔电磁场分布文件建立了该加速器注入线从离子源出口到注入点的全尺寸模型,在多粒子模式下计算了两种典型粒子束(质子、²⁰⁹Bi³²⁺)在不同状态下的加速传输,得到了注入线上束流相空间的变化过程和注入线的传输效率与接受效率.研究结果表明,300 MeV同步加速器注入线在加速不同荷质比的离子束流时,电磁场参数设置基本与荷质比成反比.束流的接受效率主要由射频四极加速腔出口发射度决定,质子束和重离子束的接受效率差别较大.在射频四极加速腔出口发射度为0.1πmm·mrad时,²⁰⁹Bi³²⁺束接收效率达到92.13%,质子束的接收效率为68.18%.分析束流传输过程表明,当横向发射度过大时,束流会因为纵向能散展宽和相位展宽而无法被最终接受.在现有配置下,质子束存在横向聚焦力不够、接受效率较低的问题.通过额外增加2个四极铁能够将质子束的接受效率由68.18%提升至83.61%.     

近几年高能加速器的新发展

本文从四个方面介绍１９６６年以来高能加速器的新发展．即强聚焦同步加速器、中高能强流加速器、对撞机和新技术及新加速原理． 强聚焦同步加速器是当前高能加速器的主要类型．近年来采用了分离作用强聚焦系统、增强器等新技术,最高能量已提高到４００千兆电子伏、设计平均流强达微安级,都比六十年代水平提高十倍多．每千兆电子伏投资约６０万美元,为六十年代水平的６０％左右． 质子强流发展较慢,目前仍依靠二十多年前建成的稳相加速器,平均流强为微安级,最高能量１０００兆电子伏．有的正计划改建,把流强提高到十至数十微安．建造中的有两台等时性旋加速器,设计平均流强１００微安,能量约５００兆电子伏．一台８００兆电子伏的质子直线加速器正在总调中,设计流强１毫安．高能强流电子束主要依靠电子直线加速器产生,目前已达２２千兆电子伏,平均流强４８微安． 利用相对运动的两束粒子进行对撞的对撞机是近年来发展较快的加速器类型．由于对撞实验中粒子能量利用率高,是今后进行“超高能”实验的有效方法．目前已经建成的电子正电子对撞机单束能量约２．５千兆电子伏,质子对撞机为２６．５千兆电子伏． 在加速器方面已广泛采用电子计算机和自动化技术．正在研究中的新技术主要为超导磁     

兰州重离子加速器冷却储存环

 兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR,是一个多用途、多功能的双冷却储存环同步加速器系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成,并以兰州重离子级联回旋加速器HIRFL作注入器。CSR利用高频变谐波的方法,将重离子束的能量从7～25 MeV/u同步加速到２00～1 000 MeV/u,同时利用重离子储存环中空心电子束冷却技术将束流品质提高１个数量级,并通过储存环的快引出及慢引出,提供多种类的重离子束以及放射性次级束(RIBs),以开展范围更广精度更高的物理实验。该装置于2007年投入运行,已取得了重要的运行结果,如实现了剥离注入与多圈注入、空心电子束对重离子束的冷却与累积、变谐波宽能区同步加速、等时性环型谱仪、RIBs的产生收集与ToF高分辨质量测量以及高能重离子束的变能慢引出等。     

兰州重离子冷却储存环工程

兰州重离子加速器冷却储存环是兰州重离子研究装置的后续工程 .它的建造目的是将重离子束的能量提高到 1 Ge V/u附近 ,同时利用储存环电子冷却技术将束流品质提高一个数量级 ,并提供更多种类的重离子束 ,以开展更广范围和更高精度的物理实验 .兰州重离子加速器冷却储存环是一个双储存环系统 ,由一个主环和一个实验环构成 .对其总体布局、总体参数、主要功能进行了介绍. HIRFL- CSR, a new accelerator project at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL), is a multipurpose Cooling Storage Ring system which consists of a main ring (CSRm) and an experimental ring (CSRe). Beams from HIRFL will be accumulated and accelerated in CSRm, and then transported to CSRe for internal target experiments. The layout, major parameters and main functions of the CSR were described.     

HIRFL-CSRm冷却束流寿命

实验研究了HIRFL-CSRm中电子冷却装置对C6+,Ar15+两种束流寿命的影响。首先,通过对比实验的测量确定电子冷却可以有效提高束流寿命;其次,探究了电子冷却装置中的各项参数（主要是电子束密度分布、流强、能量、绝热展开因子）是如何影响束流寿命的,通过改变电子束参数,测量束流寿命的变化趋势和规律,并且结合电子冷却相关理论对实验结果给予解释,最终通过实验优化和确定最佳的冷却装置参数,使束流在HIRFL-CSRm上获得了较高的寿命,从而提高HIRFL-CSRm束流累积过程中的流强增益。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究北大核心CSCD

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

中国散裂中子源RCS注入区H0CT测量系统研制

中国散裂中子源的强流质子加速器采用剥离注入的方式,碳膜将H^-剥离两个电子后变成质子,多圈涂抹注入到快循环同步环加速中,并加速至1.6 GeV。为了精确测量剥离膜的剥离效率并研究不同厚度剥离膜的使用寿命,在I-Dump束线上新研发并安装了一套束流流强探测器(H⁰CT),用于测量未完全剥离的H^-和H⁰(H^-被剥离一个电子)粒子。为了测量μA级束流,H⁰CT弱流强测量系统的研制考虑了外部干扰,配合探头、线缆及电子学低噪声的抗干扰设计,将环境噪声及干扰的影响降至最低,提高信噪比,实现了μA级脉冲电流的测量。     

低能强流混合离子束空间电荷补偿度研究

空间电荷效应是影响束流传输和束流品质的一个重要因素，特别是对于低能量强流离子束来说。离子束与束流传输线中的剩余气体分子通过电离反应等产生大量二次电子，受离子束的空间电势约束，可以部分补偿空间电荷效应。为了深入研究强流束在低能段的传输，需要准确测量束流的空间电荷补偿度(SCCD)，尤其是混合束流的SCCD。利用一台三栅网式能量分析仪和一台基于128通道皮安表系统构成的束流剖面探测器，分别测量了不同流强和束流分布下的混合O离子束的二次离子能量分布和束流流强分布，从而计算得出SCCD。实验结果表明，在1.0×10^-5 Pa的真空度下，不同流强的混合O离子束的SCCD基本在70%左右；不同束流分布对空间电势分布影响较大，对离子束的SCCD也会有一定程度的影响。     

阴阳极等离子体运动对强箍缩离子束二极管束流特性的影响

 主要研究了阴阳极等离子体运动对“闪光二号”加速器强箍缩离子束二极管束流特性的影响。给出了考虑阴阳极产生的等离子体运动对二极管间隙影响的Child-langmuir流、弱聚焦流、强聚焦流和饱和顺位流4个阶段的离子流和二极管总束流修正公式，利用这些修正公式计算的二极管总束流和离子束流强度与实测结果符合很好，在此基础上分析了提高离子束流强度和效率的方法，通过调整加速器参数，实验得到了峰值能量约500 keV，峰值电流约160 kA的高功率离子束。     

加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ束测系统（英）

加速器驱动次临界系统注入器Ⅰ,包括ECR离子源、低能传输线、射频四极加速单元、中能传输段和超导腔,注入器Ⅰ出口能够获得能量10 MeV的强流质子束流。为了调束和运行的需要,注入器Ⅰ将安装束流位置测量、束流截面测量、束流流强测量、束流发射度和能量测量,以及束流损失测量等束流参数测量装置。介绍了这些束流测量系统设计及其他方面的一些考虑。     

强流脉冲离子束辐照混合双层靶的Monte Carlo模拟

采用Monte Carlo方法模拟强流脉冲离子束与铝基钛膜双层靶的相互作用.强流脉冲离子束与双层靶材相互作用过程中,随着离子的注入,高能离子束引起涂层原子与基体材料原子之间相互渗透和混合,同时离子能量沉积到靶材内一定深度,并呈规律性的空间分布.这种能量分布影响靶内两种材料的熔化或气化过程,并导致界面物质结合强度发生变化.利用建立的束流模型,计算束流在靶材内的能量沉积和分布状况及界面处级联碰撞对双层靶界面混合区的影响,得出强流脉冲离子束混合双层靶时级联碰撞不起主要作用的结论,离子流密度在100A·cm^-2~150A·cm^-2时对离子束混合最为有利.     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性     

HIAF电子冷却装置高精度线圈磁轴测量

强流重离子加速器装置（HIAF）将采用电子冷却技术,降低重离子束流的发射度和动量分散,提高核物理及原子物理实验的精度与亮度。电子冷却装置的冷却段磁场均匀度是影响冷却效率的主要参数,HIAF电子冷却装置采用多个独立高精度线圈串联产生纵向磁场的设计,获得极高的冷却段磁场均匀度。本文介绍了一种测量高精度线圈磁轴偏角的装置,采用定位装置测量线圈的几何对称轴,通过旋转霍尔探头测量线圈中心平面上的径向与轴向磁场分布,再根据磁场测量数据计算出线圈磁轴与几何对称轴之间的偏角。实际测量表明该装置的磁轴偏角测量精度达到±0.10 mrad。测量得到的HIAF电子冷却装置冷却段线圈样品的磁轴偏角为（1.28±0.10）mrad,达到设计要求。     

兰州重离子加速器冷却储存环中电子冷却性能

为了在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上开展一维离子束序化的研究,在CSR主环上,对6.39 MeV/u的58Ni19+离子束进行了冷却累积实验。测量了离子束与电子束之间不同的水平、垂直夹角以及不同电子束剖面的情况下,束流累积及束流寿命变化情况;重点研究了离子束衰减过程中动量分散随离子数的变化规律,拟合计算得到了动量分散随离子数按照幂函数衰减的指数;在给定离子数的情况下,动量分散随夹角、电子束剖面的依赖关系,为下一步在CSR上获得纵向一维有序化离子束的研究做准备。在实验中观测到在较大的夹角情况下,离子束出现纵向振荡和中心频率移动。     

O~(2+)离子穿过碳膜引起的前后表面电子发射

测量了入射能为1.9~11.3 keV/u的O~(2+)离子穿过碳膜诱导的前向、后向(分别对应出射表面和入射表面)电子发射产额。实验中,通过改变入射离子的能量和流强,系统地研究了电子能损和离子束流强度对前向、后向电子发射产额的影响。结果表明,在本实验的能量范围内,前向、后向电子发射产额与对应表面的电子能损有近似的正比关系,而与束流强度无关。分析还发现引起后向电子发射的动能阈值约为0.2 keV/u,势能电子发射产额约为1 e~-/ion。