兰州重离子加速器团簇内靶装置控制系统设计

介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的实验环(CSRe)团簇内靶装置控制系统的设计。 该内靶系统由多种设备构成,包括喷嘴测温与加热控制子系统、真空与阀门监测/控制子系统、分子泵监测与控制子系统、数据处理与流程软件子系统等部分。该系统在内靶实验中工作状态良好,满足了内靶实验的需求。在该控制系统的支持下,2010年1月第一轮辐射电子俘获物理实验顺利完成。 It is described in this paper the design of the control system for HIRFL CSRe internal target facility, in which there are many different kinds of units need to be monitored and controlled. The control system is composed of several subsystems which are designed to control the gas jet temperature, chamber vacuum, valves and molecular pumps. A human computer interaction interface is also realized to do the data acquisition, data processing and display. The whole system has been working stably and safely, it fully meets the requirements of physical experiments in the internal target facility. In January of 2010, the first physics experiment of the radioactive electron capture was finished successfully with the aids of this control system.     

HIRFL-CSR实验环团簇内靶的首批测试实验

内靶装置是兰州重离子冷却储存环(HIRFL-CSR)实验环的一个重要的插入件,也是世界上第一个嵌入在重离子储存环中的内靶装置,它位于HIRFL-CSR实验环的一个直线段.团簇内靶具有传统外靶所不具备的一些优点,如高亮度、高精度和高灵敏度等.这些优点可使我们在内靶实验平台上进行一些高精度的物理实验.为满足不同物理实验的需求,内靶可以有两种工作模式:非极化靶运行模式和极化靶运行模式,用于为实验环内的物理实验提供厚度为1011~1013atoms/cm2的非极化靶和极化靶.团簇靶是属于非极化靶运行模式,它采用超声喷气和冷凝相结合的方法获得团簇粒子束,并在碰撞靶室中与环内束流相碰撞,未反应的团簇束被收集级抽走.团簇内靶可以提供靶密度约为2×1013atoms/cm2的Ne、Ar、Kr、Xe和N2、CH4等团簇束.目前已完成了团簇靶的现场安装和准直,并进行了真空达标、喷嘴冷却和稳定性等首批测试实验.本文主要介绍团簇靶的工作原理和首批测试实验结果.     

黑腔靶辐射温度实验研究

研究腔靶辐射温度与靶型及激光辐照条件的关系.实验利用神光Ⅱ基频光,激光能量为3—5kJ8束,脉宽为0.6—0.9ns打Au腔靶.采用滤片x射线二极管(XRD)阵列谱仪及平响应x射线二极管(PXRD)分别测量腔靶诊断口辐射软x射线强度谱及其角分布,给出了等效辐射温度为140—180eV.同时,利用多针孔时、空分辨成像技术,观测诊断口发射软x射线时空特性,实验现象表明两种诊断口(衬Be环与无Be环)在160—170eV辐射温度条件下,辐射烧蚀产生的等离子体云均对腔内发射x射线流形成一定程度的阻挡作用,数据处理     

黑腔靶辐射温度实验研究

研究腔靶辐射温度与靶型及激光辐照条件的关系.实验利用神光-Ⅱ基频光,激光能量为3-5 kJ/8束,脉宽为0.6-0.9ns打Au腔靶.采用滤片-x射线二极管(XRD)阵列谱仪及平响应-x射线二极管(P-XRD)分别测量腔靶诊断口辐射软x射线强度谱及其角分布,给出了等效辐射温度为140-180eV.同时,利用多针孔时、空分辨成像技术,观测诊断口发射软x射线时空特性,实验现象表明两种诊断口(衬Be环与无Be环)在160-170eV辐射温度条件下,辐射烧蚀产生的等离子体云均对腔内发射x射线流形成一定程度的阻挡作用,数据处理结果,给出了相应条件下辐射温度推算中需要的等效诊断口面积修正因子,平均值为0.79,并用此数据对测量的软x射线强度谱进行修正,达到提高辐射温度测量精度的目的.     

背光阴影成像表征降温速率对ICF冷冻冰层均化的影响

利用背光阴影成像技术研究了降温速率对惯性约束聚变(ICF)球形氘氘冷冻靶中燃料冰层均化的影响.实验中,首先对ICF冷冻靶温度场进行标定以确定靶丸处的温度,然后利用背光阴影成像系统对降温过程中靶丸内燃料冰层的空间变化进行实时原位测量,得到了不同降温条件下冷冻靶背光阴影成像图像中亮环的功率谱.实验结果表明:相比快速降温,台阶式缓慢降温有利于形成均匀的燃料冰层;同时验证了背光阴影成像技术表征ICF冷冻靶内冷冻冰层均化的有效性.     

背光阴影成像技术表征ICF靶丸内表面粗糙度

 发展了背光阴影成像技术,用于诊断透明ICF冷冻靶冰层内表面质量。分析了单层球壳阴影图像中形成亮环的物理机制。用光学追迹软件Tracepro模拟产生了透明单层球壳的阴影图像,用于研究亮环位置与球壳厚度及折射率的关系。建立了背光阴影成像实验装置,获得了透明单层球壳具有明显亮环的实验阴影图像。编制了阴影图像处理软件,获得了靶丸内表面1维功率谱曲线,并据此计算出靶丸内表面均方根粗糙度。理论分析、软件模拟及实验研究均表明,背光阴影成像技术是透明冷冻靶冰层内表面质量的有效诊断方法。     

兰州冷却环总体设计

兰州重离子冷却环CSR是兰州重离子加速器研究装置HRRFL的一项升级工程, 是一个双冷却储存环系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成. 从HIRFL回旋加速器系统来的重离子束, 首先注入到主环CSRm中进行累积冷却, 然后加速到较高的能量引出打初级靶产生放射线次级束RIBs或高离化重离子束, 这些次级束再被送到验环CSRe储存起来以开展内靶实验.     

高能脉冲C~(6+)离子束激发Ni靶的K壳层X射线

精确测量离子与原子碰撞引起的靶原子内壳层电离截面,对研究原子内壳层过程以及建立合适的理论模型具有重要的意义.现有的实验数据和理论模型大都集中在中低能区,高能区由于受到实验条件的限制,几乎没有相关实验数据的报道,哪种理论更适合描述高能重离子入射的靶原子内壳层电离截面,还需要进行深入的实验研究.采用电子冷却存储环提供能量分别为165,300,350,430 MeV/u的C~(6+)离子束轰击Ni靶,测量Ni的K壳层X射线.分析了实验中探测到的Ni的K_β和K_α射线强度比,发现入射粒子能量的变化对该强度比影响不明显.分别应用两体碰撞近似(BEA)、平面波玻恩近似(PWBA)和ECPSSR理论对Ni的K壳层X射线的产生截面进行理论计算,并将理论结果与实验结果进行比较.     

对流传热对冷冻靶温度影响的数值分析

 利用计算流体力学的程序Fluent,以法国的兆焦激光装置LMJ为原型,研究了惯性约束聚变间接驱动靶中黑腔内填充气体的自然对流传热效应对靶丸温度分布的影响;通过在黑腔内加入聚合薄膜,减小靶表面的温度不均匀性,得到了最佳腔体分隔模式;并在分隔成7个分区的腔体中,结合调整黑腔壁上下冷却环的温度,当两冷却环之间存在±0.5 mK 的温差时,使得靶丸表面的温度均匀性最终能够满足聚变的要求。     

低温冷冻靶温度动态特性的数值模拟研究

惯性约束聚变点火成功的关键之一在于靶丸内形成均匀的氘氚冰层,靶丸周围的温度场对冰层质量有很大影响.首先通过实验靶系统实验验证了数值计算模型的可靠性,在此模型的基础上,对低温冷冻靶装置的热物理问题特别是温度动态特性问题展开了数值模拟,重点考察冷环温度波动时,温度传递衰减过程的规律以及各影响因素对于温度传递衰减过程的影响.结果显示:冷环温度一定时,填充气体压力降低、填充气体中氦气比例增大,靶丸表面温度均匀性提高;当冷环温度波动时,温度波动的周期减小、振幅减小、填充气体压力升高、填充气体中氦气比例降低有利于控制靶丸表面温度波动;冷环温度波动的周期适中、振幅减小、填充气体压力降低、填充气体中氦气比例提高有利于改善靶丸表面温度均匀性.研究结果对实验中冷冻靶合理配置各参数实现温度控制具有重要参考价值.     

神光Ⅲ主机装置X光静态成像系统研制

针对神光Ⅲ主机装置的靶室结构和打靶方式要求,基于针孔成像原理,成功研制出应用于神光Ⅲ主机装置的X光静态成像系统。该系统采用模拟靶组件进行离线瞄准,并可进行在线轴向和指向调节,调节精度分别为81 m、40 m。针孔组件和滤片组件的自动更换使系统实现了真空环境下的在线快速切换和运行。同时使用有限元软件ANSYS对系统的变形与应力进行模拟分析以保证系统的可靠性。系统搭载X光CCD在神光Ⅲ主机装置上进行激光打靶考核,实验结果表明,该系统达到神光Ⅲ主机装置使用要求。     

一种测量重核素的小型高压型加速器控制系统的研制

为满足中国原子能科学研究院最新研制的400 kV小型重核素加速器质谱（AMS）装置的自动控制的需求,设计并实现了针对该装置的自动控制系统。从硬件和软件两个方面描述了系统结构。虚拟仪器LabWindows/CVI9.0、PLC、数据库、组态软件等的相结合,既组建了友好的人机交互界面,又提高了系统的可靠性。自主设计的具有较高自动化水平的气体剥离器控制,实现了同步监测、控制气体流量和真空度。自动换靶控制的零位指示和靶号显示相配合,更精确地实现换靶功能,提高了装置自动化程度。经长时间测试,该测控系统满足了加速器质谱系统的自动控制及就地操作需求。     

适用于聚变装置偏滤器部件的高热负荷测试平台真空腔体系统设计

对托卡马克聚变装置偏滤器的高热负荷测试平台真空腔体系统进行了结构设计,其中包括真空室、 真空抽气系统、部件调节机构、小型水冷系统和电子枪操作平台,利用 Ansys 对真空室主体结构的合理性和可靠 性进行了验证。模拟结果表明：真空室外壁温度不超过 50℃,真空室及其支撑上的最大应力分别为 134.49MPa 和 48.76MPa,满足许用应力 3S_m 值 620MPa 的要求。     

VM-1500热真空试验箱的研制

热真空试验箱是用来模拟太空的真空、冷黑及太阳辐照环境,完成卫星的热平衡、热真空试验,满足卫星研制需要的关键地面大型试验设备。文章概要介绍了研制的一台VM-1500有效试验空间为1200mm×1600mm的空间模拟器的组成、采用的模拟技术、调试及使用情况。使用结果表明:该设备的各系统运行稳定、可靠,模拟室的真空度、热沉温度、温度测量系统等均能满足卫星整星热真空试验的要求。     

Supersonic-jet experiments using a high-energy laser

In this Letter, laboratory astrophysical jet experiments performed with the LULI2000 laser facility are presented. High speed plasma jets (150 km.s(-1)) are generated using foam-filled cone targets. Accurate experimental characterization of the plasma jet is performed by measuring its time evolution and exploring various target parameters. Key jet parameters such as propagation and radial velocities, temperature, and density are obtained. For the first time, the required dimensionless quantities are experimentally determined on a single-shot basis. Although the jets evolve in vacuum, most of the scaling parameters are relevant to astrophysical conditions.     

可见光光学目标模拟器的研制

介绍一种能够建立逼真的可见光目标———背景环境的可见光光学目标模拟器。整个装置由计算机图像生成系统、胶片图像源系统、光学耦合系统、主控计算机、控制系统及二轴转台等部分组成。该装置实现了图像源系统与导引头光学系统的完善耦合 ,成像质量高 ,且结构紧凑 ,重量轻 ,是一种理想的可见光目标———背景图像仿真设备     

Experimental study of the plasma window

The plasma window is an advanced apparatus that can work as the interface between a vacuum and a high pressure region. It can be used in many applications that need atmosphere-vacuum interface, such as a gas target, electron beam welding, synchrotron radiation and a spallation neutron source. A test bench of the plasma window is constructed in Peking University. A series of experiments and the corresponding parameter measurements have been presented in this article. The experiment result indicates the feasibility of such a facility acting as an interface between a vacuum and a high pressure region.     

基于实验物理与工业控制系统的EAST真空抽气及加料控制系统设计

介绍EAST 真空及加料监控系统底层和顶层的架构设计、连锁保护设计、运行模式设计以及系统部署。在底层架构中,真空抽气和加料监控系统分别采用两套相互独立的光纤环网拓扑,构成双光纤环网结构。顶层设计主要采用符合大科学装置规范的实验物理与工业控制系统(EPICS)架构。系统设计主要特点是将底层双光纤环网结构拓扑和顶层EPICS 架构相结合,构建了大型分布式真空抽气和加料数据采集与监视控制系统。测试结果表明整套监控系统运行稳定可靠,该监控系统不仅为EAST 装置实验提供了可靠支撑,同时也为未来其它大科学装置的监控系统构建提供参考和借鉴。