兰州重离子加速器综述

兰州重离子研究装置(HIRFL)是由离子源,注入器(扇聚焦回旋加速器,SFC)和主加速器(分离扇回旋加速器,SSC)组成的。由离子源产生的束流经过注入器SFC的预加速后,通过前束流线注入到主加速器SSC,束流在主加速器加速到最大能量后,由后束流线送到各个实验终端。本文首先介绍了HIRFL的建造过程、束流特性和主要结构。然后描述了SSC和束流线的调束过程、调束方法及运行状态。最后展望了HIRFL广泛的应用前景。     

兰州重离子加速器大真空室的设计与建造

前言正在建造中的兰州重离子加速器系统(HIRFL)是由两台加速器组成的。注入器是一台1.7m 常规扇形回旋加速器(SFC),由原1.5m 经典回旋加速器改装的。主加速器是一台能量常数为450的分离扇形回旋加速器(SSC)。这是我国首次建造此类型加速器。HIRFL 大真空室是SSC 主体结构的包容体。也是SSC 中最大、最重的一个部件。大真空室在现场施工须占用加速器大厅,直接影响主体建造进度,在SSC 建造中占有重要地位。     

兰州重离子加速器建成出束

我国第一个大型重离子加速装置——兰州重离子加速器,于1988年12月12日联调成功,引出50MeV/A的_(12)C~( 6)离子束流。 该加速器系统由注入器(SFC)、主加速器(SSC)、8个实验终端和前后束流输运线组成。注入器是一台能量常数K=69的1.7m扇聚焦回旋加速器,     

兰州重离子加速器冷却储存环

 兰州重离子加速器(HIRFL)由用作注入器的扇聚焦回旋加速器(SFC)和分离扇回旋加速器(主加速器SSC)组成,是加速中、低能重离子束流的回旋加速器系统.     

HIRFL与CSR的匹配研究

国家重大科学工程HIRFLCSR冷却储存环计划主环CSRm利用已有的HIRFL作为注入器,为了更好地利用HIRFL加速器的能力,对这两台加速器的匹配在原来的初步考虑的基础上进行了较为详细的研究,提出了分别利用HIRFL自己的注入器SFC单独注入到CSR以及SFC加上主加速器SSC注入到CSR的两套方案,既可以提高HIRFL与CSR的总传输效率,又可以在SFC与CSR联合运行的同时使SSC与另建的小回旋加速器组合加速质子,从而充分提高HIRFL的运行效率.     

HIRFL改造中的加速器物理问题

从加速器运行的角度对兰州重离子加速器 HIRFL建成以来所存在的问题进行了总结 ,结合放射束物理和冷却储存环 CSR对 HIRFL的新要求 ,从加速器的物理设计方面提出了一些改进方案 .主要问题有 :超低能束流传输的空间电荷效应的影响 ,扇聚焦回旋加速器 SFC高频加速电压不对称对束流轨道的影响 ,用半频聚束的方式补偿两台回旋加速器的纵向不匹配 ,前束线上聚束器的工作模式的选取 ,强杂散磁场对超低能和低能束流传输的影响 ,分离扇回旋加速器 SSC注入区过垫补磁场对注入束流轨道的影响 ,SFC和 SSC的单圈引出 ,重离子通过剥离膜后的束流损失和束流品质的变坏等.From the viewpoints of the HIRFL operation and the new requirements to HIRFL by the study of radioactive beam physics and CSR project, the HIRFL upgrading program has been proposed after studying the existing problems found during the operation and new problems when increasing the beam intensιty and ion variety. The accelerator physics problems of the upgrading program were discussed here, which include the space charge effect on the very low energy beam line...     

HIRFL改造中的加速器物理问题

从加速器运行的角度对兰州重离子加速器 HIRFL建成以来所存在的问题进行了总结 ,结合放射束物理和冷却储存环 CSR对 HIRFL的新要求 ,从加速器的物理设计方面提出了一些改进方案 .主要问题有 :超低能束流传输的空间电荷效应的影响 ,扇聚焦回旋加速器 SFC高频加速电压不对称对束流轨道的影响 ,用半频聚束的方式补偿两台回旋加速器的纵向不匹配 ,前束线上聚束器的工作模式的选取 ,强杂散磁场对超低能和低能束流传输的影响 ,分离扇回旋加速器 SSC注入区过垫补磁场对注入束流轨道的影响 ,SFC和 SSC的单圈引出 ,重离子通过剥离膜后的束流损失和束流品质的变坏等.From the viewpoints of the HIRFL operation and the new requirements to HIRFL by the study of radioactive beam physics and CSR project, the HIRFL upgrading program has been proposed after studying the existing problems found during the operation and new problems when increasing the beam intensιty and ion variety. The accelerator physics problems of the upgrading program were discussed here, which include the space charge effect on the very low energy beam line...     

SFC新引出系统的物理设计研究

兰州重离子加速器(HIRFL)是一个回旋加速器组合系统. 它的注入器是K=69的扇聚焦回旋加速器.在十多年运行过程中, 曾做过两次较大的改进, 使加速的束流种类及流强都有了显著的改善.但由于SFC的引出效率比较低, 只有30%左右, 一方面损失了大量束流, 另一方面许多束流损失在引出静电偏转板上, 造成了大量出气, 破坏了真空, 难以维持长期大束流运行. 文章重新对SFC引出系统进行了物理设计研究, 在真实磁场的基础上做了大量计算工作, 得到了一个新的引出 系统方案.     

兰州重离子研究设备(HIRFL)将重点发展的重离子核物理研究和实验区建设的进展

HIRFL 出束后可提供三个能区为重离子物理研究使用(图1)。Ⅰ_0区由SFC 注入器供束,主要进行库仑位垒附近的核反应,原子物理及应用研究;Ⅰ区由SFC 和SSC 联合运行不加剥裂器,主要进行低能重离子物理及应用研究,Ⅱ区由SFC 和SSC 联合运行且加入剥裂器,可进行中能核碰撞研究。装上ECR源后,HIRFL 最高能量大体和图1上GANIL.     

兰州的重离子物理研究

七十年代初,位于甘肃兰州的中国科学院近代物理研究所把原有的一台加速轻离子的经典回旋加速器改装成重离子加速器。1973年,在进行了一系列初步实验后,加速器投入正常运行。十年来在重离子物理的各个方面逐步开展了研究工作。本文将对此做个扼要的介绍。1.5米重离子回旋加速器的能量常数K=57。常用的离子种类、能量和流强等.     

SSC新高频腔设计与分析

简要分析了HIRFL SFC与SSC之间的束流匹配关系, 给出了新高频腔的频率范围。 利用经典三维电磁场数值模拟软件MAFIA对SSC新高频腔体进行了模拟计算, 得出了SSC新高频腔体的相关物理参数, 并对频率范围、Q值、 并联阻抗和电压分布等参数进行了分析。 高频腔体的模拟计算结果完全符合SSC回旋加速器改造的物理设计及空间结构要求。     

兰州重离子加速器

 兰州重离子加速器是由注入器(SFC)和主加速器(SSC)组成的加速系统。离子源产生的重离子束,由注入器预加速,经前束流线传输并匹配到主加速器,在主加速器内加速到最高能量后引出,经后束流线传输到实验终端。 加速后的各种离子束,主要用于重离子核物理研究,例如,用于重离子核反应机制、核结构以及新核素的合成等。另外,重离子束对许多非核科技领域的研究,例如,对材料科学、原子物理学、辐射生物学、辐射医学等领域的研究,已展现出日益广阔的前景。     

HIRFL中的束流纵向运动

 对兰州重离子加速器的两台等时性回旋加速器中的束流纵向运动作了简单分析,主要介绍两条束运线上的几台聚束器的物理设计。超低能束运线SFC轴向注入线上的两台聚束器采用了线性聚束器,并提出了用半频聚束来提高两台回旋加速器的纵向匹配效率的新方法。低能束运线(BL1)上的聚束器采用多工作模式以解决加速粒子和能量范围宽的问题。     

SSC直线注入器RFQ腔体多物理场分析

SSC-LINAC是为兰州重离子研究装置（HIRFL）设计的直线注入器,它将U34+离子加速到1 MeV/u注入到分离扇回旋加速器（SSC）中,为冷却储存环（CSR）提供10 MeV/u的U34+。该注入器可以将SSC引出的重离子流强提高一个量级以上。SSC-LINAC由一个RFQ（Radio Frequency Quadrupole）加速器和4个DTL（drift tube linac）组成,设计频率为53.667 MHz。RFQ工作在连续波模式,设计功率30 kW,如果不能有效地冷却,高频电流在电极表面产生的热量会使RFQ的腔壁和电极发生形变,从而导致腔体频率的漂移以及加速和聚焦电场的改变。因此,为了保证连续波工作的RFQ加速器稳定运行,对水冷模式和通道设计提出了很高的要求。作者用有限元软件ANSYS对RFQ进行高频电磁场、温度场、结构应力的耦合分析,验证了冷却方案设计的可行性和可靠性。Heavy Ion Research Facility at Lanzhou(HIRFL) consists of SFC, SSC, CSRm and CSRe. A new linac injector, which will increase U34+ to 1 MeV/u, is designed for SSC to increase the beam intensity to ten times higher. The new injector, whose frequency is 53.667 MHz, is composed by a RFQ (Radio Frequency Quadrupole) cavity and four DTL(Drift Tube Linac) cavities. The RFQ cavity, whose RF power is 30 kW, is operated at CW(continuous wave) mode. The heat produced by HF (high frequency) electromagnetic will cause deformation of RFQ structure, lead to the resonant frequency shift, and reduce the focusing efficiency of the cavity. An efficient cooling system is necessary to ensure that the RFQ cavity can stably be operated at the nominal frequency. A detailed multi-physics field coupling analysis of RFQ has been finished with 3D finite elements software ANSYS. The result of the analysis shows that the water cooling system can cool the RFQ cavity fully and keep the frequency drift be in a acceptable level.     

回旋加速器中的空间电荷效应和束晕

在考虑束团内粒子之间的空间电荷相互作用力的条件下,对日本理化研究所(RIKEN)现有的一台注入器(加速常数为K70的AVF型回旋加速器)中束团的演变过程进行了模拟计算.模拟结果表明,束团的形变、束晕现象同样发生在回旋加速器中,不过,其产生机制不同于直线加速器.它不是由共振和混沌引起,而是由于粒子的排斥运动和束团内粒子的涡流运动引起的.     

HIRFL–CSR加速器中束流与真空中剩余气体的碰撞损失

研究了重离子加速器中束流与真空中剩余气体的碰撞损失过程和碰撞截面,在依据大量实验数据的基础上,提出了一组计算离子一原子的电荷交换截面的经验公式.以兰州重离子加速器HDRFL及冷却储存环CSR为例,给出了依据碰撞截面的公式计算束流在加速器真空中的传输效率的方法,并计算了在不同真空度下HIRFL的ECR源轴向注入束运线、注入器SFC、前束运线、主加速器SSC和后束运线等不同加速阶段及CSR的传输效率,并提出合理的真空度要求.HIRFL的真空分布测量和束流的损失测量证明了该计算方法的可靠性.     

HIRFL新的束流分配系统

随着CSR的建成和兰州重粒子加速系统(HIRFL)实现质子加速,HIRFL现有的束流传输系统已不能满足越来越多的物理实验对供束时间的要求,为此,对原有的HIRFL的束流输运系统进行了分时供束改造,新的束流分配系统可以在给CSR供束和不供束两种情况下,同时使用SFC和SSC的束流在多个实验终端进行物理实验,介绍了新设计的HIRFL束流分配系统的布局和束流光学计算结果.     

HIRFL注入器PIG离子源的研制

本文介绍了兰州重离子加速器(HIRFL)的注入器(SFC)所用PIG离子源的研制和改进工作,使用新研制的PIG源,已在注人器SFC上获得了5μA的O_(16)~(5+)及10μA的C_(16)~(4+)的离子束。     

100MeV回旋加速器主磁铁设计与工艺技术研究

中国原子能科学研究院目前正在建造一台100MeV强流回旋加速器,它加速负氢离子,通过剥离引出质子束,能量75MeV-100MeV,流强200μA.该回旋加速器的主磁铁为紧凑型整体结构,采用4扇直边叶片,渐变气隙.将报告该磁铁的设计特点,数值模拟结果;磁性材料及成分偏析、缩孔等内部缺陷;机械结构设计、公差、变形;还将描述磁铁的工作进展.     

100MeV回旋加速器主磁铁设计与工艺技术研究

中国原子能科学研究院目前正在建造一台100MeV强流回旋加速器, 它加速负氢离子, 通过剥离引出质子束, 能量75MeV—100MeV, 流强200μA. 该回旋加速器的主磁铁为紧凑型整体结构, 采用4扇直边叶片, 渐变气隙. 将报告该磁铁的设计特点, 数值模拟结果; 磁性材料及成分偏析、缩孔等内部缺陷;机械结构设计、公差、变形;还将描述磁铁的工作进展.