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.     

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...     

基于HIRFL-CSR中剥离器的支束线物理设计

介绍了通过剥离器后不同电荷态的束流在弯曲磁铁中的传输情况,由此引出一种切割束流的方法,在此基础上设计了一条支束线,以实现两个实验终端同时供束,增加供束时间.在束运线设计过程中,根据HIRFL CSR的实际条件,对束流的中心轨迹和束流包络做了详细的计算,给出了束流输运线的几何布局和各个元件的基本物理参数. A new branch beam line downstream of the stripper located between SFC and SSC is designed to collect the beams with the charge states other than the most intensive one. The layout of the branch beam line and the physical parameters for each dipole and quadrupole are given based on careful calculations.     

磁铁边缘场对注入束流的影响

在兰州重离子加速器冷却储存环工程(HIRFL–CSR)实验环的注入设计过程中,通过对束流在侧面边缘场作用下运动的反向数值跟踪,得到注入束流通过二极磁铁和四极透镜边缘场的传输矩阵,并同理想场对束流的作用进行了比较.通过改变注入束流中心轨道及对磁铁的重新设计,将磁铁边缘场对注入束流的影响减小到可以控制的范围.     

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。     

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.     

冷却存储环虚拟加速器的数据交互系统

 介绍了兰州重离子加速器冷却存储环（HIRFL CSR）为重离子治癌而改造的控制系统中的数据交互系统，数据交互系统是CSR虚拟加速器的核心。该系统能实现对256个能量级的束流控制，为以后深层重离子治癌做好准备。系统主要采用Java，COM，Oracle，ARM，DSP，FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制，已达到对束流的控制及束流在不同能量级间的切换控制。该系统已经运行于冷却存储环主环（CSRm）的束流慢引出调试中，性能稳定，能满足物理人员的要求。     

CSR的辐射防护

CSR(cooling storage ring)按计划将于2005年底建成调束,届时从¹²C到²³⁸U的重离子将可以分别被加速到900和400MeV的能量. HIRFL(兰州重离子加速器Heavy Ion Research Facility in Lanzhou)将 用作CSR的注入器. 为了CSR的屏蔽设计,本文利用现有的实验数据计算了由于束流损失产生的中子及其能谱、角分布,同时也估算了屏蔽体外表面的中子剂量、环境中子剂量及天空返照中子剂量. 在源项计算中使用了400MeV/u ¹²C+Cu反应的中子产额、能谱、角分布的实验数据. 计算表明, CSR对环境剂量影响最大的是天空返照中子.     

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。     

一种非拦截式束流强度测量方法的研究

介绍了用圆柱型容性感应探针进行非拦截式束流强度测量的方法。该方法利用测量束流相宽和中心相位的感应探针同时进行束流强度的监测, 以满足HIRFL束流诊断的在线测控要求;说明了采用数字示波器测量束流感应信号并从中提取束团相宽及束流强度等信息的原理。介绍了测量系统装置及虚拟仪器技术在本系统中的应用,并给出了初步实验结果和测量精度的分析。     

软调制双散射质子治疗束流配送系统

质子治疗是一种新兴的放射治疗方法,它的主要优点是剂量分布特性优良,可以使高辐射剂量集中于肿瘤部位,减少对周围正常组织的损伤.这一优点的实现主要依靠束流配送系统,它包含质子能量调节与调制、束流扩展和准直等功能.现提出一种新的软调制双散射质子治疗束流配送系统.其特点是利用程序控制质子能量变化以改变质子在体内的射程从而展宽Bragg峰,同时利用两次散射获得较大面积的均匀照射野.它的优点是运行可靠、调节灵活,并特别有利于实现适形治疗.     

同轴双无衍射光的理论与实验

提出同轴双无衍射光的概念。如果两束汇聚角略有不同的同轴无衍射光同时存在，则它们相互之间叠加干涉后产生一种纵向呈周期变化的光场结构，这是一种新的光束空间分布，这种光束在横向仍是一种同心环光斑，可用于精密对准。而在不同纵向位置，这些同心环的强度分布是不同的，且是周期性变化的。同轴双无衍射光的轴向周期性可用于沿光束传播方向的定位。文中提出了双环缝法、分段圆锥透镜法、正弦相位环光栅法等实现同轴双无衍射光的理论与实验方法，分析了同轴双无衍射光的横向与纵向传播的衍射光斑特性，理论计算与实验测量的结果基本相符合。     

Generation of Nearly Diffraction-Free Beams Using a New Optical System

A new optical system which can efficiently generate the nearly diffraction-free beams is proposed and its characteristics are investigated by numerical analysis. This optical system consists of a new optical element called a DCC (double-concave-cone) lens and an objective lens with a large numerical aperture, and can generate the Bessel beam and also the Bessel-Gauss beam. The maximum propagation distance of nearly diffraction-free beams generated by the system agrees with its theoretical value for the Bessel beam.     

三光束激光干涉光刻的实现方法

分析了多光束空间分布产生的误差对图形的影响,通过计算优化得到三光束产生的干涉图形在整个面内有着更好的图形稳定性。利用氦镉激光光源通过特定的光学系统形成空间分布近似旋转对称的三束光, 对光致抗蚀剂进行干涉曝光,制作出了周期600 nm、高度350 nm的蜂窝状点阵,测量结果表明该系统具有很好的图形重复性和稳定性,同时降低了对于光学光路的精密性要求。     

高功率离子束的应用研究

 给出用“闪光二号”加速器高功率离子束轰击19F靶产生6~7MeV准单能脉冲γ射线的实验结果；提出采用离子束传输法分离和降低轫致辐射干扰的方法，利用闪烁体探测器和半导体探测器，测出质子传输不同距离后轰击C₂F₄靶产生的6~7MeV准单能脉冲γ射线信号以及相比轫致辐射的延迟时间；介绍了模拟材料的软X射线的热 力学效应等方面的高功率离子束的应用，给出一些实验和理论计算结果。     

Trends in polarized targets and beam sources

We review briefly the status and possible new developments of polarized targets and ion sources. Particular emphasis is placed on the new radiation resistant target materials, which withstand beam intensities as high as those tolerated by most detectors, and on the stable atomic hydrogen, which holds promise for the acceleration of polarized proton beams of intensity equal to the unpolarized ones. A brief account is given of suggested novel experiments in sight using the projected new tools of high-energy spin physics; most of these experiments look feasible but ambitious.     

一种新空心光束的理论及实验研究

提出了一种用来描述空心光束的新理论模型——空心高斯光束模型，通过控制光束参数可以方便地调制空心光束黑斑的大小.导出了空心高斯光束经傍轴光学系统的解析传输变换公式.利用导出的公式计算分析了空心高斯光束在自由空间的传输特性.在实验上利用矩阵本征值方法设计了能输出空心高斯光束的光学谐振腔，对实验上得到的空心高斯光束进行了传输特性的研究.结果表明，理论和实验相吻合.该空心高斯光束产生的光势阱为控制冷原子提供了一条新途径. 关键词： 空心高斯光束 光学谐振腔 传输特性     

Strangeness Nuclear Physics at J-PARC

After the big earthquake in the east part of Japan on March 11, 2011, the beams in the hadron experimental hall at J-PARC have been successfully recovered in February, 2012. The experimental program using pion beams is now on-going with the primary proton beam power of ~5 kW. Before a long summer shutdown scheduled in 2013, several experiments in strangeness nuclear physics are going to take data. In this period, we anticipate the beam power would exceed 10 kW and the experiments to use K ^? beams will start. The experimental program is explained briefly.     

产生不同类型局域空心光束的可拆式组合轴棱锥

提出一种产生尺寸可调局域空心光束的新型光学元件——可拆式组合轴棱锥,这种新型光学元件是在传统轴棱锥的中部沿其轴线方向贯通开设一圆孔,在圆孔内嵌设一第二轴棱锥组成。通过更换不同底角的第二轴棱锥(或第一轴棱锥),可形成不同尺寸的单个局域空心光束或周期性局域空心光束。从几何光学出发分析了产生局域空心光束的原理,计算了局域空心光束的相关参量。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件的光强分布特性。几何光学和衍射理论所得分析结果基本吻合。     

强激光与双锥靶作用加速准单能质子束

提出了一种新型的双锥靶结构用于准单能质子束加速。利用二维PIC粒子模拟程序研究了强激光与双锥靶作用加速产生质子束的物理过程以及质子束品质。双锥靶产生的质子束在峰值能量和发散角度等方面都明显优于相同激光条件下单锥靶和平面靶的结果。尤其与平面靶相比,双锥靶质子束的峰值能量提高了5倍以上,而且很好地保持准单能性。一方面双锥靶的内锥部分是临界密度材料,提高了激光的吸收效率;另一方面双锥靶内形成了更强的准静态磁场,可以约束引导更多的超热电子传输过锥尖,进而增强加速质子束的鞘层电场。