由等离子体引出强流离子束的光学数值模拟

本文叙述了中性束注入器中的强流离子源引出系统离子束光学性质的数值模拟方法,并给出了典型计算结果。计算结果表明:用这种方法能反映强流离子源引出系统最本质的束光学性质,可供选取和研究强流离子束光学系统之用。     

高能强流负离子束系统束光学特性的数值模拟

基于负离于-中性束注入器中强流负离子束引出与加速系统的特点所建立的数值模拟模型和计算程序,通过数值模拟研究了强流负离子束系统电磁场位形、几何参数、等离子体参数、束流密度和负离子剥离损失对负离子束光学特性的影响。对8电极800keV强流负离子束系统的初步优化结果表明对引出流密度为2lmA·cm-2的H-离子束,当负离子初始温度为0.2eV时,由系统出射的85％束散角可达到0.23°。     

低能辐照离子源的设计及性能

简要介绍了低能辐照离子源的设计及性能。采用热阴极磁约束ＰＩＧ放电，并用两极多孔加减速系统引出离子束。调试结果：离子束能量在２００－２０００ｅＶ范围内可调，最大引出速流１５０ｍＡ，灯丝工作寿命１６０ｈ。     

离子刻蚀用的大面积射频离子束源

离子束技术已广泛应用于电子、材料、光学、医学和生物等多种领域，并取得了可观的技术效果与经济效益，尤其是在光学领域中采用此项技术可制造大刻划面积的全息离子刻蚀光栅，对提高高精度光谱分析仪器的性能具有十分重要的意义。随着技术的发展，对离子束源也提出了更高的要求，诸如：离子束流要求大，要有良好的均匀性，且要有好的离子束的光学品质等。本文介绍的离子束源是由电感耦合等离子体源及其引出系统构成。下面主要介绍电感耦合等离子体源及其引出系统，以及大面积均匀性离子束源的应用前景及其需要解决的关键问题。     

RF离子源引出特性的研究

 为了使RF离子源具有良好的引出特性，测试了吸极几何参数、振荡器板压和引出电压对离子源聚焦度的影响，对实验结果进行了分析。在其它参数不变的情况下，吸极的外径D与内径d之比存在最佳值，增加D/d，有利于过聚焦的离子束恢复聚焦状态。吸极的长度为L，石英套管比吸极长l。当l/D增大时，聚焦度上升，引出束流下降。L/d之比减小时，聚焦度增大。当L/d小于4时，聚焦度增加趋势变缓。综合考虑聚焦度、引出束流和气压，D/d，l/D，L/d适宜的选择范围分别为1.6～2.1，0.7～1.1,4～7。增加振荡器功率会使离子束呈弱聚焦，而增加引出电压会使离子束呈过聚焦。振荡器功率和引出电压都存在最佳值。     

负离子束引出、加速系统的数值计算方法

建立了为辅助设计强流负离子束引出、加速系统进行数值模拟研究的数学模型,简述了数值计算方法。对系统的电、磁场位形进行优化,并给出了300keV、5电极负离子束系统的初步优化结果。     

宽束冷阴极离子源分时中和技术的研究

离子束辅助镀膜沉积过程中,绝缘薄膜表面的电荷积累效应严重影响了薄膜质量。通过对宽束冷阴极离子源引出栅部分的改进,采用分时引出电子和离子方法,使正负电荷中和,以消除薄膜表面的放电现象,并对引出电子束的束流密度、能量、发射角等参数进行了测试。实验结果表明：在引出电压为600V时,电子的平均能量为100eV左右;引出电子束的发射角可以达到±40°,在±15°范围内的束流密度波动小于±5%。引出电子的束流密度较同参数下的离子束流密度小,通过调节脉冲电源的占空比,可达到很好的中和效果。     

大面积负离子束源磁过滤器的设计及实验研究

中性束注入是磁约束核聚变能研究中重要的辅助加热手段。大面积负离子源是中性束注入系统的核心部件。在负离子源工作过程中,负离子的电子结合能非常小(约0.75e V),极易被高能电子破坏。为此需要设计过滤磁场降低电子温度,减少负离子的损失,同时也可以减少伴随引出的电子。根据大面积负离子束源的机械结构,分别设计了永磁体产生过滤磁场和利用等离子体电极(PG)电流产生磁场两种磁过滤器结构;通过有限元算法对产生的过滤磁场进行模拟分析和优化,完成了大面积负离子束源过滤磁场的研制。在负离子束源测试平台开展实验测试,引出区电子温度从5eV降至1eV。这个结果初步验证了大面积负离子束源的过滤磁场的性能,为大面积负离子束源的研制提供了支持。     

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。     

������ƵICP������Դ�������

为了更好地提高引出离子束的均匀性,对离子束刻蚀用矩形射频电感耦合等离子体(ICP)离子束源提出了三种线圈的设计方法,并对这三种线圈激发的电场进行了数值计算和比较。结果表明,直线段式不等距天线和并联多螺旋不等距天线线圈能够产生均匀性良好的电场,且其耦合效率高。     

Commissioning of electron cooling in CSRm

A new generation electron cooler has started operation in the heavy ion synchrotron CSRm which is used to increase the intensity of heavy ions. Transverse cooling of the ion beam after horizontal multi-turn injection allows beam accumulation at the injection energy. After optimization of the accumulation process an intensity increase in a synchrotron pulse by more than one order of magnitude has been achieved. In given accumulation time interval of 10 seconds, 108 particles have been accumulated and accelerated to the final energy. The momentum spread after accumulation and acceleration in the 10-4 range has been demonstrated in six species of ion beams. Primary measurements of accumulation process varying with electron energy, electron beam current, electron beam profile, expansion factor and injection interval have been performed. The lifetimes of ion beams in the presence of electron beams were roughly measured with the help of DCCT signal.     

重离子束在医学治疗中的应用

重离子束治癌是重离子束在医疗领域中的一项典型的应用技术,文章从重离子束在物理学与生物学上的特点,描述了它对肿瘤治疗具有优越性,物理剂量深度分布在射程末端有一个能量沉积集中区,其深度和大小均可调节;在靶区的相对生物效率（RBE）高、氧增比（OER）低;射程歧离与横向散射小;利用正电子发射断层照相（PET）技术术可以实时在线监测;可以三维扫描进行适用形治疗,半致死损伤修复小;辐射敏感性不依赖细胞周期相,文章还介绍了这项技术的国内外进展,并对其未来进行了展望。     

Parametric channeling and collapse of beams of charged particles with internal structure in crystals: 2. Parametric processes during channeling of atomic ions, nuclei, and relativistic electrons in crystals

Features of parametric effects during channeling of atomic ions, nuclei, and relativistic electrons (positrons) in crystals were considered. It was shown that parametric coupling between ion channeling states in the field of crystal axes and planes and electronic states in the ion volume leads to the possibility of “parametric collapse” of the beam, i.e., a decrease in the oscillation amplitude of the atomic ion in the channel due to periodic transfer of the ion oscillation energy to the inner electron of the atom. The same effect can be used to cool beams due to energy transfer to intrinsic nuclear states with low energy levels. It was shown that parametric cooling of beams with a decrease in the transverse energy can also occur during axial channeling of relativistic electron beams. This process results from the parametric coupling between channeling states, which are caused by the particle charge and electron spin states in an effective magnetic field induced in the moving coordinate system.     

碳离子束射程快速验证方法的蒙特卡罗模拟研究

可通过楔形装置把离子束(质子和重离子)纵向上的的深度剂量分布转换成横向上的剂量分布，进行离子束射程的快速测量及验证。本工作通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗模拟平台，模拟计算了不同能量碳离子束在用于制作楔形装置的铜、铝、铁和有机玻璃等材料中的深度剂量分布，得到不同能量碳离子束在不同材料中Bragg峰位所处深度与能量之间的关系；模拟计算了不同能量碳离子束穿越单楔板、双楔板和大小组合楔板等楔形装置后横向上的剂量分布，得到了横向剂量峰值出现位置与碳离子束射程之间的关系。本文蒙特卡罗模拟研究为进一步开发重离子治疗当中的射程快速验证方法与设备奠定了坚实的基础。     

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

Gafchromic® EBT films for ion dosimetry

For dose delivery to patients, scanning ion beams are going to be increasingly used in the upcoming ion beam therapy facilities. Especially carbon ion beams are able to produce steep dose gradients. However, the currently used method for patient dose verification, employing ionization chamber arrays, provides a spatial resolution of 1 cm only. As continuous media, EBT films, widely used in photon therapy, are interesting candidates to be used for this purpose. The EBT film is the ancestor of the currently available EBT2 film. In our contribution two dimensional dosimetry and film response quenching in ion beams were investigated. For a real ¹²C patient plan a good qualitative agreement with the planned dose distribution including a high signal-to-noise ratio and a good resolution in the measured photon-equivalent dose was found. The depth-dose response of EBT films for a ¹²C ion beam shows response quenching, which rises towards the Bragg peak. It was quantified by the relative efficiency determined at different depths. Furthermore, the relative efficiency was measured in monoenergetic proton and carbon ion beams. All the measured efficiencies show no significant dependency on the dose up to the highest measured doses of 6 Gy. However, differences between proton and carbon ions as well as between carbon ion beams of different energies were observed. The measurements reveal, that the use of EBT films for absolute dose verification measurements requires to take the relative efficiency into account, dependent on the ion type and energy.     

重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用

作为一种新型的辐射诱变源, 重离子束在辐射诱变育种中的优越性已经显现。 在此基础上综述了重离子束用于微生物诱变育种的基本原理、 独特优点、 所取得的成果及研究进展, 并对其在新型生物能源开发中的潜力进行了展望。As a new radiation source, heavy ion beams have demonstrated the outstanding advantage in mutation breeding. Based on this background, the basic principal and unique peculiarity of heavy ion beams, the achievement and the progress in the research of microbial mutation breeding are reviewed in the paper. The potential application of heavy ion beams to new biological energy is also prospected.     

强粒子束产生温稠密物质热力学状态估计

基于能量平衡原理,结合SRIM统计方法,以铝靶为例,对重离子束和强电子束产生高温高密度物质所需的束流参数进行估计,分析各自产生温稠密物质的优缺点。结果显示,从电子辐射能损和束流利用观点来看,1~10MeV电子束产生温稠密物质具有较好的均匀性和较高的利用率;而重离子束加载可以获得较宽区域的温稠密物质。