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的束流品质

HIRFL兰州重离子研究装置(HIRFL)包括一台能量常数K=69的扇聚焦回旋加速器(SFC)作为注入器,和一台能量常数K=450的分离扇回旋加速器(SSC)作为主加速器。SFC 和SSC 之间有60米的前束流线(L_1)相连,沿L_1装有1个剥离器和2个聚束器.束流从SSC通过后束流线(L_2)被引导到实验大厅........     

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.     

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,     

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...     

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。     

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.     

美国的超导超级对撞机

 1989年9月7日上午,美国参、众两院举行会议,表决通过了建造美国历史上最大的加速器--超导超级对撞机（Superconducting Super Collider,即SSC）的决定.这台加速器,是周长87公里的质子-质子对撞机,质心系能量40TeV(1TeV=10¹²电子伏),建造在德克萨斯州达拉斯市南郊农场地下50米左右,耗资60亿美元,由美国能源部领导,SSC实验室（命名为罗纳德·里根高能物理实验室,实验室主任为R·Schwitters）负责,在1998年建成.     

仁科芳雄（Nicina，Yeocio，1890-1951）日本物理学家（Physicist，Japan）

邮票N10是日本1990年为纪念仁科芳雄诞生100周年、日本第一台回旋加速器动转50周年和放射性同位素在日本应用50周年而发行的。仁科芳雄是长冈半太郎的学生，他建造了日本第一台回旋加速器，所用的是劳伦斯的图纸。日本的放射性同位素首先是在他这台回旋加速器上生产出来的。他在量子电动力学中也有贡献，有计算自由电子的康普顿散射截面的克莱因一仁科芳雄公式。仁科芳雄的理化研究所对日本科学的发展产生过很大的影响，大部分杰出的日本物理学家都和仁科芳雄学派有关系。     

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.     

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.     

HIRFL 高频相位与幅度稳定系统

介绍了兰州重离子研究装置(HIRFL) 主回旋加速器(SSC) 高频系统高频电压的相位稳定与幅度稳定系统,重点介绍了设备的组成和稳定环路设计以及正交变换与稳定环路滤波器的设计方法。通过在SSC 腔体上进行的长期的现场测试,得到了调制抑制度与长期稳定度的测试方法,并对结果进行了分析。其中,设备的长期相位稳定度达到0:014°,长期幅度稳定度达到1.29x10-4,远高于改造前的指标。The phase and amplitude stabilization system of high-frequency voltage on the main cyclotron SSC of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) is introduced. The system composition, negative feedback loop design and other important aspects about the development of the system are particularly presented in this paper. Designing method of digital PLL orthogonal transformation and loop filter of phase and amplitude stabilization are introduced in detail. Control systems of SSC have been tested through a long-term stability experiments, the test method of the parasitic modulation suppression and stabilization in long term is proposed. According to the analyzing data, it shows that phase control accuracy in long term is within 0:014° and the amplitude deviation in long term is lower than 1.29x10-4. Compared with the traditional system, its capability and target is much better.     

我国第一台回旋加速器主磁铁景观竣工

我国第一台回旋加速器主磁铁景观工程于2007年7月27日竣工验收。我国第一台回旋加速器于1958年在中国原子能科学研究院建成,与我国第一台重水反应堆并称为“一堆一器”,是我国步入原子能时代的标志。它曾连续运行30年,为我国低能核物理基础与应用研究做出了历史性贡献,培养了大     

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.     

超导超级对撞机(SSC)物理

 近几年来,人们经常谈论美国正在建造一台超导超级对撞机(简称SSC)的问题.它的预算造价为82.49亿美元,历时十年(1989-1999),周长87公里,占地69平方公里.其规模和造价都是空前的.美国政府和能源部正通过各种途径寻找国际合作的可能性来完成这一庞大的高能物理工程.去年五月中旬在北京召开的亚洲、太平洋地区的SSC国际合作会议就是在这一背景下召开的.人们不禁要问为什么要建造这样昂贵的高能加速器?超导超级对撞机对物理学发展会起到什么作用?本文试图从物理角度来分析和回答上述问题.     

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.     

小型回旋加速器全自动化磁场测量和精密垫补平台研制

针对核医学诊疗对PET医用放射性核素的需求,中国原子能科学研究院正在开展PET医用小型回旋加速器的产业化研究。磁场测量和垫补是回旋加速器生产中的必经环节,小型回旋加速器结构紧凑实现磁场测量仪的全自动化控制是一个难点,解决常规垫补方法加工成本高和周期长的问题是产业化生产的关键。本文详细介绍小型回旋加速器全自动化磁场测量和精密垫补平台的研制,通过多台小型回旋加速器的磁场测量和垫补实践,发展一套快速磁场测量和垫补流程,实现全自动化测量方法缩短磁场测量周期,采用精密垫补算法减少垫补次数。在保证磁场测量和垫补工作高效高质量完成的条件下,极大降低了时间和加工成本,为小型回旋加速器的产业化生产打下基础。目前,中国原子能科学研究院已经完成多台小型回旋加速器的商业化落地。