谈回旋加速器中带电粒子在磁场中运动轨迹的间距问题

我们都知道回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,带电粒子在两个D型盒间的交变电场中做加速运动,在D型盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动,各种教材都给出了带电粒子在回旋加速器中运动的图示.笔者研究了各种教材中所画的图示(图1).发     

迥旋加速器离子束的脈冲调制

使用回旋加速器离子束的脉冲调制,可以扩大加速器的物理应用范围。最早在回旋加速器上离子束的脉冲调制是采用脉冲调制D形盒电压的方法,这种调制只能用于较长的脉冲宽度、较低的重复频率。以后,采用了脉冲调制离子源电弧和调制D形盒高频电压相结合的方法,成为到目前为止回旋加速器离子束脉冲调制的常用方法。在我国1.2米回旋加速器上采用了这种方法。在靶上得到的离子束宽度可以达到～1—2微秒,重复频率～0.2—1000周。下面我们将这部分工作作一简单介绍。     

限制回旋加速器中粒子最大能量的几个因素

从回旋加速器的基本原理出发,分析了限制粒子最大能量的几个因素,即D形盒半径和磁感应强度大小、加速极板之间的间距和加速电压、狭义相对论效应导致的粒子质量变化.并通过实际加速器的数据,分析和比较了在这几个因素独立影响下,粒子最大能量的数量级.     

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。     

普物教材中的一个插图

目前我国《普通物理学》教材的几个通用版本[1],[2],[3],[4],在阐述回旋加速器时所用插图,都是把带电粒子在两个D形电极内加速回旋时的两相邻圆轨道半径增量△R,看成是恒量而绘制的.其实粒子圆轨道半径的增量△R不是恒量,而是随着粒子加速次数n的增加而递减的变量.因此它的加速运行轨道应如图所示. 设一质量为m的粒子,经第n次加速后的回旋半径和速度分别为Rn和vn,则两相邻圆轨道的半径增量△R应为式中B为回旋加速器给定的磁感强度,e为粒子电量.显然,(1)式右端的分子,正是粒子经第n次加速后的动量变化.它应为 th(。一,.l)。F’t。 (2式中…     

等时性迥旋加速器中的不等时现象

本文研究了等时性迴旋加速器中,自由振荡对粒子线圈频率的影响。获得了粒子线圈频率与自由振荡振幅的依赖关系。对电子计算机计算结果的分析表明,这种不等时现象主要是由于沿径向增长的平均磁场作用引起的,而周期性调变磁场的影响可以被忽略。在本文中也指出了由于这一效应的存在,D盒间最低加速电压必需增加。     

强流回旋加速器综合试验装置的磁场测量与垫补

强流回旋加速器综合试验装置的主体是一台紧凑型回旋加速器,加速器主磁铁材料的不均匀性,磁铁加工和安装的非理想因素将引起中心平面的磁场的非理想分布,因此有必要对其中心平面的磁场进行测量和垫补.本文主要讲述该综合试验装置的霍尔感应磁场测量系统的设计和使用;通过磁场测量数据分析进行镶条的再加工,最终实现对等时性磁场和束流的纵向聚焦的垫补;研究与实践了一种对磁场一次谐波进行垫补的方法,垫补的结果满足了设计的要求.     

HIRFL-SFC采用平顶波加速的模拟研究

近代物理研究所针对改善兰州重离子加速装置注入器(HIRFL-SFC)引出束流的品质,将主要考虑改进高频系统以提高Dee盒的加速电压、增加一个相位狭缝和采用平顶波加速等。其中采用平顶波加速可以有效地减小扇形聚焦回旋加速器(SFC)引出束流的能散并且提高其自身的传输效率。采用回旋加速器束流模拟程序AGORA对SFC进行模拟计算,并比较有无平顶波加速系统下束流品质的变化。结果表明,采用平顶波加速后,SFC的引出束流能散明显减小,而且在引出偏转板入口处束流的径向尺寸及圈间距满足单圈引出的条件。     

回旋加速器示教模型制作

加速器是研究高能物理,揭开原子核内幕的工具。统编教材高中物理第二册第三章第八节的回旋加速器就是其中的一种。为了使学生对回旋加速器的构造和工作原理有深刻的理解,结合物理教学,我们自行设计制作了一个回旋加速器示教模型。该模型能自动形象地说明回旋加速器中带电粒子被磁场回旋和在电场中多次加速的物理过程。在教学中收到了良好的效果。现将制作方法介绍如下: 一、带电粒子回旋轨道的制作 1.固定板:用一块65cm×42cm(尺寸大小也可不限)的木板。按图1锯成螺旋     

强流回旋加速器综合试验装置的磁场测量与垫补

强流回旋加速器综合试验装置的主体是一台紧凑型回旋加速器, 加速器主磁铁材料的不均匀性, 磁铁加工和安装的非理想因素将引起中心平面的磁场的非理想分布, 因此有必要对其中心平面的磁场进行测量和垫补. 本文主要讲述该综合试验装置的霍尔感应磁场测量系统的设计和使用;通过磁场测量数据分析进行镶条的再加工, 最终实现对等时性磁场和束流的纵向聚焦的垫补;研究与实践了一种对磁场一次谐波进行垫补的方法, 垫补的结果满足了设计的要求.     

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...     

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.     

上海光源增强器动态升能过程分析

上海光源增强器采用FODO型磁聚焦结构, 由28个FODO单元组成, 周长180m, 可将直线加速器引出的100MeV的电子束加速至3.5GeV, 用于储存环的注入, 重复频率为2Hz. 增强器的动态升能过程将直接影响到储存环的注入效率. 报告上海光源增强器动态升能过程中磁铁磁场、高频电压的上升过程、涡流效应及影响以及束流参数的变化等.     

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,     

两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制

利用自编1D3V PIC程序,数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程,给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明:不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程,使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果;横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中,电子半个周期被推离介质表面（不发生次级电子倍增）,半个周期被推回介质表面（降低电子碰撞能量）的作用机理,达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下,电子回旋同步加速导致回旋半径增大,电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易,但对磁场要求较高;横向外加磁场需要磁场较低,但加载较为困难。     

同轴回旋自谐振脉塞放大器的线性分析

 从同轴回旋自谐振脉塞(CARM)放大器的回旋动力学理论入手,详细分析了各参量对同轴CARM放大器的线性增益的影响。通过数值模拟,发现该器件的线性增益对及对同轴波导的外半径、电子导引中心半径以及加速电压的变化非常敏感,而随波导内半径的变化不敏感。经优化,当外半径为3.805 cm,导引中心半径为1.309 cm,内半径为1.039 cm,加速电压为54.9 kV时,器件的线性增益最高为294.96 dB/m。     

基于虚拟样机的回旋加速器主磁铁设计与修正

 磁铁设计对于等时性回旋加速器极为关键。磁场分布需要满足粒子等时性加速和粒子径向、轴向聚集要求,同时避免危险的横向共振。提出了一种计算机辅助的自动化磁铁设计、建模和修正的方法,该方法在基于Python混合编程的虚拟样机集成设计环境中实现。详细描述了利用3维电磁场仿真软件TOSCA和自主开发的粒子束跟踪软件PTP对磁铁的优化过程,并给出了一个16 MeV负氢紧凑型回旋加速器的主磁铁设计实例。     

加速器高频D电路Q值的计算与测量

 介绍了回旋加速器高频单D型盒D电路Q值的计算与测量方法。重点对Q值的理论计算进行推导，并对计算原理进行说明。然后对计算结果和测量结果进行比较。得出的计算和测量结果基本吻合。误差产生的主要原因是计算过程中的近似和短路片接触电阻的取值，其中短路片接触电阻是一个重要因素，在设计腔体时应引起足够的重视。