CSR特殊磁铁研制

特殊磁铁主要指用于同步加速器束流的注入和引出系统中的各类磁铁，如切割磁铁、BUMP磁铁、KICKER磁铁等。从结构和用途上来看，特殊磁铁基本属于二极偏转磁铁范畴；与常规的二极磁铁相比，只是在运行模式、磁场分布和好场区位置、杂散场分布、磁铁功能以及磁铁结构和材料等方面具有突出的特殊性。如切割磁铁的好场区要紧贴切割边，而切割边外侧的杂散场要降到主场的千分之一以下；BUMP磁铁和KICKER磁铁的磁场值不高，但要以很快的脉冲方式工作，所以就具有大电流、线圈匝数少的特点。各种特殊的性能要求使得特殊磁铁的设计和制造相当复杂。 HIRFL-CSR工程共有四台切割磁铁、四套BUMP磁铁以及两套KICKER磁铁用于加速器束流的注入和引出系统中。论文介绍了特殊磁铁的选型、材料选取、电磁设计、二维及三维磁场计算、电磁参数计算、冷却计算、结构设计以及工艺设计等磁铁设计的全部过程；另外，对磁铁研制的具体细节以及技术要求、加工制造以及测试结果也作了比较全面的介绍。论文将磁铁的二维及三维磁场计算作为设计和论述的重点；因为就目前的技术水平来说，二维及三维磁场的计算是磁铁设计的主要环节，是磁场优化的主要手段，也是其他主要电磁参数计算的基础。特别是三维磁场的计算结果，是磁铁设计的主要技术依据，是一种仿真度极高且经济实用的模拟过程。一些比较成熟的磁场计算软件，如TOSCA、ANSYS、MAFIA等更是具有人机界面简单、建模方便、计算结果直观可靠等优点。特殊磁铁的磁场计算所用的程序是TOSCA；从文中提供的测试结果看，计算结果与实测值的误差只有 1 %，可见其结果是极其可信的。从测试和运行结果来看，各种特殊磁铁的研制是成功的。特殊磁铁的成功研制为HIRFL-CSR的束流注入和引出提供了硬件基础

HIRFL及CSR中的应用软件设计

加速器技术的发展对计算机软件提出了越来越多的要求，而现代计算机技术的迅猛发展，如网络技术、面向对象编程技术等，以为设计更加完美的计算机软件提供了强有力的工具。本论文以兰州重离子加速器和冷却储存环设计为依托，在综合加速器物理、束流诊断、束流调试经验、数据图形化的设计技术、控制技术等的基础上，开发了几项新的软件，用以在加速器的运行和调束过程中对束流诊断元件的测量结果进行综合分析和对加速器进行较为复杂的控制，以期提高加速器的束流品质、运行效率和磁场测试效率等，同时在某些方面的软件开发技术上填补了我所在这方面的空白。论文中还介绍了加速器应用软件设计相关的理论，包括应用软件特点、发展，面向对象编程技术、网络技术，加速器控制技术发展等；详细地介绍了三个方面的具体设计工作，包括SFC及SSC束流强度测量的软件设计、SFC和SSC等时场优化的软件设计、CSR磁场测量的计算机控制系统设计。这些软件都已用到HIRFL的运行和CSR的研制中，并起到了很好的作用。

HIRFL-CSR主环中束流加速过程的研究及束流反馈环路分析

本文的第一部分对设计中的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的主环(CSRm)中束流的加速运动进行了较为详细的研究和计算机模拟。首先，作为加速运动的理论基础，推导出同步加速器中束流纵向相运动方程，并对纵向运动作了全面的描述。接着分析了加速运动的过程，同时介绍了绝热捕获和绝热同步振荡运动的概念，在此基础上根据两种不同的加速模式分别对主环中束流加速过程进行了计算机模拟，给出了主环在加速期间的高频运行参数，并得到了引出束流在动量散度和相位方向上的分布。最后比较了绝热捕获和非绝热捕获下的加速效率。本文的第二部分，从理论上仔细分析了高频控制系统中的束流反馈环路。在CSR预研阶段，高频控制系统的主振荡器为压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)，由于其频率稳定度一般在1.0%附近，无法达到系统要求在0.1%左右的精度，故采取了束流反馈机制。首先，本文在频率失谐下的相运动方程基础上建立了数学模型，接着推导出系统的传递函数。然后在计算机模拟中，通过数值计算，得到了系统传递函数的仿真结果，并给出了在闭环控制下束流平均闭轨偏移以及频率稳定度随时间变化的曲线。通过模拟结果表明，束流反馈环路能保证高频系统所要求的频率稳定精度，这为CSR高频控制系统的设计提供了理论依据。

CSR束流输运系统

国家重大科学工程兰州重离了冷却储存环（HIRFL-CSR）正在兴建当中，本文对其中的束流输运系统进行了详细的光学设计及束流动力学研究。低能束运线传输来自分离扇回旋加速器的束流并匹配注入CSR主环。高能束运线连接着主环和实验环，它的中间一段是放射性次级束流线，设计最大磁刚度为10.64Tm。经过细致的三阶像差校正后，次级束流线的实际动量分辨本领为1200。在研究过程中，用李代数方法证明了一般的四极磁铁在孔径增加时三阶像差反而减小。高能束线有两个分支，分别给物理实验提供高品质的初级束和中高能放射性次级束。另外还设计了一条特殊的束运线，它是基于圆形束方法和能动扫描方案的旋转机架，用重离子（3 < Z < 10）治疗人体深部的肿瘤，并对各种机架的结构进行了比较。最后，讨论了磁铁的误差影响，并简要介绍了束流线的诊断系统。

CSR Web站点与网络数据库建设

本文介绍计算机网络、数据库系统、网络安全和Intranet的基本原理与相关的理论知识：并阐述在此基础上建立CSR系统的站点，CSR web数据库建立过程。相关的工作包括web数据库，文件上传，动态文章新闻更新管理系统、web文件管理系统。本文着生阐述了网站建设的技术细节，web数据库在CSR系统中的应用，文件上传及在线管理。

HIRFL－CSR辐射防护设计

本报告介绍了在兰州重离子加速器冷却储存环的辐射防护中所作的一些工作，重点讨论了重离子核反应次级中子辐射场的确定，辐射屏蔽计算、设计，安全联锁系统、辐射监测系统的设计等。对能量不是很高的重离子加速器来说，辐射防护的主要问题来自于重离子核反应产生的中子，其它如γ射线、μ子等与中子相比均可忽略不计。然而由于种种原因，重离子核反应出射中子的实验数据还很缺乏，很难找到现成的数据用于辐射防护设计。在本报告中，采用了不同的方法来估算CSR的次级中子辐射场，并采用偏保守的数据作为辐射防护设计与环境影响分析的基础。实验和理论计算均表明，重离子核反应产生的中子包括两种成分，一种是具有强烈前冲分布的高能中子，另一种是更趋向于各向同性分布的低能中子。屏蔽体外的剂量主要取决于前者，而后者是造成空气、冷却水和屏蔽体活化的主要因素。根据重离子核反应的这种特点，在屏蔽设计中采用整体屏蔽和局部屏蔽相结合的方式，用尽可能少的经费来达到辐射防护的要求。重离子加速器产生的感生放射性除了受到初级束直接照射的靶、加速器部件外，其比放射性一般都是很低的。对于象CSR这样高能量的重离子加速器来说，产生的放射性核素种类是非常多的。然而，考虑到反应截面、半衰期、母核丰度等种种因索，只有几种核素需要特别重视。计算表明，CSR的感生放射性问题并不严重，它对工作人员和环境的影响是很小的。对靶、法拉第筒等受到初级束直接照射的高比放射性物质，由于其量很少，可以严密封装后妥善处置。从已有的加速器运行经验来看，加速器产生的辐射事故主要是工作人员在加速器开机时误入高辐射区内，或是操作人员在加速器区内尚有人时就开机。为了杜绝这类事故，除了建立健全规章制度外，还必须采取安全联锁的办法，使得工作人员在加速器运行时“不能”而不是“不许”进入高辐射区内。为了达到这一目的，在安全联锁中采用了“冗余”、多重联锁的设计思想，来保证工作人员的安全。辐射防护是一项关系到工作人员人身安全，减少射线对环境造成危害的工作，它在放射性装置的设计中是必不可少的。然而，仅仅依靠合理的辐射防护设计是不够的，必须对员工进行安全培训，牢牢竖立安全第一的思想，才能彻底杜绝辐射事故的发生，保障工作人员生命财产的安全。

HIRFL与HIRFL－CSR中子辐射源项的研究

为适应我所重离子加速器、特别是在建的HIRFL-CSR辐射防护工作的需要，本文计算了100、600、900MeV/u的~(12)C离子轰击Cu厚靶出射的中子能谱；为了用现有的实验数据验证本文所采用方法的效能，也计算了800MeV/u的Si和400MeV/u的Ar轰击Cu厚靶出射的中子能谱。主要采用的方法是：采用蒙特卡罗方法模拟计算入射粒子在厚靶中的能损、发生核反应时的动能及相应的几率；QMD程序计算出各个能量的薄靶的出射中子的双微分截面；根据在厚靶中入射离子发生核反应的能量、概率和出射的中子双微面计算出厚靶核反应中子产额。根据与实验值的比较，指出如假设参加核反应的入射离子初次轰击完靶后，保持核的完整性及初次核反应速度继续在靶的剩余部分中飞行，并如初始入射离子一样模拟计算其轰击靶时的动能和概率，可以提高其与实验值相符的程度。从辐射防护剂量学所允许的误差来看，所采用的方法的可行的，得出的结果是可用的。

CSR中束流变压器的分析设计及射频堆积计算机模拟程序

兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR），作为一个新型加速器，对监控它运行的探测器性能提出了新的要求，研制新型、高精度、高性能的探测器是CSR建立的必然要求。我们为它设计了两种基于二次电子的飞行时间探测器。该探测器具有极好的时间分辨、非常少的能损和多重散射。特别在超重粒子的合成试验中，探测超重粒子非常合适。本论文包括四个章节。第一章综述了飞行时间探测器技术，简单介绍了RIBLL的飞行时间系统和CSR的飞行时间系统以及测量飞行时间的基本原理；并简单介绍了CSR束流诊断系统束流诊断元件的分布、种类及参数和本论文的研究工作及意义。第二章是和本论文飞行时间探测器有关的一些知识。简要阐述了二次电子发射原理；并对探测器用到的主要放大元件微通道板作了详细介绍。第三章和第四章详细论述了研制的两种基于二次电子的飞行时间探测器。它们分别采用电场和磁场将二次电子偏转到微通道板上放大来得到时间信号。详细介绍了探测器的结构、参数；并测量了它们的时间分辨。此外，还研制了一种非拦截式的束流诊断元件一一容性相位探针，包括探针的结构及测试结果。

关系数据库在CSR准直安装中的应用及CSR测量控制网的设计

国家“九五”重大科学工程项目一兰州重离子加速器冷却储存环工程 CIRFL－CSR），其准直安装由于所涉及的范围大，对元件的定位精度要求极高，所以难度很大．针对工程的特殊要求和具体情况，我们在HIRFL－CSR的准直安装中采取了一系列新的方法和仪器．其中包括建立测量控制网，使用激光跟踪仪进行测量和安装定位．本论文主要介绍了HIRFL－CSR的准直安装的总体方案佩介绍了SMX4500型激光跟踪仪的特点和主要功能佩结合激光跟踪仪的特点，建立了CSR准直安装数据库系统；测量控制网的设计．结合工程的具体特点和仪器的功能，我们拟定了“分层建网，逐段控制”的建网方案．分别设计了CSRm, CSRer前注入线，RIB II各个部分的控制网，以及全局控制网．控制网图用AUTOCAD2000直接在相应的工程图上绘出，再将控制网参数输入到NASEW95中进行平差计算．并且编写了从AUTOCAD2000到NASEW95的数据交换程序，实现了数据交换的自动化．在控制网设计的过程中，采用了方便高效的“自由设站”的方法，和传统的方法相比，用较小的工作量，获得了更多的参加平差的网点．另外，采用了一种特殊形式的闭合延伸导线延伸网，使环上的控制网点的数量减少一半以上，而精度却有所增加。根据激光跟踪仪的特点，建立了一个关系数据库系统，并编写了其前端应用程序，实现了HIRFL－CSR准直安装过程中的数据存储，坐标转换，以及必要的文件格式转换等功能．对于安装定位，采取以下措施：分别建立元件坐标系，局部坐标系和全局坐标系，然后用坐标转换的方法，将不可见的元件磁中心的局部坐标值，转化为安装定位时可用的靶标座的局部坐标值，最后用激光跟踪仪进行安装定位．在安装定位过程中，由于激光跟踪仪可同时监测靶标点的X，Y，Z坐标，所以元件的平面坐标值(X, Y)和竖直方向的坐标值（Z）可同时考虑，一次调整完．改变了传统的准直过程中的元件的水平和平面位置分两次调整的方法．

CSR切割磁铁研制

切割磁铁主要用于加速器束流的注入和引出系统中。从结构和用途上来看，切割磁铁是一种特殊的二极偏转磁铁；与常规的二极磁铁相比，它有结构复杂、好场区位置特殊、杂散磁场低、运行条件苛刻等特点。特别是切割磁铁的切割边，设计和制造相当复杂，它是屏蔽杂散磁场、得到理想磁场分布的决定因素；另外，为了便于真空管道的烘烤，防止烘烤真空管道时烧坏磁铁线圈，切割磁铁还必须有一套调节灵活、复位方便的传动机构。HIRFL-CSR工程共有四台切割磁铁用于加速器束流的注入和引出系统中。论文介绍了切割磁铁的选型、切割磁铁样机的电磁设计、二维磁场计算、结构设计以及工艺设计等磁铁设计的全部过程；另外，对切割磁铁样机总体的以及主要部件的技术要求、加工以及测试结果也作了比较全面的介绍。论文详细介绍了切割磁铁样机的二维磁场的计算；因为就目前的技术水平来说，二维磁场的计算是磁铁设计的主要环节，是磁场优化的主要手段；特别是二维磁场的计算结果，是磁铁设计的主要技术依据，是一种经济实用的模拟过程。一些比较成熟的场计算软件，如TOSCA、ANSYS|、MAFIA等更是具有人机界面简单、建模方便、计算结果直观可靠等优点。切割磁铁的磁场计算所用的程序是TOSCA；从文中提供的测试结果看，计算结果与实测值的误差只有1％，可见其结果是极其可信的。样机的成功研制为切割磁铁的设计和加工积累了经验。

HIRFL-CSR超高真空烘烤系统的设计及建造

为了满足兰州重离子加速器冷却储存环6×10-9Pa的真空度要求，必须建立温度在200-300℃、控制良好的在线烘烤系统。HIRFL-CsR真空系统是一个超大型超高真空系统，系统全长50Om，总内表面积263m2（不包括装入真空室的其它元件），系统由500多个非标加工件构成，同时和磁铁、电子冷却、高频、高压静电等设备相连。本论文主要从烘烤温度确定、热电偶、加热及绝热套、功率计算及分布、烘烤控制、样机测试结果等几个方面介绍了兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）超高真空烘烤系统。用理论和实验的办法分析了烘烤对系统中残余气体成分的显著影响：研制了功率分布均匀、安装拆卸方便的烘烤夹克，尤其研制新型纳米粉绝热材料，测定了其绝热性能；在国内储存环系统中，首次应用计算机控制烘烤全过程，实现了安全、省力的运行。

用于RIBLL和CSR的气体探测的研制

气体探测器是历史最悠久的核探测器之一气体探测器具有成本低廉、制备简单、性能可靠和使用方便等特点。而且气体探测器的形状和尺寸可任意设计，厚度可随气体气压的变化而改变，适合做大面积位置灵敏、大立本角探测和有较宽的动态测量范围。所以气体探测器在各自的应用范围内发挥着巨大的作用。在兰州放射性束流线（RIBLL）上开展次级束实验的过程中，束流的定位和发散度测定都是非常重要的。我们研制了两种高性能的双维位置灵勘平行板雪崩计数器（PPAC），一种为传统的三个极板结构，另外一种为五个极板的多极结构，分别适用于较重粒子和轻粒子的位置测量。对于五个极板的多极结构的探测器，灵敏面积为100mm×100mm，采用电荷分除法读出位置，我们用3组分α源测试，工作气体选用异丁烷。测试在6.5mb气压下，位置分辨为0.55mm（FWHM），探测效率大于99.2％，位置离散小于士0.2mm。一系列的性能指标都达到了同类探测器的最好水平。该探测器和以前研制的三极板PPAC的性能均已满足RIBLL的要求，将会用作RIBLL重要的束诊元件和位置探测器。同时改进后还能在即将建成的兰州重离子加速器冷却存储环（HIRFL-CSR）上的束流诊断过程中发挥重要的作用。同时，为在RIBLL上开展超重元素和超重核素的合成实验研制了一种多阳极横向场气体电离室（MAIC）。在100mbP10气体下，对应第四块大灵敏区域，5.806MeV~(244)Cm的α粒子的能量损失为1.30MeV，得出该探测器的能量分辨为41.1keV（FwHM），相对分辨为3.16％。该探测器适合于较重粒子的鉴别，性能指标已经满足RIBLL鉴glI灼子的要求。

嵌入式技术在CSR控制系统中的应用

加速器控制系统的前端控制服务器系统的实现方案已经有很多，但随着电子技术的发展，特别是嵌入式技术的发展，又有很多新的性能更高，成本更低，实现更简单的力一案产生。值CSR控制系统的新建和HIRFL控制系统的改造之机，本文在总结前人技术的基础上，提出了一科，采用嵌入式技术实现前端控制服务器系统的新型方案。本文首先简要地介绍了CSR控制系统的基本思想和前端控制服务器系统，引出前端控制服务器系统的嵌入式技术实现方案。然后对CSR控制系统的被控对象，目前现场总线的发展和嵌入式技术的最新进展进行了一些分析，找到CSR控制系统中前端控制服务器系统的嵌入式技术方案的最佳实现方法，即采用嵌入式网关将RS-485总线接入以太网的方案。接下来就着重论述了基于RS-485总线的一些关键的嵌入式模块的研制，比如数字1／0模块，ADC模块，高精度ADC模块，嵌入式网关模块等等。通过这些模块的研制和测试成功，我们可以根据需要，选择适当的模块，搭建各个前端控制服务器系统的子系统。实践证明，这种采用嵌入式网关将RS-485总线接入以太网的技术去构建前端控制服务器系统的实现方法是可行的，该方案在性能、降低成本、集成度、稳定性、网络化等方面都有显著的提高。可以预见，随着嵌入式技术的发展，我们的控制方案会越来越完善。

新的SFC轴向注入系统及SFC-CSR匹配的设计研究

兰州重粒子加速系统（HIRFFL）是由注入器SFC（螺旋型扇聚焦加速器）和主加速器SSC（分离扇聚焦加速器）组成。注入器SFC使用外离子源轴向注入方法，注入从ECR离子源引出的低能高电荷态重离子束流。由于空间电荷效应、SFC杂散磁场及二极铁B02等的影响，SFC轴向注入系统的效率一直不高。近几年来，随着放射性束物理更广泛深入的开展，特别是正在建造的兰州重离子加速器冷却储存环（HRIFL-CSR）和超重核素合成的开展，SFC引出的束流强度很难满足其对束流强度的要求。而且，在SFC直接作为CSR前级注入器时，其引出的束流品质也无法满足CSR接收度的要求。为此，本文通过对SFC轴向注入系统的改进以及对SFC引出束流发射度的制备来研究提高SFC引出束流强度以及SFC直接作为CSR前级注入器时提高CSR注入效率的可行性和有效性。SFC轴向注入系统的改进设计物理思想是短线（即可能短的输运线）、束流中心化好、包络小、整个系统的容纳度大及六维相空间匹配传输等。通过有效地减小了杂散场及空间电荷效应等的影响，提高整个系统的容纳度，同时，设计一个较完善的六维相空间匹配系统，并尽可能的减小注入元件中横向相空间的藕合所造成的横向发射度的增大以达到提高注入效率的目的。论文首先束流传输理论和空间电荷效应的有关理论，然后对组成该系统的聚束器，螺线静电偏转器和轴向注入束流线的设计研究作了比较详细的描述。设计研究的结果表明，改进SFC轴向注入系统是可行的，也是有效的。与现在使用的轴向注入系统相比，束流注入效率可以提高1倍左右，束流调试时间也可有效缩短。SFC引出束流的制备原理是将SFC引出的轻的重离子束（C-Ar）采用前束线上的聚束器NBI对SFC引出束流纵向才巨空间进行调制，用后束线上的三狭缝系统对束流的横向相空间进行限制、从而改变束流的6维相空间的体积和形状，提高束流的品质，使其尽可能达到CSRm对注入束流的要求（能散要求和发射度要求）。计算表明，经过制备后的束流大部分都能满足CSR对束流品质的要求，提高了注入CSR的束流强度。该设计研究仅仅作为提高SFC的束流强度及SFC-CSR束流匹配的一个初步方案，其设计和计算正在进一步深入进行。

CSR二极磁铁的积分测量

磁场测量在加速器建造过程中有着至关重要的作用，本文先论述了磁场测量的一般方法，然后较详细的介绍了二极磁铁积分测量的基本原理，讲述这些的目的是为建立一套自动化的积分测量系统提供理论依据。测量系统建立起来后将用于CSR环上二极磁铁的积分测量，其工作原理是通过测量积分长线圈横截面上磁通量的变化来测量二极铁的磁场分布情况。因此文中较详细的介绍了系统的硬件设备及设备间的连接，描述了自动化控制的具体实现步骤。同时根据磁场测量的要求，详细的介绍了具体的测量过程及数据处理方法。通过对不同测量方法的比较及不同时间内测量结果的比较来论证这套测量系统的稳定性及可靠性，以此证明这套积分测量系统完全可以用于CSR环上二极磁铁的积分测量工作。已经测量了CSR主环注入线上的5台C型偏转二极铁，通过对励磁效率及磁场相对分布等情况的测量来显示磁铁的动态跟踪特性、磁场分布情况以及垫补对磁场的改善效果等。文章中还简要地介绍了两种垫补磁场的方法－一极头内置垫补线圈及极头削斜，这两种垫补磁场的方法都可以明显地降低六极量，改善磁场分布。同时，通过对不同测量方法的比较及测量结果与计算值之间的比较，进一步检验了积分测量的准确性。最后，对现有的测量设施提出了一些在硬件及软件上的改进措施。