空间电荷阻抗和纵向束团定态解

回顾了加速器的阻抗模型 ,讨论了空间电荷阻抗和管道壁阻的高频衰减特性 .从Vlasov Maxwell方程出发提出了当存在类似空间电荷阻抗时 ,在任意外场、任意分布下 ,束团定态分布的一般解法 ,并以两种重要分布为例 ,给出重离子加速器强流参数下的定态分布 .解得的定态分布可以进一步应用于稳定性分析和计算机模拟计算 .由定态分布的求解得出了对束团中的朗道阻尼和稳定性研究非常重要的纵向“色散”函数 .

原子核巨共振温度变化机制

我们利用流体动力学宏观理论与HF微观理论对同位旋标量多极巨共振能量随温度的变化机制做了讨论。首先用流体动力学方法导出了同位旋标量多极巨共振能量随温度变化的一般关系式。公式表明巨共振能量随温度的变化受制于热核体积膨胀和核子平均动能增加两个因素之间的竟争，它们分别使共振能减小和增加。接着又用Skyrme-HF方法得到了核半径系数和核子平均动能随温度变化的关系式。最后得到同位旋标量多极巨共振能量随温度变化的一个简单关系式。体积膨胀和核子平均动能增加这两种因素的影响大体互相抵消，最终导致热核同位旋标量多极巨共振能量基本不随温度变化。我们用Boltzmann-Nordherin-Vlasov方程数值计算和分析了重离子反应中单极巨共振OMR的形成与衰减。为了系统地比较入射能、碰撞参数对不同反应系统GMR的形成与衰减的影响，我们计算了不同条件下不同重离子反应系统的四极矩、动能和单极矩随时间的演化。计算表明，1)GMR能量与入射能和碰撞参数无关，仅仅是核子数的函数。2) 入射能愈大GMR形成稍有提前，GMR振幅也越大但OMR振幅衰减越快GMR消亡越早。3) 碰撞参数越大GMR振幅越小GMR消亡越早。4) GMR在40fm/c左右形成，依照入射能和碰撞参数的不同在200到400fm/c后消亡，入射能愈大或碰撞参数愈大GMR消亡越早。概括地讲，GMR能量是核子数的光滑函数，与入射能或激发能无关；入射能越大GMR振幅越大，GMR形成时间稍早但衰减和消亡更快。我们用经典唯象输运模型和量子输运模型讨论了核系统扩张过程中OQR模式的密度涨落并用它们来模拟系统的集体行为。我们讨论了集体坐标Q与集体动量P的涨落随时间的演化。计算显示集体变量Q的涨落发展主要取决于通过随机驱动力引入的初始统计涨落，统计涨落与量子涨落行为相似。在核系统扩张阶段耗散与涨落机制对于动量分布的影响是重要的。量子涨落在初值中已经存在，对于低温系统，量子涨落所起的作用尤为重要，它能够缩短涨落达到特定值的临界时间，从而在动力学对称性破缺中发挥重要作用。由于量子涨落的作用，处于spinodal状态的核系统将更早地分解。我们也讨论了双核系统GDR的形成与性质，还探讨了GDR宽度随温度变化的机制。

重离子同步加速器SIS中的束团纵向稳定性理论、测量和模拟

本论文中的工作是在德国重离子研究中心（GSI）和中国科学院近代物理研究所的联合培养计划下完成的。论文以GS工的重离子同步加速器SIS为主要研究对象，就其强流运行及为GSI最近批准的新项目而升级的纵向动力学方面进行了研究和探讨。该项工作对于在建的大科学工程兰州重离子储存环HIRFL-CSR有借鉴意义。在GSI的新项目国际重离子、反质子加速器科学研究装置的蓝图中，现有的重离子同步加速器S工S将作为前级提升束流的强度和能量。束团的纵向稳定性是保证可靠的强流运行所必须回答的问题，包括以下内容，在本文中分别进行了探索和解答：纵向的重离子加速器环境阻抗模型；在可能的阻抗条件下束流线性稳定性；在阻尼及不稳定性效应下束流相空间分布的演化行为和结果（发射度增长、粒子丢失等）及其内在机制；对不稳定性和束流相空间稀释效应进行控制的可能性。不同流强下束流纵向相空间测量，这是本论文工作的一个重要基础。自洽的Vlasov束团模型（任意外场加空间电荷效应下的束流匹配）和实际运行中的非理想捕获过程（有限的高频电压上升时间，对应不同的绝热系数），作为任何束团运行和稳定性研究的前提分别在论文中得到了厘清。解析方面的工作包括定态和微扰理论，即将线性Vlasov方程应用于束团，并在适当的近似下得到简洁的解析方程。经过重新推导，得到了修正的Sachrer积分方程，使之在强空间电荷效应下的仍然适用，由此得到了线性稳定图。编写调试成功了PIC（particle-in-cell）算法的模拟程序，和线性理论相互校验，并与己得到的实验结果进行了对比，对实际运行中复杂过程进行了模拟，并研究了不稳定性发展后期非线性阶段。线性理论，模拟和实验结果有很好的一致性。在SIS实验中观察到一种流强相关的束团相干模式演化现象，该现象揭示出束团中朗道阻尼条件，这与束团稳定性密切相关。对空间电荷抑制朗道阻尼效应及发射度增长进行了细致研究。提出用快反馈装置控制相空间稀释的思路。线性理论和模拟的结果都预言，在阻性阻抗和空间电荷阻抗存在下，藕合束不稳定性是515多束团强流运行的潜在威胁。阻性阻抗来自管壁及加速器部件的有效导电性或特殊共振结构，或直接来自频率偏置的高频腔。阻抗补偿或特殊的束团操作可以用来控制桃合束不稳定性。