A new axial injection beam line of the SFC

A new axial beam injection system is designed and being constructed at the HIRFL. It consists of 2 GLASSER lenses, 1 dipole, 5 quadrupoles and 3 solenoids. There are two beam line branches for 14.5GHz ECR ion source and 18.5GHz super conducting ECR ion source. Both transverse and longitudinal beam optics are improved in contrast with the old one. The layout, beam optics calculation results and further improved design are given.

Intense beam production of highly charged heavy ions by the superconducting electron cyclotron resonance ion source SECRAL (invited)

There has been increasing demand to provide higher beam intensity and high enough beam energy for heavy ion accelerator and some other applications, which has driven electron cyclotron resonance (ECR) ion source to produce higher charge state ions with higher beam intensity. One of development trends for highly charged ECR ion source is to build new generation ECR sources by utilization of superconducting magnet technology. SECRAL (superconducting ECR ion source with advanced design in Lanzhou) was successfully built to produce intense beams of highly charged ion for Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL). The ion source has been optimized to be operated at 28 GHz for its maximum performance. The superconducting magnet confinement configuration of the ion source consists of three axial solenoid coils and six sextupole coils with a cold iron structure as field booster and clamping. An innovative design of SECRAL is that the three axial solenoid coils are located inside of the sextupole bore in order to reduce the interaction forces between the sextupole coils and the solenoid coils. For 28 GHz operation, the magnet assembly can produce peak mirror fields on axis of 3.6 T at injection, 2.2 T at extraction, and a radial sextupole field of 2.0 T at plasma chamber wall. During the commissioning phase at 18 GHz with a stainless steel chamber, tests with various gases and some metals have been conducted with microwave power less than 3.5 kW by two 18 GHz rf generators. It demonstrates the performance is very promising. Some record ion beam intensities have been produced, for instance, 810 e mu A of O7+, 505 e mu A of Xe20+ 306 e mu A of Xe27+, and so on. The effect of the magnetic field configuration on the ion source performance has been studied experimentally. SECRAL has been put into operation to provide highly charged ion beams for HIRFL facility since May 2007.

一维位置灵敏法拉第筒的数据获取系统

简要介绍兰州重离子加速器国家实验室320 kV高压ECR实验平台原子分子物理终端上使用的一维位置灵敏法拉第筒的数据获取系统。该系统硬件由64通道电流/电压转换放大器和PCI-6224数据采集卡构成,并通过编写LabVIEW程序,实现数据的准确、同步、实时与高速采集。经验证,该获取系统简单易用,可靠性高,完全符合设计要求。

New development of advanced superconducting electron cyclotron resonance ion source SECRAL (invited)

Superconducting electron cyclotron resonance ion source with advance design in Lanzhou (SECRAL) is an 18-28 GHz fully superconducting electron cyclotron resonance (ECR) ion source dedicated for highly charged heavy ion beam production. SECRAL, with an innovative superconducting magnet structure of solenoid-inside-sextupole and at lower frequency and lower rf power operation, may open a new way for developing compact and reliable high performance superconducting ECR ion source. One of the recent highlights achieved at SECRAL is that some new record beam currents for very high charge states were produced by 18 GHz or 18+14.5 GHz double frequency heating, such as 1 e mu A of Xe-129(43+), 22 e mu A of Bi-209(41+), and 1.5 e mu A of Bi-209(50+). To further enhance the performance of SECRAL, a 24 GHz/7 kW gyrotron microwave generator was installed and SECRAL was tested at 24 GHz. Some promising and exciting results at 24 GHz with new record highly charged ion beam intensities were produced, such as 455 e mu A of Xe-129(27+) and 152 e mu A of Xe-129(30+), although the commissioning time was limited within 3-4 weeks and rf power only 3-4 kW. Bremsstrahlung measurements at 24 GHz show that x-ray is much stronger with higher rf frequency, higher rf power. and higher minimum mirror magnetic field (minimum B). Preliminary emittance measurements indicate that SECRAL emittance at 24 GHz is slightly higher that at 18 GHz. SECRAL has been put into routine operation at 18 GHz for heavy ion research facility in Lanzhou (HIRFL) accelerator complex since May 2007. The total operation beam time from SECRAL for HIRFL accelerator has been more than 2000 h, and Xe-129(27+), Kr-78(19+), Bi-209(31+), and Ni-58(19+) beams were delivered. All of these new developments, the latest results, and long-term operation for the accelerator have again demonstrated that SECRAL is one of the best in the performance of ECR ion source for highly charged heavy ion beam production. Finally the future development of SECRAL will be presented.

Ar16+ 离子与Au和Mo靶相互作用产生的X射线截面随入射角度的变化

本实验工作是在兰州重离子加速器国家实验室ECR离子源完成。实验采用能量为336keV的低能高电荷态Ar16+离子轰击Au、Mo金属靶，入射离子与靶表面之间的夹角分别是20°，25°，……，80°，入射角与出射角之和为90°。测量了不同角度下Mo的Lα、Lβ，Au的Mα和Ar的Kα特征X射线谱，对实验谱进行了高斯拟合，计算了不同入射角下的各条X射线的产额和产生截面，并将靶原子发射出的X射线截面与ECPSSR和带结合能修正的BEA理论计算的结果进行了比较。发现当入射角较小时，Ar16+与金属靶相互作用时所产生出的各条特征X射线截面随入射角的增加而增加，当入射角达到40°左右后X射线截面基本上保持不变。与ECPSSR计算值相比，本实验中Au的X射线截面比较接近，实验值比ECPSSR计算值小不到一个量级；而Mo的X射线截面实验值比ECPSSR计算值大3-4个量级，但产额与带结合能修正的BEA计算值很接近

新一代多电荷态离子源的研究

离子源发展存在两大热点问题：其一强流高电荷态离子的产生；其二强流金 属离子的产生。为了获得强流高电荷态离子，我们设计制造了全超导 ECR 离子 源 SECRAL（Superconducting ECR ion source with Advanced design in Lanzhou） ， 该离子源采用了全新的超导磁体结构形式，工作于 18～28GHz 的微波频率。根据 scaling laws 和实验经验，我们确定了 SECRAL 离子源所需要的约束磁场场形， 并针对新的磁体结构设想，通过 TOSCA 程序进行了详细的计算，成功地设计出 满足我们场形要求的超导磁体物理模型。据此，我们进一步进行了超导磁体的力 学结构分析，为磁体机械工艺设计提供了参考依据，保证了超导磁体结构设计的 可靠性。源体建成后，经过一系列的测试和调束实验，不但验证了我们的设计和 分析是合理的、可靠的，而且创造了许多项束流调试的新世界纪录，我们分别获 得了 810 A eμ O7+ 、730 A eμ Ar 11+ 、220 A eμ Ar 14+ 、73 A eμ Ar 16+ 、483 A eμ Xe 20+ 等束 流。为了获得强流中低电荷态金属离子束，我们尝试探索一种原理、结构、工作 模式全新的离子源－外部电子注入PIG离子源（E-PIG） 。目前，我们基本按照我 们的初期设想设计建造了 E-PIG离子源，设计中采用了外部电子枪注入电子、空 心阴极、特殊的场形等手段来提高金属离子的电荷态和流强。经过初步的起弧调 试，我们发现在初期的设计中还存在一些问题亟待进一步整改。

高电荷态离子与固体表面作用的研究

高电荷态离子与固体表面相互作用研究不仅在原子结构和能级寿命，量子电动力学效应和等离子体物理等方面具有重要的基础研究价值，而且在表面分析和加工，短波辐射源开发等方面也有着潜在的应用价值。论文介绍了在兰州重离子加速器国家实验室ECR离子源上建成的用于高电荷态离子与固体表面作用研究的物理实验终端，研究了高电荷态离子与固体表面作用中的可见光和X射线发射以及高电荷态离子在固体表面引起的离子溅射产额和电子发射产额。研究了固体表面靶原子特征可见光谱和X射线的激发机制；分析了空心原子X射线谱的重要特征以及高电荷态离子动能沉积和势能沉积在表面离子溅射和表面电子发射中的作用

高电荷态离子与固体表面作用的离子溅射和电子发射的实验研究

高电荷态离子与固体表面相互作用的研究是目前国际上广受关注的热点研究领域之一。本论文详细介绍了在兰州重离子加速器国家实验室ECR离子源上建成的高电荷态离子表面物理实验平台；着重叙述了在实验平台上完成的高电荷态离子在固体表面引起的离子溅射和电子发射的研究。我们用初动能Ek=216～720keV的高电荷态Pb36+离子和初动能为Ek=144～288keV的Arq+（q =11～16）离子以不同入射角度(Ψ＝15º～80º)作用于Nb、Si和SiO2表面，通过研究离子溅射产额与入射离子初动能、势能（电荷态）和入射角度的关系，得到了以下结论：离子溅射产额与炮弹离子的势能沉积和动能作用有关；对Ar离子，电荷态从11增加到16时，离子溅射产额是随之增长的。而对Pb36＋离子，表面离子溅射产额随入射离子初动能的变化关系跟核阻止能损随入射离子初动能的变化关系是一致的，离子溅射产额与核阻止能损是线性相关的。认为高电荷态引发的表面离子溅射过程是势能沉积作用与线性级联碰撞过程协同作用的结果。我们还测量了Heq+(q=1,2, Ek=12keV～48keV)，Neq+(q=2～8, Ek=18～192keV)，Arq+(q=3～12, Ek=72keV)离子垂直作用于Si, W, Au表面产生的电子发射产额。得到了纯粹势能电子发射产额与入射离子势能的定量关系，势能电子产额随入射离子势能的增加而线性增加，势能每增加1eV，单离子电子发射产额增加0.0088（以初动能为42keV的Neq+入射到W表面为例）。势能电子发射增量跟靶的性质有关，W表面对势能变化的响应最剧烈，其次是Si表面。通过引入纯粹动能电子产额与电子能损的比值B分析和研究了动能电子发射，随着入射离子原子序数和初动能的增加，B因子有缓慢降低的趋势；B因子与靶材料密切相关，Au靶的B因子明显大于Si靶和W靶；我们还首次把B因子的研究扩展到高电荷态离子领域，认为B因子与入射离子的势能（电荷态）无关

HIRFL 束流诊断系统软件的设计

本论文根据兰州重离子加速器（HIRFL）束流诊断系统的现状及改造要求，开发了多任务的束流诊断系统应用软件，它能够通过计算机网络进行测量。该软件的设计采用了面向对象程序设计技术；论文还完成了荧光靶图像获取与处理系统应用软件的开发。这两个应用软件都是由Visual C++编译器来实现，并运行于Windows 95/98操作系统中。论文包括三个部分。第一部分综述了目前国际上加速器束流诊断技术的现状及其发展的新动向，并扼要地介绍了一些重要束流参数的测量方法。第二部分简单介绍了数字图像处理技术的基本内容，比较系统地介绍了荧光靶图像获取及处时系统软件的设计过程，并给出了用该系统测量ECR源束线上束流横向发射度的结果。第三部分首先介绍了Windows操作系统的多任务机制以及计算机网络的通信机制，其中包括TCP/IP协议的有关特性以及如何利用MFC中的CSocket类实现Windows 95/NT系统中网络通信的方法；然后详细介绍了多任务束流诊断系统软件的设计方法及实现过程；最后给出它的现场测试结果以及作者对仿后该软件的升级和维护的设想及展望。

具有高压平台的SFC轴向注入系统的设计研究

兰州重离子加速系统(HIRFL)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.由于空间电荷效应和SFC杂散磁场的影响,造成SFC的注入效率不高,使得SFC的引出束流强度较低,从而也制约了SSC的束流强度,远远不能满足正在建造的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)和放射性束流物理实验对束流强度的要求.为了满足CSR和物理实验对束流强度的要求,该文通过对具有高压平台的SFC轴向注入系统的较为详细的设计研究,探讨在SFC上实现提高注入效率的可行性和有效性.

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。

强流高电荷态离子的产生和传输研究

本文对ECR离子源强流高电荷态离子的产生、金属离子的产生、强流多电荷态混合离子束的传输做了深入细致的研究。设计建造了一台全新的高电荷态ECR离子源-LECR3（兰州第三台高电荷态ECR离子源），该离子源的目标是产生强流高电荷态离子，设计上应用了多种提高高电荷态离子产额的关键技术：采用了高磁场模式；在保证弧腔内壁处径向磁场的前提下尽量增大弧腔的内径；使用铝制等离子弧腔；应用负偏压技术；新的微波馈入方式。经过调试和优化，其结果达到了国际同类离子源最好水平，其中O7+和Ar11+的束流强度为240eμA，O6+为780eμA，Xe26+为90eμA，Xe30＋也有6eμA。目前该离子源已经投入原子物理实验平台供束近两年。进行了金属离子产生的研究，并且成功地为加速器提供了5种金属离子。设计了一种结构紧凑的微小型金属加热炉，经过调试和优化，用炉子加热法在离子源上产生了多种金属的高电荷态离子，其中Ca11+可以达到140eμA，针对该种炉子的缺点又设训一了一种高温炉；用MIVOC（Metallic Ionfrom VOlatile Colnpounds）法调试了镍和铁的离子，其中Fe13+的束流强度为140eμA，为目前国际同类离子源最好水平。提出了一种全新的研究低能强流多电荷态混合离子束传输的方法，包括理论和实验两部分，理论上采用蒙特卡罗方法来模拟离子的传输轨迹，考虑电荷交换和空间电荷效应的影响，自行编写了MCIB计算程序，并进行了初步计算；实验上采用单丝和Wien-Filter探测技术来监测混合束的传输路径和某一截而上的各不同元素种类和不同电荷态离子的密度分布，做了初步实验，并且对计算结果和实验结果做了比较和分析，给出了该类束流的传输特性。

多电荷态混合束传输的理论及实验研究

本文对ECR离子源引出的混合束流传输特性进行了较为深入讨论，并在此基础上，对ECR混合束流传输的模拟计算以及空间电荷中和方法，从理论和实验两方面做了较为深入的研究。在同时考虑到离子空间电荷效应，离子一离子碰撞所造成的离子间动量交换，以及离子与管道剩余气体作用、不同电荷态离子之间的作用所造成的电荷交换效应的基础上，结合原子物理方法和蒙特卡罗方法，充分利用计算机可视化程序设计方法，独立成功研制了一套专门的混合束传输程序McIBs1.0，并且对中国科学院近代物理研究所原子试验平台（14.5GHzECR离子源及相关的传输线）做了初步的模拟计算。通过计算发现Glaser透镜确实对离子具有很强的分选作用。同时发现，在一定的条件下，可以依靠Glaser透镜对混合束聚焦形成空心束流。另一方面，对Glaser透镜在ECR混合束传输过程中的作用做了较为深入细致的分析研究。除发现Glaser透镜具有以上所提到的分选功能以及可以在一定条件下形成空心束的功能外，还提出了Glaser透镜和ECR离子源弓！出线包可能能够共同形成磁约束空间电荷透镜的新观点。完成了负高压电极法中和束流空间电荷效应的实验研究，其典型结果是，在负偏压电极加一6KV负高压时，对于O6+，在终端法拉第筒上取得了束流强度与原束流强度相比增加幅度为26％＜△I＜30％的较好试验结果。同时自行构建模型，对其做了仔细的理论分析和计算。针对 ECR高电荷态强流离子束，在该领域首次独立提出使用负电性气体中和高电荷态混合离子束空间电荷效应的新方法，完成实验，证明了其可行性和可靠性。并取得了通过该方法，使O7+束流稳定增加12％、Ar11+束流稳定增长14％、Ar8+稳定增长39％的较好结果。

GAPRICE引出系统的改进

CAPRICE 10GH_z是一个小型的有两个ECR级的电子回旋共振多电荷重离子源，它将作为注入器1.7M SFC的外注入源，而传统的PIG源将不再被使用。本文首先叙述了ECR源的历史、发展和原理。然后，对从等离子体源中离子的引出进行了比较详细的讨论，并且对于CAPRICE源提出了改进意见和设计方案，改进后的引出系统由一个加减速电极结构组成，等离子体电极和加速电极的半径分别是3mm和8mm。一个特殊的磁驱动轴被用来远距离控制等离子体电极和加速电极之间的距离，这个距离从30mm到51mm变化。这套系统已经被安装在CAPRICE实验工作台上，并且进行了调试。本文还介绍了CAPRICE实验工作台上的90°双聚焦分析磁铁的物理设计和它的主要特点。最后，给出了在我们实验室中CAPRICE对于N、O、Ne、Ar、Xe的一些有益的实验结果

螺旋线型静电偏转器的研究设计与加工

ECR离子源中产生的束流经守输送线注入SFC的中心区。静电偏转器的作用是将轴向注入的束流偏转90°后进入加速器的中心平面。偏转器作为注入元件对束流的中和光学性质影响极大。由于束流在偏转器中同时受到电场和磁场的作用，其运动轨迹比较复杂。使得偏转器的电极面的形状复杂化，给机械加工带动来了困难，本论文就螺旋型静电偏转器的物理性质、轨迹计算，以及加工方法进行了探讨。值得一提的是，为了加工偏转器曲面作者改装了一台数控锐床，并配制了相应的驱动程序。 这种方法对于机械加工行业中广泛应用的金属切削机床的数控改造具有实际意义