Nuclear physics program at HIRFL

With the commissioning of HIRFL-CSR, HIRFL can provide heavy ion beams with energy covering the range of several MeV/u to 1 GeV/u. In this talk, the experiments on nuclear physics at different energies to be carried out with different experimental setups at HIRFL will be introduced.

HIRFL-CSR Kicker电源控制器的设计

在HIRFL-CSR（兰州重离子冷却储存环）电源控制系统中，Kicker电源需要控制器提供高压充电电压基准电压信号和触发信号,采集基准电压信号，将电源充电电压与期望值进行比较，如果有偏差，则进行修正，使实际值与期望值一致。为Kicker电源设计的电源控制器采用DSP作为处理器，采用串行DAC为电源提供基准电压波形，基准电压信号回读用并行ADC来完成。论文首先简要介绍了Kicker电源系统，根据控制器的设计要求，选用TI公司的TMS320VC5402芯片，给出了控制器的总体设计。其次，具体介绍了TMS320VC5402的结构、外围设备，给出了电路设 计原理图，以及与存储器连接电路图，并分别介绍了硬件系统各个部分的电路设计以及FPGA部分设计。再次，介绍了DSP编程环境CCS，给出了FLASH擦写过程以及二次下载原理，并详细论述了基准电压信号发送的编写，并对回读的基准电压信号进行了滤波处理。最后，对电源控制器的设计进行了总结。论文完成了Kicker磁铁电源控制器的硬件设计和底层软件设计，为以后在该硬件平台上下一步工作打下了坚实的基础

HIRFL-CSR束流位置监测系统的前端电子学研究

国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)已经建成，在CSR调试过程中各系统均要保证加速器稳定运行，而束流诊断系统的稳定可靠运行对顺利完成调试任务具有重要意义。系统可测得束流的能量、强度、位置、相位、剖面和发射度等参数。对这些参数的准确测量是实现CSR稳定运行和各部分之间匹配的必要手段。而束流参数一般都是通过采集可由计算机处理的电信号，并经过合理的分析得到的。因此对前端电子学系统的研究必不可少。本论文将围绕HIRFL-CSR束流诊断系统的子系统——束流位置监测系统的前端电子学设计来展开。由于我所冷却储存环的束流强度弱（最低100nA），现场的噪声和干扰较大，束流监测系统探测单元的输出信号很容易被噪声淹没，所以设计一个合适的前端电子学电路十分必要，而且需要采用一些特殊的微弱信号检测方法。通过对微弱信号检测方法的研究和学习，我们先后采用了两种处理方法，对淹没于噪声中的微弱信号幅值进行检测。第一种方法是基于宽带放大和峰值保持电路来完成对信号峰值的检测；第二种方法是基于外差式技术与锁定放大方法来实现信号峰值的检测。本论文对这两种处理方法和所涉及到的电子学电路原理进行了详细的阐述。论文的主要内容如下：第一章主要针对课题的研究背景来展开。简单介绍了HIRFL-CSR工程，及其束流诊断系统，最后结合束流诊断系统的子系统—束流位置检测系统的前端电子学电路，提出了微弱信号检测方法。第二章介绍了微弱信号检测技术，重点分析了噪声的种类和抑制噪声的处理方法。第三章对我们在束流位置检测系统的前端电子学电路中，采用的第一种处理方法—基于宽带方式的处理方法，作了详细的介绍。主要包括下面几个单元电路： 高阻输入形式和低阻输入形式的低噪声宽带放大器、高速窄脉冲信号峰值保持电路，慢前沿信号峰值保持电路。第四章对我们在束流位置检测系统的前端电子学电路中，采用的第二种处理方法—基于窄带方式的处理方法，作了详细的介绍。重点分析了外差式锁定放大电路中的频率合成器、频谱搬移电路和低通滤波电路。第五章围绕巴特沃思型滤波器的设计展开。主要介绍了低通、高通和带通三种滤波器的理论计算，并作了相应的功能仿真。第六章针对我们涉及到的所有电路的PCB设计，作了相关的分析和总结。第七章对外差式锁定放大电路的实验室参数测试方法、步骤和偏差分析作了详细的介绍。第八章对总结回顾了几年来科研学习所取得的阶段性成果，并对今后的工作方向做了一个简单的计划

CSR实验探测装置前端电子学的研究

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR）的建成， HIRFL－CSR实验探测装置也在建设中。它主要由CSR外靶实验装置和CSRe上的配套实验装置组成，具有高通道数，高探测效率，高能量分辨，高时间分辨和高位置分辨等特点；将实现奇异核性质及奇异核反应研究，核物质的同位旋效应研究等物理目标。如此先进的大型实验探测系统对前端电子学提出了高密度、高集成度，低功耗和良好的长期稳定性等多方面的严格要求，传统的插件化的NIM 和CAMAC 电子学对此已无能为力，因此建造与之相配的读出电子学和数据获取系统成为一个重要的课题和任务。基于这个出发点，论文从发展髙性能多路小型化前端电路和基于先进ASIC芯片的前端电子学系统两个方面进行研究，讨论了我们在这两种电路研究方面采用的新思路和新方法。论文在发展髙性能多路小型化前端电路方面，阐述了一种用于时间分析的宽带放大电路的设计与实现。电路采用超低噪声的集成运放，解决了如何降低噪声的问题；同时引入2阶贝塞尔滤波器加反向求和电路，有效抑制直流漂移，使快放具有良好的直流稳定性和增益稳定性。基于先进ASIC芯片的前端电子学系统的研究是论文的重点。它着重解决了近代核与粒子物理实验中越来越突出的多路多道需求和高性能指标要求。论文首先介绍了一种处于国际先进水平的ASIC芯片的内部结构；随后详细论述了系统的硬件设计和软件开发；最后对系统进行了调试和性能分析。实验室调试结果说明系统已能够适应物理实验的要求，并为最终建立一个完整的满足性能要求的前端电子学系统打下了坚实的基础

HIRFL双丝束流剖面监测器的研制

兰州重离子加速器（HIRFL）是一个等时性回旋加速系统，它包括一台能量常数K=69的扇聚焦回旋加速器(SFC)和一台K=450的分离扇回旋加速器(SSC)。加速器的束流诊断对加速器的运行而言是必不可少的，为加速器的调束提供直接的依据，在束流参数调整、运行状态监测和优化束流品质方面发挥着重要作用。 本论文主要描述了双丝束流剖面监测器的研制，对其各组成部分、设计和测试都做了详细的介绍。双丝束流剖面监测器使用钨丝作为探针，当带电粒子打到钨丝上，与钨丝中的电子作用使之激发并发射，即产生二次电子。通过把这一过程中形成的电流转化为电压量进行数据采集，便可以得到在钨丝移动方向上的一维束流强度分布。其中，钨丝的移动由运动控制系统来实现。双丝束流剖面监测器只使用了两根钨丝，在测量过程中对束流分布产生的破坏很小，因而属于非拦截式的束流诊断元件。 双丝束流剖面监测器已经在HIRFL前束运线上进行了测试，它能够在较短时间内测量出束流的剖面，结果较好，达到了预期的要求。 由于双丝束流剖面监测器的非拦截性，而且具有使用灵活、测量准确等优点，它必将成为束流诊断中的一个有力的工具

HIRFL-CSR高压静电偏转板放电机理的研究

高压静电偏转板是HIRFL-CSR各级加速器注入引出系统的关键器件，对HIRFL-CSR的运行效率起着重要的作用。本文首先对HIRFL-CSR的几块静电偏转板做了一个简单的介绍，然后通过阅读有关资料，在得到一系列可靠数据的基础上，对静电偏转板的放电机理和优化措施进行了归纳和探讨。 本文重点对SFC引出偏转板的高压放电机理和优化进行了深入的研究。利用CST软件进行的电磁场计算表明：在电场和磁场的共同作用下，盖板损伤的发生部位与实际运行中的打火痕迹完全符合。依据相关理论和计算分析，得到了SFC引出偏转板的放电机理。该放电机理可以很合理的解释各实验现象，并将为SFC引出偏转板的改进提供明确的理论依据。 借鉴前人的经验，本文对SFC引出偏转板的改进进行了研究，这包括电场的优化、偏转板各部分的材料选择和表面处理以及盖板结构的改进。依据相关研究和计算分析，这些改进方案的实施可有效地提高SFC引出偏转板的耐压性能

HIRFL-CSRm电子冷却模拟与实验

本论文从理论、模拟和实验三方面研究了HIRFL-CSRm离子束的电子冷却累积过程。 在没有内靶实验装置的电子冷却储存环中，离子束的冷却过程，是离子在电子冷却效应和以束内散射为主的各种加热效应共同作用下，发射度收缩并趋于平衡的过程。其中磁化冷却力的求解是研究电子冷却效应的理论基础，本论文采用Monte-Carlo技术解决了两体碰撞模型下磁化冷却力复杂积分表达式的求解，探讨了影响磁化冷却力的参数。针对离子束内散射过程，论文在B-M模型下束内散射率表达式的基础上，通过应用Carlson第二类椭圆积分形式实现了束内散射导致的束流发射度和动量分散变化的快速计算，分析了其对HIRFL-CSRm冷却累积过程的影响。 由于冷却力是离子-电子相对速度的复杂函数，而且考虑离子在储存环中的横向振荡和纵向运动特性，以及电子束空间电荷效应等情况下，冷却过程中束流发射度和动量分散的时间变化率无法解析计算。本论文采用模型离子跟踪方法，模拟了离子束特征参数在冷却过程中的变化，明确了电子束参数对冷却过程的影响函数，计算了几种典型离子束冷却累积的最佳参数值，并对测量冷却效应的实验方法进行了模拟研究。 对HIRFL-CSRm五种重离子束流（7.07MeV/u12C4+、8.28MeV/u12C5+、7.07MeV/u12C6+、21.6MeV/u36Ar18+、2.93MeV/u129Xe27+）的电子冷却和累积过程进行了初步的实验研究。采用电子束能量调制的方法，测量了12C6+和36Ar18+离子束受到的纵向冷却力随离子-电子相对速度变化的函数，分析了电子束密度、形状及电子束-离子束夹角对36Ar18+离子受到的纵向冷却力大小的影响。通过改变Bump触发的间隔时间研究了12C6+离子的横向冷却效应。实验研究了电子束密度、形状对几种束流的累积效率及储存束流寿命的影响，以及Bump幅度、Bump时间结构、注入间隔时间、绝热展开因子等参数对束流累积效率的影响。实验测量并理论验证了12C6+和36Ar18+强流束的集体效应，探讨了强流离子束的不稳定性。最后，论文展望了在HIRFL-CSR上进一步开展电子冷却实验的方向

电容式束流位置探测器在HIRFL-CSR电子冷却实验中的应用

高效率的电子冷却过程，要求电子束与离子束相互平行，要求电子束与离子束同轴。为了同时测量电子束与离子束的相对位置和夹角，考虑了容式、感式、条带型束流位置探针特点以及电子冷却段实际情况，在HIRFL-CSR电子冷却装置上建立了以容性圆筒形极板为感应电极、NI公司PXI-5105高精度数字化仪为数据采集设备、PET公司P/N AM-4A-000110-11030N型宽带放大器为信号处理电路的束流位置测量系统。通过测量束流通过探针时在极板上产生的脉冲信号，对其进行傅立叶变换得到频谱信号，分析四个不同电极上的频谱信号强度获取束流的位置信息。同时，为了调整电子束与离子束的相对位置和夹角，建立了一套以ADLINK公司的PCI-9113和PCI-6216数据卡为主，针对电子冷却装置中各螺线管电源、静电偏转板电源、校正线圈电源的控制系统，完成了校正线圈、静电偏转板以及螺线管对电子束位置的偏移、扫描，实现了电子束的位置、角度调整。 通过使用位置测量系统、电子束位置调整系统获得了校正线圈、螺线管、静电偏转板对电子束的位置偏移能力以及电子束的流强、电流密度分布、径向尺寸、绝热展开因子对束流位置的影响。在冷却累积过程中进行了改变电子束与离子束相对位置、夹角的实验，观察到了冷却力和离子束流强随相对位置、夹角的变化趋势，进而优化相对位置和夹角，实现高冷却效率。 根据实验数据分析了位置测量系统的系统误差来源和精度，提出了今后提高束流位置测量系统、调整系统稳定性、精确性而需要进行的工作；在此基础上使用测量系统、调整系统进行了电子束、离子束相对位置和角度对冷却效果的影响等电子冷却相关实验工作

HIRFL-CSR系统中主环外靶实验装置中中子墙的设计与研制

中子墙是HIRFL-CSRm加速器系统CSRm外靶实验装置中的关键设备，采用飞行时间法探测中子物质。为满足物理目标的要求，中子墙要对中子有高的探测效率(>90% @ 1 GeV)和好的能量分辨（δE/E<5%）。基于Geant4模拟计算，中子墙被设计为由36闪烁体单元和216量能器单元构成，所有单元分14层，每层18个单元，相邻层垂直排列。闪烁体单元尺寸分为1500(长)×80(宽)×80(厚) mm3，量能器单元为1500×80×70 mm3。其中量能器单元由5层10 mm厚和4层4 mm厚的钢板及2层2 mm厚钢板(最外两层)相间组成，5层晶体耦合到一个光导。信号从单元两端由滨松公司生产的R7724光倍管读出。在探测单元的研制中，重点研究了晶体包装材料、晶体与光导以及光导与光电倍增管间的光学耦合等关键问题。利用宇宙射线对模型单元进行了测试，研制的闪烁体单元和量能器单元平均时间分辨()分别好于80ps和100ps。建立了中子墙单元模拟程序，模拟了宇宙射线粒子入射到探测器单元中光子产生、传播以及光倍管对光子的响应和信号处理的全过程，模拟结果与测试结果有较好符合。基于此，进一步模拟了单元对中子入射的响应，估算了中子墙对不同能量中子的探测效率（>90% @ 1 GeV）和能量分辨（δE/E<5%）。为提高在中子墙建造过程中对所组装的探测单元进行检验和测试的效率，建立了多单元同时测试的宇宙线测试平台。基于此平台，不仅可以测量光输出和时间分辨，还可以得到被测单元的光传输衰减长度。建立了一套光学刻度系统，用于中子墙实验运行中的刻度和工作状态监测。本论文工作确保了中子墙建成后将达到设计指标、满足实验要求，论文工作中积累的经验和获得的知识为中子墙的制造完成以及运行奠定了坚实的基础

HIRFL-CSRm二极磁铁测量

本文从磁场测量的一般方法出发，简要介绍了磁场测量的基本理论和HIRFL-CSR（兰州重离子加速器冷却储存环）的二极铁积分测磁装置。测量装置主要包括探测线圈、积分器、步进电机驱动卡、步进电机、移动小车等。从HIRFL-CSR主环H型二极磁铁的设计要求出发， 根据积分测量的基本原理，着重介绍了CSR主环二极磁铁磁场分布测量、分散性测量、传递函数测量的方法、数据处理的方法和过程、及最后的测磁结果。为了提高测量结果的精度，使用了相对测量的方法，另外在分散性测量的论述中，用数学方法对相对测量进行了推导。在磁场分布性的测量中，根据测磁数据分析计算了磁场的高阶分量和二级铁的等效偏转角度随电流变化的结果。在测量分散性的过程中，对磁场垫补以达到CSR工程要求的方法和磁场特性了研究。在特殊磁铁的测量中，对调整线圈的磁场垫补的作用进行了测量。在CSRm二极铁的测量中，测磁的误差被给出， 且符合工程要求。

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 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。

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。

新型高性能同步加速器无调谐高频腔体

在本论文中，对一种新型高性能同步加速器无调谐高频腔体进行了深入的研究。该高频腔体基于一个T型桥全通域网络，在铁氧体加载的高频谐振腔体上实现宽频带高频功率激励。虽然，新型无调谐高频腔体与常规同调型高频腔体相比，体积更小，结构更加简单。但是通过研究和实验证明，新型无调谐高频腔体可以在很宽频率通带内，激励比常规同调型高频腔体更高的高频电压，因而具有更加良好的性能。加速器高频系统研究通常分为两个领域：从加速器物理观点出发的纵向束流动力学研究和电子工程技术领域的高频电子技术研究。在本论文中，首先介绍了带电粒子高频加速的基本原理。然后，详细研究和阐述了同步加速器新型无调谐型和常规同调型两种高频腔体的性能以及高频腔体加载的铁氧体材料的特性。再次，为了更好地研究高频腔体及其相应的参数，对束流纵向动力学理论进行了详细的阐述。最后，为兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR的实验环CSRe设计了一个新型高性能同步加速器无调谐高频腔体，利用新型无调谐高频腔体作为平顶波腔体使用，实现同步加速器高频平顶波加速技术，并且可以提高HIRFL-CSR的实验环CSRe中的具有大动量散度的次级束流的俘获效率。

HIRFL电源改造的研究

本文结合HIRFL电源系统的改造，介绍了极高稳定度大功率晶闸管-调整管混合调节的直流稳流电源和晶闸管整流的大功率高稳定度直流电源的设计方法。前言叙述HIRFL加速器系统及其对电源的要求、现状、存在的问题以及改造的有关问题。第一章以MI2注入电源为例介绍了电源结构、主变压器的选择与设计、晶闸管的选择、电源保护方案的设计，本章最后一节从理论角度分析了设计高稳定度电源的几个关键环节。第二章介绍了各种触发电路理论，比较其各自的优缺点。第三章描述了晶闸管同步与异步混合触发技术的设计方法。第四章以MI2电源为例介绍了调节器设计。第五章从理论角度分析了12相整流谐波产生的原因及其衰减的方法。第六章介绍了纹波环的设计、无源滤波、有源滤波、整流变压器原边滤波，并应用于2B01电源的设计中。第七章综合了前述各章的理论分析，将它们应用电源改造的实践，介绍了MI1电源、MI2电源、ME4电源、ME5电源、SFC主电源、及2B01电源等的研产、性能、测量以及它们的各项技术指标。第八章介绍了HIRFL-CSR脉冲二极磁铁电源预研设计方案及其初步研制结果。