DIRECT MASS MEASUREMENTS OF EXOTIC NUCLEI IN STORAGE RINGS

Mass measurements of exotic nuclei is a fast, developing field which is essential for basic nuclear physics and a wide range of applications. The method of storage ring mass spectrometry has many advantages: (1) a large amount of nuclides can be simultaneously measured; (2) very short-lived (T-1/2 greater than or similar to 50 mu s) and very rare species (yields down to single ions) can be accessed; (3) nuclides in several atomic charge states can be investigated, (4) half-life measurements can be performed with time-resolved mass spectrometry. In this contribution we concentrate on some recent achievements and future perspectives of the storage ring mass spectrometry.

CSRe团簇内靶温度闭环控制器设计；Design of Closed Loop Temperature Controller for CSRe Internal Target System

介绍了国家重大科学工程项目——兰州重离子加速器冷却存储环(HIRFL-CSR)的实验环(CSRe)团簇内靶温度闭环控制器的设计。该控制器给气体喷嘴处测温电阻提供长时间稳定度为0.1%的1mA恒定电流,通过12位ADC得到喷嘴温度,并通过混合信号处理器MSP430F149来实现制冷/加热闭环操作。在多种不同实验气体的情况下,该控制器的温度控制精度小于0.5K。目前,该控制器在现场工作良好。

A high performance Time-of-Flight detector applied to isochronous mass measurement at CSRe

A high performance Time-of-Flight detector has been designed and constructed for isochronous mass spectrometry at the experimental Cooler Storage Ring (CSRe) The detector has been successfully used in an experiment to measure the masses of the N approximate to Z approximate to 33 nuclides near the proton drip-line Of particular interest is the mass of As-65 A maximum detection efficiency of 70% and a time resolution of 118 +/- 8 Ps (FWHM) have been achieved in the experiment The dependence of detection efficiency and signal average pulse height (APH) on atomic number Z has been studied The potential of APH for Z identification has been discussed (C) 2010 Elsevier B V All rights reserved

Commissioning of electron cooling in CSRe

The 400 MeV/u C-12(6+) ion beam was successfully cooled by the intensive electron beam near 1 A in CSRe. The momentum cooling time was estimated near 15 s. The cooling force was measured in the cases of different electron beam profiles, and the different angles between the ion beam and electron beam. The lifetime of the ion beam in CSRe was over 80 h. The dispersion in the cooling section was confirmed as positive close to zero. The beam sizes before cooling and after cooling were measured by the moving screen. The beam diameter after cooling was about 1 mm. The bunch length was measured with the help of the signals from the beam position monitor. The diffusion was studied in the absence of the electron beam.

中子墙探测器前端电子学研究

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)建成，CSRm实验探测系统也正在建设当中。CSRm实验探测系统由外靶系统和内靶系统构成。外靶系统主要有γ探测器、多丝漂移室（MWDC）、ToF墙(ToF Wall)、中子墙（Neutron Wall）等探测器组成，主要用于核物理研究。其中，用于探测中子的中子墙探测器是外靶系统中的一个重要组成部分，它有252个探测单元，每一个探测器单元都要求既有很好的能量分辨，也要有很好的时间分辨，同时还要求数据获取率达到每秒几千个事件。对于这样先进的探测器和大型实验探测系统采用传统的电子学仪器和方法已经无法构成读出电子学系统，建造与之相配的读出电子学系统是极为重要的和亟待解决的工作。为此，我们设计研发适合于中子墙探测器这样的大型闪烁体探测器的前端电子学读出系统。包括三大部分：16道电荷幅度转换电路（QAC），16道时间幅度转换电路（TAC）和有效信号判断电路。本论文的主要内容如下：在第一章绪论中，介绍了论文课题的出发点以及课题的意义，并对课题的背景进行了介绍。第二章介绍我们所自行设计的中子墙探测器的特点、结构。分析了中子墙探测器的输出信号的特点以及对后续前端电子学读出系统的要求。第三章是本论文两大核心部分之一，是本论文的创新点所在。主要介绍了我们电荷幅度转换的新方法，结合通常的QAC电路方法和具体的实际情况，我们自行提出了一种新的QAC电路，包括以下几个部分：差分输入电路、电流分割、上下恒流源、门控电流积分器。我们的创新点在于，我们用上下恒流源分别代替了通常QAC中作为电流分配的电流镜像和作为电流基准的电阻，这样一来更容易得到比较稳定的偏置电流，从而能够得到更高的转换精度。第四章是本论文的另外一个核心部分，首先我们论述了核电子学时间测量的几种方法，在对它们进行对比后，结合中子墙的实际特点，我们确定了采用起停型的TAC方法。然后介绍了TAC的原理，以及具体的电路结构。第五章主要的内容是对我们整个电路的逻辑电路进行了详细的介绍，它包括16道QAC和16道TAC的积分控制信号和泄放控制信号的产生电路以及有效信号判断电路。详细论述了这些逻辑关系以及如何在CPLD实现，并且给出了仿真结果。第六章详细讨论了我们在设计PCB板时遇到的问题及其解决方法。第七章介绍了多路QAC和多路TAC主要指标及其测试方法、步骤、结果并给出了误差分析。在总结部分我们回顾了我们整个工作的过程，介绍了论文的主要成果和创新点以及对于整个CSR工程的意义。本论文的创新点： 1、提出了一种新型的QAC电路。 2、将16道QAC和16道TAC以及有效信号判断电路集成在一个插件中提高了电路的集成度，并为最终集成在一片ASIC芯片中打下坚实的基础。 3、用可编程逻辑器件代替ECL器件来构建逻辑电路，降低了功耗和成本并提高了系统的可靠性

Kicker电源数字延迟线及低压监测系统设计

踢轨磁铁（Kicker）电源系统是HIRFL-CSR注入引出系统中实现快引出的一个关键元件，主要功能是为踢轨磁铁提供快脉冲励磁电流以产生所需要的快脉冲磁场。Kicker电源提供的是高电压大电流的快脉冲，电流脉冲上升沿和下降沿为150ns,脉冲宽度为650ns,其脉冲峰值电流为2700A，工作周期为10s-17s。因此及时监控Kicker电源闸流管的工作状况以及电流脉冲波形特性至关重要。本文针对踢轨磁铁（Kicker）电源的需要，进行了Kicker电源监测系统的设计，主要针对闸流管误漏导通检测、电流脉冲宽度过宽过窄检测、脉冲宽度测量及脉冲计数等功能提出了电路的工作原理，并设计了具体电路。系统输入端采用光纤接口，而输出端采用了PLC数字I/O接口。由于采用PLC接收监测电路板的信号来完成对Kicker电源的监控报警，基于此编写了相关PLC程序，并调试通过。该监测系统电路板已调试完成，可以很好地完成对Kicker电源系统较为全面的状态监测，方便地对Kicker电源系统状态进行监控。另外，为了解决Kicker电源系统脉冲同步的问题，以满足兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）环踢轨磁铁（Kicker）电源对电流脉冲进行适当延迟的要求，还分别设计了ECL高速可程控数字延迟线电路系统和基于CPLD的数字延迟线系统，分析介绍了数字延迟线系统结构、工作原理及PCB版图设计等。ECL高速可程控数字延迟线电路已初步调试通过，而基于CPLD的数字延迟线系统已完成了程序编程及仿真工作，它克服了ECL数字延迟线不能实现零延迟的缺点，且可以通过修改VHDL程序来设置出更多位的可编程数字延迟线，方便灵活

CSRm高频系统控制器

HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）是国家重大科学工程，其控制系统是一个庞大的系统，由许多分控制系统组成，高频系统是其重要组成部分之一。加速器的加速过程都是由高频系统来完成的。由于高频控制系统的控制对象就是高频腔体，控制系统的稳定性和输出频率的精确性将直接影响到加速器系统的正常工作，而对于高频系统的状态回读又直接决定了对于高频系统的远程监控能力，所以高频控制系统的设计非常重要。本设计基于现场可编程逻辑门阵列FPGA和数字信号专用处理器DSP搭建， 一方面可以完成从控制中心远程控制高频腔体，另一方面也可以完成对于当前状态的读取，所经过的通道也是多样化的，包括CPCI总线通信，CANBUS总线通信或者是485总线通信。本文的内容包括了1>对于高频控制系统控制对象的分析以及各种控制参数要求。2>组成此系统的硬件部分分析选择以及硬件系统的搭建过程。3>对FPGA和DSP进行程序设计的过程和方法。本文的价值不仅在于对高频系统的控制上，对于其他数据采集系统，远程控制系统以及总线通信和数据分析算法上也有着参考价值

基于嵌入式Linux系统的数字调节器

数字调节器这种控制策略广泛应用于兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）电源控制系统及其他工业控制场合，它采用高速微处理器芯片和现场可编程门阵列，对电源的各项性能参数进行精确运算，以控制电源工作总过程。本论文的重点，是数字调节器上基于ARM9处理器和嵌入式Linux操作系统的嵌入式相关技术。论文深入剖析了AT91RM9200处理器和嵌入式Linux的体系结构，给出了引导装入程序Bootloader和Linux内核的启动分析以及移植到硬件平台的整个过程。实现了常见的嵌入式文件系统的移植，以及操作系统外部设备的FPGA驱动。最后通过图形用户接口的应用实现了数字调节器的基本功能

电荷测量与时序逻辑电路的研究

中国科学院近代物理研究所大科学工程HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）已建成并处于调试和验收阶段，实验探测系统也正在建设当中。CSRm实验探测系统由外靶系统和内靶系统构成，主要用于核物理实验研究。CSRm TOF测量系统是现阶段CSRm实验探测系统的主要任务之一。 针对CSRm TOF测量系统电荷测量部分，论文阐述了一种采用前端ASIC-SFE16（Saclay Front End 16）芯片实现电荷测量的新型方法。它替代了采用分立元件和电子学插件构建系统的传统方法，着重解决了近代核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。根据我所多丝漂移室探测器的实际情况，我们设计了基于ASIC芯片的电荷测量前端电路板，结合中国科技大学的时间测量数字获取板，我们初步完成了对系统软硬件的测试，给出的实验室性能测试指标，为其在实验探测系统中的应用奠定了坚实的基础。 同时为了选出测量中的有用事例，需要进行事例判选，因此我们研制了多路延迟/脉宽调节时序逻辑电路，主要功能是针对提供的多路逻辑时序信号进行延迟和脉宽调节，支持NIM负信号输入和输出。 文中最后一部分论述了根据在调试过程中出现的实际问题所提出的解决方法，主要是针对电路的可靠性设计和噪声的处理

重离子治癌装置的束流位置控制系统

近代物理所依托兰州重离子冷却储存环（HIRFL-CSR）开展重离子治癌研究。在重离子治癌过程中，需要对束流位置十分精确的控制。本文实现了精确控制重离子束对肿瘤实现三维适形扫描。 对肿瘤切片方向定位采用主动磁扫描方式，通过控制X、Y 扫描铁电源实现束流对肿瘤一层切片中各点的扫描，在治疗过程中需要实现位置变化与辐照剂量的联动。为满足束流位置切换时扫描铁电源的阶跃响应过程，采用了一种新的加速器电源控制方式，通过控制频率变化实现扫描铁电源阶跃响应过程。该方法具有精度高、参数少、响应速度快和实时性好的特点。本文提出了扫描铁电源电压控制的数学模型和实现结构，通过FPGA+DSP+DDS的硬件平台实现该电源控制方法。最终完成了对扫描铁电源高精度的控制。 肿瘤深度方向定位实质上是重离子束流Bragg峰的定位。Bragg峰与束流能量的关系要求重离子束在不同能量间切换，因而需要加速器实现变能加速。本文设计完成了适应变能加速的高频控制器，介绍了高频控制器实现方法，从而满足不同深度肿瘤切片对束流能量的要求。 核心及创新点：(1)实现重离子治癌过程中束流位置和剂量的联动; (2)基于频率调节的扫描铁电源控制器; (3)满足变能加速的高频控制器 从现场的测试和应用结果表明位置控制系统达到了设计要求

多通道电荷时间测量方法与电路研究

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)建成，HIRFL-CSR实验探测系统也正在建设当中。实验探测系统由外靶系统和内靶系统构成。用于探测中子的中子墙探测器是外靶系统中的一个重要组成部分，它有252个探测单元，每一个探测器单元都要求很好的能量分辨和时间分辨，还要求有很高数据获取率。为此，我们设计研发适合于中子墙探测器这样的大型闪烁体探测器的前端电子学读出系统。论文从发展髙性能多路小型化前端电路和研究QAC、TAC的方法和电路两个方面进行研究，讨论了我们采用的新思路和新方法。 我们设计的新型的多道高精度的电荷-电压、时间转换电路.该电路主要用于在相关控制信号的配合下，将光电倍增管输出的快电流脉冲信号转化为电压信号,并在控制信号作用下,将电压信号通过数据采集系统直接送入计算机进行处理。电路采用新型的QAC方法，用于处理快速的电流信号,突出特点是转换速度快,电路结构简单,输入信号范围大,精度高,功耗低, 电路采用改进的TAC方法，用于处理快速的时间信号,利用高速DMOS开关，并优化控制逻辑时序，极大提高了测试精度。 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

基于CMOS器件的专用放大电路设计

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)建成，CSRm实验探测系统也正在建设当中。CSRm实验探测系统具有多种探测器数万个探测单元。对于这样先进的探测器和大型实验探测系统采用传统的电子学仪器和方法已经无法构成读出电子学系统和数据获取系统，对前端读出电子学系统、数据获取系统提出更高的要求。因此，采用专用集成电路芯片(ASIC)构成前端读出电子学系统是最可行的方法。本论文所述的基于MOS管的专用放大电路设计正是基于集成电路（ASIC）芯片构建前端读出电子学系统的前期研究子部分。作为ASIC前端读出电子学研究的一部分，本论文主要阐述基于MOS器件的放大电路的研究，主要包括以下内容： 1、设计及实现基于CMOS管的电荷灵敏前置放大器，最后给出制作PCB板后的实验室调试结果； 2、设计仿真基于DMOS管的电荷灵敏前置放大器，对仿真结果进行讨论； 3、利用集成电路设计软件Tanner Pro实现电荷灵敏前置放大器的物理版图设计

CSRm 束流横向耦合研究

在环形加速器中，横向耦合表现为粒子在径向和轴向两方向振荡间的能量交换。耦合效应会对束流品质产生一系列的弊端影响，所以束流耦合的研究成为加速器研究中的一个必要的课题。 本论文首先对兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）的结构作了简单说明，交代了电子冷却装置的位置及组成，说明了螺线管场在装置中的作用及其耦合效应，继而提出研究横向耦合对HIRFL-CSR主环的重要性和必要性。 接着本论文对横向耦合运动的基础理论作了推导和描述，提出以传输矩阵研究束流相空间运动的方法，分析了横向耦合对束流发射度的影响及横向耦合的匹配条件，并详细分析了束流的径向和轴向耦合振荡在和、差共振时的稳定性情况。 最后，根据储存环主环（CSRm）的实际情况，模拟计算了CSRm中多种耦合源在不同工作点时的束流稳定情况，比较了磁铁的纵向角安装误差与螺线管场对束流耦合效应的大小；并且模拟了冷却段螺线管场对束流发射度和动力学孔径的横向耦合效应，通过模拟提出了合适的耦合补偿方案，这样以减少由于耦合造成的束流损失

CSRe Schottky 质量谱仪研究

HIRFL-CSR 联合Schottky信号诊断的方法为高精度测量离子质量提供了一个新的途径，本论文研究了CSRe Schottky 质量谱仪的原理,电子冷却模式下进行质量测量时的磁铁设置，各种系统误差以及能达到的精度估计。首先研究了CSRe的线性lattice中动量压缩因子对动量色散的依赖，以及动量压缩因子的高阶项的存在会对常用的线性质量刻度造成多大的系统误差。讨论了利用六级铁的适当设置减小这种系统误差的方法，给出利用MAD程序的模拟的CSRe六级铁的适当设置数值以及动量压缩因子对动量分散的依赖曲线。接着详细讨论了其他的几种主要的系统误差以及消除方法，给出了一种新的准确度更高的非线性的质量刻度方法。最后研究了电子冷却模式下CSRe Schottky质量谱仪精度的决定因素，调研了在CSRe上进行对190Ir和188Os可行性以及估计了在现有条件下，能够达到的精度,探讨了进一步提高质量刻度的精度和准确度的实现途径

深层治癌重离子束的配送

在辐射治疗应用方面，相比传统体外辐射疗法，高能量的重离子束流有着巨大的优势。近年来，世界上多数重离子治疗中心都对重离子的辐射特性已经进行了深入研究，从2006年起中国科学院近代物理所也开始了重离子辐射治疗肿瘤的临床实验。目前绝大多数重离子治癌中心都采用了包括一对独立的二极铁的束流配送系统，将从加速器引出的笔形束流在肿瘤的各层等深横截面上进行均匀照射。本文重点阐述了HIRFL-CSR重离子治癌装置中的束流配送系统的工作原理和分系统结构，包括深层治癌重离子束运线，终端扫描系统和根据治疗计划生成的扫描路径软件系统。第一部分简单介绍了世界上各大重离子医疗辐射工程，总结了医疗重离子加速器的设计经验，尤其对日本的HIMAC和德国GSI重离子治癌装置进行了详细介绍，同时对新型重离子治癌装置的特点和重离子治癌装置的发展方向进行了介绍。侧重分析研究了束流引出系统、控制系统和扫描系统的工作原理和相关在线设备，详细比较了两种扫描方式的优缺点。第二部分重点介绍了HIRFL-CSR加速器及其重离子辐射应用工程。CSR是中国第一台重离子冷却存储环，其主加速器CSRm是在兰州重离子治癌装置的核心，负责提供对应不同穿透深度不同能量的慢引出束流。兰州近代物理所的治癌临床实验分为三个阶段，其中第一阶段利用HIRFL辐照终端引出的重离子束流对浅层肿瘤进行适形照射。第二阶段利用CSRm引出的重离子束流开展对深层肿瘤的辐照实验，包括动物实验和临床实验。第三阶段在技术成熟后将小型医用重离子加速器向社会推广。第三部分中总结回顾了深层治癌重离子束运线的设计原理和和束运线的磁聚焦结构。对扫描系统（栅扫描和点扫描）进行了计算机模拟和束斑尺寸的控制方式进行了讨论。在重离子深层治癌进行第一次动物实验时，利用位于终端的分条电离室测试了治癌重离子束流的基本参量，得到了引出束流在垂直和水平方向以及束流微结构的品质信息，并用梯度法测量了束流的发射度。这些工作对于模拟不同引出束流情况对应的不同扫描方式时束流照射均匀度很有帮助，也给制定肿瘤的治疗计划提供了一些参考。最后论文还简单介绍了束流的共振引出系统，侧重说明引出束流的特性，提及重离子垂直治疗终端桶型旋转机架的设计