HPLUS前角区径迹探测器的设计和模拟

在HIRFL-CSR上筹建的兰州强子谱仪（HPLUS）中，前角区径迹探测器（FTD）对于粒子鉴别以及系统的触发都是非常重要的部分之一。计划中的FTD是由五块平面型的多丝漂移室组成，主要用来测量在前角区出射的带电粒子的径迹 （和能损），实现粒子动量测量和粒子鉴别，而联合其它探测器（如TOF和TPC）则可能提高由于取样数限制的粒子鉴别。实现探测器构型的优化和对拟建装置上物理目标的可行性预研是模拟工作的重要目的。快模拟是对拟建装置进行快速优化的有效方法。在Geant4环境对拟建装置的细致模拟，是进一步优化探测器结构、充分的估计探测器整体性能的必要步骤，为将来的谱仪的制造和可能的物理实验提供可靠的参考。 本论文的主要工作包括以下两个方面。（1）在HPLUS概念设计的基础上，发展了局域化的多径迹查找和径迹重建算法，对产物在前角区分布的典型反应道pp→pp+φ(→K+K-)进行了可行性预研，得到FTD对φ的几何覆盖率为83.5%，由于漂移室空间分辨对的动量分辨的贡献为1.3%，并在考虑了本底道pp→pp+K+K-的影响下，重建了φ的不变质量谱，得到φ峰宽度和信噪比分别为1.51MeV和4.36。在考虑到前角区径迹探测器的占有空间和探测要求的情况下对HPLUS构型做出了一定的优化，为全模拟提供了一组FTD参数。（2）基于快模拟得到的参数和参考了PANDA探测器漂移室的情况下，完成了FTD的初步设计并对其中的物质分布进行了预算，通过经验公式得到FTD的空间分辨和多次散射对K+动量分辨的贡献为1.34%和0.34%。在HPLUS模拟平台上，用GDML语言完成了对前角区径迹探测器的构建

CSRm外靶实验装置中快塑料闪烁体阵列型探测器研制

随着HIRFL-CSR工程的顺利完工，更高能量和更多种类的束流可以用于实验，大大拓展了可开展的核物理实验研究的内容。为了更好的利用束流，促进核物理实验研究的深入，设计和建造新的大规模探测设备成为必然。本论文工作针对CSR主环外靶实验终端建设，完成了利用飞行时间方法探测中子和带电粒子的两种快塑料闪烁体探测器阵列的研制。其中中子探测器有效体积为1.5  1.5  1 m3，包含252个，两种不同结构的探测单元；每组带电粒子探测器（TOFW）由60个探测单元构成，有效探测面积为1.21.2m2。论文工作通过解决材料加工、抛光、粘接、单元包装、测试等一系列工艺难题，完成了中子探测器和三组TOFW探测器的安装和测试。利用宇宙射线测试得到两种类型中子探测单元和TOFW探测单元的平均时间分辨分别为278 ± 59、272 ± 44和258 ± 51 ps，扣除各种因素后，探测单元的本证时间分辨可以达到80、100和150 ps；对后者利用12C重离子束流在线测试，得到本证时间分辨好于70 ps,完全满足设计的要求。论文工作中还设计完成了探测单元中光电倍增管高压系统的控制和监测系统，并建立了以LED为光源的光刻度系统，用于探测单元的刻度和工作状态的在线监测。在终端现场对探测器进行的初步在束测试表明，两种探测器工作稳定，运行良好，其性能均满足实验需求

Kicker电源数字延迟线及低压监测系统设计

踢轨磁铁（Kicker）电源系统是兰州重离子加速器冷却储存环（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。踢轨磁铁（Kicker）电源系统各触发脉冲是否同步关系到束流能否顺利注入引出以及有好的束流品质。基于此，本文介绍了基于CPLD-EPM1270T144的数字延迟线系统，以满足HIRFL-CSR踢轨磁铁（Kicker）电源对触发脉冲进行适当延迟的要求；分析介绍了数字延迟线系统结构、工作原理、PCB制版及系统调试。实际检验证明本设计通过修改VHDL程序来调节延迟时间能够方便灵活的完成Kicker电源系统对脉冲同步的要求，延迟精度达到10ns。另外，由于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非常重要。基于此，本文还进行了Kicker电源监测系统的设计。该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系统结构、工作原理，并完成了程序编程、仿真及外围电路设计

电子冷却装置中电子的运动及收集

电子冷却能够提高储存环中离子的相空间密度、改善离子束流品质，获得高品质的离子束。快速、有效的电子冷却要求电子冷却装置产生高流强、高准直性、低温的电子束，而得到这样的电子束受电子冷却装置内电、磁场空间分布的影响。另一方面，长期、稳定、低能耗地运行，要求电子冷却装置具有高效率的电子束收集系统。本文从电子冷却原理以及提高电子冷却效果的途径出发，阐述了日子冷却对电子冷却装置内电、磁场空间分布的设计要求，初步设计了HIRFL-CSR两个环的电子准却装置。电子横向温度由电子枪阴极温度、高压电源的不稳定度、电极度几何结构以及磁场分布决定，具体反映在空间电荷场、电子枪及加速区的径向电场、磁场的不均匀性等方面。采用数值模拟方法着重研究了磁场误差对电子横向温度的影响；电子束的绝热展开，电子束通过弯曲螺线管后温度的变化规律以及电子束在收集器区域的运动规律。通过数值模拟计算，获得了允许的磁场误差、弯曲螺线管工作磁场与电子束能量的依赖关系、电子束绝热展开与磁场组态的关系以及达到最侍收集效果时收集器的电、磁参数，为CSR电子冷却装置的设计及运行提供了依据。用电子冷却模拟程序计算了冷却时间随冷却段长度、冷却段磁感应强度、磁场平行度、电子束半径、电子温度的变化规律，并分析了影响冷却时间的因素，获得了电子冷却装置最优参数。

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。

加速器开关电源研究

本文主要介绍了HIRFL和HIRFL-CSR中使用的高稳定度直流稳流开关电源和脉冲开关电源的设计方法，给出了一台零电压开通移相软开关电源样机和一台斩波式两象限工作电源样机的设计过程的设计结果，并利用仿真软件对设计完成的电路进行了仿真，最后给出了样机电源的试验结果。引言介绍了本文选题的背景，HIRFL和HIRFL-CSR的有关情况，加速器对电源的要求，以及国内外同类电源的相关情况。第一章主要介绍了稳定电源中影响稳定度的主要因素及解决手段，最后建立起了斩波式电源和移相软开关电源的数学模型和等效电路。第二章主要介绍了零电压开通移相软开关电源的工作原理、设计方法、设计过程和样机试验结果。第三章则详细介绍了斩波式两象限工作电源的原理、设计、仿真和样机试验。第四章则讨论了开关电源的电磁兼容性，扼要介绍了电磁干扰的测量、抵制、相关国内国际标准，。然后分析了谐波的影响及其危害性，同时对CSR电源系统对电网将产生的影响进行了评估。第五章介绍了电源主要技术指标的定义、测量方法的测量仪器。第六章介绍了电源可靠性的有关概念及其评价。最后在第七章里，讨论了本文工作的意义。

SSC注入束流的性质研究

HIRFL是一个组合式回旋加速器系统。束流经SFC预加速后注入SSC进行第二次加速，SFC和SSC必须满足严格的匹配关系。多年的运行表明，束流从SSC注入系统到进入正常加速轨道这一段，影响的因素比较多，束流损失很大。为了提高SSC注入效率，以满足放射性次级束流线（RIBLL）及兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR）对束流的更高要求，论文对影响SSC注入系统的部分相关因素进行了研究，以便提供对HIRFL的运行调束和升级改造有参考价值的结果。主要工作可分为三部分；（1）理论等时场下SSC注入量的接收范围。通过数值模拟计算了三种典型离子的注入轨道，考虑了高频电压幅度的影响，得到了SSC在理论等时场下的能量可接收范围，并给出了注入系统的参数。（2）剩余拢动场对SSC注入系统的影响。计算了存在剩余拢动场时SSC注入轨道的变化，找出了目前高频电压加速较轻的重离子时束流损失较大的原因，给出了相关参数。（3）注入条件的变化对束流轨道的影响。注入条件的变化会引起束流轨道的进动，论文对存在剩余拢动场时利用不流轨道进动提高注入和引出效率进行了初步研究。

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.

核质量测量与Schottky探针研究

本文研究了用于九五国家大科学工程“兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR”上的Schottky探针及利用schottky质谱仪进行核质量测量，研究了当前国际上核质量测量研究方法并结合当前的核质量测量研究现状，根据CSR能提供的实验条件，研究认为在HIRFL-CSR上利用Schttkv质谱仪方法进行核质量测量有很广阔的前景。根据HIRFL-CSR束流参数和束诊要求，设计了schottky探针电极及超高真空Schottky探针安装靶室。利用三维电磁场模拟计算程序MAFIA优化了Schottky探针的结构和形状。通过改变电极板的边缘场矫正板的长度和角度，在极板间获得了最佳的场分布。模拟结果表明对水平和垂直方向的探针矫正板长度分别为4cm、3cm并且夹角分别为30、20度时在探针极板间可得到很好的横向匀场。对Schottky样机的信号响应进行的仔细的测试，获得了较满意的结果。本文还研究了利用Schottky质谱仪进行核质量测量的Schottky信号处理方法与质量测量原理，对当前远离β稳定线的核质量测量前景做了仔细分析。对Schottky探针用于CSR的束流参数测量和核质量测量方法进行了较深入的探讨。

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。

非拦截式弱束流剖面测量方法的研究----剩余气体束流剖面探测系统的研制

随着加速器束流诊断技术的不断发展，非拦截式束流测量方法及弱束流诊断技术在加速器领域被广泛应用。为了跟踪国际上加速器技术研究前沿，配合HIRFL改造，以满足CSR大科学工程对HIRFL束流品质及调束效率提出的更高要求，本论文开展了弱束流测量方法的研究和一种新型的非拦截式束流位置及剖面探测装置的研制。论文中简要概述了国际国内加速器束流诊断技术的发展现状以及非拦截式弱束流测量技术在加速器中的应用，调研了国际上研制的利用剩余气体获取束流参数的各种束诊设备，为开展本课题的研究奠定了理论基础；论文中重点论述了研制剩余气体束流剖面探测系统的工作原理，利用平行板电极形成的均匀电场收集束流与剩余气体分子碰撞时产生的剩余气体正离子，通过微通道板与连续型电阻阳极构成的位置灵敏探测器将剩余气体正离子放大、读出，最终获得束流位置及剖面等参数；详细介绍了剩余气体束流剖面测量系统的设计，包括机械装置和信号获取系统，机械部分主要由真空测量室、平行板式高压电极和位置灵敏探测器组成，获取系统由电荷灵敏前置放大器、主放大器、加法器、位置灵敏分析器、计算机多道分析系统及符合电路组成；最后给出了离线和在线测试实验分析结果。本论文主要基于剩余气体电离理论，以非拦截式束流探测技术为主导思想，从理论上分析了利用剩余气体测量束流位置及束流剖面的可行性，首次在国内加速器领域研制出剩余气体束流剖面探测装置，并将其应用于重离子加速器实验，初步实验结果证明系统设计结构合理，测量灵敏度，位置分辨及线性基本达到了系统设计要求。本课题的研究无论是对于HIRFL非拦截诊断技术的扩展，还是对于HIRFL-CSR束诊系统的发展都具有深远意义。

用于加速器控制的神经元网络的研究与设计

随着HIRFL-CSR工程的进展，前端控制系统的改造在实时性、可靠性和成本等方面提出了更高的要求。而且HIRFL-CSR系统工作坏境非常复杂，各种干扰难以预测，使用传统方法很难达到稳定的控制效果。针对这些问题，本论文利用LonWorks现场总线技术与智能控制相结合的方法，研究和设计了用于HIRFL-CSR端控制的神经元网络系统。本文首先阐述了智能控制的产生与发展，分析了智能控制的结构理论和智能控制的主要技术，深入研究了神经网络算法及一些典型的用于控制的神经元网络模型。并从HIRFL-CSR控制角度出发，设计了用于加速器控制的神经网络控制模型，该神经网络利用一种全局寻优的自适应快速即算法来弥补基本B尸算法的缺陷，使其更加符合HIRFL-CSR控制系统的要求。其次，结合HIRFI-CSR工程的控制要求，采用Lonworks现场总线技术，把传统的集中与分散相结合的集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能、彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能，形成一个低成本，高可靠性的前端现场智能控制系统。采用神经元芯片实现了智能控制器和网络适配器，结合神经网络控制技术设计和实现了HIRFL-CSR控制网络的试验平台。该神经元网络的整体构架符合现代控制技术的网络化，智能化，分散化和开放化的发展趋势。最后，总结了神经元网络的研究与设计，并提出神多兄网络柞加谏器智能神不课题对HIRFL-CSR控制的完瞥迸行了有益的探索，提出了可行的实现方案，该研究对于HIRFL-CSR控制系给的改造具有重要的工程意义。

基于MSP430F149的智能温度控制系统

随着计算机技术、测量技术以及控制技术的高速发展，越来越多的先进设备、技术和方法应用于控制领域中。在这其中，单片微处理器因其性能的日益提高、价格的不断降低、强有力的性价优势而逐渐凸现其重要的核心地位。而基于它的温度控制器对于大型工业工程和日常生活等领域的应用前景也日趋广阔。本智能温控系统将应用于国家大科学工程HIRFL-CSR中，它以新型低功耗单片机MSP430F149作为核心，并配有键盘和数码管显示组成小型操作系统，可实现数据采集、数据显示、键盘输入和自动控制等功能。本系统可以进行现场监控，也可以通过RS-485与上位机的串行通信，使这套系统可以在上位机上设定控制温度和各个控制参数，实现远程对温度的实时监控。相对传统的温度控制器而言，本设计采用了铂电阻温度测量电路，并通过硬件和软件两方面对采集模块进行优化处理以便提高系统精度。最终实现了在O℃～500℃温控范围内采集精度在士1℃范围内。使得整个系统具有精度高、可靠性较好、电路简单、成本低、体积小、生产调试方便等特点。本文从硬件和软件两个方面详细介绍了构成本系统的各个模块的硬件电路设计·实现功能和软件编程思想，并丛温控系统的硬件和软件方面介绍了一些工程上实用的抗干扰措施。

CSRm内靶实验中的轻离子束流储存寿命研究

束流储存寿命对于储存环的建造和内靶实验都是一个很重要的参数。由于重离子冷却储存环工程的优化，HIRFL-CSR主环将能提供2．SGev的质子束流，这为强子物理研究提供了一个很好的平台。设计并建立一套针对强子物理的内靶系统己经列入到计划当中，与内靶相关的束流储存寿命研究也随之展开。本论文首先分析了在内靶实验中束流储存寿命的影响因素，即真空管道中的残余气体分子、冷却电子束和内靶，以及束内散射和集体效应等，并用理论解析和数值计算的方法，对各种因素的影响程度进行估算。研究表明，内靶散射影响下的束流储存寿命比其他因素导致的短2～3个数量级，内靶是影响束流寿命的决定性因素。其次，对CSRm将来实验中主要用到的Pelle七内靶和碳薄膜靶做了简要介绍，并计算了它们的有效靶厚大约为lx10、切ms／cmZ和5火1017atoms／CmZ。再者，用理论推导方法，对内靶的多次库仑散射和束流能量损失扰动对束流的影响进行了研究，推导了束流的横向和纵向发射度增长与束流每次打靶产生的小库仑散射角均方值气s和相对动量分散气了：之间的关系，并通过数值计算的方法给出了CSRm内靶实验条件的发射度增长曲线。最后，建立了内靶散射的MOnte-Carlo模拟程序，在模拟数据的基础上，总结研究束流的发射度增长规律，以及束流存储寿命与内靶厚度和束流能量的关系。计算表明，当存在Pellet靶（1、1016atoms／cm2）和c膜（5*1017 atoms／cmZ）时，2800Mev质子束的束流储存寿命分别为397秒和0．7秒，将来的内靶实验亮度大约为2 x 1033cm-2·s-1。

加速器中高频电磁场计算及其应用

本文在了解和掌握传统的高频腔体设计方法--传输线理论的基础上，作为该理论的应用，计算了HIRFL注入器SFC高频腔体的主要参数；与实际测量值进行了比较，分析了误差的主要来源。主要的工作是用传输线理论和二维场计算相结合的方法设计了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的高频腔体，给出了高频系统的主要参数以及所设计腔体加速电场的分布