Monte Carlo simulation of the neutron detection wall at RIBLL II in HIRFL-CSR

With the construction of the new Radioactive Ion Beam Line in Lanzhou (RIBLL II) which connects the CSRm and the CSRe, an experimental setup for physics research is highly required. A large area neutron detection wall is the main part of the setup. This paper introduced the detection principle of the neutron detection wall and the Monte-Carlo simulation of its design under the environment of the Geant4 toolkit. We presented the final design with the optimized parameters and the performance of the wall.

OVERVIEW ON THE HIRFL-CSR FACILITY

The status of the HIRFL (Heavy Ion Facility in Lanzhou) - Cooler Storage Ring (CSR) at the IMP is reported. The main physics goals at the HIRFL-CSR are the researches on nuclear structure and decay property, EOS of nuclear matter, hadron physics, highly charged atomic physics, high energy density physics, nuclear astrophysics, and applications for cancer therapy, space industries, materials and biology sciences. The HIRFL-CSR is the first ion cooler-storage-ring system in China, which consists of a main ring (CSRm), an experimental ring (CSRe) and a radioactive beamline (RIBLL2). The two existing cyclotrons SFC (K=70) and SSC (K=450) are used as its injectors. The 7MeV/u12C6+ ions were stored successfully in CSRm with the stripping injection in January 2006. After that, realized were the accelerations of C-12(6+), Ar-36(18+), Kr-78(28+) and Xe-129(27+) ions with energies of 1GeV/u, 1GeV/u, 450 MeV/u and 235 MeV/u, respectively, including accumulation, electron cooling and acceleration. In 2008, the first two isochronous mass measurement experiments with the primary beams of Ar-36(18+) and Kr-78(28+) were performed at CSRe with the Delta p/p similar to 10(-5).

HIRFL大型真空系统；The vacuum system of HIRFL

HIRFL是兰州重离子加速器装置的英文首字母缩写,其真空系统是一个大型综合性系统。HIRFL由离子源、扇聚焦回旋加速器SFC、分离扇回旋加速器SSC和多用途的重离子冷却储存环(HIRFL-CSR)组成。多条束流运输线将这些加速器连接在一起,同时将各种重离子束流送往10多个实验终端。根据加速离子和束流寿命的需要,对各加速器真空度的要求是不同的:SFC已有50多年的历史,经过3次升级改造,真空度从10-4 Pa提高到10-6 Pa;建于上世纪八十年代的SSC真空度也为10-6 Pa;而两个重离子冷却储存环(CSRm和CSRe)的真空度达到10-10Pa以保证重离子有足够长的储存寿命。多条连接束运线根据不同实验终端的要求,其真空系统的设计方案也不同,文中列举了微束实验终端采取的防振措施;为充气反冲谱仪设计的清洁、大流量真空差分系统及为重离子治癌等终端设计的超薄壁扫描磁铁真空管道等。

STATUS AND PROSPECTS OF HIRFL EXPERIMENTS ON NUCLEAR PHYSICS

HIRFL is an accelerator complex consisting of 3 accelerators, 2 radioactive beams lines, 1 storage rings and a number of experimental setups. The research activities at HIRFL cover the fields of radio-biology, material science, atomic physics, and nuclear physics. This report mainly concentrates on the experiments of nuclear physics with the existing and planned experimental setups such as SHANS, RIBLL1, ETF, CSRe, PISA and HPLUS at HIRFL.

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

CSR实验环高频系统的研制

本文对兰州重离子加速器冷却储存实验环（CSRe）高频系统的研制进行了全面的研究，在首先说明整个冷却储存环物理要求的基础上，提出了CSR实验环对高频系统的物理及参数要求。 CSR实验环高频系统是一套具有较高技术指标和特殊要求的非标复杂设备，除腔体的部分结构以及稳定系统原理参考由近物所与俄罗斯联合设计并由俄罗斯制造的CSR主环高频系统，可以说是国内第一台独立设计、自主研发的重离子同步加速器高频系统，它不仅能在脉冲扫频模式工作，而且能在点频连续波模式工作。论文对CSRe高频同轴谐振腔从理论计算进行了详细的推导，并引入了计算机软件仿真结果对理论推导进行验证，最后在腔体研制加工完成后，将腔体冷态实测结果与理论计算及软件仿真进行了比对，对腔体理论设计的正确性进行了进一步的验证。此外还对整个高频腔体的工艺设计和加工做了较为详细的描述。本文还详细论述了CSRe高频功率源的设计思路与原理，并对整个功率源进行了工程计算与推导，特别针对这种阻抗变化的腔体为负载的功率源的电子管各级工作状态进行了计算与参数选择。最后对四个点频下的高频电压、频率精度和相位失谐量进行了测量，还对特殊的扫频脉冲调制下的电压、相位失谐进行了测量。通过测试结果对系统的设计与研制进行了分析与总结

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。

CSR纵向运动研究

论文对建造中的兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）主环（CsRm）和实验环（CsRe）中束流的纵向运动进行了有针对性的较为详细的研究。首先，作为纵向运动的基础，介绍了加速器物理中纵向运动相关的基础知识，接着推导出同步加速器中束流纵向运动方程，并对纵向运动作了全面的理论分析，在此基础上对CSR内束流的纵向运动进行了计算机模拟研究，得到了高频参数在各过程中变化规律，为高频设备的调试及运行时的参数预置奠定了理论基础。CSRm的主要功能是进行束流的累积加速，从而为实验物理提供高流强、高能量、高品质的重离子束流。由于高频腔频率的范围有限，当HIRFL注入的束流能量较低时，用一次谐波无法对粒子加速。因而针对这一问题，论文对CSRnl内束流的加速过程进行了模拟研究，采用变谐波加速的方式，解决了较低能量下的加速问题。CSRe的主要功能是开展内靶实验和高分辨质量测量。重离子束在CSR工n中加速至中高能引出后剥离成类氢类氦或全裸的重离子注入到CSRe中，此束流具有较高的能量。对于一些特殊的原子物理实验，需要既低能（小于IOMeV／tl）又高离化的重离子束,这就需要在CSSRe中将高离化态的高能重离子束减速到低能，以满足物理实验那要求为因正论文对CSRe内束流的减速过程进行了模拟研究，得到了满足需要的束流。无论对束流加速还是减速都包括连续军的俘获过程，它是影响效率的一个很关键的因素，因而论文还对束流的俘获进行了详细的研究，采用了绝热俘获的方法，提高了加速和减速的效率。论文最后介绍了CSR高频系统、铁氧体及高频腔体测试原理和测试方法，给出了测试结果并进行了分析和讨论。

重离子冷却储存环CSR的校正及动力学孔径研究

本文对设计中的兰州重离子加速器冷却储存环CSR主环（CSRm）和实验环（CSRe）在扰动情况下（即包含各种场缺陷和元件的安装校准误差）的非线性动力学进行了较全面的研究。分析了各种误差对一阶动力学的影响，闭轨畸变及其校正，较大动量分散情况下的色散效应，以及色品和色散的校正；同时，使用李变换的方法，对一个一维的非线性加速器模型进行了数值研究，并对CSRm和CSRe在存在非线性高阶场的情况下的非线性效应以及动力学孔径进行了模拟研究，得到了定性和定量的结果。对CSR的线性耦合效应亦进行了专门的分析。 在最后确定的可容许的一阶场差和安装校准误差的情况下，20次抽样模拟的结果显示，CSRm和CSRe在校正后的闭轨畸变之最大值小于3mm，均方根值小于1mm。采用两组六极透镜对色品及色散效应校正的结果达到了预期的效果；Tune值的移动被控制在足够小的范围内，闭轨随动量散度的偏移亦很小（<3mm）。 对线性耦合的模拟研究显示了由于CSRm和CSRe工作点足够远离一阶差共振线。因此在标称的发射度下，由场缺陷和安装校准误差导致的线性耦合对一阶运动的影响较小。对冷却段的直螺线管的耦合效应进行了补偿，补偿后的耦合效应消失。 在较保守的二极磁铁和四极磁铁的高阶场分量下，较严重的非线性效应仅作用于初始粒子为大振幅的情况，因此，CSRm和CSRe均有足够大的动力学孔径。对Tune值对动力学孔径的影响进行了模拟，在有限的变化范围内，这种影响较弱。此外，对稳定 边界上粒子的混沌运动的特点及粒子的损失机制也进行了研究。