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。

HIRFL－CSR辐射防护设计

本报告介绍了在兰州重离子加速器冷却储存环的辐射防护中所作的一些工作，重点讨论了重离子核反应次级中子辐射场的确定，辐射屏蔽计算、设计，安全联锁系统、辐射监测系统的设计等。对能量不是很高的重离子加速器来说，辐射防护的主要问题来自于重离子核反应产生的中子，其它如γ射线、μ子等与中子相比均可忽略不计。然而由于种种原因，重离子核反应出射中子的实验数据还很缺乏，很难找到现成的数据用于辐射防护设计。在本报告中，采用了不同的方法来估算CSR的次级中子辐射场，并采用偏保守的数据作为辐射防护设计与环境影响分析的基础。实验和理论计算均表明，重离子核反应产生的中子包括两种成分，一种是具有强烈前冲分布的高能中子，另一种是更趋向于各向同性分布的低能中子。屏蔽体外的剂量主要取决于前者，而后者是造成空气、冷却水和屏蔽体活化的主要因素。根据重离子核反应的这种特点，在屏蔽设计中采用整体屏蔽和局部屏蔽相结合的方式，用尽可能少的经费来达到辐射防护的要求。重离子加速器产生的感生放射性除了受到初级束直接照射的靶、加速器部件外，其比放射性一般都是很低的。对于象CSR这样高能量的重离子加速器来说，产生的放射性核素种类是非常多的。然而，考虑到反应截面、半衰期、母核丰度等种种因索，只有几种核素需要特别重视。计算表明，CSR的感生放射性问题并不严重，它对工作人员和环境的影响是很小的。对靶、法拉第筒等受到初级束直接照射的高比放射性物质，由于其量很少，可以严密封装后妥善处置。从已有的加速器运行经验来看，加速器产生的辐射事故主要是工作人员在加速器开机时误入高辐射区内，或是操作人员在加速器区内尚有人时就开机。为了杜绝这类事故，除了建立健全规章制度外，还必须采取安全联锁的办法，使得工作人员在加速器运行时“不能”而不是“不许”进入高辐射区内。为了达到这一目的，在安全联锁中采用了“冗余”、多重联锁的设计思想，来保证工作人员的安全。辐射防护是一项关系到工作人员人身安全，减少射线对环境造成危害的工作，它在放射性装置的设计中是必不可少的。然而，仅仅依靠合理的辐射防护设计是不够的，必须对员工进行安全培训，牢牢竖立安全第一的思想，才能彻底杜绝辐射事故的发生，保障工作人员生命财产的安全。

HIRFL与HIRFL－CSR中子辐射源项的研究

为适应我所重离子加速器、特别是在建的HIRFL-CSR辐射防护工作的需要，本文计算了100、600、900MeV/u的~(12)C离子轰击Cu厚靶出射的中子能谱；为了用现有的实验数据验证本文所采用方法的效能，也计算了800MeV/u的Si和400MeV/u的Ar轰击Cu厚靶出射的中子能谱。主要采用的方法是：采用蒙特卡罗方法模拟计算入射粒子在厚靶中的能损、发生核反应时的动能及相应的几率；QMD程序计算出各个能量的薄靶的出射中子的双微分截面；根据在厚靶中入射离子发生核反应的能量、概率和出射的中子双微面计算出厚靶核反应中子产额。根据与实验值的比较，指出如假设参加核反应的入射离子初次轰击完靶后，保持核的完整性及初次核反应速度继续在靶的剩余部分中飞行，并如初始入射离子一样模拟计算其轰击靶时的动能和概率，可以提高其与实验值相符的程度。从辐射防护剂量学所允许的误差来看，所采用的方法的可行的，得出的结果是可用的。

HIRFL-CSR超高真空烘烤系统的设计及建造

为了满足兰州重离子加速器冷却储存环6×10-9Pa的真空度要求，必须建立温度在200-300℃、控制良好的在线烘烤系统。HIRFL-CsR真空系统是一个超大型超高真空系统，系统全长50Om，总内表面积263m2（不包括装入真空室的其它元件），系统由500多个非标加工件构成，同时和磁铁、电子冷却、高频、高压静电等设备相连。本论文主要从烘烤温度确定、热电偶、加热及绝热套、功率计算及分布、烘烤控制、样机测试结果等几个方面介绍了兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）超高真空烘烤系统。用理论和实验的办法分析了烘烤对系统中残余气体成分的显著影响：研制了功率分布均匀、安装拆卸方便的烘烤夹克，尤其研制新型纳米粉绝热材料，测定了其绝热性能；在国内储存环系统中，首次应用计算机控制烘烤全过程，实现了安全、省力的运行。

HIRFL-CSR分布式控制研究

本文的日的是研究和解决HIRFL-CSR工程的分布式控制问题。论文在对分布式控制系统关键技术进行研究的基础上，提出了由RFL-CSR分布式控制系统的控制结构，研究了分布式实时系统设计和分布式井行算法，讨沦了嵌入式系统在HIRFL-CSR尺分布式控制系统中的应用，并对当前分布式控制系统中的关键技术进行了研究，给出了HIRFL-CSR从分布式控制系统的一个局部应用实例。论文分为七章，第一章为引言，对HIRFL-CSR工程和分布式控制系统进行了介绍，司时对课题的背景和意义进行了说明。第二章首先介绍了分布式控制系统的雄本思想和基于以太网和Internet的分布式控制系统。第三章介绍了RFL-CS尺分布式实时系统的设计。第四章介绍了分布式并行算法，提出了几个分布式并行算法的模型，并进行了分析和沦证。第五章介绍了嵌入式系统的葵本概念，在分析比较了当前主流嵌入式操作系统的基础上，介绍了嵌入式软件系统在HIRFL-CSR分布式控制系统中的移植和应用。第六章首先介绍了HIRFL-CSR尺分布式控制系统的软件实现，包括系统的层次结构，主要功能模块，以及软件实现中的卞要技术。给出了HIRFL-CSR分布式控制系统的一个局部应用实例。第七章是结束语，首先对HIRFL-CSR分布式控制系统进行了总结，分析了论文的不足和需要进一步研究的问题。整个论文实现了对HIRFL-CSR分布式控制系统的理论研究和设计，对HIRFL-CSR工程的分布式控制和现代工业控制系统的设计具有一定的指导作用。

HIRFL-CSR真空测控系统

兰州重离子加速器冷却储存环（HIREL-CSR）真空系统是一个超大型超高真空系统，系统全长约500米，系统由1000多个非标加工工件、真空获得设备、真空计和阀门构成，与各类磁铁、电子冷却、高频、高压静电偏转板等设备相连［1］。兰州重离子加速器冷却储存环的真空要求很高所以我们选用了国外性能比较优秀的泵配合先进的工艺。实现了全环平均真空度达到6X10-9Pa。HIRFL-CSR真空设备有离子泵，分子泵，钦升华泵，阀门，真空计，质谱计等。需要显示和控制的设备为离子泵，真空计，阀门和质谱计。分子泵只在粗抽时使用，钦升华泵为间歇升华，因此不需要监控。我们要对储存环上的每个真空计的读数进行监测，通过对真空计的监测，实现报警，真空系统的连锁和对真空设备采取自动保护措施。本文主要从各种真空设备（真空计、真空泵、阀门）控制等几个方面介绍HIRFL-CSR超高真空控制系统。

HIRFL-CSR电子冷却

电子冷却对提高重离子冷却储存环上的束流品质起着至关重要的作用，而电子冷却机制的理论研究，至今尚未完善。本论文的重点就是从理论上修正了电子冷却力的普遍形式，由此对电子冷却过程进行了计算机模拟，首次解决了冷却时间的理论计算问题。冷却时间是设计储存环的束流冷却方案和研究束流某些运动特性的重要物理量，其计算是基于离子所受到的冷却力，但由于冷却力是离子速度的复杂函数，如果再考虑被冷却离子在储存环内的横向与纵向运动特性以及电子束的空间电荷效应等等，冷却时间的解析计算是不可能的。论文通过建立理论模型，编程序作模拟计算，得到了束流发射度和动量散度随冷却时间连续变化的完整图像，模拟结果与德国Heidelberg的重离子冷却储存环TSR上的实验结果一致，这实际上就验证了冷却力的正确性。这项研究成果已发表在国外核心期刊上。 本论文的另一重点是将电子冷却理论研究所得到的结果应用于兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）的设计及其重要过程的模拟中。完成了CSR电子冷却装置的总体物理参数和关键部件——电子枪的设计，并提出了在CSR上采用绝热展开技术；完成了重离子冷却储存环上束流储存寿命的系统研究，从而提出了CSR应具备的真空条件和允许的内靶厚度，并由此得到了CSR准连续束模式下的内靶实验亮度；此外，对CSR重离子束的分辨率极限作了定量的分析。这些研究为CSR的工程设计提供了重要的理论依据。

CSR电子冷却段磁场造成闭轨畸变及校正

电子冷却的应用提高了重离子储存环的束流品质,也为重离子储存环的运行带来了新的课题．电子冷却段的横向磁场在引导约束强流电子束的同时也不可避免影响了多次经过的离子轨道．为了保证束流的安全运行,必须将离子轨道的畸变部分限制在局部范围,并保证轨道畸变量对储存环接收度的影响可以容忍．讨论在建的兰州重离子储存环HIRFL-CSR电子冷却段磁场及其造成闭轨畸变和校正方案．

CSR外靶实验终端中子流测量的模拟

随着兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)外靶实验终端中子墙的建立,为实验测量高能中子提供了机遇．为确定CSR外靶实验终端对中子流测量的可行性,基于BUU理论模型分别对对称系统(Ni+Ni,Pb+Pb)和非对称系统(Pb+Ni)进行了模拟计算,发现当系统能量达到几百MeV／u时,中子流信号相当明显,并与碰撞参数有明显的依赖关系．模拟结果表明,在前角20°的覆盖范围内,可以较好地实现中子流测量所需要的反应平面确定及碰撞参数选择．对双击事件及其对中子流的影响进行了简单的讨论．

CSR电子冷却系统强流电子束包络的振荡特性

　HIRFL CSR的电子冷却系统是采用强流电子束对重离子束进行冷却。在冷却段漂移管区,由于强流电子束自身的空间电荷场和螺线管磁场的作用,使得电子束的包络发生振荡。通过求解电子束的横向包络方程,研究了强流电子束包络随电子束参数和螺线管聚焦磁场的变化关系。计算结果表明:对于不同的电子束能量和磁场,电子束包络的振荡频率也不相同;在相同的条件下,磁场越强,电子束包络振荡幅度越小,电子束能量越大,其包络的振荡频率也越快。

HIRFL新的束流分配系统

随着CSR的建成和兰州重粒子加速系统(HIRFL)实现质子加速,HIRFL现有的束流传输系统已不能满足越来越多的物理实验对供束时间的要求,为此,对原有的HIRFL的束流输运系统进行了分时供束改造,新的束流分配系统可以在给CSR供束和不供束两种情况下,同时使用SFC和SSC的束流在多个实验终端进行物理实验,介绍了新设计的HIRFL束流分配系统的布局和束流光学计算结果。

CSR电子冷却系统电子束空间电荷效应对电子束温度的影响

　通过求解电子冷却系统中冷却段漂移管区的强流电子束产生的空间电荷场,研究了电子束空间电荷效应对电子温升的影响。结合HIRFL CSR电子冷却系统的典型参数,得到了电子在自身空间电荷场和纵向螺线管磁场组成的交叉场作用下产生的漂移速度和由此引起的附加温度大小,并指出减小电子束空间电荷效应的方法。

CSR二极磁铁积分磁场测量系统

介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL CSR)积分磁场测量系统以及积分测量的基本原理和数据处理方法,对测量结果的分析表明整个系统运行可靠稳定,可用于CSR磁铁的积分测量.

CSR切割磁铁设计

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL CSR)由一个主环(CSRm)和实验环(CSRe)构成.两个储存环的束流注入与引出都需要借助于切割磁铁的导向来完成.介绍了CSR的切割磁铁的物理设计和二维场计算.

CSR的准直安装

中国科学院近代物理研究所的国家 "九五 "重大科学工程项目 ,兰州重离子加速器冷却储存环 (简称 HIRFL- CSR)的准直安装 ,要安装的元件数量多、范围广、并且精度要求高。为满足这些要求 ,将引入工程测量控制网的方法 ,并主要采用新一代测量仪器激光跟踪仪 ,进行测量和安装任务 ;并结合新的仪器和方法 ,建立了 CSR准直数据库系统。