HIRFL改造中的加速器物理问题

从加速器运行的角度对兰州重离子加速器 HIRFL建成以来所存在的问题进行了总结 ,结合放射束物理和冷却储存环 CSR对 HIRFL的新要求 ,从加速器的物理设计方面提出了一些改进方案 .主要问题有 :超低能束流传输的空间电荷效应的影响 ,扇聚焦回旋加速器 SFC高频加速电压不对称对束流轨道的影响 ,用半频聚束的方式补偿两台回旋加速器的纵向不匹配 ,前束线上聚束器的工作模式的选取 ,强杂散磁场对超低能和低能束流传输的影响 ,分离扇回旋加速器 SSC注入区过垫补磁场对注入束流轨道的影响 ,SFC和 SSC的单圈引出 ,重离子通过剥离膜后的束流损失和束流品质的变坏等

Hadron physics programs at HIRFL-CSRm: Plan and status

An internal target experiment at HIRFL-CSRm is planned for hadron physics, which focuses on hadron spectroscopy, polarized strangeness production and medium effect. A conceptual design of Hadron Physics Lanzhou Spectrometer (HPLUS) is discussed. Related computing framework involves event generation, simulation, reconstruction and final analysis. The R&D works on internal target facilities and sub-detectors are presented briefly.

Measurement of neutron flow with the external target experimental device on CSR

With the construction of the neutron detection wall at the external target position on Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring (HIRFL-CSR), it will be possible to detect high energy neutron. A BUU model is applied to simulate the flow in both symmetric (Ni+Ni, Pb+Pb) and asymmetric(Pb+Ni) systems. It is shown that at above several hundreds MeV/u, the flow signals are very obvious and depend clearly on the centrality of the collisions. Based on the products in the forward angle less than 20 degrees, the simulation also reveals that the determination of the reaction plane and the selection of the impact parameter, both of which are essential in the flow measurement, are well implemented. The double event and its influence on the determination of the neutron flow are also simulated.

Electron beam longitudinal temperature of electron cooler on the CSR

Electron beam longitudinal temperature is an important parameter on electron cooling devise. In this paper, electron beam longitudinal temperature on the HIRFL-CSR electron cooling devise is deduced from four important factors-flattened distribution, electrostatic accelerate, space charge effect and beam scattering.

Beam match and preparation of SFC-CSR

In order to match the beam from the injection machine SFC of the HIRFL to the main ring of HIRFL-CSR, both beam emittance confining method and beam energy spread reducing method are proposed. The beam preparation principles and calculation results are presented

兰州重离子加速器团簇内靶装置控制系统设计；Design of a Control System for HIRFL-CSRe Internal Target Facility in Lanzhou

介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的实验环(CSRe)团簇内靶装置控制系统的设计。该内靶系统由多种设备构成,包括喷嘴测温与加热控制子系统、真空与阀门监测/控制子系统、分子泵监测与控制子系统、数据处理与流程软件子系统等部分。该系统在内靶实验中工作状态良好,满足了内靶实验的需求。在该控制系统的支持下,2010年1月第一轮辐射电子俘获物理实验顺利完成。

HIRFL真空远程控制系统设计

为满足HIRFL-CSR工程对HIRFL真空系统的要求,达到远程监测控制的目的,提高整体运行效率,设计实现了一套这样的远程控制系统。文章简要介绍了以MSP430F149为核心设计的真空控制模块,及其在HIRFL真空远程控制系统中的应用。着重介绍了控制模块的硬件组成以及软件控制程序设计。该系统通过Intranet网络连接各种设备,实现了对HIRFL真空系统的远程监测与控制。

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。

CSR外靶实验终端中CsI(Tl)晶体的测试；Test of CsI(Tl) Crystal at External Target Experimental Terminal of Cooling Storage Ring

为测量重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的外靶实验终端上不同能量的γ射线,一种用于探测γ射线的高能量分辨的探测装置正在中国科学院近代物理研究所建设,该探测器由中国科学院近代物理研究所自行生长的铊激活的碘化铯CsI(Tl)晶体组成。与日本Hamamatsu公司生产的S8664-1010型雪崩光二极管(APD)耦合,测试其光输出的非均匀性和能量分辨,从测试结果给出了所需CsI(Tl)晶体合格的标准。目前已完成该γ探测球计划的六分之一,所提供的晶体合格率达94%以上。

CSR ns级重离子束动力学研究；Dynamics Study of Attaining Heavy Ion Beam With a Scale of Nanosecond Pulse Length in CSR

采用束团在纵向相空间快速旋转的非绝热压缩方法研究了在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上获取高能ns量级短脉冲重离子束的可行性,利用K-V包络方程对能量为250MeV/u、初始纵向束团长度为200ns、初始动量分散为5×10-4的238U72+离子束团的非绝热压缩过程进行了束流动力学模拟,给出了在束团压缩过程中束流相关参数的变化。结果表明,在CSR上可取得最短为16ns长度的238U72+离子束团,可满足用于高能量密度物理研究的50ns束团长度的要求。

Study of a magnetic alloy-loaded RF cavity for bunch compression at the CSR

The Heavy Ion Research Facility and Cooling Storage Ring (HIRFL-CSR) accelerator in Lanzhou offers a unique possibility for the generation of high density and short pulse heavy ion beams by non-adiabatic bunch compression longitudinally, which is implemented by a fast jump of the RF-voltage amplitude. For this purpose, an RF cavity with high electric field gradient loaded with Magnetic Alloy cores has been developed. The results show that the resonant frequency range of the single-gap RF cavity is from 1.13 MHz to 1.42 MHz, and a maximum RF voltage of 40 kV with a total length of 100 cm can be obtained, which can be used to compress heavy ion beams of U-238(72+) with 250 MeV/u from the initial bunch length of 200 ns to 50 ns with the coaction of the two single-gap RF cavity mentioned above.

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.

CSR真空控制系统的研究

本论文主要解决CSR真空系统的控制实现与连锁保护问题。 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。为了保证CSR正常运行，超高真空系统的平均真空度必须达到6×10-9Pa，超高的真空度来之不易，CSR上任何一处真空设备发生故障，就会破坏真空度，所以CSR必须具有响应速度快、安全可靠，稳定性好的真空控制与连锁保护系统。 HIRFL-CSR真空设备有离子泵电源、分子泵、钛升华泵、阀门、真空计等。分子泵只在粗抽时使用，钛升华泵为间歇升华，因此不需要监控。需要显示和控制的设备为离子泵电源、真空计和真空阀门。通过对CSR上每个真空计的真空度数据的监测和真空阀门状态的采集，一旦真空度降低到一定阈值，立即关闭相应位置阀门（保护真空）,并给出故障报警，从而实现真空系统的连锁保护。 真空控制系统以嵌入式处理器ARM、复杂可编程逻辑器件CPLD和微控制器MSP430为核心，实现了远程数据采集、数据显示和自动控制等功能。本系统可以进行现场监控与调试，也可以通过集成的100Mbps以太网接口电路进行远程监测与控制，CSR上各处真空度和真空阀门状态自动传送到中央控制中心，中控中心也可以发送命令查询当前真空设备状态和各种读数。 本文主要介绍了基于ARM、CPLD和MSP430的嵌入式真空控制系统的设计与实现。内容主要包括(1)系统各部分硬件电路设计与真空控制功能实现 ，硬件系统调试 。(2)嵌入式uClinux操作系统构建和在其上进行的应用程序，设备驱动程序，串行通信程序的开发。（3）CPLD的VHDL程序和MSP430的C430程序设计。 本文目的是解决CSR真空控制系统问题，但对于许多远程数据采集与控制等问题的解决有重要参考价值

CSR电源调节器硬件平台设计

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，磁场电源控制系统是CSR控制系统中很重要的一部分。加速器运行的所有过程都为电源所控制，所以我们的控制系统的直接控制对象就是磁场电源。为了保证CSR正常运行，控制过程波形的跟踪精度、速度和稳定度，是数字电源调节器的关键所在。电源控制系统以嵌入式处理器ARM、现场可编程门阵列FPGA为核心，实现了远程数据采集、网络通讯和自动控制等功能。本系统可以进行现场监控与调试，也可以通过集成的100Mbps以太网接口电路进行远程监测与控制，CSR上各处输出电压值和电源运行状态自动传送到中央控制中心，中控中心也可以发送命令查询当前电源设备状态和各种读数。本文主要介绍了基于ARM和FPGA的嵌入式电源控制系统的设计与实现。内容主要包括：(1)系统各部分硬件电路设计与电源控制功能实现 ，硬件系统调试 。(2)装载嵌入式Linux操作系统，测试平台接口信号，通过FPGA生成多路数字PWM波形。本文目的是解决CSR电源控制系统问题，但对于许多远程数据采集与控制等问题的解决有重要参考价值

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