HIRFL与CSR的匹配研究

国家重大科学工程HIRFL CSR冷却储存环计划主环CSRm利用已有的HIRFL作为注入器 ,为了更好地利用HIRFL加速器的能力 ,对这两台加速器的匹配在原来的初步考虑的基础上进行了较为详细的研究 ,提出了分别利用HIR FL自己的注入器SFC单独注入到CSR以及SFC加上主加速器SSC注入到CSR的两套方案 ,既可以提高HIRFL与CSR的总传输效率 ,又可以在SFC与CSR联合运行的同时使SSC与另建的小回旋加速器组合加速质子 ,从而充分提高HIRFL的运行效率

一种新型高频幅度稳定装置

介绍了兰州重离子研究装置主加速器 ( SSC)使用的一种新型高频幅度稳定装置 ,与原有的高频幅度稳定装置相比 ,新装置采用了双环稳定控制模式 ,并引入单片机控制处理模块 ,实际运行实验结果稳定度达到± 6× 1 0 - 4量级

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

HIRFL today

HIRFL was upgraded from beginning 2000. Besides of researches on nuclear physics, atomic physics, irradiative material and biology, the cancer therapy by heavy ion and hadron physics are being developing. The injector system of SFC+SSC can provide all ions from proton to uranium with higher intensity. The Cooling Storage Ring (CSR) has accelerated beams successful. The ions C-12(6+), Ar-36(18+), Xe-129(27+) have been accelerated up 1000MeV/u, 235MeV/u with about 10(9)similar to 10(8) ions per spill respectively. The beam momentum dispersion was measured from 4x10(-3) to 2x10(-4) after cooling by the electron cooler or similar to 4x10(-4) after accelerated to 1000MeV/u without cooling. In order to improve the nuclear structure and heavy isotope research in SFC+SSC energy domain, A Wien filter was added in front of RIBLL and gas was filled in first section of RIBLL; a new spectrometry SHANS has being installed. Presently, there are two starting version experimental setups at CSR.

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).

分离扇回旋加速器的接受度及效率；Acceptance and efficiency of sector-separated cyclotron

以9.7MeV/u的238U36+,5.62MeV/u的70Zn10+为典型离子,分析并模拟了分离扇回旋加速器(SSC)的注入、加速和引出,得到了SSC在理论等时场下横向和纵向的接受度。为了研究SSC在实际情况下的接受度,在实测场的基础上采用Kr-Kb方法以及Lagrange插值方法建立了与实际比较符合的等时场,计算了该等时场下SSC横向和纵向的接受度,发现了导致SSC实际接受度和传输效率低的主要原因在于注入系统中的MSI3元件和引出系统中的MSE3元件设计存在缺陷。模拟结果显示,通过改变MSI3和MSE3的曲率或者垫铁改变元件内部的场分布可以改善SSC的实际接受度和传输效率。

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。

PIC mode simulation of solenoid collimation channel

A new SSC (Separated Sector Cyclotron)-Linac is being designed to serve as an injector for the SSC at the HIRFL (Heavy Ion Research Facility Lanzhou). The beam intensity at the LEBT (Low Energy Beam Transport) for the heavy ions after the selection is typically low and the space charge effects are inconspicuous. The space charge effects become obvious when the beam current increases to a few hundred microamperes. The emittance growth deriving from the space charge effects may be particularly troublesome for the following linac and cyclotron. An optical system containing three solenoids has been designed for the LEBT to limit the beam emittance and to avoid the unnecessary beam loss in the cyclotron, as well as for the purpose of immunizing the LEBT emittance growth due to the space charge effects. The results of the PIG (Particle-In-Cell) mode simulation illustrate that this channel could limit the beam emittance growth and increase the beam brightness.

Neutron dose measurement in carbon ion radiation therapy at HIRFL (IMP)

For radiation protection purposes, the neutron dose in carbon ion radiation therapy at the HIRFL (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou) was investigated. The neutron dose from primary C-12 ions with a specific energy of 100 MeV/u delivered from SSC was roughly measured with a standard Anderson-Broun rem-meter using a polyethylene target at various distances. The result shows that a maximum neutron dose contribution of 19 mSv in a typically surface tumor treatment was obtained, which is less than 1% of the planed heavy ion dose and is in reasonable agreement with other reports. Also the gamma-ray dose was measured in this experiment using a thermo luminescent detector.

HIRFL双丝束流剖面监测器的研制

兰州重离子加速器（HIRFL）是一个等时性回旋加速系统，它包括一台能量常数K=69的扇聚焦回旋加速器(SFC)和一台K=450的分离扇回旋加速器(SSC)。加速器的束流诊断对加速器的运行而言是必不可少的，为加速器的调束提供直接的依据，在束流参数调整、运行状态监测和优化束流品质方面发挥着重要作用。 本论文主要描述了双丝束流剖面监测器的研制，对其各组成部分、设计和测试都做了详细的介绍。双丝束流剖面监测器使用钨丝作为探针，当带电粒子打到钨丝上，与钨丝中的电子作用使之激发并发射，即产生二次电子。通过把这一过程中形成的电流转化为电压量进行数据采集，便可以得到在钨丝移动方向上的一维束流强度分布。其中，钨丝的移动由运动控制系统来实现。双丝束流剖面监测器只使用了两根钨丝，在测量过程中对束流分布产生的破坏很小，因而属于非拦截式的束流诊断元件。 双丝束流剖面监测器已经在HIRFL前束运线上进行了测试，它能够在较短时间内测量出束流的剖面，结果较好，达到了预期的要求。 由于双丝束流剖面监测器的非拦截性，而且具有使用灵活、测量准确等优点，它必将成为束流诊断中的一个有力的工具

三维电磁场数值模拟在腔体设计中的应用——新B1聚束器的腔体设计

为了提高HIRFL的束流指标，特别是束流强度，以满足放射性次级束流线（RIBLL）及大科学工程兰州重离子冷却储存环（CSR）对束流的更高要求，目前 HIRFL 正在进行很多方面的改造，其中之一便是建造一台新聚束器B1来改善注入器 SFC 与主加速器SSC之间的给向匹配。为了克服非线性效应，新B1设计工作在多模式下，频率范围为 22MHz～54MHz，最高电压达110kV。由于较宽的工作频率范围、较高的电压及有限的空间位置，新B1聚束器的腔体设计存在许多困难。本论文的主要工作便是设计新B1聚束器的腔体。主要工作可分为三部分：1．腔体设计：在这部分，我们利用三维电磁场模拟程序－MAFIA，辅之以传输线近似法，设计出了满足物理要求的腔体方案，给出了模拟计算所得到了的腔体主要参数，并就这些参数的可信度进行了评估。2．耦合环设计：在这部分，我们利用 MAFIA 模拟得到的结果，从腔体的等效集总电路出发，推导出了耦合环参数与腔体特性参数之间的关系，并设计出了满足物理要求的耦合方案。3．冷却系统设计：这部分的主要工作为从对流、传导换热理论出发，结合新B1的实际，建立了自己的传热模型，设计了新B1腔体的冷却系统，计算了腔体的最高工作温度，并讨论了工作温度的升高对腔体性能的影响。另外，在论文的最后一章还介绍了其它一些工作，主要包括SFC中 Dee 电压分布计算、原B2腔体的实验研究以及原B1腔体的传输线近似法模拟。

HIRFL及CSR中的应用软件设计

加速器技术的发展对计算机软件提出了越来越多的要求，而现代计算机技术的迅猛发展，如网络技术、面向对象编程技术等，以为设计更加完美的计算机软件提供了强有力的工具。本论文以兰州重离子加速器和冷却储存环设计为依托，在综合加速器物理、束流诊断、束流调试经验、数据图形化的设计技术、控制技术等的基础上，开发了几项新的软件，用以在加速器的运行和调束过程中对束流诊断元件的测量结果进行综合分析和对加速器进行较为复杂的控制，以期提高加速器的束流品质、运行效率和磁场测试效率等，同时在某些方面的软件开发技术上填补了我所在这方面的空白。论文中还介绍了加速器应用软件设计相关的理论，包括应用软件特点、发展，面向对象编程技术、网络技术，加速器控制技术发展等；详细地介绍了三个方面的具体设计工作，包括SFC及SSC束流强度测量的软件设计、SFC和SSC等时场优化的软件设计、CSR磁场测量的计算机控制系统设计。这些软件都已用到HIRFL的运行和CSR的研制中，并起到了很好的作用。

分离扇加速器的物理工作—调束效率的提高和等时性优化

本论文详细地介绍了直边分离扇等时性回旋加速器的理论。结合兰州重离子加速器系统的主加速器SSC，介绍了这种加速器的等时场建立及优化的方法。编写了相关的计算程序。分析并解决了长期以来SSC在注入区附近运行调束十分困难的问题。最后进行了等时场优化的实验。第一章概述性地介绍了兰州重离子加速器装置HIRFL和SSC的注入引出系统、磁场系统及高频系统。第二章作为分析分离扇等时性回旋加速器束流轨道动力学的基础知识，介绍了具有周期磁场结构加速器的基本理论。第三章根据分离扇等时性回旋加速器的磁场周期结构还具有反射对称性特点，分析了传输矩阵元关于磁场周期结构对称点的对称性质。在此基础上讨论了束流的包络和散角沿平衡轨道的分布形态及计算方法。讨论了共振线对这种加速器的磁场结构和能量范围的限制。并计算了SSC加速质子的能量上限。第四章介绍用Kb-Kr方法建立SSC理论等时场的过程。给出了计算平衡轨道和Kb、Kr参数及扇中心线上理论等时场的方法，编写了相应的计算程序。详细地介绍了根据线圈效率和扇中心线上的理论等时场面计算SSC各线圈电流值的一种方法，根据这个方法编写了计算SSC各线圈电流值的程序。提高了SSC预置电流的准确度和自动化的程度。为等时场面优化工作做了必要的准备。分析并找出了长期以来SSC在注入区附近运行调束十分困难、花费时间长的原因。采取了解决的方法。经过一年多的运行实践证明，所采用的方法极大地提高了SSC在注入区附近运行调束的效率。最后介绍了SSC等时场优化的原理和方法并做了SSC等时场优化的实验。

HIRFL前束线真空系统的改造与HIRFL-800低温泵的设计及热负荷的计算

本论文首先介绍真空技术涉及的物理基础和真空获得的有关知识，然后讲述，了H_RFL（兰州重离子加速器研究装置）真空系统的基本概况，在此基础上阐述了本论文主要的两部分：H_RFL前束线真空系统的改造；新型H_RFL佩800低温泵的设计一及热负荷的计算。其中H工RF［前束线真空系统的改造已经于2001年9月份完成并为兰州重离子加速器的正常运行提供了必要的真空条件。新型111佩又FL佩800低温泵正在加工生产中，并将用于大型超高真空系统H工R凡厂SSC（兰州重离子加速器研究装置主加速器）的抽空。H工RFL前束线真空系统的改造介绍了兰州重离子加速器前束线真空系统的基本结构，详细说明了H工RFL前束线真空系统改造前的流导、气体负荷及压力分布情况。提出了具体的改造措施。真空系统达到了预计要求：泵口压强小于5只10-6Pa，两泵之间束运管道中心平面压强小于1x10-5Pa.结果表明H工RFL前束线真空系统的改造方案是有效的。新型HIRFL一800低温泵的设计及热负荷的计算介绍了近代物理研究所自行研制的新型H工RFL一800低温泵。对其抽速，低温冷凝板和屏蔽板的热负荷进行了具体的分析和计算。肯定了新型H工RFL佩800低温泵的设计方案。

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.