兰州重离子加速器综述

兰州重离子研究装置(HIRFL)是由离子源,注入器(扇聚焦回旋加速器,SFC)和主加速器(分离扇回旋加速器,SSC)组成的。由离子源产生的束流经过注入器SFC的预加速后,通过前束流线注入到主加速器SSC,束流在主加速器加速到最大能量后,由后束流线送到各个实验终端。本文首先介绍了HIRFL的建造过程、束流特性和主要结构。然后描述了SSC和束流线的调束过程、调束方法及运行状态。最后展望了HIRFL广泛的应用前景。     

兰州重离子加速器冷却储存环

 兰州重离子加速器(HIRFL)由用作注入器的扇聚焦回旋加速器(SFC)和分离扇回旋加速器(主加速器SSC)组成,是加速中、低能重离子束流的回旋加速器系统.     

兰州重离子加速器建成出束

我国第一个大型重离子加速装置——兰州重离子加速器,于1988年12月12日联调成功,引出50MeV/A的_(12)C~( 6)离子束流。 该加速器系统由注入器(SFC)、主加速器(SSC)、8个实验终端和前后束流输运线组成。注入器是一台能量常数K=69的1.7m扇聚焦回旋加速器,     

兰州重离子加速器冷却储存环

 兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR,是一个多用途、多功能的双冷却储存环同步加速器系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成,并以兰州重离子级联回旋加速器HIRFL作注入器。CSR利用高频变谐波的方法,将重离子束的能量从7～25 MeV/u同步加速到２00～1 000 MeV/u,同时利用重离子储存环中空心电子束冷却技术将束流品质提高１个数量级,并通过储存环的快引出及慢引出,提供多种类的重离子束以及放射性次级束(RIBs),以开展范围更广精度更高的物理实验。该装置于2007年投入运行,已取得了重要的运行结果,如实现了剥离注入与多圈注入、空心电子束对重离子束的冷却与累积、变谐波宽能区同步加速、等时性环型谱仪、RIBs的产生收集与ToF高分辨质量测量以及高能重离子束的变能慢引出等。     

兰州冷却环总体设计

兰州重离子冷却环CSR是兰州重离子加速器研究装置HRRFL的一项升级工程, 是一个双冷却储存环系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成. 从HIRFL回旋加速器系统来的重离子束, 首先注入到主环CSRm中进行累积冷却, 然后加速到较高的能量引出打初级靶产生放射线次级束RIBs或高离化重离子束, 这些次级束再被送到验环CSRe储存起来以开展内靶实验.     

HIRFL的束流品质

HIRFL兰州重离子研究装置(HIRFL)包括一台能量常数K=69的扇聚焦回旋加速器(SFC)作为注入器,和一台能量常数K=450的分离扇回旋加速器(SSC)作为主加速器。SFC 和SSC 之间有60米的前束流线(L_1)相连,沿L_1装有1个剥离器和2个聚束器.束流从SSC通过后束流线(L_2)被引导到实验大厅........     

HIRFL–CSR加速器中束流与真空中剩余气体的碰撞损失

研究了重离子加速器中束流与真空中剩余气体的碰撞损失过程和碰撞截面,在依据大量实验数据的基础上,提出了一组计算离子一原子的电荷交换截面的经验公式.以兰州重离子加速器HDRFL及冷却储存环CSR为例,给出了依据碰撞截面的公式计算束流在加速器真空中的传输效率的方法,并计算了在不同真空度下HIRFL的ECR源轴向注入束运线、注入器SFC、前束运线、主加速器SSC和后束运线等不同加速阶段及CSR的传输效率,并提出合理的真空度要求.HIRFL的真空分布测量和束流的损失测量证明了该计算方法的可靠性.     

CIAE重离子加速器物理研究平台

中国原子能科学研究院正在规划中的重离子加速器物理研究平台的基本方案是在 现有的HI-13串列加速器的后端新建一台能量增益为18MeV/q的重离子超导直线加速器.超导直线加速器包括: 36个铜铌溅射型四分之一波长(QWR)谐振腔; 9个恒温柜, 及一系列等时性消色散束流传输系统. 同时配套建设一条与现有的HI-13串列加速器相并列的重离子四杆型射频四极加速器——RFQ和交叉手指型漂移管直线加速器IH-DTL接受来自ISOL的正离子束,然后直接注入到超导直线加速器.     

HIRFL人身安全联锁系统的设计与实现

兰州重离子加速器(简称HIRFL),是我国规模最大、加速离子种类最多、能量最高的重离子研究装置,可提供单核子能量达GeV量级的重离子束。HIRFL运行时,束流会在加速器隧道内产生辐射,需要建立一套人身安全联锁系统来保障人员的辐射安全。HIRFL人身安全联锁系统遵循分区联锁、硬件最可靠、失效保护、冗余及独立性、自锁等设计原则,选用了可靠性高的冗余PLC作为核心控制器,并使用了安全性高的联锁部件。本工作的完成保障了HIRFL工作人员的辐射安全,也为同类型加速器装置的人身安全联锁系统设计提供了参考。     

利用基于~1H NMR的代谢组学分析研究重离子辐射对大鼠额叶皮质区的影响

太空辐射尤其是重离子辐射可造成DNA的破坏、细胞死亡、以及一些癌症的发生, 是人类深空探索进程中急需克服的难题. 本文通过重离子加速器产生 ~(12)C~(6+)重离子束对大鼠头部进行一定剂量的辐射, 模拟空间重离子辐射对中枢神经系统(CNS)的生物学效应. 采用基于 ~1H NMR的代谢组学方法对辐射大鼠大脑额叶皮质区进行了测定分析, 结合数据的统计分析和检验, 发现了包括一些重要CNS神经递质在内的代谢物含量发生明显变化. 这些代谢物主要为: 牛磺酸、乳酸、谷氨酸、 4-氨基丁酸、以及磷酸胆碱等. 结合差异蛋白质组结果分析, 包括4-氨基丁酸、谷氨酸、乳酸、牛磺酸等在内的代谢物参与的主要生物途径, 如神经递质的合成途径, 以及神经递质受体介导的信号途径可能受重离子辐射的负面影响. 这些发现将为进一步阐明重离子辐射效应的分子机制提供有利信息, 从而为从生物学途径探寻有效重离子辐射防护措施提供依据.     

BTF加速器物理设计

北京X射线自由电子激光试验装置(BTF)将“寄生”在BEPCⅡ直线注入器这一国内能量最高, 性能最好的电子直线加速器上.BTF将弃用现有直流枪予注入器, 采用光注入器(photoinjector)经低能输运线斜注入到BEPCⅡ直线加速器主加速器, 同时拆掉三节加速管以安装两级磁压缩器, 并在A46后拆掉二节加速管引出束流, 经高能输运线后进入波荡器.模拟结果表明改造后的直线加速器BTF电子能量可达1.18GeV、能散0.15%、归一化发射度小于2.5mm.mrad.     

串列加速器次级束流线上的核结构研究

利用北京串列加速器次级束流线产生的放射性离子束开展了核结构和核天体物理的实验研究, 在晕核、核谱因子和辐射俘获反应等领域取得了一些重要的研究成果. 本文简要概述了基于该束流线的核结构实验研究.     

兰州重离子冷却储存环工程

兰州重离子加速器冷却储存环是兰州重离子研究装置的后续工程 .它的建造目的是将重离子束的能量提高到 1 Ge V/u附近 ,同时利用储存环电子冷却技术将束流品质提高一个数量级 ,并提供更多种类的重离子束 ,以开展更广范围和更高精度的物理实验 .兰州重离子加速器冷却储存环是一个双储存环系统 ,由一个主环和一个实验环构成 .对其总体布局、总体参数、主要功能进行了介绍. HIRFL- CSR, a new accelerator project at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL), is a multipurpose Cooling Storage Ring system which consists of a main ring (CSRm) and an experimental ring (CSRe). Beams from HIRFL will be accumulated and accelerated in CSRm, and then transported to CSRe for internal target experiments. The layout, major parameters and main functions of the CSR were described.     

HIRFL-SFC采用平顶波加速的模拟研究

近代物理研究所针对改善兰州重离子加速装置注入器(HIRFL-SFC)引出束流的品质,将主要考虑改进高频系统以提高Dee盒的加速电压、增加一个相位狭缝和采用平顶波加速等。其中采用平顶波加速可以有效地减小扇形聚焦回旋加速器(SFC)引出束流的能散并且提高其自身的传输效率。采用回旋加速器束流模拟程序AGORA对SFC进行模拟计算,并比较有无平顶波加速系统下束流品质的变化。结果表明,采用平顶波加速后,SFC的引出束流能散明显减小,而且在引出偏转板入口处束流的径向尺寸及圈间距满足单圈引出的条件。     

HIRFL与CSR的匹配研究

国家重大科学工程HIRFLCSR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HIRFL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.     

HIRFL注入器PIG离子源的研制

本文介绍了兰州重离子加速器(HIRFL)的注入器(SFC)所用PIG离子源的研制和改进工作,使用新研制的PIG源,已在注人器SFC上获得了5μA的O_(16)~(5+)及10μA的C_(16)~(4+)的离子束。     

利用基于~1H NMR的代谢组学分析研究重离子辐射对大鼠额叶皮质区的影响

太空辐射尤其是重离子辐射可造成DNA的破坏、细胞死亡、以及一些癌症的发生,是人类深空探索进程中急需克服的难题. 本文通过重离子加速器产生¹²C⁶⁺重离子束对大鼠头部进行一定剂量的辐射,模拟空间重离子辐射对中枢神经系统(CNS)的生物学效应. 采用基于¹H NMR的代谢组学方法对辐射大鼠大脑额叶皮质区进行了测定分析,结合数据的统计分析和检验,发现了包括一些重要CNS神经递质在内的代谢物含量发生明显变化. 这些代谢物主要为：牛磺酸、乳酸、谷氨酸、4-氨基丁酸、以及磷酸胆碱等. 结合差异蛋白质组结果分析,包括4-氨基丁酸、谷氨酸、乳酸、牛磺酸等在内的代谢物参与的主要生物途径,如神经递质的合成途径,以及神经递质受体介导的信号途径可能受重离子辐射的负面影响. 这些发现将为进一步阐明重离子辐射效应的分子机制提供有利信息,从而为从生物学途径探寻有效重离子辐射防护措施提供依据.     

SESRI 300 MeV同步加速器注入线的传输效率与接受效率

为了完成SESRI300MeV同步加速器的束流调试,使用Tracewin软件和加速腔电磁场分布文件建立了该加速器注入线从离子源出口到注入点的全尺寸模型,在多粒子模式下计算了两种典型粒子束(质子、²⁰⁹Bi³²⁺)在不同状态下的加速传输,得到了注入线上束流相空间的变化过程和注入线的传输效率与接受效率.研究结果表明,300 MeV同步加速器注入线在加速不同荷质比的离子束流时,电磁场参数设置基本与荷质比成反比.束流的接受效率主要由射频四极加速腔出口发射度决定,质子束和重离子束的接受效率差别较大.在射频四极加速腔出口发射度为0.1πmm·mrad时,²⁰⁹Bi³²⁺束接收效率达到92.13%,质子束的接收效率为68.18%.分析束流传输过程表明,当横向发射度过大时,束流会因为纵向能散展宽和相位展宽而无法被最终接受.在现有配置下,质子束存在横向聚焦力不够、接受效率较低的问题.通过额外增加2个四极铁能够将质子束的接受效率由68.18%提升至83.61%.     

加速器注入器中电子束束剖面直径变化过程的测量

介绍了变像管扫描相机对直线感应加速器注入器中的电子束束剖面直径的应用。获得了由注入器产生电子束 (电流 2～ 3kA)经 0 5mm厚石英玻璃产生的契伦柯夫辐射的扫描像。对拍摄到的扫描像进行了图像处理和数据分析 ,得到了电子束直径随时间变化的曲线图     

RIBLL束流诊断的发展

描述了重离子加速器放射性次级束流线束流诊断技术的新发展,它包括初级束流在线监测研制的非拦截式法拉第筒,监测低强度初级束流的塑料闪烁探测器,测量放射性次级束流剖面的大面积双维位置灵敏平行板雪崩室等.这些新研制的束流诊断装置的运用,明显提高了设置、调整、确定重离子加速器放射性次级束流线运行参数的速度和准确性,改善了放射性次级束流纯度和质量,并使得重离子加速器放射性次级束流线的运行更简洁、迅速和有效.