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重离子加速器 发表评论(0) 编辑词条

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介绍编辑本段回目录

 

提供一定能量,一定强度的重离子(A>4的离子)束的装置。重离子加速器的加速原理和结构基本上与质子加速器相同。但是,对于加速器来说,重离子与质子等轻离子的最大差别是它们的荷质比(Q/A)不同,这里Q是离子的电荷态,A是它的原子质量数。一般,重离子的荷质比远小于1(质子的荷质比=1)。为了讨论方便,常用单核能En代替粒子的动能E
En=E/A,
对直线形加速器来说,引出束流的单核能

V为加速电压。而对圆形加速器,则有

这里k正比于(B ρ)2,(B ρ)为磁刚度。
  由上述公式可以看出,如果要获得与质子相同的单核能的重离子束,要么增加磁场或圆形加速器的尺寸,要么增加加速电压,这样就要大幅度地提高加速器的造价,并且以后的日常运行费用也是相当昂贵的。为了降低造价,提高(Q/A)值是较好的办法。
  在重离子加速器中,有两种提高荷质比Q/A的方法。
  提高重离子源的电荷态。一个理想的重离子源应能提供强度大,寿命长,电荷态高的不同离子的束流,一般用电子轰击原子和等离子体中的离子,或者用快速离子剥离方法得到高电荷态离子流。电子轰击源的通量密度要求很大,目前重离子加速器使用的重离子源是PIG源和双等离子体源。由PIG重离子源引出几种典型重离子流的电荷态分布如下表。

  利用电荷交换(即原子的剥离)剥离离子的外层电子。常用的剥离器有固体(如碳膜)和气体两种,剥离外层电子后的离子平均电荷态坴 与电荷态的分布主要由粒子的入射能量决定,一般的说,能量愈高,平均电荷态愈高。固体剥离器的剥离效率高于气体剥离器,但剥离后的离子的角散和能散较大。
  这两种提高(Q/A) 的途径现正广泛地应用在重离子加速器中,特别是后者。因为剥离后的平均电荷态由入射能量决定,所以重离子加速器一般采用组合方式,即把两台或两台以上加速器串联起来,中间置一剥离器。称前级加速器为注入器,后级加速器为主加速器。重离子源安置在注入器内,或者在外部将重离子注入到注入器,离子经注入器加速后,达到一定能量,通过剥离器,将离子剥离成高电荷态的重离子。而后,进入主加速器加速,获得较高引出能量的重离子。
  在各类重离子加速器中,静电加速器的特点是直流工作,能提供斑点小,能量精度高的各种重离子束流。
  直线加速器束流强度大,粒子种类很少限制,因此第一台能加速周期表上全部元素的离子的全离子加速器就是直线型的加速器,这类加速器也是高能重离子装置中主加速器──同步加速器的理想的注入器。但离子在加速器的加速结构中只能一次加速,不能反复加速,电效率较低。目前,很多实验室正致力于更有效的直线加速器的研究。在高频功率方面,回旋加速器是很经济的,因为离子只需反复通过同一加速结构就能不断地增加能量,它的最大费用是由磁铁的尺寸决定。当要求离子能量高,种类和能量可变时,由于相对论质量增加所引起的磁场变化就需要相当精湛的磁场成形技术。
  同步加速器在高频和磁铁建造方面是比较经济的。是获得高能重离子的理想的加速器。
  超导加速器用作重离子加速器,由于它在经济上和技术上的巨大优越性,近年来得到广泛的重视。它可以在很低的微波功率下产生高加速电场,或者在很低的激磁功率下产生高的约束磁场。这些都将减小加速器尺寸,降低功率消耗和运行费用,是一种很有前途的重离子加速器。
  现在世界上多数新建和改建的重离子加速器是等时性回旋加速器(即扇形聚焦回旋加速器)。其次是串列静电加速器。为了得到较高能量,很多新建的装置采用两台或两台以上加速器串联起来。构成重离子加速器系统,一些是串列静电加速器注入到回旋加速器或直线加速器,另一些是两台回旋加速器串联。
  为了把束流从注入器传输到主加速器,需要有一个束流输运系统,对注入器引出束流进行适当的形状变换以适合主加速器对束流的要求。此外为减少由于电荷交换而引起的离子损失,对加速器和束流输运系统要求有较高的直空度,一般在1×10-7Torr左右。在输运线上应该有电荷分析装置。
  重离子加速器的结构决定了它的调试和运行是比较复杂的,一般都应配备一个自动控制系统来控制调试和运行,当然,在加速器内和在输运线上的束流诊断设备是必不可少的。

兰州重离子加速器编辑本段回目录

兰州重离子加速器冷却储存环是一项主攻基础科学研究、同时兼顾应用科学研究的重大科学工程,其科学目标是:为我国开展强子物质相互作用、极端条件下原子核性质特别是放射性束物理、高离化态高Z原子物理、高能量密度物理(重离子驱动惯性约束核聚变新能源前期研究)等基础研究,以及重离子束在生命科学、材料科学、航天科学等交叉领域的应用研究提供先进的实验条件和新的科学机遇,取得一批具有国际先进水平的成果,促进我国相关战略高技术的发展,使我国在重离子物理及其交叉学科国际前沿领域的激烈竞争中继续占有一席之地,并实现跨越式发展。

兰州重离子加速器科学背景编辑本段回目录

1988年,中科院近代物理研究所建成了我国第一台大型重离子研究装置——兰州重离子加速器(HIRFL),不仅为我国的中能重离子物理基础研究和应用研究提供了重要的实验条件,而且标志着我国的回旋加速器技术已经进入了国际先进行列。该装置1992年获国家科技进步奖一等奖。1992年成立兰州重离子加速器国家实验室,向国内外开放。

(图)重离子加速器重离子加速器


 
该装置建成后,运行效率不断提高,最近几年每年运行6000个小时左右。20年间,来自全国多家科研单位、高等院校以及国外实验室的科学家,利用该装置提供的多种不同种类和不同能量的重离子束流,完成了数百项物理实验,取得了以新核素合成和研究为代表的具有国际先进水平的重要成果,显著提高了我国在国际核物理学界的学术地位,并在其前沿领域的激烈竞争中占有了一席之地。
 
为使我国中能重离子物理研究继续在部分前沿领域保持国际先进性,同时深入开展重离子治癌等应用研究,近代物理研究所和兰州重离子加速器国家实验室经过5年多的预研及反复论证,并结合我国国情,提出了在HIRFL上扩建多用途重离子冷却储存环(CSR),即建设HIRFL-CSR工程的计划。经过多次论证,HIRFL-CSR作为国家“九五”重大科学工程,于1997年6月经国务院科技领导小组审议通过,2000年4月国家发改委批准开工建设。

兰州重离子加速器创新点编辑本段回目录

HIRFL-CSR是我国自行设计建造的第一台规模最大、能量最高、加速粒子种类最多的重离子同步加速器冷却储存环系统。其突出的创新点是,高品质同步环和大接受度实验环双环运行,并配以空心电子束冷却,大幅度提高了束流累积效率、重离子束的能量、流强和束流品质,使一些极端条件下的高精度测量成为可能。工程建设者们攻克了一系列技术难关,采用独特的技术路线,创造性地实现了变谐波同步加速和双回旋加双冷却储存环的组合运行模式;在世界上首次研制成功空心电子束冷却装置,实现了空心电子束对重离子束的冷却;成功产生了放射性次级束,注入实验环进行了高精度质量测量。工程建设坚持自主创新,自行研制的设备超过70%,其中,10~12mbar大型超高真空系统、高性能网络数字化控制系统和纳秒量级大功率Kicker电源等高难度系统的主要性能达到了世界同类装置的先进水平,形成了一系列具有自主知识产权的高新技术储备,促进了我国相关高新技术的发展。

兰州重离子加速器国际评价编辑本段回目录

HIRFL-CSR与德国GSI的重离子冷却储存环同属于世界级的大型核物理实验装置。
 HIRFL-CSR工程所取得的成就引起了国际同行的极大关注。德国GSI主管加速器的前任所长、HIRFL-CSR工程国际顾问委员会主任N. Angert先生高度赞扬CSRe在短时间内实现了等时性模式次级束质量测量,并说,GSI的ESR是在工程验收几年之后才试验了这种等时性模式;美国阿贡实验室的邓昌黎先生说,HIRFL-CSR是一个高难度的包括电子冷却的全离子加速器装置,完成得非常漂亮;GSI鉴于HIRFL-CSR的成功建造,邀请近代物理所承担其总投资约12亿欧元的重大国际合作项目——国际反质子与离子加速器(FAIR)大科学工程磁铁、真空、注入引出系统大批设备的研制任务。

带动作用编辑本段回目录

HIRFL-CSR工程国家投资约2.9亿元。毫不夸张地说,该工程建设以很少的投资,创造了国际同类装置的最高性价比。
 这项工程为实现我国大型先进医疗装置——重离子治癌专用加速器的产业化奠定了坚实的技术基础。工程建设中用70%的经费自行研制出的绝大部分设备都在国内加工,绝大部分由西部企业承担,推动了我国特别是西部企业的技术进步,培养和造就了一支勇于和善于创新的高素质人才队伍。

其他在建或将承建的国家重大科技基础设施建设项目编辑本段回目录

在国家发改委的支持下,中科院先后承担建设了北京正负电子对撞机等多项国家重大科技基础设施。经过近20年的建设与运行,中科院已经形成了一支老中青结合,以青年科技骨干为主的高水平的大科学工程建设与运行管理队伍,在依托大科学装置开展科学研究方面已取得了若干具有重大国际影响的成果。
 
中科院在组织承担国家大科学工程建设过程中,始终坚持需求导向,充分体现战略性和前瞻性,既着眼于近期国民经济、社会发展和国家安全对科技进步的急迫需要,也考虑国家长远发展和科技进步的需求。国家战略需求导向和科技创新需求相结合,自主建设与国际合作相结合,设施建设与科研工作及人才培养相结合。
 
中科院在建国家大科学工程项目包括:大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST),承建单位为国家天文台,开工时间为2000年;北京正负电子对撞机二期工程(BEPC II),承建单位为高能物理研究所,开工时间为2004年5月;上海同步辐射光源(SSRF),承建单位为上海应用物理研究所,开工时间为2004年12月;中国西南野生生物种质资源库,承建单位为昆明植物研究所,开工时间为2004年12月;武汉国家生物安全实验室(P4),承建单位为武汉病毒研究所,开工时间为2005年5月;东半球空间环境地基综合监测子午链(子午工程),承建单位为空间科学与应用研究中心,开工时间为2008年1月;强磁场实验装置,承建单位为合肥物质科学研究院,开工时间为2008年5月。中科院拟承建的国家大科学工程项目包括:航空遥感系统,拟承建单位为电子学研究所;2500米口径球面射电望远镜(FAST),拟承建单位为国家天文台;海洋科学综合考察船,拟承建单位为海洋研究所;蛋白质科学研究设施,拟承建单位为上海生命科学研究院;散裂中子源,拟承建单位为高能物理研究所。
 

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标签: 科学工程

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