重离子加速器

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，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。

剥离离子(即原子的剥离)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。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，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。

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。

兰州负离子研究装置，亦称兰州重离子加速器，是中国能量最高的大型重离子研究装置。 类似的中能重离子加速器现在世界上一共有8台，按建成时间排序HIRFL为第4台，法国、日本和我国都以大型分离扇回旋加速器作为主加速器。20世纪60年代以来，随着重离子加速器的发展，原子核物理开拓了一个蓬勃发展的新领域--重离子物理。在其它学科，如原子物理、材料科学、生命科学、新能源研究、天体物理等领域，重离子束亦显示出日益重要的应用前景并形成了重要的交叉学科。为使我国在这一前沿领域占有一席之地，由国家投资、近物所负责设计建造，于1988年建成了兰州重离子加速器(HIRFL)，其主要技术指标达到当时国际先进水平，1991年获中科院科技进步特等奖，1992年获国家科技进步一等奖。 1991年成立兰州重离子加速器国家实验室，它的定位是，以重离子物理基础和应用研究为主，相应发展粒子加速器和实验技术，向国内外开放的综合性科研基地。 20世纪90年代，在HIRFL上先后建成了具有国际先进水平的放射性束流线(RIBLL)和14.5GHz高电荷态ECR离子源，均获得中科院科技进步一等奖，为我国开展放射性束物理和高离化态原子物理这些国际前沿领域的研究创造了先进的实验条件。 兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)--是国家"九五"最大的科学工程。 兰州重离子加速器国家实验室已经发展成为在国际上享有较高知名度的重离子物理研究中心之一。

兰州重离子加速器国家实验室研究领域涉及:放射性束物理研究;远离稳定线新核素合成及衰变性质研究;低中能重离子碰撞及热核性质研究;高自旋核结构研究;原子核理论研究;重离子束在固体物理、材料科学、生命科学、天体物理等交叉学科的应用研究;重离子加速器物理和技术研究。

兰州重离子加速器国家实验室是中国科学院负责建设和发展的国家实验室。

1988年12月，兰州重离子加速器建成出束。

1991年8月，国家计委批准成立兰州重离子加速器国家实验室，并向国内外开放。

兰州重离子加速器是中国科学院近代物理研究所负责设计和建造的我国第一台大型重离子加速器系统 。

它的胜利建成，为我国开辟了中能重离子物理基础研究和应用研究的新领域，标志着我国回旋加速器技术水平进入了国际先进水平，也是激励广大青少年学科学、爱科学、强素质，早成才的生动课堂。

兰州重离子加速器国家实验室的日常业务管理由中国科学院近代物理研究所全面负责。国家实验室学术委员会由50多位院内外学者、专家组成，现任兰州重离子加速器国家实验室主任魏宝文院士。实验的束流分配，由学术委员会根据用户的申请，按照物理思想的创新性、技术上的先进性和对国民经济的积极性等项原则，择优选题、重点支持，合理分配束流时间。现在，兰州重离子的加速器每年运行约5000小时，完成20项左右的实验。国家实验室现有高级研究人员和高级工程技术人员61人，其中博士生导师7人，近年来，培养了加速器相关学科的研究生61名。

HIRFL由离子源、注入器、主加速器、8个实验终端以及束流运输线等主要部分组成，注入器是一台改建的能量常数为69的1.7米扇聚焦回旋加速器，主加速器是一台能量常数为450的大型分离扇回旋加速器。注入器与主加速器联合运行，可以把C到Xe的重离子分别加速到100~10MeV/u的能量。1997年7月在HIRFL上建成一条具有创新性的放射性次级束流线(RIBLL)，为我国开展放射性束物理这一国际前沿领域的研究创造了条件。 1998年，跨世纪的国家重大科学工程-兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)已开始实施。它不仅能使HIRFL在世界上继续保持先进地位，而且能以更先进的实验条件使我国在重离子物理前沿取得新的突破。

在10多年的时间里，广大科技人员密切配合，奋力攻关，攻克了一个又一个技术上的难关。兰州重离子加速器建成后，所内外的科研人员，利用加速器提供的重离子束，开展了一系列国际前沿领域的实验研究，取得令人瞩目的成果。