[科普中國(guó)]-SIS同步加速器

概述

在GSI的新項(xiàng)目國(guó)際重離子、反質(zhì)子加速器科學(xué)研究裝置的藍(lán)圖中，現(xiàn)有的重離子同步加速器SIS將作為前級(jí)提升束流的強(qiáng)度和能量。束團(tuán)的縱向穩(wěn)定性是保證可靠的強(qiáng)流運(yùn)行所必須回答的問(wèn)題，包括以下內(nèi)容，在本文中分別進(jìn)行了探索和解答：縱向的重離子加速器環(huán)境阻抗模型；在可能的阻抗條件下束流線性穩(wěn)定性；在阻尼及不穩(wěn)定性效應(yīng)下束流相空間分布的演化行為和結(jié)果（發(fā)射度增長(zhǎng)、粒子丟失等)及其內(nèi)在機(jī)制；對(duì)不穩(wěn)定性和束流相空間稀釋效應(yīng)進(jìn)行控制的可能性。

不同流強(qiáng)下束流縱向相空間測(cè)量，這是本論文工作的一個(gè)重要基礎(chǔ)。自洽的Vlasov束團(tuán)模型（任意外場(chǎng)加空間電荷效應(yīng)下的束流匹配)和實(shí)際運(yùn)行中的非理想捕獲過(guò)程（有限的高頻電壓上升時(shí)間，對(duì)應(yīng)不同的絕熱系數(shù)），作為任何束團(tuán)運(yùn)行和穩(wěn)定性研究的前提分別在論文中得到了厘清。解析方面的工作包括定態(tài)和微擾理論，即將線性Vlasov方程應(yīng)用于束團(tuán)，并在適當(dāng)?shù)慕葡碌玫胶?jiǎn)潔的解析方程。經(jīng)過(guò)重新推導(dǎo)，得到了修正的Sacherer積分方程，使之在強(qiáng)空間電荷效應(yīng)下的仍然適用，由此得到了線性穩(wěn)定圖。編寫調(diào)試成功了PIC（particle-in-cell)算法的模擬程序，和線性理論相互校驗(yàn)，并與已得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)實(shí)際運(yùn)行中復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行了模擬，并研究了不穩(wěn)定性發(fā)展后期非線性階段。線性理論，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。

在SIS實(shí)驗(yàn)中觀察到一種流強(qiáng)相關(guān)的束團(tuán)相干模式演化現(xiàn)象，該現(xiàn)象揭示出束團(tuán)中朗道阻尼條件，這與束團(tuán)穩(wěn)定性密切相關(guān)。對(duì)空間電荷抑制朗道阻尼效應(yīng)及發(fā)射度增長(zhǎng)進(jìn)行了細(xì)致研究。提出用快反饋裝置控制相空間稀釋的思路。

線性理論和模擬的結(jié)果都預(yù)言，在阻性阻抗和空間電荷阻抗存在下，耦合束不穩(wěn)定性是SIS多束團(tuán)強(qiáng)流運(yùn)行的潛在威脅。阻性阻抗來(lái)自管壁及加速器部件的有效導(dǎo)電性或特殊共振結(jié)構(gòu)，或直接來(lái)自頻率偏置的高頻腔。阻抗補(bǔ)償或特殊的束團(tuán)操作可以用來(lái)控制耦合束不穩(wěn)定性。1

發(fā)展歷程GSI是德國(guó)國(guó)家研究體系HcrmannvonHelmholtz-GemeinschaftDeutscherForschungszentren（HGF）的16個(gè)成員之一。該實(shí)驗(yàn)室以重離子加速器為主要工具從事基礎(chǔ)物理、應(yīng)用以及相關(guān)的自然科學(xué)規(guī)律的研究。實(shí)驗(yàn)室的加速器裝置包括多用途直線加速器UNIversalLinearACcelerator：UNILAC（1975年出束）、分別在1989/90出束的重離子同步加速器heavy-ionsynchrotron：SIS（提及新項(xiàng)目時(shí)常被稱作SIS18）和實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)存環(huán)experimentalstoragering：ESR。

GSI又是一個(gè)包括世界各地1000名料學(xué)家的國(guó)際團(tuán)體，運(yùn)用其重離子實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行多領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和理論研究。研究領(lǐng)域涵蓋：核及強(qiáng)子物理包括核反應(yīng)、奇異核、超重元素及核結(jié)果等等；利用離子冷卻、離子阱及激光技術(shù)的原子分子物理；用于重離子實(shí)驗(yàn)的皮瓦量級(jí)高能激光裝置PetawattHighEnergyLaserforHeavyloneXperiments：PHELIK；等離子體物理及束流物理；材料科學(xué)；重離子生物效應(yīng)：重離子對(duì)細(xì)胞、染色體及DNA的生物物理學(xué)效應(yīng)和腫瘤的重離子放射治療等。

GSI的歷史由1963-1970UNILAC在海德堡的概念性設(shè)計(jì)和在達(dá)姆施塔特的建造開(kāi)始。1981年UNILAC擴(kuò)充了兩個(gè)Alvarea結(jié)構(gòu)。SIS和ESR設(shè)計(jì)建造于1985-1990。1987年GSI的加速器系統(tǒng)啟用了能量切換分時(shí)共享模式。新增添的高電荷態(tài)注入器前端High-Charge-stateInjector:HLJ在1992年首次運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)粒子種類切換分時(shí)共享模式。1999年UNILAC的主體進(jìn)行了流強(qiáng)升級(jí)，舊的前端更換為高流強(qiáng)注入器High-CurentIujector（HST）。

1996年SIS的控制系統(tǒng)升級(jí)以用于重離子放射治療。腫瘤的光柵掃描治療要求重離子束的能量可以在每個(gè)同步加速器運(yùn)行周期改變。在SIS，255個(gè)所謂“虛擬機(jī)器”，就是以同步加速器運(yùn)行周期為單位不同能量不同流強(qiáng)的束流，可以被相同或不同的用戶使用。1995-1997GS1進(jìn)行了機(jī)器鍛煉，旨在SIS空間電荷流強(qiáng)限的運(yùn)行。

ESR的首次電子冷卻在1990年運(yùn)行，首次隨機(jī)冷卻運(yùn)行在1997年。電子冷卻和隨機(jī)冷卻在這里是第一次被應(yīng)用于高能重離子束。一項(xiàng)最引人注目的應(yīng)用之一就是冷卻“熱”的、來(lái)自初級(jí)束打靶發(fā)生碎裂或裂變反應(yīng)得到放射性次級(jí)不穩(wěn)定核束流。從此可以得到前所未有的束流品質(zhì)并開(kāi)啟一項(xiàng)新的研究領(lǐng)域。

現(xiàn)在提出的國(guó)際重離子、反質(zhì)子大科學(xué)裝置正是基于GSI已有經(jīng)驗(yàn)并加上新的技術(shù)概念如快循環(huán)超導(dǎo)磁鐵等。新項(xiàng)目的原則目標(biāo)是為歐洲科學(xué)界提供世界獨(dú)有并且技術(shù)新穎的加速器體系，用以研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的未來(lái)前沿科學(xué)及交叉學(xué)科。1