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重离子加速器

重离子加速器

详细先容
一种用人工方法产 生快速重离子 (质量大于α粒子的离子)束的装置。它利用一定形态的电磁场将重离子加速,能提供速度高达几千、几万乃至接近三十万千米每秒(真空中的光速)的高能量的重离子束,用以轰击原子核、原子、分子、固体晶格乃至生物细胞,是人们变革原子核和“基本粒子”,认识物质深层结构的重要工具,在工农业生产、医疗卫生、科学技术、国防建设等各个方面也都有重要而广泛的应用。
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。每核子所得到的平均动能都是和被加速离子的荷质比(Q/A)成一定比例关系的。但一般重离子的荷质比远小于1(质子的荷质比为1),有的甚至小于0.1。为了提高加速的效率,就需要提高荷质比,一般通过提高电荷态的途径,其方法是在粒子加速过程中,采取气体或固体靶来剥离电子,经过剥离的重离子荷质比得以提高,在此基础上再进一步加速,就可以有效地提高每核子的平均动能。我国粒子加速器的研制工作从八十年代起有了巨大发展。目前国内规模最大、加速粒子种类最多、能量最高的是兰州重离子加速器。这台加速器在研制过程中,科学研究人员和工程技术人员坚持自力更生与引进消化国外先进技术相结合的方针,以自己的聪明才智和拼搏精神,克服重重困难,于1988年12月12日首次引出能量为每核子50兆电子伏特的碳离子来,从而向世界宣告:中国建成了继法国(1982年出束)、日本(1986年出束)之后第三台大型重离子回旋加速器,从此跨入世界加速器研制与应用的先进行列。这一成就,是中国也是世界加速器技术发展中的重要里程碑。
组成部分
重离子加速器与一般粒子加速器一样,有三个基本组成部分:
1.离子源,用以提供所需加速的重离子。
2.真空加速系统,一个装有加速结构的真空室,如加速管、加速腔等,用以向粒子施加一定形态的加速电场,并使粒子在不受空气分子散射的条件下加速。
3.导引、聚焦系统,包括电磁透镜、主导磁场等。应用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束,使之沿预定轨道接受电场加速。多数加速器还设有若干弯转磁铁和电磁四极透镜等组成的束流输运系统,用以在源和加速器之间、加速器和靶之间,或当多个加速器串联工作时,在加速器之间输运所需的粒子束。此外,为保证加速器的稳定运行,通常还设有电磁场的稳定设备、束流诊断和监测设备以及各项供电和操作设备。
工作原理
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
PIG重离子源的电荷态分布 
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。
改善方案
在重离子加速器中,有两种提高荷质比Q/A的方法。
(1)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。
(2)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。


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