离子源及加速器的国内外发展简介

离子源及加速器的国内外发展

2.1离子源及其主要类型

离子源是加速器的重要部件，它的目的是将样品物质电离成带电地原子离子或分子离子。其工作原理为：热发射或者场致发射产生电子后在放电室内部被加速，得到能量，然后电子开始撞击气体分子使气体分子发生离解、电离，然后形成等离子体（等离子体离子源），最后用引出系统在等离子体中引出离子束。离子源应该具有电离效率高，聚焦性能好，离子初始能量发散小，传输效率高，离子流稳定等特点。根据不同使用条件以及用途，目前已研制出多种类型的离子源。使用比较广泛的就有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源。这些离子源都是以气体放电为基础的,因此常被统称为弧源。高频离子源却是利用稀薄气体进行高频放电来令气体电离，一般都用来生产低电荷态的正离子，有时也生产负离子，用作负离子源来使用。而新型的重离子源的出现，使得重离子的电荷态得到显著提高,其中比较稳定的有电子回旋共振离子源(ECR)以及电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好就有转荷型以及溅射型两种。在一定条件下，以气体放电作为基础的各类离子源，都可以提供一部分的负离子束流。

图2.1离子源

word/media/image2.gif高频离子源

图2.2高频离子源

利用稀薄气体中高频放电使气体发生电离，主要产生低电荷的正离子，不过有时候也生产负离子。

在高频电场之中，自由电子与气体中地原子发生(或分子)碰撞，最后发生电离。从而带电粒子倍增，最后形成无极放电，生产了大量的等离子体。高频离子源的放电管通常使用派勒克斯玻璃或者石英管来制造。高频场则可以由管外螺线管线圈来产生，也可以使用套在管外的圆形电极产生。前者通常称为电感耦合，后者则称之为电容耦合。高频振荡器的频率通常为10 ～10 Hz，输出功率则可以达到数百瓦或以上。

从高频离子源中引出离子的方法主要有两种，其一是在放电管顶端插入一根钨丝来作为正极，而在放电管的尾端则安装一个带孔地负电极，并将该孔做成管形，方便从中引出离子流。其二则是可以把正极做成帽形，然后装它在引出电极地附近，并且放电区就在它的另外一边。但无论采用那一种引出的方式，金属电极都使要用石英或玻璃包裹起来，这可减少离子会在金属表面的复合。

而在高频放电区域中则肯定加有恒定得磁场时，由于共振的现象可提高放电区域中地离子的浓度。有时候，还可以在引出的区域加非均匀地磁场来改善引出。

图2.3 兰州大学研制的高频离子源

②弧放电离子源

在均匀磁场中，由阴极热发射电子维持气体放电地离子源。为了减少气体消耗，而放电区域往往都是封闭的。阳极做成筒装，轴线和磁场方向却是平行。磁场能很好地约束阴极所发射地电子流，在阳极腔使中气体的原子（或分子）进行电离，形成等离子体的密度非常之高的弧柱。离子束就可以垂直于轴线方向地侧向来引出，也可以顺着轴线向方引出。

③PIG离子源

在外磁场约束下产生反射电放地离子源，是弧放电子离源的改进。在弧放电离子源中，阳极另端和阴极对称于位置上，装一与阴极等位电的对阴极，使阴极发射的电子流能在中空的阳极内来回反复振荡，提高了电离效率。阴极则一般用钨块制成，由电子轰击进行加热，称之间热阴极离子源。反射放电的电压较高时，可以在冷阴极态状下工作。这时离子源地结构更加单简，称之为冷阴极离子源。对于功率比较大的子离源，阴极被放电来加热，达到电子能热发射的温度，被称之为自热阴极子离源。

为了产生非气态的元素离子，将该元素注入离子源的方法却有很多种。简单地方法就是使用气体合化物，也可以导入这元素的汽蒸。某些固体的物质还镀在阴极的面表或者阳极的腔壁上面，靠放电中地溅射的作用将该物质导入电放区。

④双等离子体离子源

大功率的双等子离体离子源能生产安培级以上地正离子束，是一种有效地强流离子源。而正离子被中和了以后，就转化为了中性束。从双等子离体离子源中可以直接引出了负离子束，也可以首先引出正离子束，然后使用间接的方法得到了负离子。

⑤双彭源

双等离子体子离源和 PIG离子源的相互综合。大功率的双彭源就是一种单电荷态的强流的离子源，就可以引出安培级及其以上的子离流。而从外形的结构看，双彭源则只是在双等离子体子离源的阳极外侧增加了一个对阴极。但从放电的原理看，它的两种离子源之间有很大的差别。前三个电极组成了类似于双等离子体子离源的系统，可以看作是一个子电源。由于对阴极上加有了和中间电极相同或者更加负些的电压，最后电子就在中间的电极和对极阴之间反射振荡,目的改善了电离。

2.2加速器的国内外发展

2.2.1美国斯坦福直线加速器

在1962年斯坦福研究中心成立，职工1300人，目前从事离子实验的科学家就有300人，主要领域为高能粒子物理、宇宙射线和天体物理、同步辐射。1962年斯坦福直线加速器中心成立后，着手建造2英里长地直线加速器区和实验区。1966年时该加速器投入运行,开始进行物理实验。该中心的科学家们就开始用加速器来产生电子用作研究质子以及中子的结构，进而发现了质子中可以被称为“夸克”的新的更小的粒子。1972年又着手建设斯坦福正负电子非对称环（SPEAR），进而开始了一个粒子对撞的时代，物质以及反物质实验开始。

2.2.2美国费米国家加速器实验室

费米国家加速器实验室坐落在芝加哥以西的巴达维亚区域，在1967年开始建设，到1974年5月最后建成。它使用了著名的美国的物理学家费米进行命名，拥有现在世界最大的质子加速器。费米国家实验室地“TEV能级加速器(Tevatron)”是当今世界上能量能达到最高地超级粒子同步的回旋加速器，是人类科研历史上最大的物理实验装置之一。加速器是科研的主要工具，尤其是对撞机，能使离子束在反相旋转时进行碰撞。

2.2.3欧洲核子研究组织

欧洲核子研究组织可以简称为CERN，是世界上最大型地粒子物理学实验室，同时也是全球资讯网地发祥地。整个组织坐落于瑞士日内瓦西部，创建于1954年9月29日。欧洲地核子研究组织目前有一个由六个加速器以及一个减速器构成的加速器，目前正在运作。每一台机器都在粒子束进行科研实验前或送到更强的加速器前都在为离子的能量进行提高。正在工作的机器有：

两个直线加速器，能够提供低能量地粒子，注入到质子同步加速器中。一个为了质子，另外一个则是为了重离子。他们被称为Linac2和Linac3。

28GeV地质子同步加速器，在1959年创建，目标是为其他更强地超级质子同步加速器（SPS）而提供粒子束。

超级质子同步加速器，直径两公里地环形加速器，在1976年就开始工作，能量输出从300 GeV到450 GeV不相等。它常常被用来当作质子－反质子的对撞器，而且还为高能量电子及正电子进行加速。这些粒子最后都被注入到大型的电子－正电子对撞器（LEP）中。在2007年以后，它还要为大型强子对撞器(LHC）中注入中子和重离子。

上线同位素质量分离器(ISOLDE），用来研究很不稳定地核子。粒子则是由质子同步的加速器提供。它在1967年建立，并且在1974年和1992年进行升级。

反质子减速器，用途为研究反质子在很低速度（约十分之一光速）时的物理特性。并且同时与正子来合成反氢子，然后进行反物质特性地研究。

大型强子对撞器（LHC）预计在2008年5月投入运行。其主体隐藏在直径为27公里的圆形隧道中。隧道的前一任主人就是大型的电子－正电子对撞器（LEP），因为它已在2000年11月就停机了。

图2.5 欧洲核子中心的双等离子体离子源

2.2.4北京大学重离子物理教育部重点实验室

北京大学技术物理系（原名北大物理研究室）是在1955年经周恩来总理批示而建立的我国高等院校中第一个核科学与技术人才进行培养的基地。1983年经过原国家教委批准后成立了北京大学地重离子物理研究所，这使得北大核学院的科学研究实力得到更一步加强。1990年北京大学地重离子物理国家教委的开放实验室正式挂牌成立，而后又更名为国家教育部重点科研实验室。重离子物理教育部地重点实验室主要部分为北京大学的物理学院的粒子物理与核物理、核技术和应用两个国家重点学科的科研力量构成。目前实验室的主要科研方向为：放射性核物理、强子物理、先进离子加速器技术、核技术及其应用。

2.2.5中国科学院近代物理研究所

中国科学院近代物理研究所在1957年创建，是一个依靠大型科学研究装置，主要研究重离子物理基础和重离子束应用研究、并且研制先进的粒子加速器及核科学技术的基地型研究场所。经过了半个多世纪的大力发展，其已成为在国内和国际上有很重要的影响的重离子科学研究中心。20世纪80年代以来，近物所已经建成了兰州重离子加速器（HIRFL）和其放射性束流线(RIBLL)等具有国际超前水平的重大科学研究装置，并且用创新的物理思想和先进的技术路线，取得了在国际上第一次合成20多种远离稳定线新核素的光辉成果

国家“九五”重大的科学工程项目——兰州重离子加速器冷却储存环工程（HIRFL-CSR）是兰州重离子加速器(HIRFL)地扩建工程。 HIRFL-CSR工程在1999年12月开始建设，主要建设内容有：主环CSRm、实验环CSRe、束运线、放射性束(RIB)分离器、实验探测装置、HIRFL改进和建安工程。CSRm总长161米，最高加速能量可以达到900MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U72+)，CSRe总长129米，最大地接收能量为600MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U90+)，束线总长473米，磁铁总重量为1451吨，磁铁电源总功率可达8234千伏安，建筑面积大概17000平方米。

CSR是一个集加速、累积、冷却、储存、内靶实验及高分辨测量于一体的多功能实验装置。它采用独特的双环结构设计，将重离子加速器HIRFL用作注入器，采用多圈注入、射频堆积以及相空间冷却(电子冷却)相互结合的技术，在CSRm里，可以把束流累积到很高地流强，然后将累积地束流能量大量提高，继而快引出轰击初级靶产生RIB或者剥离成为高离化态束流，最后注入CSRe进行内靶实验以及高精度地质量测量。

HIRFL-CSR用最经济地性能价格比，使放射性束和高品质重离子束的技术相互结合，并且小幅提高束流地能量。具有束流能量范围很宽（低、中能及高能低端）、束流种类极多（短寿命丰中子、丰质子放射性核束，尤其是远离稳定线的并且有极短寿命的滴线核束，同质异能态核束和高离化态重离子束）、束流品质极高、可连续运行、能量可调等大量优点，而且可以将它用作高灵敏度、高分辨谱仪。

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