高能强流重离子加速器中离子损失机理、影响及消除方法研究

Recently, the high energy, high intensity heavy ion accelerators are required to accumulate the reference particle 238U to 1*10E12 in synchrotron for the radiocactive or plasma physics experiments. For heavy ion acclerator, these intensities can only be reached by using intermediate charge state ions. However, beam losses will be easily casued by the interaction between the intermediate charge state ions and the resudial gas.The beam losses would cause the ion-stimulated desorption, decay of beam lifetime and even the shutdown of the accelerator. Therefore, the studies on the beam loss, influences and collimation must be carried on. In this research project, the mechanisms of heavy ion interaction with the rest gas atoms will be studied. The desorption rate of vacuum chamber under different coating will be smeasured based on the HIRFL-CSR.The simulation and test method of dynamic vacuum system will be proposed. The software to optimizate the Lattice with high catching efficiency will be designed under the dynamic vacuum effects.The research results will provide important theory basis and design experiences for the high intensity and high energy heavy ion accelerator facility in the future.

近年来，放射性束、等离子体物理等要求加速器在高能量条件下将重离子（如铀）累积到1*10E12 ppp以上用于实验，在重离子加速器中只有采用中间电荷态的离子才能满足此要求，然而该电荷态的离子与残余气体的反应截面相对较大，诱发束流损失致使腔体吸附的粒子解吸，系统真空度下降，束流寿命减小，甚至导致加速器停机。因此，束流损失机制、影响及消除方法的研究将是高能强流重离子加速器中亟待开展的工作。本项目拟开展高能强流重离子束流与残余气体作用机制研究；搭建基于HIRFL-CSR的测试平台，全面系统地测量常温真空腔不同镀膜材料的解吸率，揭示多能量范围、多离子种类条件下束流碰撞导致真空系统变化的规律；掌握重离子加速器中动态真空系统测试和建立的方法；实现动态真空条件下高刮束效率的重离子加速器Lattice结构优化与模拟软件的设计；研究结果将为今后建设的高能强流重离子加速器提供重要的理论依据和设计经验。

高能强流重离子加速器将累积中间电荷态的离子以突破空间电荷限，进而满足各项物理实验对高流强的需求，然而中间电荷态的离子与残余气体的反应截面相对较大，导致束流损失率提高，从而致使真空腔体吸附的粒子解吸，系统真空度下降，束流损失加剧，甚至导致加速器停机。因此，束流损失机制、影响及消除方法的研究将是高能强流重离子加速器中亟待开展的工作。本项目开展了高能强流重离子束流与残余气体作用机制研究，计算了高能强流重离子束流与残余气体相互作用的反应截面，结合静态真空的组成成分，明确了束流损失率的计算方法；编写了损失离子在加速器中的传输计算模块，采用六维矩阵计算方法模拟损失离子的运动轨迹，统计损失离子在加速器中相应位置的强度，确定了离子沿加速器的损失分布；在离子损失处放置准直器，模拟计算准直效率。以高的准直效率为目标，优化了不同的准直器放置位置、准直器横向、纵向尺寸、准直器的形状对准直效率的影响；搭建了低能量的真空材料解吸率测量平台，测量和计算了束流129Xe10+和16O1+轰击无氧铜块的解吸率，研究了解吸率随束流能量的变化规律；测试了两种束流轰击无氧铜靶材导致的动态真空效应。设计编写的束流损失计算和准直效率模拟软件为今后建设的高能强流重离子加速器准直系统的设计提供了可靠的科学计算工具。低能解吸率测量平台测量的无氧铜解吸率数据能够为动态真空的模拟和今后建设的高能强流重离子加速器准直系统的材料选择提供解吸率的实验数据。解吸率测量和动态真空效应的研究能够为今后建设的高能强流重离子加速器设计和稳定运行提供理论基础及设计经验。