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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2018年
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高精度环形谱仪的物理设计

吴波  
【摘要】:作为“十二五”国家重大科技基础设施建设项目之一,强流重离子加速器项目(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility,简称HIAF)将建设一台束流指标先进、以核物理和原子物理为主、兼顾多学科用途的重离子科学综合研究装置,为核物理和核天体物理基础研究、原子物理、重离子束应用研究提供国际领先水平的实验平台,使我国核物理基础研究在原子核层次上的整体水平进入国际先进行列。高精度环形谱仪(Spectrometer Ring,简称SRing)是HIAF项目中最重要的实验终端,是获取高品质放射性次级束,并将束流用于原子物理及核物理实验研究的关键设备。为满足多种物理实验需求,SRing设计有三种运行模式:等时性模式,正常模式与内靶模式。在等时性模式下,SRing运行在特殊的光学设置下,可以精确测量寿命低至几十微秒的原子核的质量。在正常模式下,使用随机冷却与电子冷却系统制备高品质的放射性次级束,用于高精度肖特基质量测量。在内靶模式下,使用电子冷却系统制备高品质的高电荷态重离子束,用于高精度的原子物理及核物理实验研究。论文从SRing承担的各种物理实验的需求出发,提出加速器设计指标,细化各模式运行方案,完成各模式的物理设计工作。三个运行模式有不同的设计侧重点:等时性模式的设计重点在于提高储存环的质量分辨能力;正常模式的设计重点在于快速冷却放射性次级粒子;内靶模式的设计重点在于保证重离子束与电子、气体分子、激光的对撞亮度,同时重离子束能够在该模式下进行减速。基于各模式的运行方案和设计指标,完成SRing的物理设计包括线性光学设计、注入设计、引出设计、色品校正、动力学孔径跟踪与等时性高阶项校正等。SRing的物理设计需要同时兼顾各运行模式,并尽可能地保证装置的紧凑性来减少造价。论文结合现阶段SRing二极磁铁、四极磁铁及六极磁铁的设计模型,使用OPERA-3D程序分析各磁铁的磁场分布。在此基础上,研究磁铁的边缘场效应及磁铁的高阶场分量对线性光学、动力学孔径及质量分辨能力的影响。在MADX程序中,利用四极磁铁切片的方法分析边缘场效应对线性光学的影响。根据动力学孔径的跟踪结果,提出SRing磁铁的高阶场分量指标及磁铁准直误差要求。在考虑了二极磁铁、四极磁铁的边缘场效应及二极磁铁中高阶场误差的影响后,使用GICOSY程序对等时性模式的线性光学及等时性高阶项校正进行重新匹配计算,消除边缘场效应及高阶磁场误差对等时性质量分辨能力的影响。利用MOCADI程序进行粒子跟踪,对GICOSY的数值计算结果进行检验,并筛选出最佳的设计方案。SRing的物理设计立足于近代物理研究所的现有装置CSRe的研制和运行经验,借鉴了当前国际上实验储存环的设计思路,充分考虑SRing当前所承担的物理实验需求及潜在的物理实验目标,以保证物理设计的可靠性与合理性。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TL594

【参考文献】
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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