[科普中国]-SIS同步加速器

概述

在GSI的新项目国际重离子、反质子加速器科学研究装置的蓝图中，现有的重离子同步加速器SIS将作为前级提升束流的强度和能量。束团的纵向稳定性是保证可靠的强流运行所必须回答的问题，包括以下内容，在本文中分别进行了探索和解答：纵向的重离子加速器环境阻抗模型；在可能的阻抗条件下束流线性稳定性；在阻尼及不稳定性效应下束流相空间分布的演化行为和结果（发射度增长、粒子丢失等)及其内在机制；对不稳定性和束流相空间稀释效应进行控制的可能性。

不同流强下束流纵向相空间测量，这是本论文工作的一个重要基础。自洽的Vlasov束团模型（任意外场加空间电荷效应下的束流匹配)和实际运行中的非理想捕获过程（有限的高频电压上升时间，对应不同的绝热系数），作为任何束团运行和稳定性研究的前提分别在论文中得到了厘清。解析方面的工作包括定态和微扰理论，即将线性Vlasov方程应用于束团，并在适当的近似下得到简洁的解析方程。经过重新推导，得到了修正的Sacherer积分方程，使之在强空间电荷效应下的仍然适用，由此得到了线性稳定图。编写调试成功了PIC（particle-in-cell)算法的模拟程序，和线性理论相互校验，并与已得到的实验结果进行了对比，对实际运行中复杂过程进行了模拟，并研究了不稳定性发展后期非线性阶段。线性理论，模拟和实验结果有很好的一致性。

在SIS实验中观察到一种流强相关的束团相干模式演化现象，该现象揭示出束团中朗道阻尼条件，这与束团稳定性密切相关。对空间电荷抑制朗道阻尼效应及发射度增长进行了细致研究。提出用快反馈装置控制相空间稀释的思路。

线性理论和模拟的结果都预言，在阻性阻抗和空间电荷阻抗存在下，耦合束不稳定性是SIS多束团强流运行的潜在威胁。阻性阻抗来自管壁及加速器部件的有效导电性或特殊共振结构，或直接来自频率偏置的高频腔。阻抗补偿或特殊的束团操作可以用来控制耦合束不稳定性。1

发展历程GSI是德国国家研究体系HcrmannvonHelmholtz-GemeinschaftDeutscherForschungszentren（HGF）的16个成员之一。该实验室以重离子加速器为主要工具从事基础物理、应用以及相关的自然科学规律的研究。实验室的加速器装置包括多用途直线加速器UNIversalLinearACcelerator：UNILAC（1975年出束）、分别在1989/90出束的重离子同步加速器heavy-ionsynchrotron：SIS（提及新项目时常被称作SIS18）和实验储存环experimentalstoragering：ESR。

GSI又是一个包括世界各地1000名料学家的国际团体，运用其重离子实验装置进行多领域的实验和理论研究。研究领域涵盖：核及强子物理包括核反应、奇异核、超重元素及核结果等等；利用离子冷却、离子阱及激光技术的原子分子物理；用于重离子实验的皮瓦量级高能激光装置PetawattHighEnergyLaserforHeavyloneXperiments：PHELIK；等离子体物理及束流物理；材料科学；重离子生物效应：重离子对细胞、染色体及DNA的生物物理学效应和肿瘤的重离子放射治疗等。

GSI的历史由1963-1970UNILAC在海德堡的概念性设计和在达姆施塔特的建造开始。1981年UNILAC扩充了两个Alvarea结构。SIS和ESR设计建造于1985-1990。1987年GSI的加速器系统启用了能量切换分时共享模式。新增添的高电荷态注入器前端High-Charge-stateInjector:HLJ在1992年首次运行，从而实现粒子种类切换分时共享模式。1999年UNILAC的主体进行了流强升级，旧的前端更换为高流强注入器High-CurentIujector（HST）。

1996年SIS的控制系统升级以用于重离子放射治疗。肿瘤的光栅扫描治疗要求重离子束的能量可以在每个同步加速器运行周期改变。在SIS，255个所谓“虚拟机器”，就是以同步加速器运行周期为单位不同能量不同流强的束流，可以被相同或不同的用户使用。1995-1997GS1进行了机器锻炼，旨在SIS空间电荷流强限的运行。

ESR的首次电子冷却在1990年运行，首次随机冷却运行在1997年。电子冷却和随机冷却在这里是第一次被应用于高能重离子束。一项最引人注目的应用之一就是冷却“热”的、来自初级束打靶发生碎裂或裂变反应得到放射性次级不稳定核束流。从此可以得到前所未有的束流品质并开启一项新的研究领域。

现在提出的国际重离子、反质子大科学装置正是基于GSI已有经验并加上新的技术概念如快循环超导磁铁等。新项目的原则目标是为欧洲科学界提供世界独有并且技术新颖的加速器体系，用以研究物质基本结构的未来前沿科学及交叉学科。1