（核技术及应用专业论文）上海电子束离子阱ebit装置电子束离子阱系统机构研制.pdf

摘要 摘要 上海e b i t 装置是国内第一台用来产生高电荷态离子并研究其性能的实验设 备，其设计指标是目前国际上各台e b i t 装置实际达到的最高水平的集成。电子束 离子阱系统是e b i t 装置的核心区域，在其建造过程中有许多设计、制造问题需要 解决。本文对电子束离子阱系统的机构展开了研制工作。 研制了漂移管组件，包括设计轴向电势阱和整体机械结构，研究组件面临的低 温、超导、高电压、超高真空等具体工程问题的解决措施，并对组件进行低温、高 电压试验，为装置的调试与运行提供参考。 研制了收集器组件，包括机械结构设计，采用有限元计算方法对收集电极的冷 却情况进行模拟，研究避免高压放电、组件的安装等一系列具体工程问题的解决方 法。 研制了大直径超高真空法兰、真空室和铍窗等真空系统元件。法兰的设计考虑 了密封的可靠性和安装的方便；研究了真空室结构和加工工艺，对真空室在安装过 程中和工作状态下的受力状况进行有限元分析；通过大变形非线性方法计算确定铍 窗的直径和厚度。 采用准直望远镜对电子束离子阱系统进行准直，制定了合理的准直方案，研制 了高精度的机械调节机构和良好的准直工装。准直结果表明各组件的位置精度均达 到设计指标。 目前上海e b i t 装置能够在能量为1 3 0 k e y 、流强为1 6 0 m a 、磁场为3 t 的状态 下稳定运行，并且已经进行了一系列实验研究工作。这表明装置的研制基本成功。 本文的研制工作对上海e b i t 装置的成功建造起了重要的作用。 关键词：高电荷态离子电子束离子阱上海e b i t 装置 a b s t r a c t a b s t r a c t s h a n g h a ie l e c t r o nb e a mi o nt r a p ( e b i t ) f a c i l i t yi st h ee q u i p m e n t ，w h i c hi su s e dt o p r o d u c eh i g h l yc h a r g e di o n sa n dr e s e a r c ht h e i rp e r f o r m a n c e s c o m p a r e dw i t ho t h e re b i t f a c i l i t i e s i nt h ew o r l d ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fs h a n g h a ie b i tf a c i l i t yr e a c ht h e l l i 曲e s tl e v e lt h a th a sb e e nr e a l i z e d t h ee l e c t r o nb e a mi o nt r a ps y s t e mi st h eh e a r to f e b i tf a c i l i t y i nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，m a n yp r o b l e m sn e e dt ob es e t t l e dd o w n ，s o t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ee l e c t r o nb e a mi o nt r a ps y s t e mo fs h a n g h a ie b i tf a c i l i t yi s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ed r i f tt u b ea s s e m b l yi sd e v e l o p e d i tw o r k su n d e rl o wt e m p e r a t u r e ，s t r o n g m a g n e t i cf i e l d ，u l t r ah i g hv a c u u ma n dh i g he l e c t r i cp o t e n t i a l ，w h i c h l e a d st oh i g h r e q u i r e m e n t so nt h ed e s i g n i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no ft h ep o t e n t i a lt r a p ，t h es t r u c t u r eo f t h ea s s e m b l y , t h ep r o c e d u r e sf o rs o l v i n ge n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，a n dt e s t i n go fl o w t e m p e r a t u r ea n dh i g hp o t e n t i a lo p e r a t i o n sf o rt h ea s s e m b l ya r ep e r f o r m e d t h ec o l l e c t o ra s s e m b l y , a n o t h e rk e yc o m p o n e n t ，i sd e v e l o p e d ，w h e r et h ee l e c t r o n s a r et e r m i n a t e d t h ec o o l i n go fc o l l e c t o re l e c t r o d ei sa n a l y z e dw i t hf e m t h ep r o c e d u r e s f o rs o l v i n ge n g i n e e r i n gp r o b l e m ss u c ha sa v o i d i n ge l e c t r i c a lb r e a k d o w n ，s u p p o r t i n ga n d m o u n t i n ga r ep e r f o r m e d t h eb i g s i z eu l t r a - v a c u u mf l a n g e s ，c h a m b e r sa n db e w i n d o w sa r ed e v e l o p e d t h e s e a l i n gr e l i a b i l i t ya n dt h ec o n v e n i e n c eo fm o u n t i n ga r et h em a i nf a c t o r si nt h ed e s i g no f f l a n g e s t h es t r u c t u r ea n dt h ep r o c e s st e c h n o l o g yf o rt h ec h a m b e r sa l er e s e a r c h e d ，a n d t h es t r e s so ft h ec h a m b e r si nw o r k i n gs t a t ea n dm o u n t i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e dw i t hf e m n o n l i n e a rb i gd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi su s e dt od e c i d et h ed i a m e t e ra n dt h i c k n e s so f b e w i n d o w s ac o l l i m a t i n gt e l e s c o p ei su s e dt om a k ea l i g n m e n to fs h a n g h a ie b i tf a c i l i t y t og e t p r e c i s er e s u l t ，h i g hp r e c i s i o na d j u s t m e n t sa n ds p e c i a lt o o l sa l ed e s i g n e da n da d o p t e d s e v e r a le x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d et ot e s tt h er e l i a b i l i t ya n dp r e c i s i o no ft h e s e a b st r a c t a d j u s t m e n t sa n dt o o l s a f t e rc a r e f u lp e r f o r m a n c e ，t h ea l i g n m e n ti ss u c c e s s f u l t h ew o r ki nt h i sp a p e rh a si m p o r t a n ti m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to ft h es h a n g h a i e b i t n o w , t h ee b i tf a c i l i t yc a nb eo p e r a t e ds t a b l yw i t l la ne l e c t r o nb e a mo f 1 3 0 k v 16 0 m a a n dam a g n e t i cf i e l do f3t k e y w o r d s ：h i 曲l yc h a r g e di o n s e l e c t r o nb e a mi o nt r a p s h a n g h a ie b i tf a c i l i t y i 中科院上海应用物理研究所论文独创性声明和使用授权说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本论文不舍任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明并表示 了感谢。本声明的法律结果由本人承担。 楸：俐魄 肋歹叫月多7 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解中科院上海应用物理研究所关于收集、保存、使 用学位论文的规定，即： 1 、按照应物所的要求向研究生部提交学位论文的印刷本，向信息 中心提交学位论文电子版； 2 、应物所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索 与阅览服务； 3 、应物所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 4 、应物所可以公布论文的全部或部分内容； 5 、应物所有权按规定向有关论文保存单位提交论文，并同意他们 向社会公布 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作糊：膨嘭 阢6 1 年f j 只曩甚 抑虢韶必 名年，月坯日 第一章j 言 1 e b i t 装置的发展和用途 第一章引言 随着现代物理科学的发展高电荷态离子相关物理研究已经成为一门新的学 科，它对于原子结构、相对论、量子电动力学、基本粒子理论的研究和检验，以及 对可控核聚变和天体物理等各类等离子体的研究都有着重要的意义。与此同时，军 事科学和国肪工业对高电荷态离子的原予物理数据的需求也同益增长。返促使科学 家们探索能够产生高电荷态离子并对其特性进行研究的装冠和方法。 高电荷态离予的产生非常困难，因为它要求在质心系能量大干被剥离电于结合 能的条件下进行连续碰撞。在历史上，产生电荷数z 3 0 高电荷态离子的碰撞只能 在大加速器j ：用g e v 量级能慢的柬流进行，它足将大加速器的相对沦重离子求引到 静态的薄膜靶上。大加速器的储存环可虬将高电荷态离子聚集井储存根长的时间， 进行电子一离子碰撞截面的测量，但是不能进行x r a y 谱学的研究，因为高速运动 的束流会形成很大的多普勒展宽。此外大加速器的不灵活性也使其不能被广泛应 j _ 】。 图1 - ie b i s 装置内部结构示意图 f i gl - 1s t r u c t u r eo f t h em a i np a r to f a ne b i s 2 0 世纪5 0 年代p l u m l e e 提出靠电子柬产生空间电荷分布来约束离子并对这些 离子进行连接不断的轰击以产生带多重电荷的离子的想法”。之后d o n e t s 等人对其 进行了关键性的改良i “，并在前苏联d u b n a 原子核研究所建立了第一台电子束离子 上海b b i t 装置电子束离子阱系统机构研制 源( e b i s ) 装置，这也是第一台用低能电子产生高电荷态离子的装置。e b i s 装置 的内部结构如图1 1 所示，其轴向陷阱较长，由多个漂移管形成，一般有0 5 m ，l m 。 由于约束离子的数量与陷阱长度几乎成正比，因此它能够约束较多的离子，但离子 升温很难得到控制，所以离子的可约束时间很有限，电子对它们逐渐电离的时间也 就比较少，因此不能达到很高的电荷态。 1 9 8 6 年，美国劳伦斯利物莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b ) 的m a r r s ，l e v i n e 及k n a p p 等人对e b i s 进行了改良，建成了世界上第一台电子束 离子阱( e b i t ) 装置p 4 j ，称为耶1 1 i 。在e b i t 装置中，约束离子的轴向陷阱长 度降到2 0 r a m 左右，通过蒸发冷却方法，延长所要研究离子的约束时间，增加电子 与离子的碰撞次数，因此能够产生的电荷态要高得多【5 】。e b i ti 的能量比较低，后 来对其进行改造建成s u p e re b i t 6 】，设计能量从3 0k e v 提高到2 1 0k e v 。1 9 9 4 年在 这套装置上第一次观察到裸铀离子【7 一。 在e b i t 装置上可进行的研究工作分为原位测量和引出实验两类【9 】o 原位测量 包括真空紫外、可见光谱学和x - r a y 谱学，如辐射俘获、双电子态重组、电子离 子碰撞及激发截面、x - ra y 的极化、跃迁能和高分辨谱学等。研究对象为：( 1 ) 高 电荷态离子的结构、离子与电子及光子之间的动力学反应。包括禁戒跃迁，陷阱诊 断，超精细结构的分裂和强场中的量子电动力学( q e d ) 的检验；( 2 ) 原子结构： 类氢系统的l a m b 位移，束缚电子的g 因子测量；( 3 ) 原子核的精密探测：核电荷 分布，磁半径和磁矩分布的测量等；( 4 ) 应用于可控核聚变，强偶合等离子体，天 体物理和x - r a y 激光。离子引出实验主要包括以下两方面：( 1 ) 与物体表面相互 作用，生成“空洞原子”：高电荷态离子的库伦能很大，而其入射速度比靶原子中外 层电子的玻尔速度低，所以低速的高电荷离子与靶物质相互作用时会引发许多新现 象。例如每个离子会引发出上百个次级电子，以致单个离子就可以形成“空洞原子”。 “空洞原子”的产生会形成纳米尺寸的泡状突起的表面缺陷，缺陷的体积与入射电荷 成比例。由此引发了发展基于高电荷离子的纳米新技术的设想。例如，高密度的数 据储存，小尺寸的平版印刷( 1 i t h o g r a p h y ) ，微机械和小尺寸器件的制作。( 2 ) 与其 他束流的相互作用：与原子束碰撞，研究表面相互作用；用激光束或同步辐射进行 离子再约束的实验。 2 第一章引言 1 2 国际上现有e b i t 装置 目前国际上已有多台e b i t 装置，主要分布在美国、德国、英国和日本等国家。 美国的劳伦斯利物莫尔国家实验室先后于1 9 8 6 和1 9 9 0 年建成e b i ti 和e b i ti i 两 台装置。1 9 9 3 年e b i ti 升级改造成s u p e re b i t 。e b i t i i 于2 0 0 0 年搬迁至加州的 l a w r e n c eb e r k e l e y 实验室【1 0 】。另外美国的国家标准局于1 9 9 4 年建成n i s te b i t e l l l 。 日本电器通讯大学于1 9 9 6 年建成t o k y oe b i t t l 2 13 1 。1 9 9 7 年德国马普研究所建成 b e r l i ne b i t 1 4 】。2 0 0 0 年弗来堡大学建成f r e i b u r ge b i t 【1 5 】，2 0 0 1 年搬迁至海德堡， 现称为h e i d e l b e r ge b i t 。英国剑桥于1 9 9 7 年建成o x f o r de b i t 1 6 】。上述e b i t 装置 均采用超导线圈产生的强磁场来约束电子束半径以提高电子密度，由于超导线圈需 要用4 2 k 的液氦来维持，因此又称为低温e b i t 装置。近几年来，一些国家开始研 制常温e b i t 装置，它使用永久磁铁来代替超导线圈，这大大节约了运行成本。德 国的德累斯顿技术大学分别于1 9 9 9 年和2 0 0 1 年建成d r e s d e ne b i ti 和d r e s d e n e b i t i i 两台常温e b i t 装置【1 7 18 1 。北爱尔兰贝尔法斯特皇后大学于2 0 0 4 年建成 b e l f a s te b i t 1 9 2 们。在这些装置中，s u p e re b i t 、t o k y o e b i t 和h e i d e l b e r ge b i t 属 于高能e b i t ，其它的为低能e b i t ，表1 一l 列出了各国e b i t 主要设计指标和目前3 台高能e b i t 实际达到的运行参数。 表1 - 1 各国e b i t 的主要性能指标 t a b l e1 - 1m a i np e r f o r m a n c e so fe b i t s 能量( k e y )流强( i i 迭)磁场( r )束径m m ) s u p e re b i t2 0 0 ( 达到2 1 0 )2 0 0 ( 达到2 0 0 )3 ( 达到3 ) 3 5 t o l q l ，oe b i t3 4 0 ( 达到1 5 0 13 0 0 ( 达到2 5 0 ) 4 5 ( 达到4 5 )3 0 ( 达到3 6 7 1 h e i d e l b e r ge b i t 3 5 0 ( 达到9 0 )7 5 0 ( 达到1 5 0 )8 ( 达到5 ) 3 0 ( 达到1 0 0 ) l l n le b i t3 0 2 0 033 5 n i s t e b i t3 3 1 5 033 0 o x f o r de b i t3 01 5 0 2 8 b e r l i ne b i t3 01 5 033 5 d r e s d e ne b i ti1 55 0o 2 5 d r e s d e ne b i t 2 87 50 2 5 b e l f a s te b i t 1 0 03 0 0 0 6 31 0 0 3 上涛e b it 装置电子柬离子阱系统机构研制 13 e b y r 装置原理与结构 电子束离子阱装置的基本工作原理如图i 2 所示，即从电子枪发射出的电子束， 经电子枪和漂移管之间的高压间隙加速获得所需能量，在超导线圈产生的强磁场压 缩下获得高密度电子束，电子柬在漂移管中与中性原子或低电荷态离子逐级碰撞使 离子达到高电荷态，电子束离开漂移管后减速，虽终被收集器吸收忙1 ”i 。 坷廿拇麓且吐 、_ 。 专著三善叵p _ _ ：= ；宅= 瓷i 唑 i 静 图1 - 2e b i t 装置工作原理圈 f i g i 2p r i n c i p l e o f a ne b i t e b i ti 采用液氮冷屏，它的电子柬沿垂直方向，实验观测霄在水乎方向，主高 屯压气隙为6 6 m m ，电子束虽高能吊仅为3 0 k e v 。e b i t l l 平n i s le b i t 的设计与 e b i ti 相彷。在s u p e re b i t 中，在原装置的收集器下游重新设计了收集器组件， 在新、旧收集器之间采用三段传输线约束电子以使其顺利到选收集器，此外，还在 真空室外设置了导向线圈。在s u p e r e b i t 的设计中，漂移茴电位+ 3 0 k v ，电子枪和 收集器均浮簧于一1 7 0 k v ，通过加速管实现1 7 0 k v 对地绝缘在装置下部用s f 6 气 体保护以提高耐压性能， ：部直接暴露在大气中。由于受制于原先的装置e b i t l s u p e re b i t 的主高压气隙偏短，但其表面经长期实验锻炼r 4 选到2 1 0k v 。s u p e r e b i t 电子柬性能佳，曾达到的水平迄今术被超越，但该装置液氢耗量较大，每小 对达4 0 lt o k y o e b i t 的基本设计思路沿袭于s u p e r e b i t 也采用液氮冷墀系统， 第一章1 1 言 在装置的下部和上部高压系统均利用2a r m 的s f 6 作为绝缘介质以提高耐压性能。 其电子束能量和流强的设训值分别为3 4 0 k e v 和3 5 0 m a ，目前分别达到i5 0 k e 7 、 2 5 0 m a 。t o k y oe b i t 的液氮耗量也比较大，每小时为2 4 l 。b e r l i ne b i t 的设计思 想类似于e b i ti ，陷阱区耐压仅2 3 k v ，改进后经高压锻炼达到4 0 k v 。与以上的 e b i t 装置不同，h e i d e l b e r ge b i t 采用水平放嗣方式，即电子束沿水平方向。 h e i d e l b e r ge b i t 采用制冷机为冷屏提供冷量，它的效果明显好于液氨冷屏系统，液 氮耗量只有o2 l f f t r 。最近常温e b i t 装簧受到了广泛的关注，其尺寸较小、结构简 单、运行成本低，但它所能达到的磁场强度低，导致电子束半径大和电流密度比较 低，这也限制丁离子电荷态的提高。图1 3 1 7 为几台典型e b i t 装锭的结构示意 图。 图1 4b e r l i ne b i t 结构示意圈 f i g1 - 3 0 v e r v i e w o f b e r l i n e b i t 上海朗i t 装置电子柬离子阱系统机构研制 图1 4s u p e re b i t 结构示意图 f i g1 4o v e n r i e wo f s u p e r e b i t 图1 - 5t o k y oe b i t 结构示意图 f i g1 - 5 0 v e n i e w o f t o k y o e b l t 第一章；i 言 二一 图i - 6h e i d e l b e r ge b i t 结构示意图 f i g 1 - 6o v e n l i e wo f h e i d e l b e r ge b i t 圈1 - 7 b e l f a s t e b i t 结构示意图 f i g 1 - 7 0 v e r v i e w o f b e l f a s t e b i t 上海e b i t 装置电子柬离子阱系统机构研制 所有e b i t 装置的漂移管组件结构基本类似，一般由三段漂移管构成，且| j = 上 游外漂移管、中心漂移管和下游外漂移管。图1 - 8 为s u p e r e b i t 的漂移管示意图， 绝大部分e b i t 装置均采用这种结构。图i - 9 为t o k y o e b i t 漂移管结构示意圈，它 在总体上也分成三段，但其中心漂移管由六个相互绝缘的电极组成，在轴向中心漂 移管分成三段，上f 两段各由一个电极，中间一段由四个电极组成。t o k y oe b i t 的 漂移管如此设计的目的在于引出离子时给中心漂移管的中间段加正高电位以加速 离子，而对于光谱实验本身，一：需要如此结构设计。由于漂移管组件一般安装住超 导线圈的内部，空间小、结构紧凑，容易发生电击穿现象，如果此处结构过于复杂 会使漂移管的电位不易达到设计值。此外，多个电极需要用多根引线，这增加了热 传导，使液氦消耗量增大。 圈l - 8s u p e re b i t 漂移管示意图 f i g1 - 8d r i f tt u b e so f s u p e re b i t 图l - 9t o k y oe b i t 漂移管示意图 f i 9 1 9 d r i f t t u b e so f l o k ) oe b i t 在e b i tt 、b e r l i n e b i t 等低能装置h ，收集器组件结构相对简单，主要由一个 收集电极、一个引出电极、一个抑制电极和一组补偿线圈组成，如图所1 - 1 0 示。在 s u p e r e b i t 、t o k y o e b l t 等高能装置上，在收集电极的上游设计了两个抑制电极以 增加抑n - 次电子反向运动的效果，在抑制电极外围增加组聚焦线圈以使电子束 第一章引言 顺利通过抑制电极进入收集电极被吸收，图1 - 11 为s u p e re b i t 装置的收集器结构 示意图。 引出电椴 收集电极 补偿线圈 抑制电极 图l 一1 0 低能e b i t 收集器示意图 f i 9 1 1 0 d r i f t t u b e so f e b i t i 引出龟极 收集电极 补偿鲢圈 抑制电极2 聚焦线圈 抑制电极1 国l - 1 1s u p e re b i t 收集器示意圈 f i 9 1 1 1 c o l l e c t o r a s s e m b l y o f s u p e re b i t 上海髓i t 装置电子束离子阱系统机构研制 1 4 上海e b i t 装置的性能指标及特点 上海e b i t 装置是为复旦大学研制的物理实验设备，是国内第一台电子束离子 阱装置。复旦大学提出的主要技术指标如下【8 】： 垂直方向陷阱长度：2c m 电子束能量：2 0 0k e v 电子束密度：5 0 0 0a c m 2 电子束半径： 3 0 5 0 斗m 磁感应强度： 5t 陷阱区真空：常温1 0 9 1 0 1 0 t o r t ，低温1 0 1 2 t o r t 液氦消耗量： o 2 l i - i t 水平方向实验窗口：8 只 与国际上各台e b i t 装置相比，上海e b i t 装置的设计指标是目前它们实际达 到的最高水平的集成，因此上海e b i t 装置既具有先进性和可行性，更具有挑战性。 根据以上的主要指标，国际上可供借鉴的高电压e b i t 装置有三台，即：s u p e r e b i t 、 t o k y oe b i t 和h e i d e l b e r ge b i t 。s u p e re b i t 的电子束能量、束流强度以及陷阱长 度等主要技术指标和上海e b i t 装置相仿，其设计原理、电磁场配置、主要的元件 结构等是上海e b i t 装置的主要参考。t o k y oe b i t 也相似于s u p e re b i t ，目前装置 运行稳定，而h e i d e l b e r ge b i t 的液氦耗量是所有e b i t 装置中最低的，其成功经验 也是上海e b i t 装置的重要设计参考。上海e b i t 装置的主要特点如下： ( 1 ) 总体设计原则和美国l i v e r m o r e 的s u p e re b i t 装置相仿，同时具体结构 设计也参考t o k y oe b i t 装置和h e i d e l b e r ge b i t 装置的成功经验。 ( 2 ) 采用液氦系统提供超导线圈运行环境，采用制冷机冷却双级冷屏，并将 制冷机和液氦颈管横置。 ( 3 ) 采用n t i 线制作的h e l m h o l t z 超导线圈产生5 t 强磁场。 ( 4 ) 主机部分分为电子枪段、漂移管段、收集器段三个独立段，可单独进行 组装和调试，且便于总体组装。 ( 5 ) 大小液氦容器分离，由不锈钢波纹管作为连通管，用不锈钢绳悬挂小液 1 0 第一章引言 氦容器，便于漂移管中心位置调节。 ( 6 ) 适当增加真空内主高电压气隙的长度，高压系统充3 a r m 的s f 6 气体， 以增加安全系数。 ( 7 ) 利用高精度调节机构，以电子枪为准直基准，采用准直望远镜对漂移管、 收集器以及束流位置监视器等沿束流前进方向上的部件在大气、真空和 低温状态下进行准直调节。 ( 8 )以分子泵为预抽泵，以离子泵为超高真空主泵实现常温真空指标，利用 低温系统的冷凝作用实现低温真空指标，并用差分抽气板降低低温超导 段的气载。 1 5 本文主要研究内容及方法 上海e b i t 装置是一台非常复杂的实验设备，由许多部件和系统组成。本文的 研究工作是在总体设计9 2 3 2 4 1 的基础上围绕上海e b i t 装置电子束离子阱系统的机 构展开，主要是电子束离子阱系统一些重要部件和机械准直系统的研制。为了清楚 地说明这部分工作，本文第二章介绍了上海e b i t 装置的总体结构。本文主要内容 如下： ( 1 ) 上海e b i t 装置总体结构 介绍上海e b i t 装置总体构成、电磁场配置和电子运动包络以及e b i t 装置的 主要组成部件和系统。 ( 2 ) 漂移管组件研制 设计约束离子的轴向电势阱；设计组件的机械结构：研究组件面临的低温、超 导、高电压、超高真空等具体工程问题的解决措施；对组件进行低温试验，确定其 承受低温的能力；对组件进行高压试验，确定其承压能力，并为装置的调试与运行 提供参考。 ( 3 ) 收集器组件研制 设计组件的结构；介绍组件内的电磁场配置：对收集电极、补偿线圈和聚焦线 圈进行冷却设计，并进行相关试验：研究避免高压放电、电位引入及组件的组装等 一系列具体工程问题的解决方法。 上海e b i t 装置电子柬离子阱系统机构研制 ( 4 ) 真空系统的机构研制 研制大直径超高真空法兰、真空室、铍窗等真空系统元件。 ( 5 ) 机械准直系统研制 根据上海e b i t 装置的特点、选择合适的准直方法并确定准直方案；设计高精 度的准直调节机构和必须的工装；对调节机构进行试验，确保其精度和稳定度；对 低温超导段进行准直试验，确定准直方案的可行性： ( 6 ) 电子束离子阱系统组装 实现电子柬离子阱系统的组装和整体准直。 上海e b i t 是国内第一台e b i t 装置，本文在对国际上已有的e b i t 装置进行广 泛调研的基础上进行上海e b i t 装置的相关研制工作，研制过程中参考了s u p e r e b i t 、t o k y oe b i t 和h e i d e l b e r ge b i t 等装置的成功经验。本文的研究内容涉及电 磁场、高电压、超高真空、热传导、精密机械和准直等诸多方面知识，采用理论分 析、设计计算与试验研究相结合的方式进行研究；相关的试验结果可为装置的调试、 运行提供参考。 备注：本人在上海e b i t 装置项目中承担的具体工作如下：绘制装置总装图、 电子束离子阱系统总图以及各段总图；负责漂移管、收集器、束流位置监视器( b p m ) 以及真空室等部件的研制；负责设计电子枪、收集器、漂移管、传输线圈和束流位 置监视器的准直调节机构和准直用的相关工装，实施电子束离子阱系统的准直和现 场总装；参与低温超导系统研制。 参考文献 lr h p l u m l e e r e v i e wo fs c i e n t i f i ci n s t r u m e n t , 1 9 5 7 ，2 8 ( 1 0 ) ：8 3 0 - 8 3 2 2e d d o n e t s n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si np h y s i e sr e s e a r c hb ，1 9 8 5 ，9 ( 4 ) ： 5 2 2 5 2 5 3m a l e v i n e ，r e m a n s ，j n b a r d s l e y , e ta i n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si n p h y s i c sr e s e a r c hs e c t i o nb ，1 9 8 9 ，4 3 ：4 31 - 4 4 0 4m a l e v i n e ，i le m a r r s ，j 1 lh e n d e r s o n , d a k n a p p ，e ta 1 p h y s i e as c r i p t a ，1 9 8 8 ， 1 2 第一章引言 i ii ii n l t 2 2 ：1 5 7 1 6 3 5b 。m p e n e t r a n t e ，j n b a r d s l e y , m a l e v i n e ，e ta 1 p h y s i c a lr e v i e w 八1 9 8 8 ，4 3 ( 9 ) ： 4 8 7 3 4 8 7 5 6d a k n a p p ，r e m a r t s ，s r e l l i o t t ，c ta 1 n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si n p h y s i c sr e s e a r c ha ，1 9 9 3 ，3 3 4 ：3 0 5 3 1 2 7r e m a r r s ，s r e l l i o t t ，d a k n a p p p h y s i c a lr e v i e wl e t t e r s ，19 9 4 ，7 2 ( 6 ) ： 4 0 8 2 4 0 8 5 8r e m a n s r e v i e wo fs c i e n t i f i ci n s t r u m e n t ，1 9 9 8 ，6 7 ( 3 ) ：9 4 1 9 4 4 9 上海电子束离子阱( e b i t ) 装置初步设计报告上海原子核研究所，2 0 0 2 1op b e i e r s d o r f e r , e b e h a r , k r b o y c e e ta 1 n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si n p h y s i c sr e s e a r c hb ，2 0 0 3 ，2 0 5 ：1 7 3 1 7 7 1 l j d g i l l a s p y p h y s i c as c r i p t a , 19 9 7 t 7 1 ：9 9 - 10 3 12f - j c u r r e l l ，j a s a d a ，k i s h i i ，e ta 1 j o u r n a lo ft h ep h y s i c a ls o c i e t yo f j a p a n ，19 9 6 ， 6 5 ( 1 0 ) ：3 1 8 6 3 1 9 2 13n n a k a m u r a , j a s a d a ，f j c u r r e l r e v i e wo fs c i e n t i f i ci n s t r u m e n t ，19 9 8 ，6 9 ( 2 ) ： 6 9 4 6 9 6 14b i e d e r m a n nc h r i s t o p h ，f o e r s t e ra n d r e a s ；f u s s m a n ng e r d ，e ta 1 p h y s i c as c r i p t a ， 1 9 9 7 ，t 7 3 ：3 6 0 - 3 6 1 15g r e s p ojr ，d o r aa ，m o s h m m e rre ta 1 p h y s i c as c r i p t a ，19 9 9 ，t 8 0 ：5 0 2 - 5 0 3 16s i l v e rjd ，v a m e ya j ，m a r g o l i shs ，e ta 1 r e v i e wo fs c i e n t i f i ci n s t r u m e n t ，19 9 4 ， 6 5 ( 4 ) ：l0 7 2 10 7 4 17g z s c h o m a c k ，r h e l l e r , m k r e l l e r , e ta 1 r e v i e wo fs c i e n t i f i ci n s t r u m e n t 2 0 0 6 7 7 ： 0 3 a 9 0 4 18 u k e n t s c h ，s l a n d g r a f , gz s c h o m a c k , e ta 1 r e v i e wo fs c i e n t i f i ci n s t r u m e n t ， 2 0 0 2 ，7 3 ( 2 ) ：6 6 0 - 6 6 3 19h w a t a n a b e ，b e o r o u r k e ，a n dej c u r r e l l r e v i e wo fs c i e n t i f i ci n s t r u m e n t ， 2 0 0 47 5 ( 5 ) ：15 51 15 5 3 1 3 上海e b i t 装置电子束离子阱系统机构研制 2 0h w a t a n a b e ，j a i k e n ，vk r a s t e v , e ta 1 n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si np h y s i c s r e s e a r c hs e c t i o nb ，2 0 0 3 ，2 0 5 ：2 3 9 2 4 3 2 1 邹亚明物理，2 0 0 3 ，3 2 ( 2 ) ：9 8 - 1 0 4 2 2z o uy a m i n g ，r o g e rh u t t o n n u c l e a rs c i e n c ea n dt e c h n i q u e s ，2 0 0 3 ，1 4 ( 4 ) ：2 3 0 - - 2 3 7 2 3 朱希恺上海e b i t 总体设计，上海原子核研究所内部报告，2 0 0 2 2 4 蒋迪奎上海e b i t 核心区初步工程设计，上海原子核研究所内部报告，2 0 0 2 1 4 第二章上海e b i t 装置的总体结构 第二章上海e b i t 装置的总体结构 21 上海e b i t 装置总体构成 上海e b i t 装置主要由电子束离子阱系统、离子注入引出系统、高压系统、真 空系统、电源和控制系统组成。电子柬离子阱系统是e b i t 装置的主机部分，它产 生和吸收电子束，形成约束离子的电势阱使离子运级电离达到高电荷态井引出 x - r a y 光谱：离子注入引出系统向漂移管内注八低电荷态离子井引出高电荷态离 子；高压系统实现电子枪、收集器等高电位元件的绝缘：真空系统实现物理实验的 真空度要求，提供低温的隔离真空和高电j 玉的绝缘环境：电源和控制系统为各个部 件供电，并对相关系统进行控制。整个装置安放在复旦大学原有的加速器实验厅中， 如图2 1 所示，高压系统和装有电源的s f 6 钢筒放置在一楼：二楼足电子束离子阱 系统、真空系统和控制系统；离子注入引出系统在三楼。 嘻 图2 - 1 上海e b i t 总体结构示意圈 f 吨2 - 1s c h e m a t i c d r a w i n g f o rs h a n g h a i e b i t 张 凳 上海e b i t 装置电子束离子阱系统机构研制 22 电磁场配置和电子束流运动 上海e b i t 装置电子束最高设计能量为2 0 0 k e y ，在此情况下漂移管组件处于整 体+ 3 0 k v 电位，而电子枪组件和收集器组件整体均为1 7 0 k v 电位。为满足不同的 功能要求，各组件内部不同元件的电位不尽相同，对应于最高设计能量时沿束流方 向一些主要元件的电位配置如图2 - 2 所示。经p o s s i o n 程序模拟计算，从电子枪 到收集器的电场分布如图2 - 3 所示，沿束流方向磁场强度分布如图24 所示m “。在 上述电磁场配置条件下，当电子束的能量和束流强度分别为2 0 0k e v 和2 0 0 m a 时， 电子运动轨迹包络如图2 - 5 所示吼 图2 - 2 上海e b i t 电场配置图 f i g2 - 2 t h eh i g h e s tp o t e n t i a lo f t h e m a i nc o m p o n e n t s i ns h a n g h a ie b i t 极极电电极极制制电电抑抑出槊游游引收下上 蔼霄 甚 第二章上海e b i t 装置的总体结构 3 0 0 0 0 o 3 0 0 0 0 兮- 6 0 0 0 0 堋0 0 - 1 2 0 0 0 0 - 1 5 0 0 0 0 - 1 8 0 0 0 0 2 4 o 2 4 z ( c m ) 图2 - 3 上海e b i t 电场分布图 f i g 2 - 3t h