（原子与分子物理专业论文）基于group3的上海ebit电源控制系统.pdf

摘要 电子束离子阱( e b i t ) 【1 】是一种较小型的实验室设备( 同高能加速器相比) ，它 应用一束高密度，且能量可调的高强度电子束，以产生高电荷态离子。原则上讲， 通过向离子阱注入所需元素并相应调节电子束能量，e b i t 中可以产生周期表中任何 元素任何电荷态的离子【1 。这种极低能的高电荷态离子，当今被广泛的应用于物理 研究的许多前沿领域，诸如高电荷态离子，核物理与原子物理交叉学科，表面物理， 量子电动力学及天体等离子体物理研究等。 本论文的工作是建立e b i t 装置的电源控制系统，对分布于不同电压平台和空间 位置的电源设备进行实时控制和监督。由于上海e b i t 装置配备的电源置于七个不同 的高压平台上，相互之间必须电隔离，因此控制系统的硬件采用了g r o u p 3 公司的基 于光纤通讯的控制器。该公司的控制器件专门为小型高压型加速器和离子源装置设 计，具有很高的可靠性，适合于强电磁干扰环境下工作。上海e b i t 电源控制系统总 共配置了1 4 个站点( d i ) ，分成三个环路，通过环路控制器( l c ) 与主控计算机通 讯，每个站点由一个智能控制器负责管理，站点之间通过光纤通讯，在地面上由工 控机集中控制，构成两级分布式控制网络。控制信号共计有2 6 0 个，其中a i ：7 0 ，a 0 ： 4 4 ，d i ：9 9 ，d o ：4 7 。 控制系统采用l a b v i e w 7 0 图形编程语言，运行于w i n d o w s2 0 0 0 操作系统。软件 设计采用了分层次和模块化思想，物理操作和逻辑操作分离，结构清晰，便于维护 和升级。软件分为5 个层次来编写。第一层为硬件驱动程序层，管理计算机对l c 卡 上双口r a m 的数据读写，以实现对硬件i o 通道的通讯数据存取。第二层为逻辑i o 通道层，逻辑i o 通道实际上是对硬件i o 通道的映射，定义了逻辑i o 通道后用 户程序不必与硬件直接进行数据交换。第三层及以上与硬件无关。第三层为设备层， 其功能是设备管理，针对不同的被控设备而设计。第四层实现应用程序的主要功能。 第五层是用户界面，提供友好的用户接口。此外，为了对控制系统的每个站点( d i ) 进行功能和参数设置，以及模拟和故障诊断，开发了系统诊断程序，独立于主控制 程序运行。 用l a b v i e w 编写的控制系统界面友好，可以清晰地反映e b i t 装置的所有电源配 置状况，非常方便用户对装置的调试和运行。控制系统的主要功能包括电源运行参 数设置和显示、束流位置测量、e b i t 装置主要参数显示、安全连锁保护、e b i t 运行 参数存档和检索以及系统诊断等。当前，在e b i t 调束阶段电源控制系统保持了较好 的可靠性和完备性。 关键字：分布式控制系统、高电荷态离子、电子束离子阱、信号处理、g r o u p 3 、l a b v i e w 、 图形编程语言。 中图分类号：0 4 3 3 ，0 4 3 9 ，t p 3 1 1 1 ，t p 3 1 6 4 v a b s t r a c t a ne l e c t r o nb e a mi o nt r a p ( e b i t ) i sas m a l l e rd e v i c ec o m p a r i n gw i t h h i g h e n e r g ya c c e i e r a t o r i na ne b i td e v i c e ，b ym e a n so ft h em a g n e t i cf i e l d o ft h es u p e r c o n d u c t i n gh e l m h o l t z c o i i so nc o n d i t i o no fl i q u i dh e l i a mc o o l i n g t h ee l e c t r o nb e a mi sc o m p r e s s e dt os c o r e so fm i c r o m e t e r s i o n sa r et r a p p e d i nt h er a d i a ld i r e c t i o nb yt h es p a c ec h a r g ep o t e n t i a lo ft h ee l e c t r o nb e a m a n de f f e c t i v ep o t e n t i a lo ft h em a g n e t i cf i e l da n da l s oc o n f i n e di nt h ea x i a l d i r e c t i o nb ya p p i i c a t i o no fa p p r o p r i a t ev o l t a g e st ot h r e ed r i f tt u b e s s u c c e s s i v ee l e c t r o ni m p a c ti o n i z a t i o ns t e p sc r e a t et h eh i g h l yc h a r g e di o n s ( h c i ) i nf a c t ，w i t hs u c hs m a l l s c a l ea p p a r a t u s ，i ti sn o wp o s s i b l et oc r e a t e p r a c t i c a l l ya n yi o nf r o mt h ew h o l ep e r i o d i ct a b l eo fe l e m e n t s n o wt h r o u g h t h i sa p p a r a t u sw ec a ni n v e s t i g a t eaw i d ev a r i e t yo fp r o c e s s e sr e l a t i n gt o t h ep h y s i c so fh c i ，s u c ha sh i g h l yc h a r g e di o n sp h y s i c s ，n u c l e a ra n da t o m i c p h y s i o sc r o s ss t u d y ，s u r f a c ep h y s i c s ，q u a n t u me l e c t r o d y n a m i c s ( q e d ) a n d p l a s m ap h y s i c s ( m o s tn o t a b l yf u s i o n ) t h eg r a d u a t i o nt h e s i si so np o w e rs u p p l i e sa n dc o n t r o ls y s t e mf o r s h a n g h a i e b i t s ot h a tw ec a nc o n t r o la n dm o n i t o rp o w e rs u p p l yd e v i c e s d i s t r i b u t e do v e rd i f f e r e n tv o l t a g e p o t e n t i a la n dp l a c e s i n c ep o w e rs u p p l i e s i s o l a t ef r o m e a c ho t h e r ，w ec h o o s et h ep r o d u c t i o no fg r o u p 3c o ，w h i c h c o m m u n i c a t ew i t hp l a s t i cf i b e r t h i sa p p a r a t u si se a s i l yc o n f i g u r e dt oa p a r t i c u l a ra p p l i c a t i o ns u c ha s as m a l la c c e l e r a t o rw i t hh i g h l yr e l i a b i l i t y a n dg o o dn o i s ei m m u n i t y t h e h o l ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so f1 4d e v i c e i n t e r f a c e s ，w h i c hc o n t a i n sal o c a lp r o c e s s o rt oh a n d l et h ef i b e ro p t i cl o o p c o m m u n i c a t i o n sa n ds e r v i c et h ei ob o a r d s c o n t r o ls y s t e mf o rs h a n g h a i - e b i t i sd i v i d e di n t ot h r e el o o p sa n dc o m m u n i c a t e sw i t hc o m p u t e rt h r o u g hl o o p c o n t r o l l e rc a r d t h ea g g r e g a t es i g n a l sa r e2 6 0i n c l u d i n g4 4a n a l o go u t p u t s ， 7 0a n a l o gi n p u t s ，4 7d i g i t a lo u t p u t sa n d9 9d i g i t a li n p u t s w ec h o o s eg r a p h i cp r o g r a ml a n g u a g el a b v i e wt od e v i s eo u rc o m p u t e rs y s t e m f r a m e w o r ko nw i n d o w s2 0 0 0p l a t f o r m w ef o l l o wt h ei d e ao fh i e r a r c h ya n dm o d u l e c o n v e n i e n t l yt om a i n t e n a n c ea n du p g r a d e t h ec sf r a m e w o r kh a s5l e v e l s f i r s t i sh a r d w a r ed r i v e r ，w h i c hh a n d l e sc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h ec o m p u t e rw i t h l ct or e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o no fp h y s i c a li 0c h a n n e l s e c o n di sl o g i ci 0 c h a n n e l 。t h r o u g hw h i c hw ec a ns e n da n dr e c e i v ed a t ad i r e c t l y t h i r di sd e v i c e s l e v e l f o u r t hi st h em a i nf u n c t i o no fc o m p u t e rs y s t e mf r a m e w o r k l a s ti s m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e w h a t sm o r e ，w ed e v e l o p e ds y s t e md i a g n o s t i cp r o g r a m f o rc o n f i g u r i n ga n dm o n i t o r i n gt h em o d u l ei n t e r f a c ew i t hi 0b o a r d s t h ec o m p u t e ri n t e r f a c eb a s e do nl a b v i e wi sv e r yf r i e n d l ya n dc a nd i s p l a y c o n f i g u r a t i o no fa 1 1p o w e rs u p p l i e sc l e a r l y m e a n w h i l ew ec a no p e r a t et h e m c o n v e n i e n t l y a 1 li na 1 1 t h ef u n c t i o n so fc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e ：p a r a m e t e r s e ta n dd i s p l a y s ，b e a mp o s i t i o nm o n i t o r i n g ，m a i no p e r a t i o np a r a m e t e ro f s h a n g h a i e b i t ，i n t e r l o c kf o rs a f e g u a r d ，s a v ep a r a m e t e ra n ds y s t e md i a g n o s i s u n t i ln o w ，o u rc o n t r o ls y s t e mi sr e l i a b l ei nd e b u g g i n go u re b i t c e r t a i n l y t h e s es y s t e m sw i l lb ef u r t h e ri m p r o v e df o rm o r es o p h i s t i c a t e de x p e r i m e n t s k e yw o r d ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，h i g h l yc h a r g e di o n ，e l e c t r o nb e a mi o n t r a p ，s i g n a lp r o c e s s ，g r o u p 3 ，l a b v i e w ，g r a p h i cp r o g r a ml a n g u a g e 中图分类号：0 4 3 3 ，0 4 3 9 ，t p 3 1 1 1 ，t p 3 1 6 4 v 第一章引言 在通常实验条件下，人们用物理和化学方法来电离原子，所获得的都是低电荷态的离 子，从原子上剥离的电子都是少量的价电子。但是，在星球和宇宙中，或者是在实验室 高温等离了体中，原予中的电子可以被大量剥离，不仅价电子，内部深层的电子也可以 被电离，使原子成为高电荷态的离子。高电荷态离子相关物理的研究是一门新的学科， 它对许多相关学科都有重要意义，诸如对原子结构、核结构、相对论、量子电动力学、 基本粒予理论的研究利检验，以及剥天体、聚变等各类等离子体的研究和诊断都有着重 要的作用。但是产生高电荷态离子的方法却很有限，经过研究工作者的不懈努力，产生 了电子束离子阱装置( e l e c t r o nb e a mi o nt r a p ，h b i t ) 1 2 】，从而对高电荷态离子研究产 生举足轻重的影响。 1 1e b i t 装置的发展历史和现状 在实验室中产生很高电荷态离子是非常困难的事情，需要经过有大于被电离电子束缚 能的质心系碰撞能量的多次碰撞。一般采用两种方法：用大型加速器产生的相对论性重 离子轰击静止的固体靶，把离予剥离到高电荷态：用能量低得多的电子去轰击几乎静止 的重离子( 原予) 气体靶，剥离离子( 原予) 到高电荷态。后者就是e b i t 中用到的。 靠电子束产生的空间电荷分布约束离子，并对这些离子接连不断的轰击，产生带多重 电荷的离子，这种现象早在4 0 年前就得到证明 3 。十几年之后前苏联杜布纳联合核研 究所的e ，d d o n e t s 及其合作者的工作迈出了关键性的一步，他们建成了第一台低能的很 高电荷态的离子源 4 ，即电子束离子源( e b i s ) ，用作大加速器的高电荷离予注入源。 用做注入器的同时，d o n e t s 小组在k r i o n 装置上进行了一系列高电荷态离子的物理研究， 用生成类氦氙( x e ”+ ) 的实验结果证明了电子束离子源在原子物理研究中的价值。这也是 第一台用低能电子产生高电荷态离子的装置，它是e b i t 的前身。1 9 8 8 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e b i t 装置 2 ，5 ，当时它的电子柬能量是 3 0 k e y 。随后建成的称之为s u p e r e b i t 的第二台装置的电子束能量提高到了2 0 0 k e y ，能够 产生直到类氢铀( u + ) 乃至裸铀( u “) 的任何电荷态离子 6 ，7 。 可控核聚变、x 射线激光、天体物理和军事科学等许多科学领域的研究工作都需要深 入研究高电荷态离子的等离子特性以及等离子体与物质表面的相互作用，对天然的和人 为的等离子体的描述和模拟工作要求有大量的详细的关于在等离子体中发生的各种过程 的知识。与此同时，科学研究和国防工业日益增长的对高电荷态离子的原予物理数据的 需求促使科学家们探求能够获得这类数据的装置和方法。美国的劳伦兹国家实验室的电 子束离子阱( e b i t ) 为研究高电荷态离子提供了一个多用途的小型的实验装置。由于e b i t 的性能超过了此前所有的高电荷态离子源而受到广泛的关注。此后的十几年中，许多国 家的实验室建造了e b i t 装置，已进行了许多有意义的实验研究，包括美国的国家标准技 术研究所( n i s t ) 8 ，9 ，英国的牛津大学 1 0 ，日本东京的激光科学研究所 1 1 ，1 2 ， 德国柏林的马克思一普朗克研究所 1 3 和f r e i b e r g 大学 1 4 。 目前世界上共有八台类似装置，其中美国3 台，日本1 台，英国l 台，德国3 台( 其 中1 台为室温e b i t ) 。它们的性能指标和产生的最高离子电荷态有所差别，美国l l n l 的s u p e r - e b l t 水平最高。 1 l l n l ：美国的劳伦斯利物莫尔国家实验室于1 9 8 8 年和1 9 9 3 年先后建成了e b i ti 和 e b i ti i 两台装置，其中e b i ti 在1 9 9 3 年完成能量升级，成为s u p e r - - e b i t 5 1 ；e b i t 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 9 9 5 年建成r e t r a p f l 5 】，从 e b i t 引出高电荷态离子，并在一个致冷的p e n n i n g 阱中进一步冷却，再一次降低离 子的动能，以供超导精度原予参数研究及极低温物理研究。 2 n i s t ：美国国家标准技术研究所( n a t i o n a l i n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ) ：1 9 9 3 年建成；1 9 9 5 年首次引出高电荷态离子。【2 9 】 3 德国三台： b e b i t ( b e r l i n e b i t ) ：马普研究所( 柏林) ( t h em a xp l a n e ki n s t i t u t eo fp l a s m a p h y s i e s ) 于1 9 9 7 年建成。技术指标同l l n l 和n i s t - - e b i t 相同。 1 3 f r e e b i t ：马普研究所( 海德堡) 的f r e e b i t ，于2 0 0 0 年在弗来堡大学建成，2 0 0 1 年搬迁至海德堡。 1 4 d r e s d e n e b i t ：它是世界上唯一一台不用超导磁场的室温型e b i t 。它用了两个 s m c 0 5 永久磁铁环压缩电子束。它有体积小( 离子阱部分2 0 m m 长) ，重量轻，运 行费用低等优点，但显然不能用它产生很高电荷态的离子。 1 6 4 日本东京e b l t l l 0 】：y e b l s u ( y o u n ge l e c t r o nb e a mi o ns o u r c eu n i t ) ( t h ei n s t i t u t eo f l a s e rs c i e n c e ，t h eu n i v e r s i t yo f e l e c t r o c o m m u n i c a t i o n s ) ，2 0 0 0 年建成，设计指标：电 子束最高能量为3 6 0 k e v ，电子束流强度为3 0 0 m a ，目前达到2 0 0 k e v 。【11 ，1 7 】 5 英国牛津大学e b i t ( o x f o r de b i t ) ( d e p a r t m e n to f a t o m i ca n dl a s e rp h y s i c s ) ：9 3 年 建成，主要技术指标同早期l l n l e b i t 相同：3 0 k e v1 5 0 m a 。主要应用于高精细谱 学( l a s e r ，v uv ，x r a y ) 研究。 目前国际上八台e b i t 运行参数列于表1 1 - 1 。作为产生高电荷态离子的实验装置， e b i t 具有十分突出的优点，即离子的动能约为q 1 0 0 e v ，基本处于静止状态，相应的多普 勒展宽为q e v ，无须对射线谱进行修正；电流密度高，可以超过5 0 0 0 a c m 2 ：电子束的能 量宽度窄，本征宽度由束流的径向空间电荷分布决定，最高约5 0 e v ，加上电源的不稳定 性，实际为4 0 e v 左右；离子的约束时间长达几小时：装置的规模小，可以安装在普通的 实验室里。另外，还可以引出小动能高电荷的各种离子。现阶段e b i t 改进和发展的方向 是增加离子和x 一射线的强度以扩大应用范围，改进低温冷却方法以减小液氦消耗量，实 现双电予束引入以便在电荷平衡态不发生变化的条件下进行不同激发能的实验。 表1 卜1各e b i t 装置的设计( 运行) 参数 参数l l n l s u p e r t o k y o n l s to x f o i db e f l i n f r e i b u r g d r e s d e n 能量( k e v ) 3 02 1 0 3 4 0 ( 2 0 0 ) 3 33 03 03 0 0 ( 9 0 )3 0 流强( m a )2 0 02 0 0 3 0 0 f 2 5 0 ) 1 5 0 1 5 0 1 5 05 0 05 0 磁场( t 】 334 532 839 ( 5 )o 2 5 半径( u m l 3 53 5 3 0 的高电荷态离子的碰 撞只能在c e v 量级的大加速器上进行。是将大加速器的相对论性重离子束轰击静态的 固体靶，二是用能量低得多的电子束去轰击几乎静止的重离子( 原子) 靶，就像现在的 e b i t 一样。大加速器的贮存环可以将高电荷态的离子聚集并贮存很长的时间，进行电子一 离子碰撞截面的测量，但是进行x 一射线谱学的研究，因为高速运动的束流会形成很大的 多普勒展宽，使得研究很难做到高精度。另外大加速器的不灵活性也限制了应用的广泛 性。 在e b i t 装置上进行或将要进行的研究工作分为原位测量和引出实验两类。 原位测量包括真空紫外、可见光谱学和x 一射线谱学，如辐射俘获、双电子态重组、 电子一离子碰撞及激发截面、x 一射线的极化、跃迁能和高分辨谱学等。研究对象为： 8 ，1 2 ，1 8 高电荷态离子的结构和动力学研究。包括禁戒跃迁，陷阱诊断，超精细结构的分 裂和强场中的量了电动力学( q e d ) 的检验 1 8 ； 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： 应用于可控核聚变，天体物理和x 一射线激光。 离予引出测量： 与物体表面相互作用：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予，从而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，高密度的数据存储，小尺寸的平舨印刷( 1 i t h o g r a p h y ) ， 微机械和小尺寸器件的制作。 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。 1 8 1 3 e b i t 基本工作原理 e b i t 的工作原理是由早期用于高能加速器的高电荷态离子源之一的电子束离子源 ( e b i s ) 发展而来的 3 ，1 8 。即一束一定能量的高强度电子束被一强磁场压缩在个很 小的区域，这个区域中( 通常称为阱区) 存在的某种元素的原子被电子多次碰撞电离而 达到高电荷态。但在e b i t 中，进一步缩短了阱区的长度，以增加运行状态的稳定性，从 而延长离子在阱中的约束时间。约束时间越长，碰撞电离的机会越多，从而产生高电荷 态离子的机率越大 1 9 ，2 0 。 图1 3 1 为e b i t 的工作原理图。由电子枪产生的一束高强度电子束( 通常为几十 2 0 0 m a ，起始束径3 m m ) ，在电子枪和漂移管之间几十几百k v 电位的作用下受到加速， 进入到阱区电予束进步被一对超导h e l m h o l t z 线圈产生的5 t 的强磁场压缩，束径从初 始3 m m 压缩到6 0 1 0 0 p “2 1 ，束密度高达5 0 0 0 a c m 2 。在漂移管中与低电荷态离子碰撞， 使离子的电子不断被剥离，电荷态不断升高，直到达到平衡。通过选择电子束的能量和 密度可以选择离子的电荷态。电子经过漂移管后被减速+ 最后被电子接收部件收集。 1 8 低电荷态离子可以由金属蒸气真空电弧( m e v 、，a ) 或激光离子源( l i s ) 产生后被引 入到漂移管【1 7 ，2 2 】，也可以直接把气体原子通过漂移管观察窗输入到漂移管中央，与电 子初步碰撞后就形成低电荷态离子。离子形成后受到三重约束：电予束的空间分布对离 予的径向约束，超导磁场对离子的附加径向约束及漂移管两端静电场对离子的轴向约束。 整个e b i t 由三部分组成：电子枪、陷阱区、电子收集器如图1 3 1 所示f 1 9 1 。从图 中可以看到，仅在离予阱区部分应用了液氦温度下的超导线圈，高电荷态离子实际上被 限制在相当于人的头发丝宽( 几十um ) ，几c m 长的很小的圆柱型空间中。7 7 k 的液氮 区域包围了液氦桶( 4 - 4 2 k ) ，所形成的超 低温环境是维持系统内的超高真空( 1 0 1 2 t 以上) 所必需的。液氦区域是液氦桶的热 屏蔽，从而降低了系统液氦量的损耗。整个 上述系统装配在一个约1 米高半米宽的容 器中。 收集器是为把电子束阻止并收集在其 中而设计的，它包含了一个内部磁铁，用以 抵消超导磁场的边缘场，从而可使电子束自 由地膨胀，到达液氮冷却的收集器的内壁。 陷阱区是e b i t 的核心部分，由上下漂 移管和中心漂移管三部分组成，中心漂移管 e b i t a nf a e d r o nb e a m t o nt r a p t oi n v e s t i g a t eh i g h l y - c h a r g e di o n s 图i 3 - ie b i t 系统设计原理图 的长为2 c m ，上下漂移管均为敞口向外的圆锥形管道。在上下漂移管上分别施加1 0 0 到 5 0 0 v 正电压( 即比中心漂移管的电位正) ，将各种电荷态的离子约束在陷阱区内。上下磁 铁间中平面上的几个通道可以与各种实验装置连接，进行实验测量。 e b i t 装置上的实验研究一般是在电荷平衡态建立之后进行的，并且要求最高电荷态 离子的丰度尽可能的高。陷阱区各种电荷态的丰度由各种物理过程决定，主要是辐射俘 获、本底气体的影响和离子逃逸。已形成的离子从电子束中俘获电子后处于某激发态， 发射x 一射线后形成稳定的较低的电荷态。辐射俘获对电荷态分布的影响与离子的电离截 面和俘获截面有关，不受其他因素的影响。离子与本底气体之间的电荷交换使平衡态向 低电荷态方向变化，高电荷态离子数减少。保持陷阱区的高真空度( 1 0 - 1 2 t o r r ) 可以降 低电荷交换率。离子和电子束之间的库伦相互作用会将离子加热，使其有足够的能量从 陷阱区逃逸，蒸发冷却技术被用来减小高电荷态离子的逃逸损失，低原子序数( 低z ) 的 气体( 常用氮或氖) 经由气体注入系统引入陷阱区，高z 离子通过库伦碰撞将能量转移 给低z 离子，动能减小后的高z 离子因电荷态高而被约束，低z 离子更容易逃离陷阱区。 陷阱区冷却气体的密度一般保持在2 x 1 0 5 c m 3 左右。在上述条件下，离子的约束时间可达 到约5 小时。 1 4 上海e b i t 介绍 图1 4 1 是上海e 1 3 i t 的示意图 1 7 ，2 3 。电子枪浮置在一1 7 0 k v 的负高电位，超导线 圈及冷却容器接地。漂移管分为三段，中央段处于+ 3 0 k v 电位，上下二段电位比中央段高 1 0 0 5 0 0 伏。因此，电子束在陷阱处的能量可达2 0 0 k e y 。收集器电位和电子枪电位相同， 其中收集极偏高2 k v ( 刘一1 9 8 k v ) 。电子枪和冷却容器距离约为9 0 m m ，漂移管和容器壁距 离约为1 4 m m 。 陷阱中央磁感应强度为5 t ，由超导h e l m h o t z 线圈产生。在近电子枪表面( 距陷阱 中心约2 3 5 c m ) 的外延场约为2 1 0 0 g s 。在陷阱中央2 a m 范围内磁场均匀度优于2 x 1 0 。 超导线圈的磁中心应和陷阱组件的机械中心一致，同轴度优于2 m r a d 。陷阱组件和电 子枪组件也应有良好的对中，在液氦状态下的对中精度为o ( ) 0 5 c m 。 陷阱至收集器之间添加螺线管，它们和超导线圈的外延场一起，对电子束起聚束作用， 使其能顺利进入收集器。收集极前有二级抑制电极，用来抑制电子束打在收集极上发出 的二次电子。 实验要求漂移管处真空度达1 0 1 2t 。整个系统在室温时应达1 0 一一1 0 。1 “t 量级。在液氦 冷却后，借助于低温吸气，漂移管处真空度才能达1 0 “2t 以下。 在陷阱前后分别安放光栏和束测元件，收集器中的抑制电极亦分为四象限，供调束时 探测束流的位置偏移。 可采用三种途径注入离子：利用真空中的本底离子，中性气体连续注入以及真空弧放 电离予源( m e v v a ) 注入。 ， 脱离陷阱后的正离子由于受到电子束的聚束作用，可以经过收集器引出，经单透镜聚 焦进入静电偏转器，偏转9 0 。后沿水平方向出射，以供离子分析及相关实验。 上海e b i t 主要设计指标 电子束能量：2 0 0 i c e v高压电源：2 0 0 k v 电子束流强：2 0 0 m a漂移管窗口：8 个 电子束流密度：5 0 0 0 a c m 2常温真空度：1 0 t 1 0 。 电子束半径：3 0 一5 0 u m气体原子引入装置：气体原予引入装置 磁场：5 tm e v v a 离子源：f e ，g e ，a u 漂移管：阱区长度2 0 m m 。离子引出装置( 垂直段) ：管道真空度1 0 - 9 t 液氦消耗：0 2 一o 5 l h r 图1 4 - 1上海e b i t 装置结构简图 s4 2 2 2 2 二= = = 声 【 一一一 匕竺= = = 盎 # 一莓 一 g 三 第二章上海e b i t 电源配置 2 i 概况 上海e b i t 装置的电源设备分为电子枪电源( 6 台) 、漂移管电源( 5 台) 、超导电源( 1 台) 、输运段电源( 8 台) 、收集器电源( 7 台) 、束流偏移测量仪( 3 台) 和离子源及注入 引出电源( i 0 台) 五组。电源总体布局如图2 卜1 所示。这些电源分布在七个不同的电 压平台上如图2 卜2 所示，其中电子枪和收集器电源工作在充有3 个相对大气压的s f 6 气体钢筒内。所有不在地电位上的电源供电由隔离变压器提供，需要不同功率的隔离变 压器共6 个 2 4 。 虽然有些电源放在钢筒内，但还有一部分电源暴露在空气中，有的还浮在2 0 k v 一4 0 k v 的高压上，为避免打火和温度系数的影响，工作环境湿度应低于7 0 ，在一次实验时间内 温度变化)io= 状桓蜂醴母鲁拿葛魁雕霉羹i最恒蜡鬯鲁薯号荔魁管s* 。娜 雪蓬 6 蒋l 釜 彩 群 删 g 辩 口 葚誊 趔 。 ；旨言世 至善 锁 世 簿 壶秀苫 o泄 _ 璀晕暑毛基 o 世 l 圳一粤 磐 等豁 一 磐 目嫡 雪三鑫耋 鹭 l 岳 ，辎 磐 芷 咋 銎垩 睦 1 d 划 之 瞧 型毒 譬霉萎蓁 d 星 k g 导基 出 删“ 蟊唾萄 景晕 要 量区 蜓 器 琢 鬯篓 删审 鹾5 - 3 蕞； 一 星嘲 坦 涮。 磐 划 露畦 鲥 富虽 弩嚣薹兰 。 瞧基 器 懋b 臻蜓6 兰 聪 譬蓦 建 到涮 手 再蜘 掣 藿耋霉薹 出 蛐基 。 出 掣鹾受盼 掣 聪蜊 氍 型 韬哥掣吾 哥 媛蛙晕谋 蟋 l 卫 求糕 1 武 班 磐料 谗雷 嚣三| * 鹾 可 譬 捌 耋 蛙 餐 鼎 t f n o o o 懈： 一 毒蚕彗 蒹 一 一 一 x 一 一 一 一 vv 慧p 一 _t o oooo 一 h 一 一 h 羡： x n 一 nnnn v 鎏妻 f一旦b * n n o o o o 三莒呈 _ 一一h一 x 一 。x 垂蚤 一 v h v 一 r 二0 粤； 三； 攥 ： e 一 霪 啦辅 邋l整鹾鞋签型丘 莲灌越臣 拿 窖 酹 一 一脚= j _e 一 啦c j一篷。饼戳一露毒磐长燃爨目文雅筵h鲁l畜避f_n群 = 舞 巷 舞 题匠 型 疑 蜒 割 t “ 澈曼 2 刨 禧 m 肄陌粤避 摆鲁 ：譬 手言粤 硝堰 霾囊 手 铎上 删 爨鼗甲 。饕 岜 幄 吲 葚虏 班 篓蚕 廷鹫建 - 粤粤粤 露 昌哥 h 芝出蜓 舔 垂疆 幄姬埏 足 蜊赠 每 母-尊口 靶喾亡 丑2 褪鼗耩 差耋 宝 埘基 辱铒 霉 娶 蔗 蠢警 耋萎 2 魁 艇 善韵 莲垂 嘉蓦 霞 三t 彗裴 纂 越越 囊蓬藿鼎导蟋 霆笔 帕料 浮雷 涮 | l 将 处挈 一n 垛 转 o 瞵： 蓁墓 毳色 薰茹盎求 r 鋈薹 。ooo eoo 一 _ _ 一一一 一一 n nn“nnn 惫 隶 羹妻 毳刍毳色 箍箍 j ； 震求墓 鬟蚕 。 峄 算鹾艋 罕 + ? 豁 安 苦 踅垂需 却； 钷一 柏蠢堙 辞柱 蒋 啦彝 悲建爨聪 黯蝾 晕 毒 掣哥掣 蛭掣寻剖 巨 匙 潼晕 蟋 g晕 饕嚣 嚣 n 替醮 工 掣 堡堡掣 嚣煺 舞。 划 墓嚣 三了* 垂要 瓣 导哥肇 定手 ：丑l 最 幽 鹫、 熊鹫箍艋曾 娶 毫i 紧 - 岳； 髓 m m _ 匝臣臣曲 口 粤莲 扫匣 植叵 枉匠龌 。量_【状恒略日罐薯母菇魁尉器* 。燃 三囊零萋；冀蓠 妻囊 出 。 鋈曩萎蠢 萋量季垂薹誊主 - 呈薹 鳝 1 ，、l 疗 = 琼毒誉 r l 根 面! 誉鞲 * 式 舞 “b 谣 季 皿分 撂 剿 廷 擘 看晕 压 菩萼 亩 键 遥弋辣 雷制矗搽 曩笔 一 皑 蹙。 婴薹薰 撬*蔑。 一粤毯 趟 乙)u 掣 蚤 o + 要* 稠 + 昌 髓 疑 垛： l 楚。 毒 谋 t _ 纛o ooo 鬟芝 一 一 - _ 舳e a粕n 廷 嚣逶o o t oo h m 兰 甚 争i 掣萋 至言 三宴霉 磊 ：2 睡 糕 _ 导； 毒 毒 鑫 n 暴 j 艇冀 嚣攀 鼬鹫 蕙霎辈訾 驿 挈拯智 鹫 曲 黾皓一 鐾垦 隧n隧 手趔k 基哥皇 昌 姬v*酶翼运姆长鲻熊掣求辕啦桧醛葛钉丑嫩二r-nn摧 鲻； 划匿 佥 佥 佥 佥 e 暑 力力 区匿 匿匿 簧 曼- 一= 嚣 鼎 瓢t ： 蒉毒 粒 粘 o j蔼i n器 詈 宣 厘 爨 醛 拿只?o 誓莹砝 畦 。og 赫 糕 基 盲 蒹瓤 豁繇 譬 ；粒 粒 舡兰 皋三 疆 群鞯 童量厘 p 受 受 瞄基 茗富 营 荽 匿 l - 蒜稼 柩 * n 始 始 g鹾 g 怕 拍 艋艋 - 柏 均 柏 柏 齄 箍 箍 溢箍蠡 蠢 鹾 召 鲫 蹬 妊oo 憔2一 刊 魁日 曲u + 1+ 1 磐 rr_ _ - 十f oooooo。o 一一 - 一 一 h一 一 h 粕 拍n0 3n铺np 3 f o 。 一一 羹毒 吐 + l 出 耋耋 婚 蟋 茎耋 薛 氯 姐 ，、，、 潼 * 芝0 000v 日上o勺ok 婶匝 腰 匿 匝 匝 臣 匝 匝 廷 繇 螺 螺鼎皇 = f螂螂鲻 母 i 到 划 匣尽叵厦 厦 叵 露 蜂 曲 曲砷曲曲曲 口a。nvnn最君煺串雌甚匿繇凿毒4】$秘尉辱羹* 。之。v最长嚼醴耳=i曝世匝舔器嚣哥石魁耐霉羹d。壶。=i忙出罐蹦处母葛魁耐s * 。燃 匕三 啪 佥 避 匿 晶 昱 翟 一 晨 妊 目 t n ； 击 豁 妊 描*粒带搴舡三辚 崭 融 静量氤垦卧 酞 强蠼畿 七 畿 售嵌兹 婆馨 糕尊藕磐辑 限懈g限d限职 - 世 些世世妊世世 _一_ _ _ 糕糕谁糕 谗 箍蟊盎箍 德 艇穑 罨专 桶槲 淫吞 * 基星 蜷 ，j - 哥 者者 涮 昌蠹 她 l1 垛： 慧晏 鏊 ff_f oo oooo o 一 一 一 一一一 一 n n舳n nn n 垂妻 崔 譬 霎 主 撂 n 茎j 垂螺 如赣 鹫 鲁 l _ 羹 * 捌 嚣鹫紧 * 堡 婶手 粤 匮 肇晕 冀 晕晕 螂 媒 臣 鲁 基 导啦 啦 霹 擎 豁 堡 麴 p 桀 晕 晕 嚣 崔* 酶 臣 表2 2 - 6电源及束流偏移测量、时序发生器、连锁设备分类统计 电源名称 电源种类台数说明 电子枪灯丝电源 恒流1 3 a 1 酣 u 予枪阴极l u 源 恒压、高艋1- 2 0 0 k v 1 m a i 乜了枪阳极l u 源 恒压、高上 、快速下j 蜂ll o k v ，l m a ( e j 本进口) 也了枪 l _ j 电源恒压、高压 l 1 5 k v h n a ( 日本进口) 离于源0 极电源、离了源单透镜i b 恒压、高压31 5 k v 1 l l l a 电子枪聚焦极电源 恒压电源，低压15 洲l m a 电子枪补偿线吲f u 源恒流15 m 1 5 v 离子源触发极叱源静态+ 动态脉冲输出l1 5 k v 2 1 1 a 十1 0 a 5us 离子源弧流电源静态+ 动态脉冲输出 1 3 0 0 v 3 0 0 m a + 1 5 0 m 4 0us 离子源抑制极i u 源恒压、高压i一1 5 k v l m , 4 离子源法拉篼筒电源恒医、 氐压1一t k v 1 吡 到极静电偏转l j ：l 源双向统调对称高压屯源l8k v j m a + 4k v 单透镜导向电源( x ，y )双向统调对称低压电源25 0 0 r l m h 超导电源 l 低温超导系统提供 中漂移管d r 2 电源恒压、高压、高稳定 l 2 0 k v l m a 中漂移萑d t 2 b 电源高压快速放大器 l2 0 k y a c 2 0 1 1 1 a ( 进口) 上漂移管d t 3 电源极性转换快速低压 i 4 - 1 k v l m a _ 1 0 0 v 下漂移管d t l 电源恒压、低压1l k v l m a 收集器抑制檄电沥l 、下恒压、1 氐压22 k y o 5 m a 收集器引出极电源恒压、低压 l 2 k v 05 m a 收英器收集极叱源恒压、低压 13 k v 2 5 0 m a 柬流偏移测量偏簧电源恒压、低压 13 k v 05 m h 收集器抑制线刚电源 恒流175 a 1 0 0 y 收集器补偿线圈电源 恒流l3 a z 5 输运线幽b 恒流18 5 a 1 0 v 输运线悯 恒流l1 4 0 a 2 0 v 导向线圈a ( x ) 和b ( y ) 恒流25 a 4 5 v 导向线圈c ( x ) d ( y ) 、e ( x ) f ( y ) 恒流45 a 1