蘭州重離子研究裝置

亦稱(chēng)蘭州重離子加速器,是我國能量最高的大型重離子研究裝置。類(lèi)似的中能重離子加速器現在世界上一共有8臺,按建成時(shí)間排序 HIRFL為第4臺,法國、日本和我國都以大型分離扇回旋加速器作為主加速器。
20世紀60年代以來(lái),隨著(zhù)重離子加速器的發(fā)展,原子核物理開(kāi)拓了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新領(lǐng)域——重離子物理。在其它學(xué)科,如原子物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、新能源研究、天體物理等領(lǐng)域,重離子束亦顯示出日益重要的應用前景并形成了重要的交*學(xué)科。為使我國在這一前沿領(lǐng)域占有一席之地,由國家投資、近物所負責設計建造,于1988年建成了蘭州重離子加速器(HIRFL),其主要技術(shù)指標達到當時(shí)國際先進(jìn)水平,1991年獲中科院科技進(jìn)步特等獎,1992年獲國家科技進(jìn)步一等獎。
1991年成立蘭州重離子加速器國家實(shí)驗室,它的定位是,以重離子物理基礎和應用研究為主,相應發(fā)展粒子加速器和實(shí)驗技術(shù),向國內外開(kāi)放的綜合性科研基地。
20世紀90年代,在HIRFL上先后建成了具有國際先進(jìn)水平的放射性束流線(xiàn)(RIBLL)和14.5GHz高電荷態(tài)ECR離子源,均獲得中科院科技進(jìn)步一等獎,為我國開(kāi)展放射性束物理和高離化態(tài)原子物理這些國際前沿領(lǐng)域的研究創(chuàng )造了先進(jìn)的實(shí)驗條件。
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)——是國家“九五”最大的科學(xué)工程。
蘭州重離子加速器國家實(shí)驗室已經(jīng)發(fā)展成為在國際上享有較高知名度的重離子物理研究中心之一。
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北京正負電子對撞機
中國科學(xué)院高能物理研究所1973年在原子能研究所一部的基礎上建立,是我國高能物理研究、先進(jìn)加速器技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)、先進(jìn)射線(xiàn)技術(shù)及射線(xiàn)應用研究的綜合性研究所。

在黨中央和鄧小平同志的親切關(guān)懷下,國家投資2.4億元的北京正負電子對撞機(BEPC)1984年開(kāi)始興建,1988年10月首次實(shí)現正負電子對撞。北京正負電子對撞機由注入器、儲存環(huán)和譜儀(BES)等組成。注入器是一個(gè)長(cháng)200多米的能加速電子和正電子的直線(xiàn)加速器。它的作用是產(chǎn)生和加速正、負電子束團,將正負電子束團分別加速至11億電子伏的能量后經(jīng)束流輸運線(xiàn)注入到貯存環(huán)內。儲存環(huán)是一個(gè)周長(cháng)約240米的環(huán)形加速器,由40塊環(huán)形偏轉磁鐵、60塊聚焦磁鐵、兩個(gè)高頻加速腔及其他附屬設備組成。為了增加正、負電子團束的壽命,環(huán)內須保持超高真空狀態(tài)。正、負電子束團注入儲存環(huán)后,在磁場(chǎng)的作用下分別在環(huán)內沿著(zhù)方向相反的軌道旋轉運動(dòng)。經(jīng)過(guò)積累、加速達到所要求的能量后,即可在一定的對撞點(diǎn)上相撞。在對撞點(diǎn)附近的譜儀測量記錄下這些對撞的數據,進(jìn)行分析研究。北京正負電子對撞機的工程速度、各種設備、部件的質(zhì)量和安裝調試水平在世界上屬于一流。
北京正負電子對撞機是當時(shí)世界上唯一在τ輕子和粲粒子產(chǎn)生閾附近研究τ-粲物理的大型正負電子對撞實(shí)驗裝置,也是該能區迄今為止亮度最高的對撞機,BES是該能區內性能最好的譜儀。高能所已成為世界八大高能物理實(shí)驗研究中心之一。1991年,國家計委正式批準成立北京正負電子對撞機國家實(shí)驗室。
BEPC自1990年運行以來(lái),取得了一批在國際高能物理界有影響的重要研究成果。如:τ輕子質(zhì)量的精確測量、20-50億電子伏特能區正負電子對撞強子反應截面(R值)的精確測量、發(fā)現“質(zhì)子-反質(zhì)子”質(zhì)量閾值處新共振態(tài)、發(fā)現X(1835)新粒子等,引起了國內外高能物理界的廣泛關(guān)注。高能所已成為世界八大高能物理實(shí)驗研究中心之一。
BEPC主要用于粲夸克和τ輕子物理的研究,同時(shí)又可作為同步輻射光源(BSRF)提供真空紫外至硬X光,開(kāi)展凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生物和醫學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地礦資源、以及微細加工技術(shù)方面等交*學(xué)科領(lǐng)域的應用研究,達到“一機兩用”。
2003年底,國家批準了總經(jīng)費6.4億元的北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)。2005年7月,BEPC圓滿(mǎn)完成了歷史使命,儲存環(huán)開(kāi)始拆舊安新。改進(jìn)后加速器的亮度將提高100倍左右,并大幅度提高探測器性能,我國將繼續擁有世界上在該能區性能最好的高能物理實(shí)驗裝置,為在今后相當長(cháng)的時(shí)期內中國能繼續保持τ-粲物理研究的國際領(lǐng)先地位,取得重大原始創(chuàng )新性物理成果奠定基礎。
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全超導非圓截面托卡馬克裝置(EAST)

為了在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態(tài)和先進(jìn)運行,深入探索實(shí)現聚變能源的工程、物理問(wèn)題,等離子體所在成功建設中國第一個(gè)超導托卡馬克 HT-7的基礎上,提出了“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設”計劃。為使國內外專(zhuān)家易于發(fā)音、便于記憶同時(shí)又有確切的科學(xué)含義,項目的名稱(chēng)在 2003年10月正式由HT-7U改為EAST。EAST由實(shí)驗“Experimental”、先進(jìn)“Advanced”、超導 “Superconducting”、托卡馬克“Tokamak”四個(gè)單詞首字母拼寫(xiě)而成,它的中文意思是“先進(jìn)實(shí)驗超導托卡馬克”,同時(shí)具有“東方”的含意。EAST裝置是我國自行設計研制的國際首個(gè)全超導托卡馬克裝置,其主要技術(shù)特點(diǎn)和指標是:16個(gè)大型“D”形超導縱場(chǎng)磁體將產(chǎn)生縱場(chǎng)強度 BT = 3.5 T ;12個(gè)大型極向場(chǎng)超導磁體可以提供磁通變化 ΔФ ≥ 10 伏秒;通過(guò)這些極向場(chǎng)超導磁體,將能產(chǎn)生 ≥ 100萬(wàn)安培的等離子體電流;持續時(shí)間將達到1000秒,在高功率加熱下溫度將超過(guò)一億度。
EAST 裝置的主機部分高11米,直徑8米,重400噸,由超高真空室、縱場(chǎng)線(xiàn)圈、極向場(chǎng)線(xiàn)圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。其實(shí)驗運行需要有大規模低溫氦制冷、大型高功率脈沖電源及其回路、大型超導體測試、大型計算機控制和數據采集處理、兆瓦級低雜波電流驅動(dòng)和射頻波加熱、大型超高真空、以及多種先進(jìn)診斷測量等系統支撐。學(xué)科涉及面廣,技術(shù)難度大,許多關(guān)鍵技術(shù)目前在國際上尚無(wú)經(jīng)驗借鑒。特別是EAST運行需要超大電流、超強磁場(chǎng)、超高溫、超低溫、超高真空等極限環(huán)境,從芯部上億度高溫到線(xiàn)圈中零下269度低溫,給裝置的設計、制造工藝和材料方面提出了超乎尋常的要求。EAST的建造具有十分重大的科學(xué)意義,它不僅是一個(gè)全超導托卡馬克,而且具有會(huì )改善等離子體約束狀況的大拉長(cháng)非圓截面的等離子體位形,它的建成將使我國成為世界上少數幾個(gè)擁有這種類(lèi)型超導托卡馬克裝置的國家,使我國磁約束核聚變研究進(jìn)入世界前沿。在裝置建成后的10-15年期間,能在裝置上對建造穩態(tài)先進(jìn)的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問(wèn)題開(kāi)展探索性的實(shí)驗研究,并使中國在人類(lèi)開(kāi)發(fā)清潔而又無(wú)限的核聚變能的領(lǐng)域內做出自己應有的重大貢獻。
EAST的大小半徑雖然只有國際熱核聚變試驗堆(即ITER)的1/3和1/4,但位形與ITER相似且更加靈活 ,而且將比ITER早10-15年投入運行。EAST是一個(gè)近堆芯高參數和穩態(tài)先進(jìn)等離子體運行科學(xué)問(wèn)題的重要實(shí)驗平臺,它將是在ITER之前國際上最重要的穩態(tài)偏濾器托卡馬克物理實(shí)驗基地。
EAST的目標就是針對近堆芯等離子體穩態(tài)先進(jìn)運行模式的科學(xué)和工程問(wèn)題。作為HT-7的下一代升級裝置,EAST裝置不僅規模更大,其獨有的非圓截面、全超導及主動(dòng)冷卻內部結構三大特性,將更有利于探索等離子體穩態(tài)先進(jìn)運行模式,其工程建設和物理研究可為ITER項目的建設提供直接經(jīng)驗。EAST 將是未來(lái)十年唯一能為ITER提供長(cháng)脈沖穩態(tài)先進(jìn)運行高參數非圓等離子體平臺的實(shí)驗裝置,將會(huì )在發(fā)展穩態(tài)高性能等離子體物理的科學(xué)研究計劃中處于世界前沿地位,進(jìn)而為支持ITER和聚變能發(fā)展作出貢獻。
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中國散裂中子源

中子和人們熟知的X射線(xiàn)一樣,都是人類(lèi)探索物質(zhì)微觀(guān)結構的有力手段,產(chǎn)生中子束的散裂中子源與產(chǎn)生X射線(xiàn)束的同步輻射光源是目前研究物質(zhì)結構的最重要的裝置,兩者相輔相成可為增強國家科技綜合實(shí)力做出重要貢獻。同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中沿弧形軌道運動(dòng)時(shí)放出的電磁輻射(最初在同步加速器上觀(guān)察到,被稱(chēng)為“同步輻射”)。同步輻射光源是具有從遠紅外到 X 光范圍內的連續光譜、高強度、高度準直、高度極化、特性可精確控制等優(yōu)異性能的脈沖光源,可以用以開(kāi)展其它光源無(wú)法實(shí)現的許多前沿科學(xué)技術(shù)研究。
散裂中子源是用來(lái)自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶,重金屬原子核在高能質(zhì)子的轟擊下發(fā)生散裂,釋放出中子,這些中子形成非常強的中子束流,中子慢化后與樣品發(fā)生散射,由中子散射譜儀接收。科學(xué)家利用中子譜儀研究一系列新穎材料(樣品)最本質(zhì)的結構細節和運動(dòng)軌跡。基于加速器的散裂中子源不使用核燃料、不產(chǎn)生長(cháng)壽命的核廢料,且中子通量突破了反應堆型中子源的上限,安全易控。由于中子的特殊性質(zhì),在測定物質(zhì)內氫元素和同位素的位置以及磁性結構等方面具有同步輻射光源不可替代的作用。在薄膜、納米團簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等熱點(diǎn)前沿研究領(lǐng)域內,中子探測裝置已成為科學(xué)家不可缺少的利器。建造高性能的散裂中子源,早已成為當今發(fā)達國家提升科技創(chuàng )新能力的重要手段
中國目前擁有4座高亮度高性能的X射線(xiàn)源,分別位于北京、安徽合肥、臺灣新竹和上海(在建),但尚未有高性能的脈沖中子源,建造一座高性能的脈沖中子源將能使我國在物理學(xué)、化學(xué)以及21世紀最有生命力、最活躍的學(xué)科,如生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)、醫藥、新能源開(kāi)發(fā)和一些工程技術(shù)應用領(lǐng)域取得不可估量的進(jìn)步,很多過(guò)去無(wú)法涉足的研究和應用領(lǐng)域也能得以開(kāi)展。
散裂中子源不僅面向世界科學(xué)前沿,有力提升中國基礎研究和高技術(shù)水準,同時(shí)促進(jìn)中國在能源、國防、工業(yè)等領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)發(fā)展。通過(guò)散裂中子源項目發(fā)展起來(lái)的強流質(zhì)子加速器,可用于航天器件輻照效應的地面模擬試驗研究。利用中子散射對工程材料和部件缺陷及應力的深度檢測,可為工程部件確定可靠的使用期限,現已經(jīng)成為一種先進(jìn)的無(wú)損檢驗方法。散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究,已在許多發(fā)達國家得到應用。
中國散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source,簡(jiǎn)稱(chēng)CSNS)是我國“十一五”期間重點(diǎn)建設的大科學(xué)裝置,已列入國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃。經(jīng)國務(wù)院批準,將建造一個(gè)質(zhì)子束功率達100kW、有效脈沖中子通量居世界前列的散裂中子源裝置。國家支持建設經(jīng)費約12億元,建設期為7年。
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上海光源

上海光源(SSRF)的建設目標是建造一臺高性能價(jià)格比的中能第三代同步輻射光源,包括一臺100MeV的電子直線(xiàn)加速器、一臺3.5GeV增強器、一臺3.5GeV的電子儲存環(huán)和首批建造的七條光束線(xiàn)及相應的實(shí)驗站。電子儲存環(huán)的最高流強為300mA,最低發(fā)射度為3.9 nm·rad,配以先進(jìn)的插入件后,可在用戶(hù)需求最集中的光子能區(0.1~40keV)產(chǎn)生高通量、高耀度的同步輻射光,最高光譜亮度可超過(guò)1019 photons/(s·mm2 ·mrad2 ·0.1%·BW)。
SSRF具有安裝26條插入件光束線(xiàn)、36條彎鐵光束線(xiàn)和若干條紅外光束線(xiàn)等六十多條光束線(xiàn)的潛力,它可以同時(shí)為近百個(gè)實(shí)驗站供光。首批建造4條基于插入件的光束線(xiàn)站,分別是生物大分子晶體學(xué)、硬X射線(xiàn)微聚集及應用、X射線(xiàn)成像及醫學(xué)應用、軟X射線(xiàn)掃描顯微;2條基于彎轉磁鐵的光束線(xiàn)站,分別是高分辨衍射與散射、XAFS;一條組合線(xiàn)站,即X射線(xiàn)光刻與微納加工。上海光源工程座落在上海浦東張江高科技園區,該園區是國家級高科技園區、園區擁有良好的建設條件。
上海光源工程地塊位于張江高科技園區的楊橋村南部,工程用地范圍約20萬(wàn)平方米,上海張江(集團)有限公司以零地價(jià)轉讓給上海光源工程使用。一期擬建約45000平方米,區域地勢平坦、自然地面絕對標高為海拔3.8米。地塊基本呈矩形,東西長(cháng)分別為588至615米,南北寬為333米,總面積約為 20萬(wàn)平方米,一期建筑面積為50857平方米。區域地勢平坦、自然地面絕對標高為海拔3.800米。場(chǎng)地周邊交通方便。建址區域水、電、氣、通訊等基礎設施齊全。張江園區可供兩路互為獨立的供電電源,供水系統和東海優(yōu)質(zhì)天然氣。上海已建設國際一流的寬帶計算機數字通訊平臺,主干網(wǎng)浦東通訊樞紐建在張江園區,浦東寬帶接入網(wǎng)可以給用戶(hù)提供高速寬帶上網(wǎng)手段。
主體建筑擬設于地塊東側,綜合實(shí)驗樓設于主體建筑東南側,便于聯(lián)系與設備的運輸;動(dòng)力設備用房設于主體建筑東側,盡量鄰近主體建筑,以減少管線(xiàn)投資和能源的損耗。綜合辦公樓則位于場(chǎng)地中部與主體建筑緊鄰,面迎主要入口,便于同外界的聯(lián)系。生活區設在地塊的西南部,與工作區相對分離,利于創(chuàng )造相對獨立的安靜環(huán)境。地塊的西部與北部預留未來(lái)科學(xué)研究發(fā)展用地。
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