兰州重离子研究装置实验终端介绍

参观重离子加速器有感——兰州33中高二作文摘抄编者按：今年5月下旬，我所的科技活动周吸引了大批青少年学生前来参观。

随后，兰州33中的老师送来了高二年级学生们以“参观重离子加速器有感”为题所作的部分作文，反映了他们参观后的感想。

高中物理课本有章内容简单介绍了有关粒子加速器的原理，可是它具体是什么结构，有什么用途，并没有特意说明，从而给离子加速器朦上一层神秘的面纱。

它究竟是什么样的？为什么要加速离子?它是用来做什么的？带着许多疑问，我们今天有幸来到了兰州重离子加速器国家实验室，参观并了解了有关重离子加速器的知识。

一走近重离子加速器实验大楼，外墙上一幅五顔六色的核素图首先吸引了我们的眼球，使我们产生了愈加强烈的好奇心。

走进实验室，热情的实验室老师就带领我们来到了一个加速器模型前。

加速器结构复杂，主要有五个大的区城：第一区城是离子源，这里是要加速的离子产生的地方；第二区城是一台注入器，这里是给离子初步加速的地方；第三区城是主加速器，是一台大型回旋加速器；第四区域是主环，是一台跑道型的环形加速器，储存、冷却和进一步加速离子；第五区城便是实验环，在这里科研人员进行科学实验研究。

老师介绍了有关重离子加速器的用途，可以进行各种科学研究，合成新的核素；还可以用重离子治疗癌症患者，而对其健康组织损伤很小，这就解决了目前放射治疗的不足之处，给患者带来了福音；高速重离子还可以检验高强度的材料，如神舟载人飞船上的有关材料，都拿到重离子实验室，进行了有关质量和抗射线性能的测试……在接下来的现场参观中，同学们一直都津津有味地听着，看着结构复杂的加速器，对研究人员更加敬佩，从中也看到了自己知识的薄浅。

我们要努力把理论与实践结合，要有严谨的科学态度，要有研究人员刻苦钻研的精神。

同学们个个若有所思的走出了实验器，都意识到了未来的路还很长。

在这漫长的道路中，我们还有很多事要做。

——袁鑫生活在兰州十几年，竟不知兰州还有如此壮观的重离子加速器，对此我感到万分惭愧。

兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”兰州重离子加速器国家实验室（以下简称“兰州实验室”）是中国科学院下属的国家重点实验室，也是我国目前最大、最先进的重离子加速器和相关设施的科研基地。

作为国家实验室，兰州实验室在核科学、粒子物理、材料科学、辐射医学等领域具有举足轻重的地位，其科研成果不仅为我国的科技创新提供了重要支撑，还对世界科学领域的发展起到了重要推动作用。

兰州实验室位于甘肃省兰州市，总面积达1000余亩，拥有一支庞大的科研团队，其中包括多位国际知名的科学家和专家。

实验室拥有一批世界领先水平的装置设施，包括中国首台重离子加速器——“兰州重离子加速器”、“大型同步辐射装置”、“超导高频加速器”等，这些设施为科研工作者提供了优越的条件和平台，使得他们能够在最前沿的科学领域开展研究工作，成就了一系列具有国际影响力的重大科研成果。

兰州实验室以其科研实力和成果在国内外享有盛誉，其重大科研项目和成果已成为国际学术界的焦点。

兰州实验室承担了“中国原子能科学研究所”的重大核基础研究项目，成功研制了一系列高性能、高稳定的核反应堆核心材料，并解决了长期困扰国际核工程界的大量核材料性能问题。

兰州实验室还承担了相关的重大国际联合实验项目，为国际核物理和重离子物理领域的研究做出了杰出贡献。

兰州实验室始终致力于为国家的科技创新提供有力支撑，通过开展一系列重大科研项目，提升国家在相关领域的科研实力和国际地位。

实验室在促进科技发展、人才培养、国际合作等方面也取得了丰硕成果。

在人才培养方面，实验室一直非常重视人才队伍建设，在国际上也拥有着广泛的科学研究合作和交流。

实验室还建立了一系列国际合作研究中心，与美国、欧洲等国家和地区进行了广泛深入的科学研究合作，为我国的基础研究和应用研究提供了有利条件。

针对实验室在科研实力和成果方面的显著成就，科技部还授予了兰州实验室多项国家科技奖项，以表彰其在国家科技创新中所做出的杰出贡献。

兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”位于甘肃省兰州市的兰州重离子实验室，成立于1984年，是由国家发改委、中国科学技术协会、中国科学院等单位共同组建的国家综合性大科学中心。

在成立初期，兰州重离子实验室以重离子加速器为主要研究设备，开展了大量的粒子物理、核物理等方面的研究工作。

随着国家科技事业不断发展，兰州重离子实验室的研究领域也逐渐扩展到了材料科学、生物医药、环境科学等多个领域，成为国家重要的科研平台之一。

走进兰州重离子实验室，首先映入眼帘的是宽敞明亮的实验室大楼。

这里拥有世界一流的科研设备，其中最引人注目的当属世界上最大的同步辐射装置——光电子衍射与谱学装置（BL14B1），这是兰州重离子实验室最具代表性的设备之一。

该装置采用超高分辨率的光电子技术，配备了国际上最先进的光源和光学装置，能够实现细微结构的原子级分辨率成像，为研究材料的微观结构和性能提供了重要的技术支持。

兰州重离子实验室不仅拥有先进的科研设备，还聚集了一批国内外一流的科研团队。

这里的科研人员来自全国各地，他们有的是博士后、博士、硕士等高学历人才，有的是国内外知名的科研专家。

他们凭借扎实的理论基础和丰富的科研经验，不断进行创新性的研究工作，取得了一系列令人瞩目的科研成果。

在这里，科研人员们本着“求实创新、追求卓越”的科研精神，积极参与国际合作，开展了大量前沿性的科研工作，为我国在材料科学、生物医药、环境科学等领域的发展做出了重要贡献。

兰州重离子实验室的科研成果丰硕，其中不乏一些令人瞩目的科研成果。

在材料科学领域，科研人员们利用同步辐射技术，成功研究出多种新型的功能材料，这些材料在光、电、磁等方面具有优异的性能，为我国的材料科学研究开辟了新的道路。

在生物医药领域，科研人员们利用同步辐射技术，开展了一系列有关生物大分子结构与功能的研究，为我国的生物医药研究提供了重要的技术支持。

在环境科学领域，科研人员们利用同步辐射技术，研究了大气污染物的来源、传输和转化规律，为我国的环境保护工作提供了重要的科学依据。

PXI在重离子加速器－冷却存储环控制系统的应用HIRFL-CSR 工程兰州近代物理所HIRFL-CSR（重离子加速器－冷却存储环）工程是国家九五重点国家重大科学工程。

HIRFL-CSR 是一个集加速、累积、冷却、储存、内靶实验及高分辨测量于一体的多功能实验装置。

兰州近代物理所HIRFL-CSR 包括：主环（CSRm）、实验环(CSRe)、束运线、放射性束(RIB)分离器、实验探测装置。

主环周长161 米，最高加速能量为900MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U72+)，试验环周长129 米，最大接收能量为600MeV/u (12C6+)和400MeV/u(238U90+)，束线总长473 米，磁铁总重量1451 吨，磁铁电源总功率8234 千伏安，建筑面积约17000 平方米。

兰州近代物理所HIRFL-CSR 系统平面结构示意图示于图1。

图1 兰州近代物理所HIRFL-CSR 系统平面结构示意图HIRFL－CSR 控制系统包括磁铁系统、电源系统、高频系统、注入引出系统、电子冷却系统、内靶系统、真空系统、束流诊断系统、控制系统和准直与测量系统。

HIRFl-CSR 系统的架构图示于图2。

图2 HIRFL-CSR 控制系统结构图HIRFL-CSR 控制系统对数据采集平台的需求HIRFL－CSR 控制系统兰州HIRFL-CSR 控制系统是基于WEB 的分布式控制系统。

系统主要包括前端控制服务器和HIRFL-CSR 系统整体控制。

控制系统结构图示于图3。

图3 兰州HIRFL-CSR 控制示意图前端控制服务器用来提供对受控目标和装置的完全控制。

它们可以接收命令和数据，运行算法，向设备送出控制信号，返回设备的状态和数据，提供人机界面等。

按照现场要求执行开环或闭环控制。

通过HIRFL-CSR 的网站服务器和用户浏览器，HIRFL-CSR 操作人员能够通过WEB 形式发出指令并接收设备状态信息。

同时，它能够和运行在intranet 上的。

兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”1. 引言1.1 兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”兰州重离子加速器国家实验室（以下简称“兰州重离子实验室”）作为中国科研领域的重要机构之一，一直致力于加速器科学研究和人才培养。

走进兰州重离子实验室，就像走进科研国家队，和众多科研精英共同追逐“科学之约”。

在兰州重离子实验室，你将见识到最先进的加速器设备和仪器，感受到科学家们不懈的探索精神。

这里汇聚了国内外顶尖研究人才，他们在核物理、高能物理、加速器物理等领域取得了许多重要的科研成果。

兰州重离子实验室不仅是科研国家队的一部分，更是科学之约的见证者和实践者。

通过科学之约，我们不仅可以深入了解加速器实验室的研究成果和价值，还可以体会到科学对人类进步的巨大贡献。

走进兰州重离子实验室，就像踏上了一场科学之旅，让我们共同探索未知领域，共同开启科研之路，共同筑梦科学未来。

2. 正文2.1 兰州重离子加速器国家实验室简介兰州重离子加速器国家实验室（以下简称“兰州实验室”）是中国科学院下属的国家重点实验室，位于甘肃省兰州市。

该实验室建立于1986年，是中国第一个重离子加速器实验室，也是亚洲第一个具有重离子加速器的实验室。

兰州实验室的建设是为了满足中国科学家对重离子加速器的需求，开展重离子物理和核物理等领域的研究。

兰州实验室拥有多台重要的实验装置，其中包括国内唯一的重离子加速器HIRFL（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou）和中子二次飞行时间谱仪等。

HIRFL是兰州实验室的核心设备，是一个由多个环形加速器和同步加速器组成的复杂系统，能够提供不同能量的重离子束流。

这些装置的建设和运行，为科学家提供了一个优质的科研平台，促进了国内外的科学合作与交流。

兰州实验室在重离子物理、核物理、原子核结构等领域取得了许多重要的科研成果，包括发现新的核素、研究核反应和核结构等。

兰州重离子加速器国家实验室(图)兰州重离子加速器HIRFL总体示意图在电影《非诚勿扰》中，孙红雷饰演的李香山得知自己患上不治之症黑色素瘤后，以自杀的方式结束了自己的生命。

如果该片导演知晓重离子的疗效，这部电影的结局可能要重写。

从癌症治疗，到核物理研究、新核素合成、太空芯片检测……中科院兰州近代物理所(以下简称近物所)的科学家们依托重离子加速器的大科学平台，在西北大地上奏响一曲前沿科学与应用研究的“交响乐”。

“给大象治疗癌症”“我们这个加速器都可以给大象治疗癌症了。

”近日，在兰州重离子加速器国家实验室(HIRFL)，近物所所长肖国青指着一台像CT机一样的白色试验终端向走进中科院大科学装置的记者一行人介绍说。

他解释说，如果重离子达到每核子400兆电子伏特，就可以达到30厘米的穿透力，可以治疗人体深层肿瘤。

而该加速器产生的重离子已达到每核子1000兆电子伏特，穿透力在1米以上。

当前，我国每年新发癌症病例约320万，因癌症死亡约250万。

重离子放射为采用常规放化疗和手术难以治愈的癌症患者打开了一扇新窗户。

“尽管重离子也是一种射线，但是与当前医院里的X射线和γ射线相比，对人体副作用会小得多。

”HIRFL医学物理研究室主任李强告诉《中国科学报》记者。

他解释说，重离子治癌的最大优势来源于倒转的深度剂量分布。

常规射线会随着深度增加呈现指数衰减的形式，而重离子束进入身体后能量损失小，仅在最终停下的位置才会释放大部分能量，形成尖锐的剂量峰“布拉格峰”。

因此，在斩灭“癌魔”的同时，对周围正常组织和敏感器官的副作用小得多。

“重离子只需要X射线剂量的1/3就可杀死癌细胞。

同时，重离子治疗一个疗程只需要几天，最多至12天，远远低于放化疗的一个多月。

”李强说。

据介绍，HIRFL现有深层和浅层治疗两个临床治疗终端，目前共治疗216例病人，包括皮肤鳞癌、基底细胞癌、肺癌、肝癌以及当今医学界最头疼的黑色素瘤，局部控制率在80%以上，使我国成为世界上第四个掌握重离子治癌技术的国家。

兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”1. 引言1.1 兰州重离子加速器国家实验室的重要性兰州重离子加速器国家实验室作为中国科研领域的重要机构，具有重要的科研价值和战略意义。

其建设是为了满足我国在高能物理领域的需要，拓展我国在基础研究领域的影响力和话语权。

加速器的建设和研究将会加深对基本粒子物理的认识，推动科学技术创新，提升我国在国际科研合作中的地位。

兰州重离子加速器国家实验室的建设将为我国的科研人员提供一个世界一流的实验平台，为他们开展前沿科学研究提供重要支持。

实验室的运行将会吸引国内外优秀科学家和研究人员前来合作交流，推动科学领域的发展和进步。

通过实验室的研究成果，我国的基础研究水平将得到极大提升，并为我国在科技领域的发展打下坚实基础。

兰州重离子加速器国家实验室的重要性不仅在于其科学研究的成果，更在于其为我国培养一支科技人才队伍，推动科学技术的进步和国家实力的提升。

实验室的建设和发展将会为我国科研事业注入新的活力和动力，推动我国在国际科学界的地位和影响力不断提升。

【内容到此结束】.1.2 科研国家队的意义科研国家队的意义在于汇聚了国内顶尖科学家和研究人员，共同致力于解决重大科学问题、推动科技创新，提升国家的科技实力和竞争力。

科研国家队代表了国家在科技领域的最高水平，是国家科技发展的核心力量。

通过科研国家队的合作和努力，可以突破学科和地域界限，促进跨学科合作与交流，推动科学领域的创新发展。

科研国家队的建设不仅有利于提升国家在全球科学舞台上的声誉和地位，更能为国家经济社会发展提供更多的科技支撑和解决方案。

科研国家队也可以为青年科学家提供更多的学习与成长机会，推动科技人才培养和科研团队建设。

以兰州重离子加速器国家实验室为例，加入科研国家队可以共同探索未知领域，取得更多重要科研成果，助力实验室走向国际一流水平。

科研国家队的意义不仅体现在科学研究的深度和广度上，更体现在提升国家综合实力和国际竞争力上。

兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”兰州重离子加速器国家实验室（以下简称“兰州重离子实验室”）是中国科学家集中力量实施“国家高技术研究发展计划（863计划）”的重大科技基础设施项目之一，也是中国科学院紧紧依托的一项重大科技基础设施项目。

作为世界上首批具有自主研发核心技术并实现规模化应用的国家大科学装置，兰州重离子实验室一直致力于开展原子核物理、高能物理和核技术等方面的基础研究和应用研究。

其研究领域涵盖了从基础科学研究到应用技术研究的广泛范围，为推进中国的高新技术和核心竞争力提供了强有力的支撑。

一、兰州重离子实验室的建设发展历程在建设发展的历程中，兰州重离子实验室先后完成了包括Lanzhou Impacter极限条件重离子实验装置、阿尔法粒子束实验装置、兰州小型同步辐射光源和科大1号等一系列国家重大科技基础设施建设。

这些设施的建成和投入运行，不仅为我国在原子核物理、高能物理和核技术等领域的基础研究和应用研究提供了强有力的支撑，而且还为我国的原子能安全、核医学和材料科学研究等领域提供了世界一流的实验平台。

二、兰州重离子实验室的科研成果与国际合作兰州重离子实验室自建立以来，始终致力于开展原子核物理、高能物理和核技术等方面的基础研究和应用研究。

在科研方面，兰州重离子实验室多次取得了一批国际上领先的科研成果，其中包括了中国首台重离子加速器、中国第一台高能同步辐射光源、中国首条重离子加速器资料的取得等一系列重大科研成果。

这些科研成果的取得，不仅提高了我国在原子核物理、高能物理和核技术等领域的国际地位和影响力，而且也为我国的高新技术和核心竞争力提供了强有力的支撑。

兰州重离子实验室在未来的发展中，将继续致力于开展原子核物理、高能物理和核技术等方面的基础研究和应用研究。

其未来发展方向主要包括：加快推进新型高能加速器和核技术研究设施的建设。

当前，兰州重离子实验室正在加快推进国家重大科技基础设施建设项目，计划建设一批新型高能加速器和核技术研究设施。

兰州重离子研究装置
中国科学院近代物理研究所;中国科学院基础研究局
【期刊名称】《中国科学院院刊》
【年(卷),期】2009(024)001
【摘要】@@ 1 科学背景rn自从1932年劳伦斯建成世界上第一台回旋加速器起.物理学方面的重大成果越来越多地出自于大科学装置,上世纪许多获得诺贝尔物理奖的成果就是基于大科学装置的大型实验中获得的.
【总页数】5页(P97-101)
【作者】中国科学院近代物理研究所;中国科学院基础研究局
【作者单位】中国科学院近代物理研究所,兰州,730000;中国科学院基础研究局,北京,100864
【正文语种】中文
【相关文献】
1.兰州重离子治癌研究装置的准直测量技术 [J], 陈文军;满开第;王少明;蔡国柱;杨胜利;郭艺珍;袁建东
2.兰州重离子研究装置辐射环境安全性评估 [J], 宋文杰
3.兰州重离子研究装置周围环境的放射性监测 [J], 宋文杰;姜桂芬;杜海林;马惠芳;王桂玲
4.兰州重离子研究装置的辐射监测系统 [J], 李宗强;伏明灯;王桂玲;朱小龙;苏有武
5.兰州重离子研究装置周围环境放射性监测 [J], 宋文杰;王桂玲;马惠芳;李宗强;伏明灯;朱洪滨
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兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”遵照中国科学院统一规划部署和要求，同时结合兰州重离子加速器国家实验室的优势和特点，紧扣“科技强国，科普惠民”的主题制订了基地科学日活动主题。

2019年是“国际化学元素周期表年”，同时元素探索也是基地重点研究领域和攻坚方向，故确定了科学日的活动主题为“探秘自然密码，嗨玩微观世界”，活动策划方案及纪念品设计均围绕“元素”概念展开，力求形成高端前沿、寓教于乐的有中国科学院特色的科普开放日活动。

实施过程活动设置了兰州重离子加速器及国家实验室展厅参观、科普报告、科学实验秀、科普阅读、化学元素“大挪移”互动游戏、“小小科学家”报告会及招生招聘咨询7大板块，展示了近代物理在面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场方面作出的重大科技创新成果，展现了科技造福人类的美好愿景，塑造了近代物理所良好的社会形象。

丰富、有趣的活动内容激发了广大公众，尤其是青少年对科学的关注和兴趣。

走近“大国重器”中国科学院近代物理所的“大国重器”——兰州重离子加速器一直是公众科学日最热门的“景点”，活动第1天就吸引了来自兰州市各大高校、中小学、企事业单位的数千名公众前来参观。

他们走进近代物理所，与科学装置、科研仪器和科研人员零距离接触，感受科学脉搏，体验科技魅力。

参观过程中，共安排讲解员16名，每30名公众编为1支参观队伍，配备1名讲解员全程带领讲解。

“大家都知道重离子加速器可以用来治疗癌症，可除此之外还有什么作用呢？”讲解员问道。

加速器除了治疗癌症之外，原子核质量评估是它的另一个主要功能。

兰州重离子研究装置目前已合成鉴别20多种新核素。

由于在合成新核素领域中取得了重大进展，国际原子核的质量评估发布权从法国核谱质谱中心转移至兰州重离子加速器国家实验室。

国际原子质量评估工作由近代物理所承担，终结了国际原子质量评估工作多年来为法国核谱质谱中心“垄断”的历史。

重离子在培育新植物方面也有着突出的作用，为我们的生活增添了更多新选择。

文章编号:1007-4627(2010)04-0464-05兰州重离子加速器团簇内靶装置控制系统设计*王彦瑜1,林飞宇1,2,张建川1,2,刘伍丰1,肖文君1,2,邵曹杰1(1中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;2中国科学院研究生院,北京100049)摘 要:介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(H I R F L-C S R)的实验环(C S R e)团簇内靶装置控制系统的设计㊂该内靶系统由多种设备构成,包括喷嘴测温与加热控制子系统㊁真空与阀门监测/控制子系统㊁分子泵监测与控制子系统㊁数据处理与流程软件子系统等部分㊂该系统在内靶实验中工作状态良好,满足了内靶实验的需求㊂在该控制系统的支持下,2010年1月第一轮辐射电子俘获物理实验顺利完成㊂关键词:C S R e;内靶;控制系统中图分类号:T P311,T P272 文献标识码:A1 引言团簇内靶实验装置是兰州重离子加速器冷却储存环(H I R F L-C S R)实验环(C S R e)上重要的物理实验终端,它可为C S R e内靶物理实验提供厚度为1011 1013a t o m s/c m2的团簇靶和极化靶㊂内靶实验具有高亮度㊁高精度㊁高灵敏度㊁方便进行各类符合测量㊁可产生处于某一特定激发态的离子束等特点[1],为探测小几率事件和较重的碰撞产物提供了可能㊂内靶系统也可产生处于特定激发态的离子束,为态相关的碰撞研究提供了条件㊂内靶装置结构复杂,有数十种不同类型的设备需要监测和控制,控制系统的优劣直接关系到物理实验的成败㊂为此,本研究组为内靶装置自主设计了全部软硬件,构建了控制系统㊂在2010年1月完成的首轮电子俘获实验中,该控制系统运行稳定,实现了温度㊁气压和设备状态的远程监测和控制,完全满足了实验的要求㊂2 控制系统总体介绍在H I R F L-C S R中,离子束通过高频系统不断加速至高能量[2](约每秒106圈),束流经引出系统从主环(C S R m)引出至C S R e内靶系统,高能离子束撞击内靶处喷嘴喷出的实验气体靶(团簇冷凝态)后,发生反应,来完成各种物理实验[1]㊂团簇内靶是一个由各种不同设备组成的复杂系统,仅需要控制的设备合计就有6类14种,共40多个节点㊂这些设备的工作原理㊁工作方式㊁监测参数和控制命令等各不相同,而且,设备之间有相互关联㊂因此,需要根据设备的特点和实际情况分别予以处理㊂采用基于以太网的多前端处理机分布式技术对这些设备实现了远程监测与控制㊂底层控制系统硬件需要跟上层的用户管理软件相结合,完成控制系统的任务㊂各子系统之间通过底层控制模块的关联和上层软件层的关联,实现模块之间协调工作,保证控制系统安全运行的同时不会影响实验环的工作状态㊂3 控制系统各子系统的实现针对不同的被控对象,自主设计了3种用于内靶控制系统的硬件模块,3种控制模块的实物照片如图1所示㊂其中,温度控制模块用来实现喷嘴处温度的恒定调控;真空和阀门模块用来读取靶室内的真空度并根据命令或者自保护阈值开关阀门;泵控制模块读取泵的运行参数并根据要求发送相关指令控制泵的运行状态㊂这3种控制模块均采用美国第27卷 第4期原子核物理评论V o l.27,N o.4 2010年12月N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w D e c.,2010*收稿日期:2010-03-31;修改日期:2010-07-27* 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10874188)作者简介:王彦瑜(1960-),男(汉族),陕西绥德人,研究员,博士生导师,从事数据获取与自动控制研究;E-m a i l:y a n y u@i m p c a s.a c.c nT I 公司的超低功耗16-b i t 精简指令(R I S C )混合信号处理器M S P 430F 149[3]作为其核心处理器㊂M S P 430F 149单片机内部集成了多个模拟模块㊂例如,模拟比较器㊁8通道12-b i t ㊁200k s ps 的A D C 等㊂这些特性使得它在测量领域具有较高的竞争力㊂在已经建成的C S R 真空控制系统中,采用M S P 430F 149单片机的控制模块已得到广泛应用㊂实践证明,在强辐射㊁强电磁干扰的恶劣工作环境中,它可以长时间稳定工作[4]㊂图1设计的3种控制模块除此之外,设计的这3种模块均支持R S 232串口通信和以太网通信,具备220V 独立供电,标准1U 高度等特点㊂部分模块根据需要使用了美国X i l i n x 公司的高性能C P L D ㊂下面将主要介绍这3种模块中温度监测/控制子系统的设计思路和方法,然后对其他两种模块进行简要介绍㊂3.1 喷嘴测温与加热子系统设计3.1.1 闭环控制系统原理介绍C S R e 团簇内靶的工作原理如下:纯净气体(氢气㊁氖气㊁氮气㊁氩气等)经喷嘴喷射到碰撞点㊂为了在碰撞点得到尽可能高的靶原子密度,需要将气体冷却到接近沸点,但不能低于其沸点以致于凝结,使气体呈团簇状(即 雾”状)㊂喷嘴处温度的控制十分重要,温度过低则会冻结喷嘴,实验不能继续;温度过高则不能形成団簇状,束流碰撞几率很低,影响实验效率㊂设计的内靶温度控制器通过一个可预设温度的闭环自动控制器来控制喷嘴部分的温度,使喷嘴处温度处于实验所需的最佳温度点,通过优化设计,喷嘴处温度误差在±0.5K ㊂冷却喷嘴由一台恒定制冷功率P 1的液氦制冷机制冷㊂由于不同的实验气体保持 雾”状所需的温度并不相同,故还需在制冷的同时对喷嘴部分进行加热功率为P 2的调节㊂只有当P 1和P 2达到相对平衡时,才能使得实验气体保持在 雾”状㊂在此,采用了由特殊复合材料制成的单调温度系数的热敏电阻线圈来监测喷嘴处的温度变化;通过1m A 电流源给线圈提供恒定电流,再通过A D 采集线圈端电压间接得到喷嘴处的温度值㊂由此温度值作为调节参考,来调节与加热线圈连接的安捷伦(A g i l e n t )电源(3634A ,电压/电流程序可调)输出功率(也即P 2),从而改变加热装置的发热功率,不断重复此过程形成闭环控制,以达到P 1和P 2的动态平衡,从而保证实验气体所需的 雾”状㊂1m A 电流源也可产生热量,但相比P 2可以忽略不计㊂内靶温度闭环系统框图见图2㊂图2内靶温度闭环系统框图3.1.2 控制器硬件设计温度控制器是内靶控制系统关键部件,硬件设计的关键是一个高精度的稳定电流源㊂设计的电流图3电流源电路原理图㊃564㊃ 第4期王彦瑜等:兰州重离子加速器团簇内靶装置控制系统设计源原理图参见图3㊂该电流源通过了1000h的不间断测试,电流稳定度在0.1%㊂在温度控制器的单片机程序中,首先采集电压模拟量,根据电压值计算出喷嘴处温度,并作为参考值来决定加热线圈功率的增减㊂再通过R S232串口发送不同的指令给安捷伦电源,控制电源输出不同电压和电流值给喷嘴处的加热线圈㊂指令格式需符合安捷伦电源的标准㊂3.1.3 控制器本地代码设计M S P430单片机软件部分包括电压采集㊁指令下达㊁状态回读和网络数据传输等子程序㊂内靶温度控制系统的闭环特性对控制器的响应时间要求较为严格,其中包括A D C数据采集等操作部分的响应时间㊁远程控制响应时间㊁中断程序响应时间和计算温度值所花费的时间等㊂由于M S P430单片机运算能力有限,为了减轻控制模块运算负荷以及提高整个内靶温度控制系统整体性能,特将计算温度值部分的工作交给运算能力较强的前端服务器,在上层C++程序代码中完成复杂的温度计算工作㊂图4加热模块程序流程图在上层C++程序计算得到温度值后,根据温度具体情况近实时地以用户可干预步长去调节安捷伦可编程电源3634A的输出到加热装置的电压和电流,以改变加热装置的发热功率㊂加热模块程序流程图参见图4(假定输出电流固定,只需改变电压)㊂3.2 真空与阀门监测/控制子系统设计内靶装置中有3种真空规管和3种真空计,分别提供数字量或者模拟量㊂这些数字量或者模拟量表示真空规管处的真空度㊂这些数值通过硬件控制模块的采集传输,递交给上层的管理软件,显示在控制界面上㊂为此,专门设计的真空控制模块支持R S232通信标准,既可以直接与具有R S232接口的真空计(T P G256/T P G261)连接,也可以采集只提供模拟量的真空计(I M520)的输出信号㊂控制模块也能够根据实际需要,发送指令给真空计,实现远程监测和控制㊂真空控制模块的单片机程序主要实现操作T P G256/T P G261㊁操作I M520㊁网络通信和中断等子程序㊂现场有若干种阀门,如220V A C的气动阀门D N63㊁超高真空电磁阀㊁M i n i超高真空电磁阀㊁24 VD C/50m A的气动J E T阻挡板和限气挡板等㊂针对这些阀门的特殊电气要求,在专门设计的控制器上通过跳线选择来提供6路24V D C/10A还是220V A C/10A的控制信号㊂另外,每个阀门均设有两根状态线来表示其开/关状态,以确认开关动作是否完成㊂真空模块和阀门模块在控制系统软件层交互信息,实现关联㊂为了保护C S R e的真空,对于内靶装置两端与C S R e束流管线连接处的阀门,控制器内部作了连锁保护,当真空度过低(低于预设阈值)时会自动关闭,从而保护环内真空度免受内靶装置的影响㊂3.3 分子泵监测与控制子系统内靶装置中有3种分子泵,用来维持靶室内部的真空度,并且使内靶的运行不影响C S R e的本底真空度(5×10-9P a)㊂由于靶室内的真空度要求形成梯度(表1[1]),因此,各分子泵的工作参数如转速和功率等均不同,需要分别予以设定与监测㊂表1 团簇靶喷气级气压分布[1]位置抽速/(l/s)气压/P a喷嘴级15002.3第一差分级15005.3×10-4第二差分级5001.2×10-6第三差分级5007.2×10-9第四差分级5001.4×10-9现场3种泵都支持R S232/485规范,可通过远程发送指令获取其工作参数或控制运行状态㊂由于现场泵的数量较多,不可能为每个泵配备一台控制器㊂为此使用了X i l i n x的高性能C P L D实㊃664㊃原子核物理评论第27卷现的控制模块,使一个控制模块可以同时监测/控制8台分子泵㊂控制模块通过8条R S232串口发送指令,分别获得8台分子泵的当前工作状态,例如转速㊁功率㊁电压电流和温度等,将这些参数再通过模块上的以太网接口传送到上层控制界面,显示给用户㊂用户可根据这些参数判断分子泵的工作状态,并结合其他参数(如真空度),返回指令给分子泵,对这些参数进行调节或者软启动㊁软停止等㊂所有采集的数据均可按照需要储存进o r a c l e数据库中,便于实验后的分析㊂获取泵的运行参数或者发送执行命令都需要通过R S232口与泵交换信息,而且指令和返回的参数都比较长,在软件设计中需要考虑R S232中断处理程序执行的速度问题,使得在相邻两次中断的时间间隔内,单片机足以处理完上次的数据㊂另外,为了更好地与上层软件协调,需要对泵返回的参数进行数制转化,将二进制转化为A S C I I码㊂3.4 数据处理与软件子系统为了实现自动控制,自主开发了全部控制软件㊂上层软件(控制界面)是基于J A V A和C++的w e b页面来设计的㊂将所有被控对象集中显示在一个界面上,方便用户监视㊂该界面有4个不同的菜单栏,每个菜单栏对应一类被控对象,通过切换不同的菜单栏可以选择不同的被控设备进行监测或控制㊂对于被控对象的操作指令使用多选窗口的方式,方便用户㊂系统软件内部负责数据处理㊁命令分配和数据存储,以及设备间的协调和关联㊂上层程序通过T C P/I P协议发送指令给3种控制模块的网络接口部分,并接受控制模块采集来的状态和数据㊂该软件系统的运行界面如图5所示㊂图5软件系统的运行界面3.5 网络配置目前在内靶控制现场总共配备了6台3种不同类型的控制模块,这6台控制模块都有自己独立的I n t r a n e t I P地址㊂这些控制模块通过网线连接到网络交换机,上位机同样连接到这个网络交换机㊂上位机中的用户程序通过访问不同的I n t r a n e t I P地址来区分不同的控制模块㊂上位机与该6台模块处于同一网段,可被同网段的其他授权的计算机访问㊂也可通过远程登录,在远离现场的中央控制室操作该上位机㊁监测和控制这些控制模块,从而控制整个内靶系统的温度㊁真空度和阀门等对象㊂4 结论整个控制系统已经成功应用于C S R e内靶装置现场㊂系统离线运行6个多月,长期稳定性好㊂实现了对内靶装置的远程监测和控制,性能优良㊂其中,阀门响应时间在10m s之内,温度控制精度达到了0.5K,形成的真空梯度完全满足了C S R e团簇内靶的实验需求㊂在该控制系统的支持下,物理实验人员在2010㊃764㊃第4期王彦瑜等:兰州重离子加速器团簇内靶装置控制系统设计年1月成功完成了第一轮辐射电子俘获实验㊂内靶远程控制系统稳定,实现了温度㊁气压和设备状态的远程调节或监测,完全可满足实验的要求(图6)㊂图6首轮内靶实验实现了高能氙离子束的冷却[5]参考文献(R e f e r e n c e s):[1]C a iX i a o h o n g ,L uR o n g c h u n ,C a oZ h u r o n g,e t a l .N u c l e a r P h ys i c sR e v i e w ,2002,19(2):281(i nC h i n e s e ).(蔡晓红,卢荣春,曹柱荣,等.原子核物理评论,2002,19(2):281.)[2]X i a J i a w e n ,Z h a n 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eU n i v e r s i t y o f C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 100049,C h i n a )A b s t r a c t :I t i s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r t h e d e s i g n o f t h e c o n t r o l s y s t e mf o rH I R F L -C S R e i n t e r n a l t a r g e t f a -c i l i t y ,i nw h i c h t h e r e a r em a n y di f f e r e n tk i n d so f u n i t sn e e d t ob em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d .T h e c o n t r o l s y s t e mi s c o m p o s e do f s e v e r a l s u b s y s t e m sw h i c h a r e d e s i g n e d t o c o n t r o l t h e g a s -j e t t e m p e r a t u r e ,c h a m b e r v a c u u m ,v a l v e sa n d m o l e c u l a r p u m p s .A h u m a n -c o m p u t e r i n t e r a c t i o n i n t e r f a c e i sa l s or e a l i z e dt od o t h e d a t a a c q u i s i t i o n ,d a t a p r o c e s s i n g a n dd i s p l a y .T h ew h o l es y s t e m h a sb e e n w o r k i n g s t a b l y a n ds a f e l y,i t f u l l y m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f p h y s i c a l e x p e r i m e n t s i n t h e i n t e r n a l t a r g e t f a c i l i t y .I n J a n u a r y o f 2010,t h e f i r s t p h y s i c s e x p e r i m e n t o f t h e r a d i o a c t i v ee l e c t r o nc a p t u r ew a s f i n i s h e ds u c c e s s f u l l y w i t ht h ea i d so f t h i s c o n t r o l s ys t e m.K e y wo r d s :C S R e ;i n t e r n a l t a r g e t s y s t e m ;c o n t r o l s y s t e m ㊃864㊃原子核物理评论第27卷*R e c e i v e dd a t e :31M a r .2010;R e v i s e dd a t e :27J u l .2010*F o u n d a t i o n i t e m :N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (10874188) 1)E -m a i l :y a n y u @i m pc a s .a c .c n。

兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”【摘要】兰州重离子加速器国家实验室作为我国重要的科研机构，在科技创新方面发挥着重要作用。

本文首先介绍了实验室的历史沿革，包括其建立和发展过程。

然后分析了实验室的研究领域，涵盖了从基础物理到应用技术的广泛领域。

接着总结了实验室取得的科研成果，展示了其在科学研究领域的影响力。

还介绍了实验室与国际合作的情况，展示了其在国际间的地位和影响力。

强调了实验室未来的发展规划，表明其将继续在科技创新领域发挥重要作用，为实现科学强国梦想不懈努力。

兰州重离子加速器国家实验室不仅是我国科研国家队的重要组成部分，更是共同赴一场“科学之约”的重要力量。

【关键词】兰州重离子加速器国家实验室、科研国家队、科学之约、历史沿革、研究领域、科研成果、国际合作、未来发展规划、科技创新、深化科研合作、科学强国、努力。

1. 引言1.1 兰州重离子加速器国家实验室：走进科研国家队共赴一场“科学之约”兰州重离子加速器国家实验室，作为中国最大的重离子加速器实验室，承载着国家重大科研任务。

自建立以来，加速器已成为我国科研领域的一面旗帜。

从最初的设立到现在的发展，加速器的各项研究成果均取得了骄人的成绩，为我国科技事业的发展做出了积极贡献。

提到兰州重离子加速器国家实验室，很多人都会想到“科学之约”，这个名字浓缩了实验室的精神内涵。

在这个大家庭中，每一位科研人员都可以找到自己的位置，共同踏上科学之路，共同探索未知的世界。

在这里，科研国家队成员们相互帮助、相互支持，共同奋斗在科学研究的前沿。

“走进科研国家队，共赴一场‘科学之约’”，这是兰州重离子加速器国家实验室的口号，也是每一位科研工作者的使命。

让我们一起走进这个充满希望和挑战的世界，为实现科学强国的梦想努力奋斗！2. 正文2.1 兰州重离子加速器国家实验室的历史沿革兰州重离子加速器国家实验室（以下简称“兰州实验室”）的历史沿革可以追溯至上世纪80年代初。