托卡馬克裝置資料課件

托卡馬克裝置等離子體

平衡和控制

HT-7

ASIPPInstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences托卡馬克裝置等離子體

平衡和控制HT-7ASIPP1托卡馬克裝置等離子體平衡和控制

HT-7

ASIPP托卡馬克裝置的發(fā)展歷史托卡馬克裝置工作的基本原理等離子體(GradShafranvo)平衡方程

非圓截面等離子體平衡反演技術(shù)托卡馬克裝置等離子體電磁測量概述HT-7等離子體平衡和控制EAST等離子體電流、X點位置和位形控制

托卡馬克裝置等離子體平衡和控制HT-7ASIPP托卡馬2托卡馬克裝置的發(fā)展歷史HT-7

ASIPP托卡馬克是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)形放電裝置。在環(huán)形系統(tǒng)中，它的結(jié)構(gòu)最簡單，但是在其上所獲得的等離子體參數(shù)卻是到目前為止最好的，而且有可能最先建成熱核聚變反應(yīng)堆。所謂托卡馬克，是指具有強磁場低“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)形受控?zé)岷藢嶒炑b置，是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所的阿爾齊莫雄奇等首先提出來的。托卡馬克的發(fā)展大致可以分為下列幾個階段：早期環(huán)形放電實驗時期(1958年以前)

托卡馬克概念形成時期(1958-1963年)

擴大實驗階段(1974年開始)

沖擊點火條件階段(1979年開始)

深入等離子體研究和點火條件模擬實驗階段(1982年目前)

托卡馬克裝置的發(fā)展歷史HT-7ASIPP托卡馬克是一種準(zhǔn)3托卡馬克裝置工作的基本原理HT-7

ASIPPa:等離子體b:平衡場線圈c:真空室d:縱場線圈e:鐵芯變壓器托卡馬克裝置工作的基本原理HT-7ASIPPa:等離子體4托卡馬克裝置工作的基本原理

HT-7

ASIPP托卡馬克是一種軸對稱的環(huán)形系統(tǒng)，就產(chǎn)生準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)高溫等離子體裝置的幾何觀點來看，它是閉合磁約束系統(tǒng)中最簡單的系統(tǒng)。典型的托卡馬克裝置如圖所示。它主要由激發(fā)等離子體電流的變壓器(鐵芯的或空芯的)、產(chǎn)生縱磁場的線圈、控制等離子體柱平衡位置的平衡場線圈和環(huán)形真空室組成。真空環(huán)為變壓器的次級線圈，變壓器原邊的電能，通過耦合引起真空環(huán)內(nèi)部感應(yīng)而產(chǎn)生等離子體環(huán)電流。等離子體被流過它的環(huán)形電流加熱，由環(huán)形電流產(chǎn)生的角向磁場包圍并約束等離子體。托卡馬克裝置工作的基本原理HT-7ASIPP托卡馬克是5托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP縱場線圈產(chǎn)生的平行于環(huán)電流的縱向磁場用于抑制等離子體的磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性。縱場強度要比角向磁場強度大許多倍，在正常情況下>>10，這是托卡馬克與其它環(huán)形裝置的主要區(qū)別，也是它的一個主要特點。磁場有螺旋形結(jié)構(gòu)每根磁力線構(gòu)成一個磁面，有一個r值，就有一個磁面托卡馬克裝置的磁面，是一個套著一個的具有磁剪切的圓環(huán)，沿等離子體圍繞一周時即閉合的那根磁力線稱為磁軸。

托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP縱場線圈產(chǎn)生的6托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP螺距大，旋轉(zhuǎn)變換角很小。在角向值不大時的情況下，磁面與子午面的交線，是以小環(huán)中心為圓心，r為半徑的一系列同心圓。而當(dāng)值相當(dāng)大時，磁面的形狀將發(fā)生顯著的改變，它們的中心會向外移動，移動值隨著圓的小半徑的減少而增加等離子體柱的磁軸相對于導(dǎo)電殼中心的位移最大。托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP螺距大，旋轉(zhuǎn)變7托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP8托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP在托卡馬克裝置的發(fā)展過程中，為了提高等高于體的溫度而仍保持其穩(wěn)定性條件，可以設(shè)法把圓截面的等離子體沿著大環(huán)主軸方向拉長成非圓截面(如橢圓、D型等)，這時其磁面的截面也相應(yīng)地成為非圓的截面。現(xiàn)代的實驗結(jié)果表明，該位形能產(chǎn)生高性能的等離子體，有助于高性能參數(shù)的獲得，加快了核聚變商業(yè)堆的研究步伐。

總之，托卡馬克磁場結(jié)構(gòu)的特點是：縱場強，角向場弱，合成的磁力線具有旋轉(zhuǎn)變換性質(zhì)，并且旋轉(zhuǎn)變換角很小：這意味著螺旋磁力線沿等離子體柱大大伸展。正是由于這個特點，使帶電粒子的漂移大大減少，并為等離子體柱克服磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性提供了條件。

托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP在托卡馬克裝置9等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7

ASIPP托卡馬克裝置中的磁場，是由縱向磁場和角向磁場疊加而成的環(huán)形螺旋磁場。這是一個不均勻的磁場，在環(huán)的外側(cè)磁場為極小，在環(huán)的內(nèi)邊緣磁場為極大。因為有磁場梯度存在，所以帶電粒子通旋中心的運動是由沿磁力線的運動和磁漂移兩部分合成的。一類是“通行粒子”或“自由粒子”，這種粒子的速度向量與螺旋磁場之間的夾角足夠小，能夠通過強磁場而不被反射回來另一種是“捕獲粒子”或“約束粒子”，這種粒子的速度向量與磁場之間的夾角比較大，不能通過強磁場區(qū)，只能沿著磁力線在兩個強磁場區(qū)構(gòu)成的局部磁鏡之間來回運動：因其軌道象香蕉，所以也叫做“香蕉粒子”。

等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7ASIPP托卡馬10等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7

ASIPP應(yīng)該注意，如果有了磁場誤差或其它的非軸對稱磁場，則磁力線在多次繞環(huán)以后，它們常常和器壁相交，粒子也就約束不住。在托卡馬克裝置中一個無法避免的缺陷是裝置只能使用有限個縱場線圈，引起縱向磁場的起伏，這就會沿磁力線產(chǎn)生非常淺的局部磁鏡，它們能夠捕獲一小部分等離子體粒子：這種粒子既不圍繞環(huán)的小截面畫圓圈，也不相對于赤道平面對稱地被捕獲，它們將漂移出系統(tǒng)：除了這些磁捕獲效應(yīng)以外，一個電場本身或者和磁場一起也能引起粒子捕獲，使粒子回旋中心軌道發(fā)生很大的變化：為了減小磁場誤差，一般需要細致的進行縱場線圈的設(shè)計。等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7ASIPP應(yīng)該注11等離子體(GradShafranvo)平衡方程HT-7

ASIPP對于托卡馬克平衡而言，它有兩個基本的出發(fā)點：(1)磁壓和內(nèi)部的等離子體壓力是平衡的。(2)由外部線圈的電流決定了等離子體的位置、形狀和電流大小。

等離子體(GradShafranvo)平衡方程HT-712等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7

ASIPP由于托卡馬克中等離子體的質(zhì)量是非常小的，一般僅10-4克/m3，依電動力學(xué)的一般規(guī)律，等離子體向受有向外擴張的力，其受力是很大的，一般為10噸/m3，在托卡馬克裝置中依靠角向磁場和縱向磁場的磁壓力加以平衡，這些磁場產(chǎn)生無限的嵌套的磁面，其磁力線則沿螺旋線圍繞著此環(huán)：等離子體的聲速一般為105～106m/s，因此在沿磁力線方向很快地便可達到壓力平衡。各個不同的磁面上的磁力線是不同的，就是由于此剪切，才使等離子體能很好地平衡。磁面上扭曲的磁力線一般用安全因子q描述，此剪切是由徑向的q值確定。具有回轉(zhuǎn)變換的環(huán)形螺旋磁場，對于單個帶電離子來說，是個很好的約束。但是，這種磁場系統(tǒng)對于保持等離子體柱的宏觀平衡態(tài)還是不夠的。這是因為載流的環(huán)形等離子體柱有向外擴張的趨勢，如不設(shè)法加以平衡，等離子體就會碰到器壁。等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7ASIPP由于托13等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7

ASIPP確定環(huán)形等離子體柱平衡條件的基本宏觀方程是壓力平衡方程和描述等離子體柱大半徑變化的方程。這些方程的形式依賴于柱截面的形狀，以及電流和等離子體壓力在桂截面上分布的形狀。

等離子體壓力與磁壓力平衡的分析

(1)由等離子體壓強起的擴張力(2)縱場磁力線張力引起的合力

(3)圓環(huán)等離子體柱表面上的縱場磁壓強引起的沿大半徑方向的合力

(4)環(huán)形等離子體電流引起的擴張電動力

等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7ASIPP確定環(huán)14等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7

ASIPP使等離子體柱不向外擴張而達到平衡所采用的措施，一般有下列幾種：

(1)用外部導(dǎo)體產(chǎn)生一個使等離子體柱保持平衡的垂直場(也稱平衡場)(2)用理想導(dǎo)電殼保持等離子體柱的平衡(3)用變壓器鐵芯保持等離子體柱的平衡在實際的托卡馬克裝置上，往往是幾種平衡措施同時采用：要對所有影響等離子體柱平衡的因素同時進行估量，是非常困難復(fù)雜的。等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7ASIPP使等離15等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP對托卡馬克平衡的等離子體而言，其基本的條件是在等離子體區(qū)域內(nèi)，所有位置上的等離子體受力均為0，這個就要求磁場力與等離子體壓力平衡。

(1)沿著磁力線無等離子體壓力梯度。(2)在同一磁面上等離子體壓力均相同。(3)等離子體電流密度線也位于同一磁面上。等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP對托卡馬克平衡的等離16等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP為了研究托卡馬克的平衡問題，引入角向磁通函數(shù)是非常必要的，它與位于每一磁面上的角向磁通量成正比例，并且在每一磁面上均為常數(shù)，此函數(shù)必須滿足：這就清楚地向我們表明：(1)沿著磁力線無等離子體壓力梯度。(2)在同一磁面上等離子體壓力均相同。(3)等離子體電流密度線也位于同一磁面上。等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP為了研究托卡馬克的平17等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP18等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP19等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP20GradShafranov平衡方程HT-7

ASIPPGradShafranov平衡方程HT-7ASIPP21GradShafranov平衡方程HT-7

ASIPPGradShafranov平衡方程HT-7ASIPP22GradShafranov平衡方程HT-7

ASIPPGradShafranov平衡方程HT-7ASIPP23上海激光電子伽瑪源裝置

ShanghaiLaser-ElectronGammaSource（SLEGS）預(yù)制研究上海激光電子伽瑪源裝置

ShanghaiLaser-Ele24Outline引言世界上現(xiàn)有g(shù)束線站的簡介SLEGS低能(MeV)g光束線站初步設(shè)計核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用SLEGS項目預(yù)制研究實施計劃總結(jié)Outline引言25I、引言中科院上海應(yīng)用物理研究所準(zhǔn)備在國內(nèi)提出并推動下述計劃，希望上級部門能予以大力支持，同時希望國內(nèi)同行能共同參與這個工作。目標(biāo)是建設(shè)“上海激光電子伽馬源”（SLEGS），利用上海光源(SSRF)的3.5GeV電子束，用遠紅外激光與電子束進行Compton反散射，得到1-25MeV準(zhǔn)單色極化g束，開展低能極化核物理、核天體物理和強g源的應(yīng)用研究。該項工作將擴展上海同步輻射裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，把核技術(shù)和核分析手段引入同步輻射裝置的應(yīng)用中；同時為國內(nèi)開創(chuàng)了光核物理研究新領(lǐng)域，提供了一個極為難得的實驗平臺；也為研究激光與電子相互作用機制作了技術(shù)儲備。I、引言26三類光源：康普頓背散射、韌致輻射、束發(fā)射

低能極化或非極化射線束一直是研究核天體物理、原子核物理及相關(guān)領(lǐng)域強有力的探針之一，具有以下優(yōu)點：1）電磁相互作用形式是已知的，能作微擾處理；2）電磁耦合作用是小的(=1/137)，使虛光子或?qū)嵐庾涌梢源┩负耍剿鲀?nèi)部硬的核心。國外新一代電子加速器和同步輻射光源已可提供極化準(zhǔn)單色光子束，推動了光子在自由和束縛核子上的散射和反應(yīng)的實驗研究。康普頓背散射（BCS）方法有幾個優(yōu)點：采用BCS方法的低能光子造成的本底要比韌致輻射小得多；BCS方法最顯著的特點是通過調(diào)節(jié)激光極化度可以得到幾乎100%線或圓極化度的光子，因此以光子極化度作為一個實驗可觀察量來開展相關(guān)實驗研究有其優(yōu)越性。而且，在不改變實驗條件的情況下，改變激光束的極化可以很便捷地改變BCS的極化方向。準(zhǔn)單色，可以開展精確的核結(jié)構(gòu)測量，如核共振熒光激發(fā)等；三類光源：康普頓背散射、韌致輻射、束發(fā)射低能極化或非極化27II、世界上現(xiàn)有g(shù)束線站的簡介高能g光束線II、世界上現(xiàn)有g(shù)束線站的簡介高能g光束線28

Spring-8ResultM=1.540.01GeVG<25MeVGaussiansignificance4.6sQ+Q++C(n/p)K-K+(n/p)Cuts: nofK+K- norecoilp(gnonly) MissingmassfornPRL91,012002(2003);SCIcitation:177Spring-8ResultM=1.529M=155510MeV<26MeV7.8sCLAS/JLABResultsPhys.Rev.Lett.91,(2003)252001M=15425MeV<21MeV5.2sg(2-3GeV)d→pK+K-

ng(3-5.47GeV)+p→nK+K-p+Phys.Rev.Lett.92,(2004)032001M=155510MeVCLAS/JLABResul30低能g光束線日本ETL(電子技術(shù)實驗室):1-20MeV,能量分辨1-4%，強度104-105s-1的射線束美國Duke大學(xué)：自由電子激光實驗室(DFELL)建造了一個核物理裝置HIGS(高強度伽瑪源)。5.0-200MeV、準(zhǔn)單色的、100%線極化的高強度g射線束．日本大阪大學(xué):計劃在Spring-8上利用遠紅外激光產(chǎn)生MeV量級射線束(5-35MeV)籌建的SLEGS裝置：(1-25MeV).由于g射線的能量強烈地依賴電子能量，因此SLEGS在獲得低能方面有其獨到優(yōu)點，比Spring-8更易利用準(zhǔn)直法獲得準(zhǔn)單色的低能MeV量級射線束。強度高于ETL.低能g光束線31III、SLEGS低能(MeV)g光束線站初步結(jié)構(gòu)III、SLEGS低能(MeV)g光束線站初步結(jié)構(gòu)32正在建設(shè)中的上海光源(SSRF)具有低發(fā)射度、小束團尺寸、高流強和低色散度等特點。它由20個DBA標(biāo)準(zhǔn)單元組成，全環(huán)為鏡象對稱的10超周期結(jié)構(gòu)。電子束能量為3.5GeV，僅次于日本Spring8、美國APS和歐共體ESRF。SSRF的幾個主要設(shè)計參數(shù)如下表。運行能量GeV3.5環(huán)周長m396自然水平發(fā)射度ex0nmrad11.8束流流強：多束團（單束團）mA200300單元數(shù)目20直線節(jié)：長度數(shù)目m7.24105.010自然能量發(fā)散度9.2310-4自然束團長度(rms)smm4.5933正在建設(shè)中的上海光源(SSRF)具有低發(fā)射度、小束團尺寸、高二、SLESG工作原理產(chǎn)生BCS伽馬光子SLEGS裝置的結(jié)構(gòu)草圖二、SLESG工作原理產(chǎn)生BCS伽馬光子SLEGS裝置的結(jié)34用幾百瓦的高功率CO2激光器作為光泵的分子氣體激光器，可以得到波長為幾百mm、輸出功率為幾瓦的遠紅外激光。激光類型激光(平均輸出功率2-5W)g射線性質(zhì)波長(mm)能量(eV)最大能量(MeV)強度(s-1)CO2分子氣體激光器10.60.11721.9108－101065.10.01903.581000.01242.332200.00561.06注：假定激光與電子束在DBA標(biāo)準(zhǔn)單元的色散區(qū)直線節(jié)內(nèi)最佳幾何交叉條件下進行對撞，電子束流強為200mA，在作用區(qū)中心位置sx和sy均為0.1mm，激光腰的半徑為0.5mm，平均輸出功率2W。儲存環(huán)動力學(xué)孔徑為1%，即產(chǎn)生能量小于35MeV的g光子時，不引起電子束電子損失，即可寄生運行。IV、產(chǎn)生低能光束線的性質(zhì)用幾百瓦的高功率CO2激光器作為光泵的分子氣體激光器，可以得35SLEGS低能BCS光子束主要特點：強度和極化度高，單色性和方向性好，另外它還有ns脈沖時間結(jié)構(gòu)，它提供了可用來開展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的高品質(zhì)g射線束。1)

由于光子能量與散射角之間有確定的對應(yīng)關(guān)系，可用準(zhǔn)直器得到準(zhǔn)單色的g射線。2)g射線在單位能量單位時間的強度~107MeV-1s-13)光束有良好方向性，發(fā)散角約0.15mrad。4)能量大于3/4最大能量的光子，其極化度在85%以上。SLEGS低能BCS光子束主要特點：36低能光束線在核物理、核天體物理等領(lǐng)域的應(yīng)用1)

MeV量級的極化束在核物理中的應(yīng)用l

光核反應(yīng)截面的精確測量l

利用核共振熒光(NRF)進行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量l

高同位旋核的結(jié)構(gòu)研究，如系統(tǒng)性的核的巨共振研究2)

在核天體物理中的應(yīng)用l

進行天體演化中某些基本核反應(yīng)的庫侖俘獲截面的精確測量3)

相關(guān)應(yīng)用研究l

癌癥腫瘤治療、照相成像、活化分析、正電子束產(chǎn)生4)

儲存環(huán)束流的在線監(jiān)測(能量,發(fā)散度,極化度)低能光束線在核物理、核天體物理等領(lǐng)域的應(yīng)用37V、在核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用1、采用庫侖離解方法研究輻射俘獲反應(yīng)：

某些核反應(yīng)截面的知識是解釋大爆炸、恒星演化或超新星爆炸的關(guān)鍵，人們需要在相應(yīng)于天體物理溫度（即非常低碰撞能時，恒星內(nèi)部核燃燒溫度在107~0.5×109K內(nèi)，對應(yīng)的熱運動能量僅為1~450KeV）的截面。 由于庫侖位壘抑制了感興趣的反應(yīng)截面，進行這樣碰撞能非常低、截面非常小的實驗測量通常非常困難。 迄今為止，天體物理（特別恒星內(nèi)部核燃燒）所采用的核反應(yīng)截面幾乎都是由高能范圍（E>1~10MeV或更高）核反應(yīng)實驗曲線向低能范圍外推而求得的。由于許多原子核的低激發(fā)共振能級尚未知曉，這種外推結(jié)果往往不可靠。

例如：由于1982~1984年間實驗發(fā)現(xiàn)16O的兩個閾下共振能級以及某些能態(tài)間的相干作用，使得對大質(zhì)量恒星演化極為關(guān)鍵的核反應(yīng)12C+a→16O+g的截面值發(fā)生了幾倍的變化（可能3~5倍），但至今仍未定論。V、在核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用1、采用庫侖離解方法研究38 利用庫侖離解方法可以實現(xiàn)這一測量：天體中感興趣的反應(yīng)過程為b+c→a+g，利用測量時間反演反應(yīng)a+g→b+c+Q來代替直接測量。 利用細致平衡原理，可獲得天體物理中感興趣的恒星溫度時反應(yīng)截面和反應(yīng)率，同時具有較大反應(yīng)截面和分解（breakup）運動學(xué)靈活性的優(yōu)點。庫侖離解方法圖解： 利用庫侖離解方法可以實現(xiàn)這一測量：天體中感興39 舉出幾個感興趣的輻射俘獲反應(yīng):從14N到Mg輕核a俘獲反應(yīng)的研究直接相關(guān)大質(zhì)量的氦燃燒核中的弱s過程分量中g(shù)的產(chǎn)生。如在恒星溫度時對18O(a,g)22Ne、22Ne(a,g)26Mg低能反應(yīng)的精確測量對研究在恒星氦燃燒條件時中子通量非常重要。15N(a,g)19F和19F(p,g)20Ne反應(yīng)研究：質(zhì)量1~8M0恒星的后階段各種氫、氦和碳燃燒帶中核合成中，觀察到19F豐度由來仍是未知。一種可能是在AGB星中氦燃燒殼的熱脈沖中通過18O(p,a)15N(a,g)19F反應(yīng)合成，上述實驗對研究19F在熱脈沖產(chǎn)生和消耗預(yù)言提供有用數(shù)據(jù)。4He(an,g)9Be反應(yīng)是天體物理中一個關(guān)鍵過程，除可進行9Be直接光子分解研究，9Be上述庫侖離解實驗也是值得做的。因為實驗室中不能以直接方式獲得雙中子俘獲反應(yīng)情況，考慮用庫侖離解率來研究(n,g)和(2n,g)俘獲反應(yīng)也很有意思。要了解恒星中氦燃燒過程和碳氧比，必須得到相應(yīng)能量(300KeV)的12C(a,g)16O反應(yīng)數(shù)據(jù)。此能量截面估計值約10-8nb，實驗室無法測量。實驗上已獲得最低能量為1.2MeV的截面值，必須通過外推到300KeV，外推主要誤差來自a粒子能量在1MeV附近許多共振對截面的貢獻。為解決這個問題可采用~8.3MeVBCS極化g束，產(chǎn)生1MeVa粒子，通過逆反應(yīng)進行研究。

舉出幾個感興趣的輻射俘獲反應(yīng):40

B2FH理論描述p過程核的形成有兩個可能機制：在熱豐質(zhì)子環(huán)境中質(zhì)子俘獲或熱環(huán)境中光子誘發(fā)的r-過程中的光致蛻變。r-過程典型參數(shù)是溫度2≤T9≤3。Ⅱ類超新星的富氧和富氖層似乎是發(fā)生r-過程一個好的地點，但沒有定論，由于缺少在天體物理能量處r-誘發(fā)反應(yīng)的截面和反應(yīng)率實驗數(shù)據(jù)。目前除一些p過程核(n)數(shù)據(jù)和Zr及Mo少量(p,g)反應(yīng)率外，幾乎沒有實驗數(shù)據(jù)。70Ge和144Sm僅有兩個(a,g)值，而且144Sm(a,g)發(fā)現(xiàn)與過去計算明顯不符。首先應(yīng)在穩(wěn)定同位素上進行新的測量，優(yōu)先在靠近中子和質(zhì)子幻數(shù)核上，因為在那里應(yīng)用統(tǒng)計模型通常特別困難。為達到這個目的，g射線活化技術(shù)證明是在合理時間和開支下，收集大量數(shù)據(jù)的有效工具，更簡單、靈敏度更高。2、低能光核反應(yīng)截面的直接測量(g,n)、(g,p)和(g,a)：2、低能光核反應(yīng)截面的直接測量(g,n)、(g,p)和(g41利用核共振熒光(NRF)進行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量通過極化的低能準(zhǔn)單色射線，還可以研究核激發(fā)態(tài)的宇稱測量。DUKE大學(xué)用5－6MeV的高強度極化的低能準(zhǔn)單色射線，能用很短的束流時間確定激發(fā)態(tài)的宇稱。Phys.Rev.Lett.88,12502(2001);Phys.Rev.Lett.78,4569(1997);利用核共振熒光(NRF)進行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量通42高同位旋(N/Z)核的結(jié)構(gòu)研究高同位旋的物理是當(dāng)今核物理發(fā)展的一個主要方向。如中子暈的發(fā)現(xiàn)。另外，發(fā)現(xiàn)了中子皮與核芯的矮共振。可以用低能準(zhǔn)單色射線來系統(tǒng)研究不同同位旋核的矮共振的系統(tǒng)學(xué)。Phys.Rev.Lett.93,192501(2004);Phys.Rev.Lett.89,272502(2002);Phys.Rev.Lett.85,274(2000)奇異核的反應(yīng)總截面比相鄰核素有很大增強。碎片橫向動量分布非常小。高同位旋(N/Z)核的結(jié)構(gòu)研究高同位旋的物理是當(dāng)今核物理發(fā)展43例：巨共振區(qū)中18O光子吸收截面中精細結(jié)構(gòu)高分辨測量(利用ETL的LCP束)例：巨共振區(qū)中18O光子吸收截面中精細結(jié)構(gòu)高分辨測量44VI、SLEGS項目預(yù)制研究計劃1、開展上海激光電子伽瑪源（SLEGS）的預(yù)制研究，完成在上海光源大科學(xué)裝置上建立低能MeV量級g束線站的物理設(shè)計報告2、完成SLEGS所需的分子氣體激光器、激光反饋控制系統(tǒng)、g射線探測系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的研制工作3、與大阪大學(xué)合作，參與在Spring-8上完成低能g束線的建設(shè)，并首先開展核天體物理中兩個重要的輻射俘獲反應(yīng)的實驗測量，為將來在SLEGS上開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究做前期的科學(xué)研究準(zhǔn)備4、在束線站未立項之前可開展遠紅外激光從前端區(qū)入射到相互作用點的傳輸、聚焦以及光子產(chǎn)生率、剖面等的理論研究，同時對利用極化g束線發(fā)展的實驗方法，如快—慢正電子、極化正電子源等可進一步探討。VI、SLEGS項目預(yù)制研究計劃1、開展上海激光電子伽瑪源（45托卡馬克裝置資料課件46關(guān)鍵部件的研制遠紅外專用激光器的研制：采用高功率CO2混合氣體激光器作為光泵，驅(qū)動各種介質(zhì)的氣體分子激光器，可以得到波長范圍在幾十～幾百mm之間的遠紅外激光。

要解決的關(guān)鍵問題：研制氣流式的CO2混合氣體激光器，通過試驗找到最合適的混合氣體組成，能夠同時產(chǎn)生多個遠紅外激光波長。實際建立光束站所需要的分子氣體激光器功率很高，現(xiàn)有經(jīng)費不足于建立此系統(tǒng)。因此我們計劃首先研制功率相對較低的分子氣體激光器，選定混合氣體的比分，并調(diào)試該波長激光的聚焦和引入的光學(xué)系統(tǒng)。同時建立遠紅外激光測試系統(tǒng)，監(jiān)測分子氣體激光器產(chǎn)生的激光波長。

關(guān)鍵部件的研制遠紅外專用激光器的研制：采用高功率CO2混合氣47激光引入相互作用區(qū)和反饋監(jiān)測系統(tǒng)的研制：因為遠紅外激光的波長很長，聚焦情況的好壞和穩(wěn)定性對產(chǎn)生光束的通量影響很大。為此激光同電子相互作用以后，由激光監(jiān)測系統(tǒng)收集，通過系統(tǒng)的反饋對聚焦情況進行調(diào)節(jié)，以得到最優(yōu)化的光能譜。完成以上研制以后，在條件許可下，我們計劃嘗試在應(yīng)用物理所已建成的100MeV直線電子加速器上，進行初步的系統(tǒng)性測試。將相對功率較低的遠紅外激光引入同相對論電子相互作用，測量產(chǎn)生光的能譜和空間分布。重點在于優(yōu)化激光引入相互作用區(qū)的光路圖、激光的聚焦和調(diào)焦、激光電子相互作用點的調(diào)節(jié)。通過調(diào)試摸索一些經(jīng)驗應(yīng)用于將來的低能光束線站的研制。激光引入相互作用區(qū)和反饋監(jiān)測系統(tǒng)的研制：因為遠紅外激光的波長48具體的經(jīng)費安排：CO2混合氣體激光器光泵＋分子氣體激光器 30＋30萬兩個激光器所需要的氣體及氣路控制系統(tǒng) 10萬激光引入和聚焦的光路系統(tǒng)（包括金剛石窗等）20萬激光反饋控制系統(tǒng) 20萬束流位置監(jiān)測系統(tǒng)、能譜儀（包括信號引出）30萬電子學(xué)插件 20萬測量光能譜的多道（8192）數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)15萬光引出的束流管道、真空系統(tǒng)及支架、準(zhǔn)直器10萬激光實驗室建設(shè)，探測器實驗室建設(shè) 20萬參與國外合作研究的人員差旅費和部分材料費40萬科研業(yè)務(wù)費 10萬勞務(wù)費、科研管理費 45萬總計：300萬元具體的經(jīng)費安排：CO2混合氣體激光器光泵＋分子氣體激光器 349進度安排05年:參與Spring－8的光束線建設(shè)，完成一項實驗,激光器的準(zhǔn)備，開始物理設(shè)計報告06年:整套SLEGS系統(tǒng)的研制，完成另一項實驗Spring－8的實驗，細化物理設(shè)計報告，并提出申請07年:爭取在100MeV直線電子加速器上產(chǎn)生伽馬光的試驗，積累優(yōu)化極化伽馬光的調(diào)試的經(jīng)驗。進度安排05年:參與Spring－8的光束線建設(shè)，完成一項50 VIII、總結(jié)：產(chǎn)生方式:激光光子和高能電子發(fā)生康普敦背散射電子束特性:3.5GeV,200mA激光系統(tǒng):遠紅外激光低能g光子束性質(zhì):

1~25MeV,107-108s-1,100%線或圓極化,準(zhǔn)單色g-ray科學(xué)目標(biāo):核物理、核天體物理及相關(guān)應(yīng)用研究 VIII、總結(jié)：51Thanks!SLEGSExperimentalCollaborationY.G.Ma,X.Z.Cai,W.Q.Shen,W.Guo,J.H.Gu,D.Q.Fang,C.Zhong,W.D.Tian,J.G.Chen,Y.B.Wei,ShanghaiINstituteofAppliedPhysics,CASThanks!SLEGSExperimentalCol52托卡馬克裝置資料課件53Spring-8上低能g束線站建設(shè)取得的一些結(jié)果：遠紅外激光系統(tǒng)Spring-8上低能g束線站建設(shè)取得的一些結(jié)果：遠紅外激光54遠紅外激光的特性遠紅外激光的特性55遠紅外激光的傳輸系統(tǒng)遠紅外激光的傳輸系統(tǒng)56MeV-g光束線的產(chǎn)生率MeV-g光束線的產(chǎn)生率57遠紅外激光的穩(wěn)定性遠紅外激光的穩(wěn)定性58托卡馬克裝置等離子體

平衡和控制

HT-7

ASIPPInstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences托卡馬克裝置等離子體

平衡和控制HT-7ASIPP59托卡馬克裝置等離子體平衡和控制

HT-7

ASIPP托卡馬克裝置的發(fā)展歷史托卡馬克裝置工作的基本原理等離子體(GradShafranvo)平衡方程

非圓截面等離子體平衡反演技術(shù)托卡馬克裝置等離子體電磁測量概述HT-7等離子體平衡和控制EAST等離子體電流、X點位置和位形控制

托卡馬克裝置等離子體平衡和控制HT-7ASIPP托卡馬60托卡馬克裝置的發(fā)展歷史HT-7

ASIPP托卡馬克是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)形放電裝置。在環(huán)形系統(tǒng)中，它的結(jié)構(gòu)最簡單，但是在其上所獲得的等離子體參數(shù)卻是到目前為止最好的，而且有可能最先建成熱核聚變反應(yīng)堆。所謂托卡馬克，是指具有強磁場低“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)環(huán)形受控?zé)岷藢嶒炑b置，是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所的阿爾齊莫雄奇等首先提出來的。托卡馬克的發(fā)展大致可以分為下列幾個階段：早期環(huán)形放電實驗時期(1958年以前)

托卡馬克概念形成時期(1958-1963年)

擴大實驗階段(1974年開始)

沖擊點火條件階段(1979年開始)

深入等離子體研究和點火條件模擬實驗階段(1982年目前)

托卡馬克裝置的發(fā)展歷史HT-7ASIPP托卡馬克是一種準(zhǔn)61托卡馬克裝置工作的基本原理HT-7

ASIPPa:等離子體b:平衡場線圈c:真空室d:縱場線圈e:鐵芯變壓器托卡馬克裝置工作的基本原理HT-7ASIPPa:等離子體62托卡馬克裝置工作的基本原理

HT-7

ASIPP托卡馬克是一種軸對稱的環(huán)形系統(tǒng)，就產(chǎn)生準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)高溫等離子體裝置的幾何觀點來看，它是閉合磁約束系統(tǒng)中最簡單的系統(tǒng)。典型的托卡馬克裝置如圖所示。它主要由激發(fā)等離子體電流的變壓器(鐵芯的或空芯的)、產(chǎn)生縱磁場的線圈、控制等離子體柱平衡位置的平衡場線圈和環(huán)形真空室組成。真空環(huán)為變壓器的次級線圈，變壓器原邊的電能，通過耦合引起真空環(huán)內(nèi)部感應(yīng)而產(chǎn)生等離子體環(huán)電流。等離子體被流過它的環(huán)形電流加熱，由環(huán)形電流產(chǎn)生的角向磁場包圍并約束等離子體。托卡馬克裝置工作的基本原理HT-7ASIPP托卡馬克是63托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP縱場線圈產(chǎn)生的平行于環(huán)電流的縱向磁場用于抑制等離子體的磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性?？v場強度要比角向磁場強度大許多倍，在正常情況下>>10，這是托卡馬克與其它環(huán)形裝置的主要區(qū)別，也是它的一個主要特點。磁場有螺旋形結(jié)構(gòu)每根磁力線構(gòu)成一個磁面，有一個r值，就有一個磁面托卡馬克裝置的磁面，是一個套著一個的具有磁剪切的圓環(huán)，沿等離子體圍繞一周時即閉合的那根磁力線稱為磁軸。

托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP縱場線圈產(chǎn)生的64托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP螺距大，旋轉(zhuǎn)變換角很小。在角向值不大時的情況下，磁面與子午面的交線，是以小環(huán)中心為圓心，r為半徑的一系列同心圓。而當(dāng)值相當(dāng)大時，磁面的形狀將發(fā)生顯著的改變，它們的中心會向外移動，移動值隨著圓的小半徑的減少而增加等離子體柱的磁軸相對于導(dǎo)電殼中心的位移最大。托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP螺距大，旋轉(zhuǎn)變65托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP66托卡馬克裝置的磁場形態(tài)

HT-7

ASIPP在托卡馬克裝置的發(fā)展過程中，為了提高等高于體的溫度而仍保持其穩(wěn)定性條件，可以設(shè)法把圓截面的等離子體沿著大環(huán)主軸方向拉長成非圓截面(如橢圓、D型等)，這時其磁面的截面也相應(yīng)地成為非圓的截面?，F(xiàn)代的實驗結(jié)果表明，該位形能產(chǎn)生高性能的等離子體，有助于高性能參數(shù)的獲得，加快了核聚變商業(yè)堆的研究步伐。

總之，托卡馬克磁場結(jié)構(gòu)的特點是：縱場強，角向場弱，合成的磁力線具有旋轉(zhuǎn)變換性質(zhì)，并且旋轉(zhuǎn)變換角很小：這意味著螺旋磁力線沿等離子體柱大大伸展。正是由于這個特點，使帶電粒子的漂移大大減少，并為等離子體柱克服磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性提供了條件。

托卡馬克裝置的磁場形態(tài)HT-7ASIPP在托卡馬克裝置67等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7

ASIPP托卡馬克裝置中的磁場，是由縱向磁場和角向磁場疊加而成的環(huán)形螺旋磁場。這是一個不均勻的磁場，在環(huán)的外側(cè)磁場為極小，在環(huán)的內(nèi)邊緣磁場為極大。因為有磁場梯度存在，所以帶電粒子通旋中心的運動是由沿磁力線的運動和磁漂移兩部分合成的。一類是“通行粒子”或“自由粒子”，這種粒子的速度向量與螺旋磁場之間的夾角足夠小，能夠通過強磁場而不被反射回來另一種是“捕獲粒子”或“約束粒子”，這種粒子的速度向量與磁場之間的夾角比較大，不能通過強磁場區(qū)，只能沿著磁力線在兩個強磁場區(qū)構(gòu)成的局部磁鏡之間來回運動：因其軌道象香蕉，所以也叫做“香蕉粒子”。

等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7ASIPP托卡馬68等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7

ASIPP應(yīng)該注意，如果有了磁場誤差或其它的非軸對稱磁場，則磁力線在多次繞環(huán)以后，它們常常和器壁相交，粒子也就約束不住。在托卡馬克裝置中一個無法避免的缺陷是裝置只能使用有限個縱場線圈，引起縱向磁場的起伏，這就會沿磁力線產(chǎn)生非常淺的局部磁鏡，它們能夠捕獲一小部分等離子體粒子：這種粒子既不圍繞環(huán)的小截面畫圓圈，也不相對于赤道平面對稱地被捕獲，它們將漂移出系統(tǒng)：除了這些磁捕獲效應(yīng)以外，一個電場本身或者和磁場一起也能引起粒子捕獲，使粒子回旋中心軌道發(fā)生很大的變化：為了減小磁場誤差，一般需要細致的進行縱場線圈的設(shè)計。等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的約束HT-7ASIPP應(yīng)該注69等離子體(GradShafranvo)平衡方程HT-7

ASIPP對于托卡馬克平衡而言，它有兩個基本的出發(fā)點：(1)磁壓和內(nèi)部的等離子體壓力是平衡的。(2)由外部線圈的電流決定了等離子體的位置、形狀和電流大小。

等離子體(GradShafranvo)平衡方程HT-770等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7

ASIPP由于托卡馬克中等離子體的質(zhì)量是非常小的，一般僅10-4克/m3，依電動力學(xué)的一般規(guī)律，等離子體向受有向外擴張的力，其受力是很大的，一般為10噸/m3，在托卡馬克裝置中依靠角向磁場和縱向磁場的磁壓力加以平衡，這些磁場產(chǎn)生無限的嵌套的磁面，其磁力線則沿螺旋線圍繞著此環(huán)：等離子體的聲速一般為105～106m/s，因此在沿磁力線方向很快地便可達到壓力平衡。各個不同的磁面上的磁力線是不同的，就是由于此剪切，才使等離子體能很好地平衡。磁面上扭曲的磁力線一般用安全因子q描述，此剪切是由徑向的q值確定。具有回轉(zhuǎn)變換的環(huán)形螺旋磁場，對于單個帶電離子來說，是個很好的約束。但是，這種磁場系統(tǒng)對于保持等離子體柱的宏觀平衡態(tài)還是不夠的。這是因為載流的環(huán)形等離子體柱有向外擴張的趨勢，如不設(shè)法加以平衡，等離子體就會碰到器壁。等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7ASIPP由于托71等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7

ASIPP確定環(huán)形等離子體柱平衡條件的基本宏觀方程是壓力平衡方程和描述等離子體柱大半徑變化的方程。這些方程的形式依賴于柱截面的形狀，以及電流和等離子體壓力在桂截面上分布的形狀。

等離子體壓力與磁壓力平衡的分析

(1)由等離子體壓強起的擴張力(2)縱場磁力線張力引起的合力

(3)圓環(huán)等離子體柱表面上的縱場磁壓強引起的沿大半徑方向的合力

(4)環(huán)形等離子體電流引起的擴張電動力

等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7ASIPP確定環(huán)72等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7

ASIPP使等離子體柱不向外擴張而達到平衡所采用的措施，一般有下列幾種：

(1)用外部導(dǎo)體產(chǎn)生一個使等離子體柱保持平衡的垂直場(也稱平衡場)(2)用理想導(dǎo)電殼保持等離子體柱的平衡(3)用變壓器鐵芯保持等離子體柱的平衡在實際的托卡馬克裝置上，往往是幾種平衡措施同時采用：要對所有影響等離子體柱平衡的因素同時進行估量，是非常困難復(fù)雜的。等離子體在環(huán)形螺旋磁場中的平衡HT-7ASIPP使等離73等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP對托卡馬克平衡的等離子體而言，其基本的條件是在等離子體區(qū)域內(nèi)，所有位置上的等離子體受力均為0，這個就要求磁場力與等離子體壓力平衡。

(1)沿著磁力線無等離子體壓力梯度。(2)在同一磁面上等離子體壓力均相同。(3)等離子體電流密度線也位于同一磁面上。等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP對托卡馬克平衡的等離74等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP為了研究托卡馬克的平衡問題，引入角向磁通函數(shù)是非常必要的，它與位于每一磁面上的角向磁通量成正比例，并且在每一磁面上均為常數(shù)，此函數(shù)必須滿足：這就清楚地向我們表明：(1)沿著磁力線無等離子體壓力梯度。(2)在同一磁面上等離子體壓力均相同。(3)等離子體電流密度線也位于同一磁面上。等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP為了研究托卡馬克的平75等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP76等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP77等離子體磁通函數(shù)HT-7

ASIPP等離子體磁通函數(shù)HT-7ASIPP78GradShafranov平衡方程HT-7

ASIPPGradShafranov平衡方程HT-7ASIPP79GradShafranov平衡方程HT-7

ASIPPGradShafranov平衡方程HT-7ASIPP80GradShafranov平衡方程HT-7

ASIPPGradShafranov平衡方程HT-7ASIPP81上海激光電子伽瑪源裝置

ShanghaiLaser-ElectronGammaSource（SLEGS）預(yù)制研究上海激光電子伽瑪源裝置

ShanghaiLaser-Ele82Outline引言世界上現(xiàn)有g(shù)束線站的簡介SLEGS低能(MeV)g光束線站初步設(shè)計核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用SLEGS項目預(yù)制研究實施計劃總結(jié)Outline引言83I、引言中科院上海應(yīng)用物理研究所準(zhǔn)備在國內(nèi)提出并推動下述計劃，希望上級部門能予以大力支持，同時希望國內(nèi)同行能共同參與這個工作。目標(biāo)是建設(shè)“上海激光電子伽馬源”（SLEGS），利用上海光源(SSRF)的3.5GeV電子束，用遠紅外激光與電子束進行Compton反散射，得到1-25MeV準(zhǔn)單色極化g束，開展低能極化核物理、核天體物理和強g源的應(yīng)用研究。該項工作將擴展上海同步輻射裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，把核技術(shù)和核分析手段引入同步輻射裝置的應(yīng)用中；同時為國內(nèi)開創(chuàng)了光核物理研究新領(lǐng)域，提供了一個極為難得的實驗平臺；也為研究激光與電子相互作用機制作了技術(shù)儲備。I、引言84三類光源：康普頓背散射、韌致輻射、束發(fā)射

低能極化或非極化射線束一直是研究核天體物理、原子核物理及相關(guān)領(lǐng)域強有力的探針之一，具有以下優(yōu)點：1）電磁相互作用形式是已知的，能作微擾處理；2）電磁耦合作用是小的(=1/137)，使虛光子或?qū)嵐庾涌梢源┩负耍剿鲀?nèi)部硬的核心。國外新一代電子加速器和同步輻射光源已可提供極化準(zhǔn)單色光子束，推動了光子在自由和束縛核子上的散射和反應(yīng)的實驗研究?？灯疹D背散射（BCS）方法有幾個優(yōu)點：采用BCS方法的低能光子造成的本底要比韌致輻射小得多；BCS方法最顯著的特點是通過調(diào)節(jié)激光極化度可以得到幾乎100%線或圓極化度的光子，因此以光子極化度作為一個實驗可觀察量來開展相關(guān)實驗研究有其優(yōu)越性。而且，在不改變實驗條件的情況下，改變激光束的極化可以很便捷地改變BCS的極化方向。準(zhǔn)單色，可以開展精確的核結(jié)構(gòu)測量，如核共振熒光激發(fā)等；三類光源：康普頓背散射、韌致輻射、束發(fā)射低能極化或非極化85II、世界上現(xiàn)有g(shù)束線站的簡介高能g光束線II、世界上現(xiàn)有g(shù)束線站的簡介高能g光束線86

Spring-8ResultM=1.540.01GeVG<25MeVGaussiansignificance4.6sQ+Q++C(n/p)K-K+(n/p)Cuts: nofK+K- norecoilp(gnonly) MissingmassfornPRL91,012002(2003);SCIcitation:177Spring-8ResultM=1.587M=155510MeV<26MeV7.8sCLAS/JLABResultsPhys.Rev.Lett.91,(2003)252001M=15425MeV<21MeV5.2sg(2-3GeV)d→pK+K-

ng(3-5.47GeV)+p→nK+K-p+Phys.Rev.Lett.92,(2004)032001M=155510MeVCLAS/JLABResul88低能g光束線日本ETL(電子技術(shù)實驗室):1-20MeV,能量分辨1-4%，強度104-105s-1的射線束美國Duke大學(xué)：自由電子激光實驗室(DFELL)建造了一個核物理裝置HIGS(高強度伽瑪源)。5.0-200MeV、準(zhǔn)單色的、100%線極化的高強度g射線束．日本大阪大學(xué):計劃在Spring-8上利用遠紅外激光產(chǎn)生MeV量級射線束(5-35MeV)籌建的SLEGS裝置：(1-25MeV).由于g射線的能量強烈地依賴電子能量，因此SLEGS在獲得低能方面有其獨到優(yōu)點，比Spring-8更易利用準(zhǔn)直法獲得準(zhǔn)單色的低能MeV量級射線束。強度高于ETL.低能g光束線89III、SLEGS低能(MeV)g光束線站初步結(jié)構(gòu)III、SLEGS低能(MeV)g光束線站初步結(jié)構(gòu)90正在建設(shè)中的上海光源(SSRF)具有低發(fā)射度、小束團尺寸、高流強和低色散度等特點。它由20個DBA標(biāo)準(zhǔn)單元組成，全環(huán)為鏡象對稱的10超周期結(jié)構(gòu)。電子束能量為3.5GeV，僅次于日本Spring8、美國APS和歐共體ESRF。SSRF的幾個主要設(shè)計參數(shù)如下表。運行能量GeV3.5環(huán)周長m396自然水平發(fā)射度ex0nmrad11.8束流流強：多束團（單束團）mA200300單元數(shù)目20直線節(jié)：長度數(shù)目m7.24105.010自然能量發(fā)散度9.2310-4自然束團長度(rms)smm4.5991正在建設(shè)中的上海光源(SSRF)具有低發(fā)射度、小束團尺寸、高二、SLESG工作原理產(chǎn)生BCS伽馬光子SLEGS裝置的結(jié)構(gòu)草圖二、SLESG工作原理產(chǎn)生BCS伽馬光子SLEGS裝置的結(jié)92用幾百瓦的高功率CO2激光器作為光泵的分子氣體激光器，可以得到波長為幾百mm、輸出功率為幾瓦的遠紅外激光。激光類型激光(平均輸出功率2-5W)g射線性質(zhì)波長(mm)能量(eV)最大能量(MeV)強度(s-1)CO2分子氣體激光器10.60.11721.9108－101065.10.01903.581000.01242.332200.00561.06注：假定激光與電子束在DBA標(biāo)準(zhǔn)單元的色散區(qū)直線節(jié)內(nèi)最佳幾何交叉條件下進行對撞，電子束流強為200mA，在作用區(qū)中心位置sx和sy均為0.1mm，激光腰的半徑為0.5mm，平均輸出功率2W。儲存環(huán)動力學(xué)孔徑為1%，即產(chǎn)生能量小于35MeV的g光子時，不引起電子束電子損失，即可寄生運行。IV、產(chǎn)生低能光束線的性質(zhì)用幾百瓦的高功率CO2激光器作為光泵的分子氣體激光器，可以得93SLEGS低能BCS光子束主要特點：強度和極化度高，單色性和方向性好，另外它還有ns脈沖時間結(jié)構(gòu)，它提供了可用來開展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的高品質(zhì)g射線束。1)

由于光子能量與散射角之間有確定的對應(yīng)關(guān)系，可用準(zhǔn)直器得到準(zhǔn)單色的g射線。2)g射線在單位能量單位時間的強度~107MeV-1s-13)光束有良好方向性，發(fā)散角約0.15mrad。4)能量大于3/4最大能量的光子，其極化度在85%以上。SLEGS低能BCS光子束主要特點：94低能光束線在核物理、核天體物理等領(lǐng)域的應(yīng)用1)

MeV量級的極化束在核物理中的應(yīng)用l

光核反應(yīng)截面的精確測量l

利用核共振熒光(NRF)進行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量l

高同位旋核的結(jié)構(gòu)研究，如系統(tǒng)性的核的巨共振研究2)

在核天體物理中的應(yīng)用l

進行天體演化中某些基本核反應(yīng)的庫侖俘獲截面的精確測量3)

相關(guān)應(yīng)用研究l

癌癥腫瘤治療、照相成像、活化分析、正電子束產(chǎn)生4)

儲存環(huán)束流的在線監(jiān)測(能量,發(fā)散度,極化度)低能光束線在核物理、核天體物理等領(lǐng)域的應(yīng)用95V、在核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用1、采用庫侖離解方法研究輻射俘獲反應(yīng)：

某些核反應(yīng)截面的知識是解釋大爆炸、恒星演化或超新星爆炸的關(guān)鍵，人們需要在相應(yīng)于天體物理溫度（即非常低碰撞能時，恒星內(nèi)部核燃燒溫度在107~0.5×109K內(nèi)，對應(yīng)的熱運動能量僅為1~450KeV）的截面。 由于庫侖位壘抑制了感興趣的反應(yīng)截面，進行這樣碰撞能非常低、截面非常小的實驗測量通常非常困難。 迄今為止，天體物理（特別恒星內(nèi)部核燃燒）所采用的核反應(yīng)截面幾乎都是由高能范圍（E>1~10MeV或更高）核反應(yīng)實驗曲線向低能范圍外推而求得的。由于許多原子核的低激發(fā)共振能級尚未知曉，這種外推結(jié)果往往不可靠。

例如：由于1982~1984年間實驗發(fā)現(xiàn)16O的兩個閾下共振能級以及某些能態(tài)間的相干作用，使得對大質(zhì)量恒星演化極為關(guān)鍵的核反應(yīng)12C+a→16O+g的截面值發(fā)生了幾倍的變化（可能3~5倍），但至今仍未定論。V、在核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用1、采用庫侖離解方法研究96 利用庫侖離解方法可以實現(xiàn)這一測量：天體中感興趣的反應(yīng)過程為b+c→a+g，利用測量時間反演反應(yīng)a+g→b+c+Q來代替直接測量。 利用細致平衡原理，可獲得天體物理中感興趣的恒星溫度時反應(yīng)截面和反應(yīng)率，同時具有較大反應(yīng)截面和分解（breakup）運動學(xué)靈活性的優(yōu)點。庫侖離解方法圖解： 利用庫侖離解方法可以實現(xiàn)這一測量：天體中感興97 舉出幾個感興趣的輻射俘獲反應(yīng):從14N到Mg輕核a俘獲反應(yīng)的研究直接相關(guān)大質(zhì)量的氦燃燒核中的弱s過程分量中g(shù)的產(chǎn)生。如在恒星溫度時對18O(a,g)22Ne、22Ne(a,g)26Mg低能反應(yīng)的精確測量對研究在恒星氦燃燒條件時中子通量非常重要。15N(a,g)19F和19F(p,g)20Ne反應(yīng)研究：質(zhì)量1~8M0恒星的后階段各種氫、氦和碳燃燒帶中核合成中，觀察到19F豐度由來仍是未知。一種可能是在AGB星中氦燃燒殼的熱脈沖中通過18O(p,a)15N(a,g)19F反應(yīng)合成，上述實驗對研究19F在熱脈沖產(chǎn)生和消耗預(yù)言提供有用數(shù)據(jù)。4He(an,g)9Be反應(yīng)是天體物理中一個關(guān)鍵過程，除可進行9Be直接光子分解研究，9Be上述庫侖離解實驗也是值得做的。因為實驗室中不能以直接方式獲得雙中子俘獲反應(yīng)情況，考慮用庫侖離解率來研究(n,g)和(2n,g)俘獲反應(yīng)也很有意思。要了解恒星中氦燃燒過程和碳氧比，必須得到相應(yīng)能量(300KeV)的12C(a,g)16O反應(yīng)數(shù)據(jù)。此能量截面估計值約10-8nb，實驗室無法測量。實驗上已獲得最低能量為1.2MeV的截面值，必須通過外推到300KeV，外推主要誤差來自a粒子能量在1MeV附近許多共振對截面的貢獻。為解決這個問題可采用~8.3MeVBCS極化g束，產(chǎn)生1MeVa粒子，通過逆反應(yīng)進行研究。

舉出幾個感興趣的輻射俘獲反應(yīng):98

B2FH理論描述p過程核的形成有兩個可能機制：在熱豐質(zhì)子環(huán)境中質(zhì)子俘獲或熱環(huán)境中光子誘發(fā)的r-過程中的光致蛻變。r-過程典型參數(shù)是溫度2≤T9≤3。Ⅱ類超新星的富氧和富氖層似乎是發(fā)生r-過程一個好的地點，但沒有定論，由于缺少在天體物理能量處r-誘發(fā)反應(yīng)的截面和反應(yīng)率實驗數(shù)據(jù)。目前除一些p過程核(n)數(shù)據(jù)和Zr及Mo少量(p,g)反應(yīng)率外，幾乎沒有實驗數(shù)據(jù)。70Ge和144Sm僅有兩個(a,g)值，而且144Sm(a,g)發(fā)現(xiàn)與過去計算明顯不符。首先應(yīng)在穩(wěn)定同位素上進行新的測量，優(yōu)先在靠近中子和質(zhì)子幻數(shù)核上，因為在那里應(yīng)用統(tǒng)計模型通常特別困難。為達到這個目的，g射線活化技術(shù)證明是在合理時間和開支下，收集大量數(shù)據(jù)的有效工具，更簡單、靈敏度更高。2、低能光核反應(yīng)截面的直接測量(g,n)、(g,p)和(g,a)：2、低能光核反應(yīng)截面的直接測量(g,n)、(g,p)和(g99利用核共振熒光(NRF)進行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量通過極化的低能準(zhǔn)單色射線，還可以研究核激發(fā)態(tài)的宇稱測量。DUKE大學(xué)用5－6MeV的高強度極化的低能準(zhǔn)單色射線，能用很短的束流時間確定激發(fā)態(tài)的宇稱。Phys.Rev.Lett.88,12502(2001);Phys.Rev.Lett.78,4569(1997);利用核共振熒光(NRF)進行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量通100高同位旋(N/Z)核的結(jié)構(gòu)研究高同位旋的物理是當(dāng)今核物理發(fā)展的一個主要方向。如中子暈的發(fā)現(xiàn)。另外，發(fā)現(xiàn)了中子皮與核芯的矮共振?？梢杂玫湍軠?zhǔn)單色射線來系統(tǒng)研究不同同位旋核的矮共振的系統(tǒng)學(xué)。Phys.Rev.Lett.93,192501(2004);Phys.Rev.Lett.89,272502(2002);Phys.Rev.Let