从第一个放射性核束物理实验至今，二十年来放射性核束物理一直被认为是核 物理研究领域的重要发展方向之一，国际上许多著名实验室先后对放射性核束装置 的发展，开展了许多研究工作，解决了许多关键问题，但仍然存在不少尚待解决的 难点，从放射性核束装置整体上看，这些困难有：产生放射性核素的初级束流强 度：靶－源系统的效率；输运和后加速过程中的束流损失等。也就是说，放射性核束 装置的研制，其核心问题是如何提高放射性核束的流强。 中国原子能科学研究院的科学家，于1992年提出了在北京建造放射性核束装 置，计划将使得我国的低能核物理研究在21世纪初期，能够在这一前沿研究领域占 有一席之地。中国原子能科学研究院的工作基础和近年的放射性核束装置预研工作 表明，较好地解决放射性核束装置中尚存的一些问题，建立较为先进的加速器系 统，开展放射性核束物理研究，从技术角度上看，是可行的，本论文详细剖析放射 性核束装置中的技术难点，围绕这些难点，论述我们所开展的预先研究工作。 在第一章中，将概要介绍放射性核束装置的发展历史、目前各大实验室有关放 射性核束装置的现状，以及中国原子能科学研究院在放射性核束物理与装置上，有 可能开展的一些研究工作。 在第二章中，详细介绍北京放射性核束装置的设计方案，逐项分析其可能存在 的困难及己完成的一些初步研究工作。本章侧重论述在ORNL的放射性核束装置 HRIBF的工作基础上，对放射性核素在靶中的扩散过程；从靶室到离子源的传输过 程；放射性核束从离子源引出后的输运和后加速过程，所开展的改进工作，以及对 放射性核束装置的研制所需的各种计算机设计软件的开发、移植工作。而对于放射 性核束装置中的一些重要问题，如在线、离线离子源；强流回旋加速器的有关问题 研究；放射性核束输运元件的设计与实验研究，将在后面第三、四、五章分别予以 单独详述。 在第三章中，讨论两种用于产生放射性核束的离子源----在线和离线离子源的物 理与工程设计及初步调束结果。关于在线离子源，由于ECR离子源的新概念“容积 型共振”的理论与目前的实验研究工作表明，它将有可能使ECR离子源的电离效率 得到明显提高，因此，本论文基于“容积型共振”概念，提出新的磁场设计方案和 高频注入方法，改进了束流引出系统的光学性能，设计了将用于HRIBF的在线放射 性核束离子源，该源的关键部件经过模型实验，目前正在加工之中，预期对多种放射性种类，有更高的电离效率。关于离线离子源，为了延长放射性核束的连续供束时间、或提供多品种的束流，必须快速、遥控更换被溅射样品，而不中断加速器的运行。根据Cs溅射原理，设计、建造多样品、Cs溅射负离子源，这台离子源计划也将用于HRIBF。 加速负氢离子的紧凑型强流回旋加速器，主磁铁和高频加速腔是这一类加速器的主体，而怎样规划好加速器的相位，束流对中，提高加速器整体效率的许多关键束流动力学问题，主要集中在中心区。第四章发展了三维数值仿真方法，研究了离子在螺旋形静电注入偏转板和中心区中的运动，对这个区域中的部件提出设计方法，并给出具体的设计、关键加工工序的计算机模拟和实验研究及实际生产中的应用工作。本章还设计离子束沿回旋加速器主磁铁的主轴垂直注入的束流输运线，建立适用于能量范围从 20－100 MeV的回旋加速器的轴向注入系统实验台架，开展实验研究工作。 在第五章中，结合大阪大学同步加速器的R&D工作，改进常规磁铁的设计方法，提出两种新的二极磁铁设计方案，从而设计、加工、测量了一台大动态场范围、宽好场区二极磁铁，场强从0．3～2．1T、在磁极面的57％宽度的范围内，得到积分场、二维场均匀度均好于5×10～（-4）的好场区，特别是当磁场工作点靠近难以控制的非线性区时的好场区，比常规设计的好场区拓宽了约22％。对于这样大动态场范围且好场区宽的室温二极磁铁，可用于多种不同用途的加速器设施中，例如同步加速器，在放射性核束装置中，由于放射性核束的质量范围很广，也需要场强在大的范围内可以调节的二极磁铁。 综上所述，通过对放射性核束装置发展现状的分析，可以看出该装置的构成与美国ORNL的HRIBF和意大利INFN－LNS的EXCYT相似，它的某些性能指标，接近于由ANL提出的美国下一代放射性核束装置，是一项复杂的大科学工程装置。在对这一装置的预先研究工作中，体现了如下一些对放射性核束装置的发展有促进作用，具有实际工程应用价值的工作。 紧凑型强流回旋加速器的设计，注入效率是当前国际上的研究焦点。本文发展了 三维数值仿真方法，研究了离子在螺旋形静电注入偏转板和中心区中的束流动力 学问题，使物理设计和数控加工结合在一起，还设计了离子束沿回旋加速器主磁 铁的主轴垂直注入的束流输运线，建立适用于能量范围从20-100MeV的回旋加 速器的轴向注入?