复旦大学应用离子束物理教育部重点实验室结合国家基础研究和国防基础研究的发展需要、结合国家能源发展和民用核技术发展的需求，将研究重点放在解决国防科技及能源发展中的原子分子物理问题、探测技术问题、以及核技术在生物、环境、材料中的应用。总体定位以基础研究为主，同时围绕限制基础研究的特殊技术进行攻关，为能源发展、国家安全和国民健康服务。主要有三个研究方向：
       （1）国防科技及能源发展中的原子分子物理及探测技术研究
       工作重点围绕本实验室成功研制的国内第一台（也是唯一的一台）、国际第八台低温EBIT装置——上海EBIT装置，以及基于EBIT的高精度光谱学诊断和碰撞研究实验平台，利用EBIT装置在分解研究等离子体方面无与伦比的优势，开展等离子体中各种细致物理过程的分解研究，为核聚变等离子体诊断和国防科技研究提供重要依据。在探测技术方面，正在研制高效率高分辨率的X射线探测器——微卡计。目前正在进行科技部ITER重大专项研究课题《边界等离子体基本过程的实验和模拟研究》，主要研制超低能EBIT和超低能电子团注入装置，用以研究TOKAMAK边界等离子体的原子分子碰撞过程。
       （2）核分析技术和等离子体技术及应用
       重点应用离子束分析方法，同时发展和综合应用其它固体表面和和分析方法，开展聚变第一壁材料相关研究；人类老化机理、骨质疏松症的辅助研究、钙吸收通道的研究；特殊耐毒性植物用于环境污染检测的尝试性研究。目前正在进行科技部ITER重大专项研究课题《氘在碳、钨、锂、硅、硼膜材料中滞留特性研究》，研究不同等离子体面壁材料的氘滞留特点和机制，分析和比较其滞留、解吸特性，建立数据库，以减低氘滞留和发展优化氢同位素清洗技术，有效控制粒子再循环，维持等离子体的稳定运行，为发展新型第一壁材料和技术提供依据。另外，在学校985二期经费支持下，本实验室引进了一台90年代末英国Gray肿瘤研究所研制的单粒子细胞照射装置。该装置经过Gray肿瘤研究所十几年的不断改进，能对细胞在亚细胞结构上进行精确定位定量照射，是目前世界上最先进的微束装置之一。该装置安装在本实验室现有的串列加速器束流管道上，目前安装工作已基本完成，处于调试阶段。
       （3）光与物质相互作用
       拓展由本实验室最先开展的真空中激光加速电子的新机理研究，在提出对于任一聚焦的激光束存在低相速度的区域，并存在真空激光加速电子的可能性之后，进一步对均匀介质证明向速度可以仅用波的振幅分布来表示，进而证明对于任何实际光束都存在低相速度区。研究表明适当的光场分布可望逾越俘获加速入射动量的窗口限制，从而采用俘获加速实现多级加速成为可能。同时还积极开展光与物质相互作用的其它方向的研究，包括光与等离子体相互作用、光与原子、分子相互作用、量子光学通讯、高次谐波等等。
       2010年度，本实验室新增国家自然科学基金面上项目5项（2010年开始执行），获批准国家自然科学基金项目7项（2011年开始执行），新增科技部重大研究专项ITER计划专项子课题1项，在研科技部重大研究专项ITER计划专项课题1项，省部委项目1项，上海市浦江计划1项，新增校青年基金2项，在研校青年基金2项。全年科研经费到款数为459.6万元，发表SCI论文40篇。其中上海EBIT实验室的硕士研究生张伟在Physical Review A的Rapid Communication上发表论文，评价了基于EBIT的等离子体中重要物理过程-双电子共振-实验研究的Leaky mode方法的可靠性。Physical Review的Rapid Communication被业内人士公认为与Physical Review Letters同等水平。此外本年度还为研究生开设课程共18门。
       在国际合作方面，上海EBIT实验室于2010年8月31日至9月3日成功举办了第15届高电荷离子物理国际会议（HCI2010：The 15th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions），这是高电荷态离子物理领域最重要的国际会议。来自国内外高电荷离子物理相关领域的专家学者共计182人参加了这次盛会。学术报告共计38场，其中邀请报告6场，进展报告10场，主题报告22场。张贴海报总计175张，收到会议投稿论文60余篇，目前会议论文集正在集结过程中准备出版。本年度实验室也积极参与国内外的学术交流，参加国内会议16人次，参加国际会议6人次。其中邹亚明教授、Roger Hutton教授、施立群教授等分别在第四届物理研究前沿国际会议（埃及）、第九届国际氚科学技术会议、第九届中国国际纳米科技研讨会等会议上作特邀报告和邀请报告6人次，邀请到国内外专家教授到实验室讲学4人次，应邀到国外研究机构讲学3人次。

1.1  实验室最新研究进展

1. 上海EBIT装置大修、优化改造

         上海EBIT装置从2004年底安装完成，2005年5月开始稳定出束，截至2009年6月，累计运行时间4年。经过4年的运行某些器件由于反复使用造成 损坏，或是长时间运行严重磨损，有些发生松动移位、甚至脱落的现象，使得EBIT无法正常运行。此外，近年来美国对华液氦出口限制使得液氦价格越来越昂 贵，而液氦是上海EBIT装置运行的必要消耗品，这使得上海EBIT的运行费用越来越高，甚至在2007、2008年间相当长的一段时间内无法正常获得液 氦供给，导致上海EBIT无法正常运行，这也是一个迫切需要解决的问题。鉴于此，我们综合了多方面的因素，经组内讨论决定采取由上海EBIT实验室主持， 其他单位协作开展上海EBIT装置优化大修项目。因此2010年度的主要工作是对上海EBIT装置进行大修、优化和改造。通过改进EBIT主体现存的问 题，提高上海EBIT装置的可靠性和可维修性，同时减少液氦的消耗量，降低运行成本。
        此次对上海EBIT装置进行优化改造的基本思路是，重点通过改进制冷系统的结构，减少液氦的消耗量；进一步优化EBIT主腔室的真空、机械结构，以缩短观 察距离，提高探测效率；压缩EBIT主体大液氦筒的容积，由此可以缩短漂移管段与电子收集器之间的距离，从而提高电子束流的强度和EBIT初始离子的注入 效率。同时根据此前EBIT运行时积累的大量经验，对其它一些影响EBIT系统的稳定性、可维修性以及影响实验效率的问题也一并进行改进。通过这次大修和 优化改进，提升上海EBIT装置的整体性能，改善系统的可靠性和可维修性，目标是使上海EBIT装置在高压性能不受影响的条件下，束流提高到200mA， 液氦消耗降低到原来的50%以下，出光效率达到原先的3~4倍，初始离子的注入效率比原来提高2倍，更好地为高电荷态离子物理相关实验研究服务。
         2009年7月~2010年3月开展了EBIT装置优化大修的工程设计。历经4次方案优化，并听取了国外同行专家的意见建议，最终确定现有全钛双制冷机循 环冷凝式低温EBIT的结构。在此基础上编写了《上海电子束离子阱（EBIT）装置大修、优化改造报告》，制定了详细的计划。并于2010年6月分别召开 了上海EBIT实验室管理委员会会议和上海EBIT大修改造方案评估会。邀请了原先参与上海EBIT装置建设的上海应用物理研究所和合肥等离子体所的多位 低温、真空、超导等方面的专家，审议并通过了上海EBIT装置优化大修最终设计方案。专家组经过认真讨论，认为EBIT实验室在经过几年运行实践的基础上 提出的上海EBIT大修改造方案是必要的、可行的；大修改造技术方案中的高压系统、电子光学系统、超导线圈及低温系统、真空机械系统设计合理、可行、可 靠，改造方案有利于减小液氦消耗、提高系统的可靠性和稳定性。
        目前上海EBIT装置大修、优化和改造工作仍在积极进行当中，经过反复的方案论证及工艺预研，工程进展基本顺利，至今未出现颠覆性问题。但由于对钛材料的 加工，国内甚至国际上都没有太多的经验，充满了挑战。现阶段正在进行全面的加工制造。虽然此前充分预见到了项目的困难程度和外协单位的不可控因素，在这方 面也做了很大的努力，但目前进度还是略有滞后。

2、单粒子束装置最新研究进展

           单粒子微束细胞精确照射技术能够精确操控加速器离子微束的辐照剂量，并可实施亚细胞尺度的准确定位照射。复旦大学单粒子微束于2009年开始建设。一 期设  计目标为实现针对单个活态生物细胞等微尺度生物样品精确可控的定量和定位辐照功能，实验室将由此重点开展放射生物学和重离子癌症放疗的生物医学基础研究。   在此基础上，微束装置将进一步发展辐射损伤效应在线检测等相关技术，建设可开展辐射生物学、重离子放射治疗基础、微纳米功能材料等领域研究的单粒子微束综   合实验平台。在过去的一年里，经过实验室全体教职工的努力，进行了复旦大学单粒子微束装置的束流传输光学计算、单粒子微束装置管道的搭建以及微束终端的初   步调试工作，束流传输光学计算为目前进行中的束线管道建设和束流调试工作提供必要的理论依据。目前管道搭建工作业已完成，已经出束，接下来工作是进一步优  化束流质量，获得高品质的光学束流。
       束流计算方面，利用TRANSPORT和TURTLE   两种束流计算程序对复旦大学单粒子微束的束流传输光学进行了计算，计算结果见图1。通过对束线元件磁场的参数优化，获得了束截面半径  x<2mm，y<3mm；发散角x’<4.8mrad，y’<6.5mrad的末端束流，该结果达到了装置采用毛细管准直引出微   束时对入射束流的品质要求。考虑到空间电荷效应的可能影响，利用TRANSPORT程序对束流强度达7mA，能量为1.5MeV的质子束流进行了计算，结   果表明，空间电荷效应对束流传输包络和末端物理状态没有明显的影响，而实际实验中引出微束所需的内部束流远达不到mA量级，通常为200-500nA，因  此，计算过程中空间电荷效应的影响很小。该计算研究得到了电磁元件磁场参数的理论参考值，为正在进行中的装置束线传输系统设计和调试提供了必要的参考数  据。

图1  束流光学计算结果

           在束流管道搭建方面，复旦大学单粒子微束是基于实验室2×3MV串列加速器(NEC-9SDH-2)设计建造的。拟引出能量为2-5MeV质子和 8MeV  左右的高能α粒子开展细胞辐照实验。束流管道设计图如图2所示，目前已经搭建完成的管道见图3。被加速的高能离子束经由静电四极透镜和导向器经进入分析磁  铁，实施30º水平偏转后通过缝宽为2   mm的狭缝进入水平束流管道传输系统。离子束依次通过四级透镜组QD1、QD2聚焦，然后经6mm准直孔入射90度偏转磁铁   (BEND)，束流由此竖直向上偏转，经过竖直管道上的聚焦透镜组QD3进入二楼微束室束线系统。然后离子束经辐照终端平台下的预准直狭缝到达平台上方 的  束线末端，进入毛细管微束准直器(内径1μm，外径200μm，长1mm)，形成用于细胞照射的微米离子束。该束流管道总长约13米，竖直段4.4米，水  平段8.6米。目前已经出束，见图4所示。

图2. 复旦大学单粒子微束的束流传输管道设计

图3 搭建完成的束流管道图片

       微束终端调试：在微束终端搭建的基础上，目前已进行了包括微束获取、单粒子探测控制及细胞定位照射三个子系统功能的初步调试。获得了探测系统的能谱图，检验了探测系统的好坏。进行了模拟图像的拍摄检验了图像分析和定位系统的可靠性。

(a)水平传输束流                           (b)竖直上行束流
图4 水平束流和竖直束流

1.2  重要研究成果介绍

1. 基于上海EBIT装置的碰撞研究平台建设阶段成果

             全信息带电粒子动量谱仪是当前研究各种原子反应过程的最成功的技术，作为上海电子束离子阱（EBIT）的一个实验终端，将用于研究超高电荷态离子 与原 子分   子的相互作用过程。通过测量反应产物的末态动量重构反应过程，进而揭示多粒子体系相互作用的动力学过程。在各类粒子与原子分子相互作用过程中，反应产物 的    动量一般都很小，这就要求谱仪的动量分辨足够高。基于这一考量，在设计和搭建谱仪过程中，我们对每个部分的测量精度（分辨）做了相应分析。截止到 2010  年底，全信息带电粒子动量谱仪的主要部分已完成搭建和测试，包括飞行时间谱仪、二维位置灵敏探测器和电子学与数据获取系统超声气体靶室。
             数据获取系统采用VME总线，主要采集卡包括Cern开发的16通道TDC、ADC和定标器，系统由VP9单板计算机控制。时间分辨好于1ns， 系统 死时   间小于10ns。二维位置灵敏探测器的位置分辨好于100微米，达到国际同类探测器水平。动量谱仪的另一关键部分是超声气体靶室，动量谱仪的分辨能力与 靶    气体的初始温度有关，采用超声气体束的目的就是要降低气体靶的初始温度。采用三级差分抽气系统以获得冷靶并保证碰撞腔室的超高真空。表1中给出的超声 气体  靶室的主要参数和测试结果。

          2010年初对动量谱仪进行了整体测试。采用一束纳秒激光与超声气体靶相互作用，测量反冲离子的飞行时间。纳秒激光通过焦距为100mm的透镜聚焦后 激 发   甲烷超声气体靶，在激光束作用下，甲烷分子发生解离和电离，实验中的离子在飞行时间谱仪中电场作用下飞向探测器并被记录。实验过程中激光信号经光敏二极 管  取出后被延迟，作为数据获取系统中TDC的共同停止信号，而反冲离子信号作为开始信号。图5是实验原理图。

表1  表中给出了各级小孔直径，分子泵抽速，注气前和注气过程中真空情况

图5  超声气体在纳秒激光作用下电离实验装置简图

        激光信号经延迟后作为数据获取系统的共同停止信号，而反冲离子信号作为数据获取系统的时间开始信号，图6给出了甲烷在激光作用下的反冲离子飞行时间谱，测试结果显示系统已经能够正常运转。

图6 甲烷气体在纳秒激光作用的反冲离子飞行时间谱