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核分析方法，开展聚变第一壁材料相关研究及半导体功能材料研究；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，目前安装工作已完成，并调试出束即将进行验收。
（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、啁啾脉冲激光加速电子机制及多频光场加速粒子等等。
2011年度，本实验室新增国家自然科学基金面上项目2项，新增国家基金委重大研究计划“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”培育项目1项---“新型反应堆候选结构材料及其抗辐照特性”，这3项项目将于2012年开始执行，获批准国家自然科学基金项目面上项目7项，已于本年度年开始执行，在研科技部重大研究专项ITER计划专项课题2项，上海市浦江计划1项，省部委项目1项，在研校青年基金4项。全年科研经费到款数为502.38万元，发表SCI论文40篇。此外本年度还为研究生开设课程共11门，为本科生开设课程4门。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10人次，参加国际会议15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
2011年上海EBIT实验室的高能EBIT升级改造一直在积极进行中。这次是对上海EBIT装置的大规模改造，除高压系统外，装置的各个部件都重新设 计、重新建造，而且大胆尝试各种新技术、新材料。2011年度的改造工作主要集中于加工、制造及安装，这些都是以摸着石子过河的方式进行的。为了得到好的 磁性，我们在国际上首次使用了钛材料，然而钛材料的加工工艺在国内几乎是空白，加工单位对这种材料的加工、焊接、处理都没有经验，需要攻克一个又一个的工 艺难关，许多部件的加工都要经过多次才能成功，所以加工过程比预期困难得多，充满了挑战，许多方案改了又改。2011年度完成的工作包括：
（1）完成全钛真空腔室的加工。在真空腔室的制造过程中，钛材的氩弧焊至关重要，氩气的保护程度、电流大小的取值都会产生相应的影响，加工过程中我们在这 方面进行了大量的摸索。此外由于钛的硬度较高，卷筒也带来了相当多的麻烦，尤其是滚圆的过程。焊接和卷筒是经过了多次试验之后才完成的。事实上加工过程反 复了几次，因此材料使用比预期多，而且加工周期延长了许多。
（2）完成全钛骨架超导磁体的制作。鉴于钛金属完全不导磁的特性，超导磁体采用全钛骨架。加工与焊接的问题同上。低温下的另一个问题给磁体的最终指标带来 了限制。由于超导线材料与钛金属的热膨胀系数不同，钛低温收缩较少，导致了达到一定电流后磁体会产生失超。在多次试验后最终达到极限55A闭环运行，对应 磁场4.62T。
（3）完成全钛制传输线圈制作。传输线圈位于超导磁体下游，考虑到材料磁性对超导磁体可能产生的负面影响，传输线圈采用全钛材制造。最突出的难题是钛电极及不锈钢冷却油管与钛材的衔接。同样是经历了多次失败后才成功的。
（4）完成钛制超高真空电极研制。钛制超高真空电极用于传输线圈的电流导通。要求在狭小的空间内完成90度的弯转，并采用大线径铜棒。钛与陶瓷的钎焊需进行试验研究。
（5）完成全钛焊接波纹管和液压波纹管研制。在EBIT装置中有许多软连接的部位需要用到波纹管，由于新方案主材选用工业纯钛，为了便于焊接，必须使用同 样材料制作波纹管。工业纯钛（TA2）虽然与316L不锈钢有着相似的性能，但是制作波纹管的工艺却并不普及。我们经过摸索提出采用无缝成形的方式制作钛 波纹管。采用热拉伸工艺制作薄壁管。先制备一段特定长度的普通钛管，壁厚约1mm，然后分三次将其进行拉伸，每次拉伸之后都进行真空退火，消除材料内部的 应力，避免钛管破裂，直至管壁达到要求的厚度为止。这样就避免了薄壁管的单边焊接，从而提高了钛波纹管的成功率。
（6）研制钛—铜、钛—不锈钢，钛—陶瓷，铜—不锈钢等异种金属焊接。EBIT在低温系统局部用到工业纯钛和纯铜的钎焊，最低温度4.2K，而工业纯钛和 纯铜的热膨胀系数相差比较大，因此在焊接工艺及结构设计上必须考虑到热变形所产生的应力释放问题。设计思路是在壁厚5mm的厚壁钛管端面开深6mm宽 3mm的槽，然后将壁厚为3mm的铜管插入到钛管端面槽中，再进行真空钎焊。当系统受热膨胀时可以由外部的钛管阻挡相应的变形应力，而当系统降温收缩时可 以由内部的钛管来阻挡相应的变形应力。而纯铜较软，有非常好的韧性，局部变形应力可以在钎焊以外的铜管中得到释放，保障了铜钛钎焊的可靠性。
（7）完成电子枪核心部件的优化。新方案中采用钼金属替换原有的主要核心部件，包括阳极、出口极、聚焦极等。钼金属与不锈钢之间的焊接采用钽丝或钽片过渡。
（8）改进超导线圈悬吊方式。引入Kavlar50有机线材，采用四线编织线，并采用了可靠性较高的露营结进行捆绑。对该材料进行了低温拉伸测试，证明其 非常适合超导磁体的悬吊。考虑到安全因素，采用四线编织，两股线（一股备用），并采用了可靠性较高的露营结进行捆绑。
（9）采用新绝热材料Vespel作绝热支撑，改善EBIT真空。Vespel® SP-1型材料的热导系数313K时仅为0.35W/mK，线性热膨胀系数则为4.5×10-5/K。最为关键的是没有显著的表面放气，适合于超高真空系 统使用。而且在极低温下性能依旧十分稳定，符合低温超导系统的苛刻要求。经过计算，采用Vespel® SP-1作为顶杆后，固体传导热损可维持在约0.1W。同时采用了新的Kapton超高真空绝缘线替代原有的普通漆包线（包括高压线及大电流线缆）。
（10） 采用标准化超高真空绝缘电极，便于安装和维护。EBIT系统超高真空室容器壁上使用到许多真空电极法兰，均采用标准型超高真空电极及法兰，且根据高压，大 电流，弱信号等因素分别选择电极类型。而真空外电缆则根据法兰上电极的接口形式选用带标准匹配接头的常规电缆，可以有效保护电极的陶瓷可伐封接部分。不仅 提高了系统的可靠性，有利于系统抽真空，且便于安装、拆卸及维护。
（11）采用可靠性更高的VCR全金属密封接头封闭内部油冷管路。EBIT系统中除超导线圈以外的所有线圈均采用高纯航空煤油进行冷却。煤油具有非常强的 渗透性。新方案采用可靠性极佳的VCR® Metal Gasket Face Seal Fittings。该类接头采用全金属密封，可更换垫片，重复使用，非常有利于安装、拆卸及维护。材料牌号为316L VAR（Vacuum arc remelt）。
（12）采用4.2K/1.5W大功率双级制冷机循环液化氦气，降低液氦消耗。4.2K制冷机的一级冷头用于冷却充入低温杜瓦内的高纯氦气。二级冷头装配 RRR值250以上的高导铜，表面开槽。稳定工作时使经一级冷头冷却后的高纯氦气或液氦筒内蒸发后的氦气经由高导铜表面冷却，通过其下方的漏斗收集，重新 回流至磁铁室内，从而实现液氦的再循环。理论上讲，如果制冷机的功率足够大，冷头热接触良好，使得系统冷损小于制冷功率话，完全有可能实现液氦的零蒸发， 甚至产生过冷液氦。这一方案的另一个好处便是不需要对系统进行液氮预冷，省去了繁琐的氦气置换过程，提高系统运行效率。由于对于该技术是首次使用，况且 EBIT装置有较多实验窗口的辐射漏热，因此我们仍旧保留了20L容积的液氦储槽，并保留了输氦颈管。
（13）采用10K/5.4W大功率双级制冷机作为冷屏冷源。新系统配置了一台10K/5.4W大功率双级制冷机用以提供内外冷屏的冷源。内外冷屏的作用 不仅仅是为了屏蔽300K室温辐射热，同样还起到了类似于冷凝吸附泵的作用。新系统中的内冷屏表面积约为2.5m2，外冷屏表面积约为 2.8m2，4.2K液氦冷面表面积约为0.31m2，300K室温表面积约为2.54m2。在大大缩小真空室容积的同时，仍旧保留了较大的冷凝吸附面， 且未减小其它机械泵的抽速，因此原则上可以获得更好的真空度。
（14）竖直安装两台制冷机，延长制冷机的使用寿命。原有系统的制冷机采用水平安装方式，不仅降低5%的输出功率，而且常年运行后，活塞环单边受重力影响 会产生严重磨损。改进后将使用到两台制冷机，为了实现EBIT装置的完全可拆卸，采用大液氦筒偏心于小液氦筒的形式实现两台制冷机及液氦输液径管的竖直安 装。
（15）采用Helicoflex超高真空低温弹性密封圈弥补温度变化产生的形变间隙。Helicoflex超高真空低温弹性密封圈可以吸收因热胀冷缩引起的法兰面的间隙偏差，尤其适合适用于低温系统，且正负压通用。
（16）采用双头法兰固定型紫铜编织带，增加导热面积。将采用紫铜编织带两端压片法兰固定，然后再将压片由螺钉紧固于冷头连接的法兰盘上的方式，能够保障紫铜编织带和压片间、压片和冷头连接法兰盘间的充分热接触，而且简化了安装方式，便于今后的拆卸保养。
（17）采用高温超导引线对超导磁体进行励退磁，大大简化励退磁操作。为了确保高温超导引线能维持在液氮温区，将其同10K/5.4W大功率双级制冷机的45K屏低温连接。
（18）完成外围设备的标准化改造，主要包括油冷机组，水冷机组的改造。油冷机组和水冷机组都是EBIT装置非常重要的外围冷却设备。原有系统采用的是非 标产品，问题多，维护不方便，价格昂贵。新方案采用大金标准化产品，配备非标匹配，大大节省了空间和维护成本，最为关键的是提高了实验效率和稳定性。
（19）建设外围辅助平台，包括高真空高温烘烤炉、洁净棚、准直望远镜平台、大理石测量平台、生铁平台等等。高真空高温烘烤炉平台可提供除气、退磁、钎焊 等多种用途。洁净棚可提供良好的超高真空部件安装环境。准直望远镜平台提供了稳定可靠的准直定位。大理石测量平台为加工部件的加工误差、焊接变形、尺寸公 差等的测量提供基础水平台。生铁平台主要用于误差部件的校准整形。
本来预计在2011年度完成EBIT的安装。但是由于新材料、新技术的应用需要攻克一个又一个的工艺难关，许多部件的加工都要经过多次才能成功，导致加工周期比预料的长了许多。预计上海EBIT的安装将在2012年3月完成，之后可以开始进行调试工作。
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。2011年主要取得如下进展：
（1）微束获取与束品质优化
高品质的离子微束是实现单粒子精确定量和定位照射的基础。微束品质主要在于粒子的单能性和空间分布两方面，两者对粒子的精确探测和定位照射的精确性均有 直 接影响。本装置采用厚壁毛细玻璃管作为微准直器，对输运到照射终端的离子束进行准直截取，使用的厚壁毛细管外径250μm，内径1.5μm，长度 0.8-1mm，安装在不锈钢激光精细打孔制作的基座内（图1），并通过准直器下端的定位螺丝进行准直角度精细调节以引出离子微束。
图1 毛细管微束准直器的安装结构
毛细管微束准直器的工作原理简单，但实际引出粒子并获得高品质微束的调节难度很大。根据蒙特卡洛模拟计算的结果，即使在最佳的准直条件下，引出粒子在 入射 粒子的中的比例仅为10-6，且引出粒子的能量和空间发散与入射离子的能量、入射束的发散角、毛细管与入射束的准直偏角以及毛细管的纵横比等因素均直接相 关。实验调试经历了长时间的反复和多种方案的尝试，并结合模拟计算的理论规律，最终得到了最佳的毛细管准直器长度为1mm左右，准直调节的过程也积累了一 定的经验。最终成功获得了能量3MeV，能量分布的半高宽FWHM<60keV的单能质子微束（图2）。在内径1.5μm毛细管引出条件下，准直器 出口测得3MeV质子微束分布半高宽为2.2μm（图3）； 这一微束的能量分布品质和束径分辨已经满足了进一步实施单粒子精确探测和亚细胞精确照射的关键要求。
图2. 1mm长度、内径1.5μm的毛细管准直器引出的质子微束能谱
（E=3MeV，FWHM~60keV）
图3. (左) 1.5μm毛细管引出的3MeV质子分布，全宽4μm；(b) 根据高斯分布模型，粒子径迹分布满足，束径半高宽，且。根据粒子径迹分布，测量多个不同半径外的粒子数比例并拟合为高斯分布，可求得b的平均值为 b=1.33，因而高斯束半高宽为，同时求得a=0.18，可得到微束的二维高斯分布，如右图。
（2）高压静电快速束偏转开关研制
静电偏转开关采用双极板等值高压通过束流，单极板快速放电建立高压电场实现快速偏转关断离子束的原理，采用自行研制的高压电源，获得了速度约1μs的 开关 关断性能（图4），足以保证消除了关断动作期间的离子束漏电流，从而最大可能地消除了单粒子精确探测和照射中由于开关关断速度不足带来的误差因素。
图4. 快速静电偏转束开关及其关断高压的测量波形
（3）单粒子精确探测系统
单粒子探测系统的研制和调试工作是在前期的系统搭建和不带束调试基础上，基于已经获得的高品质准直微束进一步开展的。这一工作同样遇到了较为严重的困 难， 加速器实验室电磁环境的背景噪声对探测系统电子学的正常工作形成了巨大干扰，作为单粒子探测系统的核心性能指标，信噪比是极重要的性能，但原有的单粒子探 测系统设计下，固有的信噪比性能无法消除背景噪声的严重影响，因此，不得不重新设计单粒子探测系统，同时对实验室环境中一切可能带来探测误差的光噪声和电 子学噪声进行最大程度的屏蔽。探测系统的改造首先采取了更换大尺寸光阴极窗的国产GDB-20型光电倍增管，替代窗口尺寸较小的滨松R7400U型管，以 增大单粒子探测中光电倍增管对闪烁光子的收集效率以增大原始信号强度，但改造后的实验中发现国产光电倍增管在常规实验中不可避免的白光暴露后，暗电流噪声 需要极长的恢复时间，事实上无法胜任实际的细胞照射实验中需要迅速进入正常工作性能的要求。因此对探测系统的改造重新回到原有的滨松R7400U型光电倍 增管，由于其光阴极窗偏小，原始信号较低而实验室的电磁噪声较大，无法在探测系统输出信号中实现清晰的信号与噪声的甄别计数，因此，在使用滨松 R7400U型光电倍增管的同时，在紧接其输出端增加了一级前置放大电路，提高原始信号的大小，获得了很好的效果。在此基础上，通过对微束品质的进一步优 化，光噪声和电子学噪声的进一步抑制和屏蔽，并对闪烁体薄膜探测材料的安装方式和探测器的位置安排等大量因素进行了详细摸索，最终成功获得了信噪比理想的 单粒子探测信号。探测系统对3MeV单能质子微束的探测信号幅度谱分布如图5所示，典型的3MeV质子产生的信号脉冲平均幅度为5V左右，而噪声信号前沿 分布则小于0.4V，足以满足单道分析器进行精确甄别和计数的要求。
图5. 3MeV质子在单粒子闪烁探测系统中产生的信号脉冲的幅度谱分布
（4）单粒子精确定量照射性能的实验测评
采用CR39核径迹探测器对毛细管准直微束在单粒子探测器和计算机控制的快速束偏转开关控制下实现的单粒子定量照射精度进行了定量测评，结果显示当前微束已实现了高精确定量照射的预期指标，定量照射精度约在95%以上。典型的单粒子核径迹测评结果如图6。
图6. 典型的质子微束在CR39核径迹探测器上定量照射刻蚀的单粒子径迹点阵，每个位点定量投射一个质子，位点间距20μm。左图为Gray癌症研究所当时的单粒子照射性能验证结果；右图为目前重建装置达到的单粒子照射性能。
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。
2011年完成了电子束系统与超声气体靶的对接和测试性实验。实验装置见图7。电子枪发出的低能电子束在超快脉冲电源的截止电压作用下产生宽 度为 1ns的 电子束，电子束的能量(1~2000 eV)由阴极电源给出。电子束进入碰撞区域前由限束光澜对束流进行准直和限束，并通过一个外加单透镜把电子束聚焦到碰撞中心。电子束在穿过碰撞区域 时 会 受 到飞行时间谱仪电场的偏转，为了确保电子束能够与气体束交叉，在电子束传输路径上加了两个矫正电场以引导电子束。
实验中的气体靶是超声气体束，以获得低温冷靶。高压气体经由一个直径为10μm喷嘴进入到真空腔室，在绝热膨胀过程中，气体的速度会超过声速，同时 膨 胀 过 程会导致气体内部等效温度的降低。然后由一个直径为100μm的Skimmer把超声气体引入到下一级真空腔室，气体束再经由另一个直径为1mm的 Skimmer进行限束后在主腔室与电子束垂直碰撞。气体分子在电子作用下发生电离和解离过程，形成反冲离子。
反冲离子由飞行时间谱仪进行收集，即在碰撞区域加一个弱引出电场（5V/cm），反冲离子被加速后进入到一个无场漂移区，加速区长度与无场漂移区域 长 度 满 足一比二的Wiley-Mclaren一级聚焦条件。最后反冲离子被位置灵敏探测器收集。实验过程中反冲离子的的信号作为数据获取系统的开始信号 (Start)，脉冲电子束与反冲离子的符合信号作为数据获取系统的共同停止信号(Common Stop)。所有离子的位置信息和时间信息以事件列表的形式存储到计算机上，用于数据的离线分析。
图7，低能脉冲电子束与超声气体靶相互租用的实验简图
碰撞区域产生的反冲离子被电场引出并加速后经过无场漂移区打到探测器上，探测器记录下离子的飞行时间，飞行时间与离子的质荷比满足线性相关， 因而 可以 根据 飞行时间判断离子的电荷态和质量数。此外，飞行时间还与离子在引出场方向的初始动能有关，如果飞行时间谱仪的分辨足够高，离子在引出场方向的初始动能 较 小，则可以反推出离子动量在平行于引出场方向的分量。图8是甲烷气体在50eV电子束作用下的反冲离子飞行时间谱CH4+离子是由气体靶被电子直接 电离 产 生，对于超声气体束，靶的初始热运动能很小，因而CH4+离子的峰比较窄，谱中的H2O+离子来自于腔室中室温的水汽，热运动能很大，在TOF谱中 峰 分布 比较宽，在水离子(H2O+)和甲烷离子CH4+之间有一个小峰，是13CH4+离子(自然界中13C约占1%)。CH3+离子和CH2+离子以及 CH+ 峰的宽度逐渐增大，原因是产生这些离子的碎裂过程更加彻底，在碰撞过程中获得的激发能也更大，因而离子的初始动能也逐渐增大，导致TOF峰展宽。本 工 作关 注的是CH4+离子解离后产生CH3+离子的动能分布，因而采用的是弱引出电场，比较适合测量初始动能小的离子的飞行时间。
图8，甲烷气体在50eV电子束作用下的反冲离子飞行时间谱
