重离子射频四极场直线加速器的物理设计与实验研究

发布时间：2020-07-19 02:01

【摘要】：RFQ是1969年由前苏联科学家提出来的一种低能直线加速器,特别适合用于加速低能离子,可以直接加速从离子源引出的直流束。本论文的主要内容是对三个不同项目的RFQ进行研究。这三个项目分别为空间环境地面模拟装置(SESRI)、分离扇形回旋加速器直线注入器(SSC-LINAC)和兰州重离子装置主环直线注入器(CSR-LINAC)。SESRI装置用于空间环境模拟,其加速器系统须提供从H~+到~(209)Bi~(32+)之间的各种离子束。为了降低研制风险,RFQ将加速H_2~+,并在DTL1下游对H_2~+进行剥离来提供H~+。该RFQ的工作频率为108.48 MHz,可将4 keV/u离子束加速到300 keV/u。在RFQ束流动力学设计上,首次提出绝热成形和非绝热聚束的设计方法,使得RFQ束流品质大大提高,特别是出口纵向RMS发射度大为减小。如果采用经典的设计方法,RFQ出口纵向RMS发射度为14.4 ke V/u·deg.,而利用这种新的设计方法,其出口纵向RMS发射度仅9.1 keV/u·deg.。同时还使得腔体更为紧凑,腔体长度仅为2.56 m,在总体上降低了造价,且束流传输效率达到了99.8%。在考虑合理的加工安装误差和注入束流误差的情况下,其传输效率仍有98%以上,束流横向发射度增长小于30%。基于SSC-LINAC RFQ的研制经验,该RFQ也采用了λ/4传输线型RFQ,以降低研制风险。电磁设计的结果显示,该RFQ的品质因子Q_0为5870,腔体功耗为98 kW,未经调谐的腔体谐振频率为107.62 MHz,二极场和四极场不平整度分别达到了±1%和±3%,满足动力学要求。为了补偿CST仿真误差、加工误差造成的频率偏差以及冷却水温度变化和腔体功率变化造成的频率漂移,设计了调谐垫块和调谐杆。对于SSC-LINAC,主要进行了RFQ实验研究。该RFQ工作频率为53.667MHz,长度为2.5 m,工作在CW模式。首次在SSC-LINAC RFQ上进行了低占空比高脉冲功率实验,验证了脉冲RFQ设计的关键参数Kp值的取值范围,为新的RFQ设计获得宝贵的第一手资料,为后续RFQ的设计提供实验依据。目前,该RFQ的研制工作已基本完成。束流实验结果显示,其传输效率达到了94%,束流横向发射度增长小于30%,能散(FWHM)约为7.5%,从实验上验证了其理论设计的可靠性。对于CSR-LINAC,其RFQ的初步设计已经完成。该RFQ工作频率为108.48MHz,可用于加速质荷比3~7的离子。其动力学设计采用了新四段式设计方法,使得RFQ的长度为3.07 m,传输效率达到98%。对该RFQ进行了注入束的误差分析,给出了允许的注入束误差范围,证实了其理论设计上有足够的余量。在CSR-LINAC RFQ高频结构方面,国内首次采用了IH型腔体,这种腔体结构具有较高的分路阻抗,能实现较高的加速效率。本文对该RFQ进行了初步的电磁设计,并对场分布、Q_0值、分路阻抗等高频特性参数进行了研究。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL53
【图文】：

图 2.2 带调制的 RFQ 电极[15]Figure 2.2RFQ electrodeswithmodulation图 2.3 带调制的电极所产生电场分布示意图（x-z平面）[16]igure 2.3The electric fielddistribution(inthe x-zplane)ofelectrodeswithmodulati 势函数RFQ 加速结构的射频电磁场可以采用麦克斯韦方程[17]组来描述：B

图 2.3 带调制的电极所产生电场分布示意图（x-z平面）[1he electric fielddistribution(inthe x-zplane)ofelectrodesw结构的射频电磁场可以采用麦克斯韦方程[17]组来描0BEtDH JtD ρB 场强度，B 为磁感应强度，D为电位移矢量，H 为磁 为电流密度。由于 RFQ 的电极几何尺寸远小于自由近似的方法[17,18]来分析其电磁场，即有 B / t 0

图 2.4RFQ 电极剖面图（x-z 平面）[21]Figure 2.4The sectionofRFQelectrodesinthe x-zplane立等式（2.22）和（2.23），求得系数01A 和10A ：0 0 001 2 20( ) ( )2 ( )V I ka I mkaAa m I mka （2.2010 20 012 ( ) ( )V mAm I ka I mka （2.此，引入两个无量纲参量——聚焦效率 X 和加速效率 A：0 020( ) ( )( )I ka I mkaXm I mka （2.220 01( ) ( )mAm I ka I mka （2.和 满足下述关系式：

【参考文献】

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本文编号：2761736