四杆与四翼型RFQ内的二极场研究

RFQ (射频四极透镜) 是直线加速器中最重要的前级聚焦加速结构，其工作模式下束流孔中的电场四极对称性是保证束流品质及加速效率的关键。为了解决其各自存在的工作模式下四极场的不对称问题，分别对四杆型RFQ 和四翼型RFQ 的结构和模式谐振特性做了研究。针对四翼型RFQ，模拟显示双端口对称耦合的方式从抵消二极模式和提高结构对称性两方面来达到削弱工作模式下的场分布中二极量的目的，对一个1 m段四翼RFQ 模型腔的测量证实了双端口对称耦合抵消腔内二极模式的有效性；针对四杆型RFQ 的二极场，以SSC-Linac 项目的RFQ 为原型，利用三维模拟计算软件CST-MWS 进行模拟，通过改进支撑板的结构并调整参数，完全地消除了工作模式下的极间二极场，且理论上此种改进方法对支撑板结构的四杆型RFQ 均有效。Radio Frequency Quadruple(RFQ) is the most important front-end acceleration structure in linear accelerators.It can focus and accelerate beam in longitudinal and transversal direction, simultaneously. Symmetric of electric field in acceleration aperture is very important for the beam dynamics. To an idea RFQ, there is only quadruple electric field in the acceleration aperture. The dipole field in aperture is harmful and need be as small as possible. The methods to reduce it are studied in a four-rod RFQ and a four-vane RFQ in the article ndependently. To a four-vane RFQ, the symmetrical double-port couplers are employed to counteract the neighboring dipole modes. The availability is confirmed by the simulation with the 3-D Finite Element tool, CST-MWS. And it is also observed by measuring a model-cavity with a symmetrical double-port couplers. To a four-rod RFQ, a new structure of stems is proposed to reduce the dipole mode.Taking the RFQ for the SSC-LINAC project as example, the dipole mode contributions to the electric filed is completely eliminated by selecting stem’s parameters carefully. It is confirmed by the simulation of CST-MWS. heoretically, this method is independent with the frequency of an RFQ and serves for all RFQs with 4-rod or 4-wane structure.     

SSC直线注入器RFQ腔体多物理场分析

SSC-LINAC是为兰州重离子研究装置（HIRFL）设计的直线注入器,它将U34+离子加速到1 MeV/u注入到分离扇回旋加速器（SSC）中,为冷却储存环（CSR）提供10 MeV/u的U34+。该注入器可以将SSC引出的重离子流强提高一个量级以上。SSC-LINAC由一个RFQ（Radio Frequency Quadrupole）加速器和4个DTL（drift tube linac）组成,设计频率为53.667 MHz。RFQ工作在连续波模式,设计功率30 kW,如果不能有效地冷却,高频电流在电极表面产生的热量会使RFQ的腔壁和电极发生形变,从而导致腔体频率的漂移以及加速和聚焦电场的改变。因此,为了保证连续波工作的RFQ加速器稳定运行,对水冷模式和通道设计提出了很高的要求。作者用有限元软件ANSYS对RFQ进行高频电磁场、温度场、结构应力的耦合分析,验证了冷却方案设计的可行性和可靠性。Heavy Ion Research Facility at Lanzhou(HIRFL) consists of SFC, SSC, CSRm and CSRe. A new linac injector, which will increase U34+ to 1 MeV/u, is designed for SSC to increase the beam intensity to ten times higher. The new injector, whose frequency is 53.667 MHz, is composed by a RFQ (Radio Frequency Quadrupole) cavity and four DTL(Drift Tube Linac) cavities. The RFQ cavity, whose RF power is 30 kW, is operated at CW(continuous wave) mode. The heat produced by HF (high frequency) electromagnetic will cause deformation of RFQ structure, lead to the resonant frequency shift, and reduce the focusing efficiency of the cavity. An efficient cooling system is necessary to ensure that the RFQ cavity can stably be operated at the nominal frequency. A detailed multi-physics field coupling analysis of RFQ has been finished with 3D finite elements software ANSYS. The result of the analysis shows that the water cooling system can cool the RFQ cavity fully and keep the frequency drift be in a acceptable level.     

分段共振耦合RFQ的调谐与测量

对一长度为3m的分段共振耦合RFQ冷模进行了多次调谐和测量,得到了RF电场平整度好于4%的场分布;解决了分段共振耦合RFQ调谐时耦合单元处RF电场分布出现的台阶问题;确定了分段共振耦合RFQ的调谐步骤.     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置（APTR）,开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

强流RFQ的稳定性设计研究

对强流RFQ耦合间隙的确定、二极模稳定杆的设计进行了详细的研究和讨论.利用现有的RFQ冷模,进行了本征模频率的测量、场分布的调试和测量、二极模稳定杆的试验.并通过与模拟结果的比较,验证了模拟程序在RFQ腔体设计中的可靠性.同时,对影响RFQ稳定性设计的物理进行了有益的探讨.     

HIRFL高频腔体功率耦合匹配实验研究

介绍了HIRFL主加速器SSC高频腔体功率馈入耦合匹配系统的研究,实验结果表明,通过改变耦合环角度可更好地实现高频腔体和高频发射机之间的匹配,提高了高频腔体电压和高频发射机的工作效率。     

HIRFL高频腔体功率耦合匹配实验研究

 介绍了HIRFL主加速器SSC高频腔体功率馈入耦合匹配系统的研究，实验结果表明，通过改变耦合环角度可更好地实现高频腔体和高频发射机之间的匹配，提高了高频腔体电压和高频发射机的工作效率。     

高压击穿现象的实验研究和对RFQ冷却聚束器RFQ1L的模拟

RFQ冷却聚束器RFQ1L是正在研制的超重核研究谱仪的一个关键部分. 为了感性认识气体的高压击穿现象, 对电极间能够承受的电压进行了实验测试. 另外, 根据现有已知条件, 重新详细模拟了离子在RFQ1L中的冷却和存储情况, 为RFQ1L实际工作点的选择提供了很好的理论依据.     

分离作用RFQ加速器物理特性的研究

RFQ加速器中加速效率随加速能量的增高而下降,为克服由此导致的RFQ能量局限而提出的分离作用RFQ加速结构,在仍保持采用射频四极场聚焦的同时,将加速与聚焦作用相分离. 综述了对它的加速效率、反场问题、腔体及束流特性研究 的结果,初步证实了其可行性及在较高能量区加速效率得到提高,并对正在研制的一台采用了这种分离作用RFQ的1.5MeV组合加速器做了介绍.     

杆型SFRFQ结构的研究

RFO加速结构是一种非常巧妙的低能强流加速结构,但是它存在能量上限问题.而杆型SFRFQ加速结构是一种改进的无反场的SFRFQ结构.对分离作用杆型RFQ加速结构在能量增益和横向稳定性两个方面进行了研究,最后还和光阑型SFRFQ结构进行了一些简单的比较 关键词： 能量上限问题 RFQ 杆型SFRFQ 反场 光阑型SFRFQ     

强流四杆型RFQ加速腔水冷系统的设计和数值模拟

为了研制一个强中子发生器，北京大学重离子物理研究所设计了一台高负载因子、高流强的RFQ加速器. 本文讨论了RFQ加速腔水冷系统的设计，使用有限元软件ANSYS对水冷系统进行了分析. 使用MAFIA模拟计算得到的功率密度，并将其作为ANSYS水冷模型的边界条件. 因为MAFIA程序和ANSYS程序分网方法的不同，使用一个程序来将MAFIA的结果导入到ANSYS模型中，从而建立起了RFQ加速腔的热分析模型. 通过这个热分析模型分析并检验了水冷系统的设计，确定了水冷系统的结构. 模拟计算结果表明：使用目前设计的这套水冷系统，能够使RFQ加速器工作在适宜的温度下以及长时间稳定的运行.     

350MHz强流质子RFQ加速器工艺腔的研制与测量

为研究强流质子RFQ加速腔的设计与加工工艺,研制了一台全尺寸无氧铜工艺腔.本文介绍了其物理设计与机械设计、机械加工与钎焊工艺研究及其高频性能的测量和调节.经调节,RFQ工艺腔可以达到较为理想的电场分布,其4个象限电场分布的一致性和平整度均能满足要求,二极场分量也足够小     

基于HIAF SRing的并束实验设计及研究

超重核的真空衰变对于验证量子电动力学至关重要,由于过去的固定靶实验中,核外电子干扰正负电子对的测量,国际上尚未观测到该现象。提出基于HIAF SRing的并束实验方案,通过238U92+在自由空间碰撞,排除了核外电子的影响。根据亮度理论,结合对交叉角度、Laslett频移和束束相互作用的分析,优化得到1.9×1024 cm-2s-1的峰值亮度,基本满足了实验需求。Vacuum decay phenomenon of superheavy nucleus is a problem of fundamental interest to verify quantum electrodynamics. As the shell electrons interfere the detection of electron-positron pairs in the fixed target experiments in the past, it's still not corroborated. A new merging experiment scheme is proposed in this paper. The interference of shell electrons is eliminated by collisions of 238U92+ in free space. According to the luminosity theory and the analyses of crossing angle, Laslett tune shift and beam-beam interaction, an optimized peak luminosity of 1.9×1024 cm -2·s -1 is achieved. It meets the requirements of merging experiment essentially.     

分段共振耦合RFQ场调谐方法研究

强流质子加速器需要采用分段共振耦合RFQ作为其低能加速结构,为减少束流损失,RFQ加速器必须达到所要求的场分布.针对共振耦合结构的特殊性,在RFQ传输线模型的理论基础上,在一台RFQ冷模型上进行了场调谐的实验研究,获得了满意的实验结果.同时,也验证了作者用LabVIEW编写的RFQ场调谐程序的正确性.     

The Design and Simulation of a Cooling System of High Current 4-rod RFQ Cavity

To develop a high current neutron generator, preliminary studies on a high current, high duty factor 4-rod RFQ accelerator has been carried out in the Institute of Heavy Ion Physics,Peking University. This paper discusses the design of a cooling system of the RFQ cavity. Finite element program ANSYS was used to analyze the cooling system. The power density was simulated by MAFIA and used as the boundary condition of ANSYS. Due to the different meshing methods between MAFIA and ANSYS, a program was written to transfer the result of MAFIA to ANSYS. Then a thermal analysis model of RFQ cavity was built by using ANSYS. The design of the cooling system was analyzed and checked by using this model, and then the structure of cooling system is determined. Simulation results showed that the design of the cooling system makes RFQ accelerator working at proper temperature and long time steadily.     

基于非本征Fabry-Perot腔光纤液位传感器研究

介绍了适用于液位测量的强度型非本征法布里-珀罗（F-P）腔光纤液位传感器的结构设计及其性能.实验观察到F-P腔具有良好的多周期输出特性和局部的线性特性,选用局部的1/4周期输出线性段作为线性工作区间可对液位进行高准确度、连续性测量.恰当选择敏感组件的尺寸可设计不同量程的传感器.实验结果表明,传感器测量3.5 m水位时,精确度为±2 mm,最小分辨率为1 mm.     

RFQ加速器中二极模稳定杆作用机理的研究

RFQ加速器中的二极模场给束流施加一个偏转力,导致束流损失在机器上.因此,必须采取降低二极模场的措施.人们提出采用二极模稳定杆使二极模频率远离四极工作模.在一台RFQ冷模上开展的实验研究中,发现了一些与二极模稳定杆作用机理相关的新现象,本文报告这些实验结果,并对其进行分析解释.根据这些结果,提出,利用非对称性地插入二极模稳定杆,可以降低非对称RFQ腔体中的二极模场分量.