北京大学300KeV和1MeV离子注入用RFQ加速器.pdfVIP

北京大学300KeV与1Mev离子注入用RF0加速器木 方家训陆元荣李纬国郭菊芳于茂林吴瑜 于金样任晓堂王忠义陈佳洱 北京大学重离子物理研究所(100871) 摘要： RFQ(高频四极场)加速器是适于MeV级能量离子注入用的强流新型直线加速器。 北京大学在1994年建成了第～台300KeV RFQ加速器后，在其基础上又继续开展了IMeV 的能量，’本文介绍了这台RFQ加速器及其主要指标。 关键词：重离子离子注入RFQ加速器 一、引言 RFQ(Radio FrequencyQuadrupole)加速器是国际上八十年代后迅速发展起来的一 种新型直线加速器。它束流强、品质好、体积小、使用方便、离子源敞开在地电位，适 于将各种离子从离子源引出后直接加速到每核子1—2MeV的能量，因此很适于用作Mev级 能量、mA级流强的离子注入机，和现有的直流高压型高能强流离子注入机比较起来，它 有着上述的诸多特点。正因如此，现在国际上不少研究单位，尤其是日本的日立、Nissln、 东芝、岛津等公司都在大力开发高能强流RFQ离子注入机．用于满足新型微电子器件、 埋层新工艺、以及材料改性等的迫切需求。北京大学在研制重离子直线加速方面有着良好 的基础，1984年它的科研人员提出了适于加速重离子的整体分离环型RFQ加速结构，在国 家自然科学基金的连续资助下对这种RFQ进行了系统的研究，1994年在国内首次建成了一 台300KEY，N+、0‘离子的RFQ加速器，在此基础上又继续开展了i$teV0+离子RFO加速器 的研制，并于1999年7月首次成功地取得了1MeV O+离子束。现在正致力于不断完善它的 各项性能指标，和开展它的应用研究。 二、RF0加速器及其在离子注入中的应用 RFQ加速器原理是前苏联卡帕坎斯基等在1970年提出的【“。静电四极场早已广泛地用 于带电粒子束的聚焦。RFQ加速器则在电四极场上叠加一个轴向加速电场，并将静电场变 为高频场。这样离予在其中运动时不仅仍受到横向聚焦作用，而且还可同时受到轴向加速 ● 国家自然科学基金重点项19775002 0 作用。这样的高频电场可以在圈1所示的极面沿轴向呈波浪形调制的高频四极场电极系统 的轴上产生，其中相对电极的电位同相，相邻电极的电位反相。这样的适于加速质子等轻 Vane)RFo： 离子的具有较高频率的RFQ电极系统一般用园柱谐振腔激发，称为四翼型(4 丽适于加速重离子的低频RFq电极系统则应采用谐振线激发，北京大学科研人员1984年 提出的26Ml|z重离子分离环RFQ就是采用谐振线型的分离环来激发的口】。 国际上RF0加速器在80年代上半期主要是发展高频的轻离子四翼型RFQ。其代表是 1980年由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研制成功的第一台425MHz四翼型RFQ。它将26mh 的强流质子束加速到600KEY能量。束流传输效率高达87％。这台RFQ腔长仅11lcm，直 径才15cm。在此基础上该实验室随后建成的为美国“星球太战计划”送入太空试验的1MeV 质子R阳长度又缩短至lm，它充分体现了I}FQ加速器束流强、体积小，传输效率高，使用 可靠方便的优点。因此质子RFQ很快取代了体积庞大的高压倍加器用作其他加速器的注入 器，并在强中子源和医疗等领域得到了重要应用和迅速的发展。 80年代后期新型微电子器件，埋层瓶工艺及材料改性等对强流高能离子注入的研究与 需求，促进了重离子髓Q的迅速发展，由于强流重离子RFQ要求工作在较低的谐振频率， 因此重离子RFQ或是采用低频四翼型RF。腔(但它的工作频率～般高于70Erlz，否则腔直 径太大)，或者采用新型谐振线型R冈腔，前者如1991年日本岛津公司在京都大学协助 下建成的70删z 的N+、0．24的B+。后者如日本东京大学同日立公司1994年合作建成的四杆型(4Rod)RFQ， 它的工作频率可在lO--301舡{z范围内变化，以实现被加速的N+、P+、Ar2+等离子能量的变