RFQ加速器简介.pdf

RFQ 加速器的特性和设计 方家训 北京大学重离子物理研究所，100871，北京 RFQ (射频四极场)加速器是一种新型强流低能离子直线加速器。它不仅优点颇多、应用广泛， 而且在加速器物理上也很有特色，它巧妙地将束流的纵向、横向的匹配以及加速与聚焦等作用都 用一个加速腔中的单一射频电场予以实现。本课对它的加速原理、束流动力学、加速 腔，设计考 虑与应用、发展作了一简要介绍。 1. 前言 1.1 RFQ 前的低能( ≦MeV )离子加速器： 上世 80 年代前主要是体积庞大的直流高压型： A ．高压倍加器 ： 通常≦400-600 kV，～ mA 流强 B. 单级及串列静电加速器 ：通常 ～ MV, ～μA 流强 有没有～ MV 及～ mA 流强的离子加速器？ RFQ 加速器(Radio Frequency Quadrupole ，射频四极场加速器 ) 1.2 RFQ 加速器的提出、特性及发展： 1970 前苏联 Kapchinski 及 Teplyakov 提出 RFQ 直线加速器原理 1980 美国 LANL 建成第一台四翼型（4 Vane ）RFQ ： 质子 100 KeV – 640 KeV 30 mA RFQ 加速腔：长 111cm，直径 15cm，传输效率 87% 图 1 四翼型RFQ 加速腔 RFQ 加速器特点： * 体积小 1 2 *束流强 10 – 10 mA *离子能量 ～ MeV/核子 范围 *束流传输效率高 ＞80% *注入能量低～KeV/核子—-可直接接离子源后 *加速、聚焦及束流的纵横向匹配都在一腔中实现 结构紧凑、使用简便 1.3 应用广泛、发展迅速： RFQ 由于优异特性和广泛应用而取得了迅速发展： 1989 美国的 BEAR (Beam Experiment Abroad Rocket) RFQ 被 Alice 火箭送上太空进行 实验 (1 MeV H- ) 2000 美国LANL 的LEAD (Low Energy Demonstration Accelerator) RFQ 将 100 mA 质子 连续束加速到 6.7 MeV (腔长 8m，射频功率 670 kW ！) 现在，RFQ 已经成为了一种主要的、应用广泛的低能强流离子加速器： * 它己 取代了体积庞大的高压倍加器用作离子加速器的低能强流注入器，广泛用于 基本粒子物理、强中子源、加速器驱动系统、医学治疗、材料研究、离子束应用 等 领域。 * 由于RFQ 巧妙地将束流的加速、聚焦、及 纵向与横向的匹配都由一个射 频电场集中在一个加速腔中实现，因此也是学习加速器原理的一个很好的范例。, 2. RFQ 加速器的原理. 2.1 加速与聚焦作用 RFQ 可以看成是由 静电四极透镜演变而来（图 2 a ）： 静电四极透镜仅有聚焦作用，作两点改变： * 电极表面作波浪形调制 — 产生纵向加速电场 * 用射频电场代替静电场 — 实现连续的同步加速 图 2 RFQ 加速原理图 (a) 静电四极透镜原理图 (b) RFQ 电极剖面示意图