[发明专利]一种射频四极场加速器及其加速方法

说明书

本发明涉及一种射频四极场加速器及其加速方法，该加速器根据基本参数的变化规律划分为径向匹配段、成形段、小能量接受度段和加速段，小能量接受度段用于完成对来自成形段的束流的聚束，在聚束过程中，通过配置小的调制因子并使其缓慢增加实现小的能量接受度，通过小的能量接受度来丢失2％～3％的束流。本发明通过故意丢失一小部分束流(传输效率仍高于95％)，使得这部分束流无法获得能量增益，在较低能量时就被损失，从而显著降低丢失束流对RFQ加速器电极的损伤。本发明中加速段进一步包括增能段和常规加速段，并使成形段获得更小纵向发射度，由此在RFQ加速器出口处获得“干净”的高束流品质束流。

技术领域

本发明涉及射频四极场加速器动力学设计技术领域，尤其涉及一种射频四极场加速器及其加速方法。

背景技术

射频四极场(RFQ)加速器是20世纪60年代末提出的一种低能离子直线加速器，通常用于直接加速由离子源引出的直流束。这种加速器既能够对粒子进行加速，其自身还具备同时对离子束的横向聚焦作用和纵向聚束作用，能高效地将毫安级、甚至百毫安级的强流离子束加速到每赫兹几个MeV。这种加速器已被广泛用于加速器系统前端注入器、离子注入、强流中子源和加速器驱动清洁能源等领域。高束流强度和CW运行模式是近些年RFQ发展的主要方向。为解决高束流强度带来的空间电荷效应问题，国际上提出了各种动力学加速，其中最具代表性的是经典四段论和均温加速。

参考图1，经典四段论根据RFQ加速器基本参数(孔径a、电极调制系数m，相位φ_s和极间电压V)的变化规律，将RFQ加速器分为四个部分：径向匹配段101＇、成形段102＇、慢聚束段103＇和加速段104＇。其中，径向匹配段101＇的形状像一个张开的喇叭口，用于实现低能传输线中不随时间变化的束流与RFQ加速器中随时间变化的聚焦系统之间的匹配；成形段102＇让束流形成纵向结构，慢聚束段103＇将束流在纵向压缩成一系列的束团，加速段104＇将束流加速到最终的目标能量。均温加速考虑了RFQ加速器和束流的耦合作用，其核心思想是使得束流在成形段末端开始，直至RFQ加速器末尾始终保持各向同性，横向与纵向之间没有额外用于产生发射度交换的自由能，从而控制发射度的增长。

RFQ加速器可以抽象为具有加速功能的高频电四极透镜系统，利用沿Z轴对称放置的四根具有周期性微小调制的电极产生的高频电场聚焦和加速束流。当四根电极未加调制时，其加载周期为T的交变电压，以正离子为例，t时刻，电四极透镜上所加的电压如图2(a)，x方向受到聚焦作用，y方向收到散焦作用；而在t+T/2时刻，电四极透镜上所加的电压如图2(b)，x方向受到散焦作用，y方向受到聚焦作用，如此循环，正离子在x、y两个方向都将受到交变梯度的聚焦作用。

当RFQ加速器四根电极表面加上了周期性微小调制后，如图3所示，就会产生纵向电场分量，对束流进行加速。电极极头的最小孔径是a，最大孔径是ma，其中m为调制系数，从最小孔径到最大孔径的距离为一个加速单元长度。两个相邻的最小孔径间或最大孔径间的距离称为一个调制周期，每个调制周期包括两个加速单元，并且同一时刻相临两个单元的纵向电场方向相反。当束团在t时刻某一个加速单元获得加速，由于束团在一个加速单元的行进时间与高频电场相位改变时间同为T/2，束团在进行下一个加速单元后，原来的减速场反向，所以束团仍能获得持续加速。

现有的RFQ动力学设计方案意在实现最大的传输效率和尽可能好的束流品质，且通过横、纵均方根发射度来作为束流品质好坏的判断标准。高流强、高功率和高稳定性直线加速器的发展，对束流损失的控制提出了更高的要求，也就是对束流品质提出了更严格的要求。除束流均方根发射度外，包含更高比例粒子的发射度，例如包含99.9％粒子的发射度，成为RFQ加速器束流品质好坏的新标准。