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1、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1.1RFQ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≦400-600kV，～mA流强B
2、.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(RadioFrequencyQuadrupole，射频四极场加速器)1.2RFQ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（4Vane）RFQ：质子100KeV–640KeV30mARFQ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12*束流强10–10m
3、A*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(BeamExperimentAbroadRocket)RFQ被Alice火箭送上太空进行-实验(1MeVH)2000美国LANL的LEAD(LowEnergyDemonstrationAccelerator)RFQ将100mA质子连续束加
4、速到6.7MeV(腔长8m，射频功率670kW！)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2a）：静电四极透
5、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2RFQ加速原理图(a)静电四极透镜原理图(b)RFQ电极剖面示意图(c)RFQ在X-Z平面上的电场2.2RFQ射频电场射频电场的电位可写成：ψ(r,θ,z,t)=U(r,θ,z)cos(ωt+φ)(1)考虑电极的对性，空间项可写成：∞2(2l+1)U(r,θ,z)=∑Folrcos2(2l+1)θt=0∞⋅∞+∑∑AnlIl(knr)cos2lθsinknz(2)nl>10=其中k=2π/
6、λ一般为简化，仅取前二项：V2U(r,θ,z)=−[Frcos2θ+AI(kr)sinkz](3)0010022m−1A10=A=------加速系数(4)2mI(ka)+I(mka)00F00=F=1−AI0(ka)------聚焦系数(5)m------调制系数I0------修正贝塞尔函数由U(r,θ,z),可得kAVE=I(kr)coskz(6)z02FVkAVE=rcos2θ+I(kr)sin(kz)(7)r21a2FVE=rsin2θ(8)θ2a从(4—(7)和图2(c)可看出：m增大时，
7、Ez和A增大，而Er和F减小。2.3RFQ电极端形状在X-Z平面，图2(b)and2(c)中电极顶端形状的方程可由在U(r,θ,z)中设定θ=0和U=-V/2得到：2F(x/a)+AI0(kx)sinkz=1(9)同样，图2(b)中Y-Z上的电极端部形状方程为:2F(y/a)-AI0(ky)sinkz=1(10)图2(b)中x和y坐标可被算得：z=0βλ/4βλ/23βλ/4βλx=r0ar0mar0y=r0mar0ar0其中r0=a/√F----特征半径βλ/2----一个单元长3.离子在RFQ中的
8、运动3.1纵向运动RFQ的纵向运动与一般离子直线加速器的类似，基于上述它的电场分布，一个单元上同步离子的能量增益为：L/2ΔW=qeEdzs∫Z−L/2=qeETLcosϕ(11)0s其中，平均场强E=AV/L(12)0渡越时间因子T=π/4(13)单元长度L=βλ/2(14)RFQ纵向运动方程为:d(W−W)=qeET(cosϕ−cosϕ)(15)s0sdzd2π(ϕ−ϕ)=−(W−W)(16)s33sdzεβγλ0ssd⎡33d⎤2πqeE0T或βγ
