射频四极场(RFQ)加速器的进展

射频四极场(RFQ)加速器是当今强流离子加速器研究的热点之一,近年来国际上和国内对于散裂中子源、加速器驱动能源和其他高功率离子束应用所呈现的广泛兴趣,以及由此引起的对强流、高功率加速器的迫切要求,更对用作它们前级加速结构的RFQ速器提出了种种新的要求,特别是对它能在高的负载周期、甚至在连续波(CW)工作状态下加速高流强的离子束,及其运行的稳定性和可靠性提出了空前严格的要求,推动着RFQ加速器不断地完善和发展,文中试图对国际上应用RFQ的强流高功率加速器,以及四翼、四杆、交叉指与超导等主要类型RFQ加速器的最新进展和上述各方面问题的研究予以述评。

基于DDS的四极杆射频电源设计

四极杆质谱仪在化学、生物、医学以及材料学等许多领域中都是非常重要的分析工具,被广泛应用于物质化学组成分析、生物大分子构成研究、血液中的生化分子检测、新材料组成研究等工作上。在四极杆质谱仪的离子筛选过程中,想要形成能筛选特定离子的四极场,就需要给四极杆提供合适的交直流电压。因此,能提供合适电压的射频电源是四极杆质谱仪中必不可缺的一个部件。目前,四极杆质谱仪的射频电源都有使用 RLC串联谐振电路以得到交流高压。一些设计通过改变电感线圈匝数来对谐振电路进行调谐,但是这需要人工调节线圈匝数。为了改善这个缺点,本论文采用了直接数字式频率合成技术(DDS),这种设计通过指令控制电源的交流频率以进行调谐。而目前采用DDS芯片的射频电源还有频率精度不高的问题。本次的设计针对这个问题,使用了上位机控制程序以及将小数转为浮点数进行传递的方法,提高了射频电源的交流频率精度到0.1Hz,以便更精准地进行调谐。实验表明,该射频电源的交流频率精度为0.1Hz,其在10Hz~10MHz 的频率范围内都能保持稳定的交流电压,频率最大误差不超过0.070%,RSD为0.266%。另外,其还具有可调的3.8~18.9V交流电压峰峰值。

强流射频四极加速器输入耦合环的物理设计研究

详细讨论了强流射频四极加速器高频输入耦合环的一些基本问题,完成了高频输入耦合环的初步物理设计.利用二维程序Superfish的一些结果,确定了耦合环的大小,计算了耦合环的功耗,并对构成耦合环导线的粗细进行了估算。该耦合环的物理设计可作为耦合环试验的基础,同时,也可作为三维程序HFSS模拟计算的起点。

关于分离作用射频四极场(RFQ)加速结构的设想

RFQ加速器是一种体积小、束流强、性能优良、应用广泛的新型离子直线加速器,但随着加速能量的增高,它的加速效率逐步下降.分析了加速与聚焦作用之间相互制约引起的矛盾,提出了将加速与聚焦作用分离的“分离作用RFQ”(SFRFQ)的设想.对两种分离作用的加速结构进行了讨论,并通过初步的模拟计算与模型实验测量论证其可行性.它们都可提高能量增益,从而有效地提高加速能量的上限.

强流射频四极加速器耦合单元的物理设计研究

用二维程序SUPERFISH和三维程序MAFIA对射频四极加速器进行了计算机模拟。通过模拟 ,确定了射频四极加速器中工作模的射频电场的分布 ,完成了射频四极加速器的耦合单元、调谐块和起始单元的设计。设计耦合单元必须使射频四极加速对干扰不敏感。对设计的方案进行了讨论和分析。

射频四极场加速器低能强束流传输注入系统的实验研究

对加速器驱动的次临界系统(ADS)的射频四极场(RFQ)加速器的低能强流束流传输系统进行实验研究,给出了在强流离子束束腰附近测量束流参数的方法,并测量了强流质子注入系统在RFQ入口处的束流参数。目前,该系统已成功地应用于强流射频四极场质子加速器中。

分离作用射频四极场加速器的结构和工艺设计

介绍了北京大学分离作用射频四极场(RFQ)加速器的结构特点,包括膜片式电极、支撑环式电极支撑系统、水冷系统、调谐系统及其工艺实现;介绍了基于该分离作用RFQ加速腔进行的调谐测试、高功率实验和束流实验。结果表明:调谐系统的频率调节范围及品质因数完全满足实验要求;分离作用RFQ加速腔的输入功率可以达到33 kW以上,满足高功率下稳定运行的条件;在束流实验中,把1.03 MeV的O+入射束流加速到1.65 MeV,半高宽能散小于3%。加速器结构满足物理设计要求,加速系统运行稳定。

分离作用射频四极场加速器频率调谐和高功率试验

在分离作用射频四极场(SFRFQ)加速腔中加入频率调谐装置,用步进电机驱动调谐杆运动,改变调谐板在腔中的位置来改变调谐板与支撑环之间的分布电容,从而改变SFRFQ腔的工作频率,使其谐振频率为26.07 MHz,实现了RFQ和SFRFQ组合加速系统频率的匹配。在完成两腔频率调谐的基础上进行了SFRFQ腔体1/6占空比高功率试验,轫致辐射谱的测量表明,SFRFQ极间电压在入射峰值功率为28.8 kW时已达到86.2 kV,超过了设计指标的70.0 kV。

200MHz质子带窗四翼型射频四极场加速器结构模拟研究

根据束流动力学设计方案,使用电磁场计算软件CST Microwave Studio对带窗四翼型射频四极场(RFQ)结构进行了模拟研究,分析了加速腔结构参数对其物理特性的影响,得到了200MHz质子带窗四翼型RFQ优化结构方案。该结构的比分路阻抗为79.5kΩ·m,模式间隔达25.802MHz。与传统的四翼型RFQ比较结果表明:带窗四翼型RFQ具有较低的工作频率范围、良好的电稳定性以及较高的比分路阻抗。

西安200 MeV质子应用装置射频四极加速器的设计与测试

介绍了西安200 MeV质子应用装置(XiPAF)射频四极加速器(RFQ)的物理设计、低功率冷测与调谐、高功率老练及束流调试结果。这台四翼型RFQ长度为3 m,主要功能是将电子回旋共振(ECR)离子源产生的负氢离子束流进行聚焦、聚束,并将束流能量从50 keV提高到3 MeV,然后注入到下游的漂移管直线加速器(DTL)中。这台RFQ的注入峰值电流强度设计值为6 mA,束流脉冲最大重频为0.5 Hz,脉宽为10~40μs。经过加工安装和冷测调谐,RFQ四极工作模式场分布测量值与设计值的相对偏差小于2.7%,二极模式占比小于±1.9%。RFQ高功率老练完成后,在束流调试中顺利找到工作点。在工作点下,RFQ传输效率能达到94%,出口束流横向归一化均方根(RMS)发射度为0.4πmm·mrad^(-1),束流能量为2.96 MeV。

光阴极注入器型能量回收射频加速器

光阴极注入器型能量回收射频加速器 (PERL)是新一代加速器 ,在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性 ,对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究 ,设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器 ,能有效地提高DC加速腔中的加速场强 ,当高压为 1MV和加速场达到 10MV/m时 ,产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明 ,能获得高效率电子束流能量回收效果。

201.5MHz氘离子RFQ加速器射频结构设计(英文)

一台201.5MHz、2MeV、50mA的氘离子射频四极场(RFQ)加速器将用于北京大学中子实验平台。该加速器用4杆型谐振结构,同时为方便水冷采用了微翼型电极。射频结构设计使用了三维电磁场模拟软件MicrowaveStudio○R,并力求满足降低二极场效应和射频功率损耗的要求。文章讨论了优化设计方法并给出一个设计结果。

750keV射频四极注入器水冷设计

750 keV,201.25 MHz的射频四极注入器为四杆型,电极长度124 cm,共16个支撑板。根据加速器射频结构设计的结果进行了水冷管道的结构设计,理论分析了管路的流体力学特性和传热学特性。在忽略结构形变的情况下,利用射频计算软件的稳态热分析功能计算了加速腔的温度分布,降低了模拟计算的难度。计算结果表明:加速腔的最大温升控制在1 K以内,水冷系统能够使加速器在适宜的温度下长时间稳定运行,设计结果很好地满足了物理需求。

C-ADS项目RFQ加速腔的射频耦合器研制

C-ADS项目的注入器ⅡRFQ加速腔射频耦合器是为该四翼型常温射频四极场(RFQ)加速器专门设计的一种高功率耦合器件,其主要特点是采用碗状陶瓷窗结构及合理的生产工艺,很好地解决了耦合器传输阻抗匹配问题。该耦合器主要由内外导体、陶瓷窗、耦合环及多路水冷却回路组成,并在陶瓷窗内表面电镀氮化钛涂层以降低由于次级电子倍增效应所带来的发热,在相同频率和功率等级下结构更加紧凑,达到了C-ADS项目的四翼型腔体馈送120kW射频功率的目的。在2014年7月中旬实现了10mA、2.1 MeV束流的加速,为该项目的四翼型直线加速器出束提供了必要的硬件支持。该耦合器可为相近频率、类似功率等级的耦合器提供技术参考,并在国内的加速器领域具有一定的指导意义。

750keV射频四极注入器射频结构的优化

设计了750 keV,201.25 MHz的RFQ注入器的射频结构,对四杆型RFQ结构进行了简要的理论分析,在束流动力学设计的基础上,对射频结构进行了优化。研究了四杆型RFQ结构中支撑板高度、宽度、厚度、间距、形状、外腔体半径等因素对射频特性的影响,进行了优化设计并给出了主要的结构参数及射频特性的设计结果。优化设计得到的四杆型RFQ腔体长度126 cm,在极间电压80 kV时,峰值功率损耗为115.95kW,二极场因子为1.004,电场沿轴向分布比较均匀,偏差小于3.5%,满足了物理需求。

750keV射频四极注入器束流动力学设计

描述了一台750 keV,201.25 MHz的射频四极注入器束流动力学设计。在考虑与35 MeV质子直线加速器匹配、功耗小、传输效率高等原则的基础上,提出了加速器的技术要求。给出了两套设计方案的主要参数和设计结果。分析了能散度、发射度、Twiss参数、注入流强和能量等参数在非理想匹配条件下对束流传输效率的影响。比较了两套方案的异同点。模拟计算结果表明,两套设计方案均可以满足物理要求,传输效率都在99.3%以上。

用于离子捕获和冷却的线电极四极杆离子阱的设计与仿真

射频离子阱作为离子捕获系统的核心器件,广泛应用于化学反应动力学、原子分子物理、精密测量和离子光谱等领域.离子阱可以与低温制冷机相结合,将离子储存、富集并冷却至低温,从而为后续实验提供极大便利,例如高分辨光谱学。本文详细描述了一种射频线电极四极杆离子阱的结构设计,该离子阱利用六个线电极作为传统四极杆离子阱的一个圆柱形电极模拟双曲面.研究模拟了离子阱内的电场分布和离子运动轨迹,用以考察所设计的射频线电极四极杆离子阱的性能,研究表明它能够将离子囚禁束缚在一个很小的空间.基于所设计的离子阱支撑部件、离子阱腔体、电极和印刷电路板,结合所选择的材料进行了传热学模拟。模拟的温度分布表明,所设计的射频线电极四极杆离子阱与液氢低温制冷机结合使用,可以将离子冷却到5K以下的低温.这项工作将有助于推动离子阱技术在精密光谱学中的应用。

一种消除核四极矩共振探测系统中射频干扰的方法设想

本文针对核四极矩共振探测系统中面临的NQR信号检测频率附近出现的射频干扰问题．提出了一种消除该射频干扰的自适应对消电路方法,通过原理分析和计算机仿真说明该种方法对消除射频干扰信号是可行的。

飞行时间质谱仪四极杆射频信号放大器的研制

根据自制质谱仪需求研制了一种射频放大装置,由放大电路模块和耦合线圈构成,将其与射频信号发生装置结合用以驱动射频四极杆。该射频放大器可将射频信号放大30倍,为自制射频四极杆提供共振频率1.4 MHz,射频电压峰峰值电压Vp-p可调范围0～600 V的射频信号。自制四极杆用于传输大气压下离子源产生的离子从离子源至工作在高真空中的垂直引入式飞行时间质量分析器,应用该放大器,可传输质荷比为30～600 amu的离子。

飞行时间质谱仪射频四极杆驱动器的研制

针对自制垂直引入式飞行时间质谱仪（orthogonal extraction time-of-flight mass spectrometer，O-TOFMS）的需要，运用直接数字频率合成（direct digital frequency synthesis，DDS）技术，研制了射频四极杆的高压射频驱动电路装置。该驱动器频率可调范围为0．5～2MHz，幅度最高达到1000Vp-p。该射频四极杆驱动器（radio frequency quadrupole driver，RFQ Driver）可用于分子离子反应器（molecule ion reactor，MIR）和RFQ驱动，其结构简洁、成本低、性能稳定可靠。