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。     

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。     

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。     

BEPC同步辐射专用模式横向耦合测量及补偿

对北京正负电子对撞机(BEPC)同步辐射专用模式下的横向二阶差共振耦合做了研究.应用二阶差共振微扰理论,首先测量了BEPC同步辐射专用模式的耦合系数,然后通过数值分析和程序模拟找出耦合来源,最后通过引入斜四极子,成功地对横向耦合进行了补偿.     

医用质子加速器注入器7 MeV漂移管直线加速器的设计

针对质子治癌直线加速器功耗少、长度短的要求,设计了一台工作频率为324 MHz的漂移管型质子直线加速器(DTL)。该DTL把粒子从2.5 MeV加速到7 MeV,功耗为265 kW, 总长1.9 m。横向聚焦采用FODO结构,漂移管内放置永磁铁。提出一种新的束流匹配方案,在射频四极场加速器(RFQ)与DTL之间不设束运线,而是以 DTL入口处的4个单元为匹配段,把RFQ出口处相椭圆匹配到DTL周期结构入口处的相椭圆。 用PARMILA程序对该DTL进行了动力学模拟,结果表明该方案的束流发射度增长很小。     

三维射频加速腔程序包MAFIA的开发和应用

介绍了三维射频加速器计算机辅助设计(CAD)程序包MAFIA的特点、功能及其应用。用CAD的方法实现了射频加速器特别是非轴对称带耦合腔的加速器的三维腔形设计。同时介绍了节省内存、节约机时的模型方法,使得在中小型机器上运行大程序(八万条)成为可能。文章主要对L波段的加速腔进行了数值模拟,并和实验进行了比较,结果符合较好;通过三维数值模拟及图形模拟的方法比较了各种形状谐振腔的性能;计算分析了输入耦合腔及高阶模耦合器对加速腔电磁场分布等参量的影响;提出了加耦合器后谐振频率改变的补偿方法。     

医用质子加速器注入器7MeV漂移管直线加速器的设计

 针对质子治癌直线加速器功耗少、长度短的要求,设计了一台工作频率为324 MHz的漂移管型质子直线加速器(DTL)。该DTL把粒子从2.5 MeV加速到7 MeV,功耗为265 kW, 总长1.9 m。横向聚焦采用FODO结构,漂移管内放置永磁铁。提出一种新的束流匹配方案,在射频四极场加速器(RFQ)与DTL之间不设束运线,而是以 DTL入口处的4个单元为匹配段,把RFQ出口处相椭圆匹配到DTL周期结构入口处的相椭圆。 用PARMILA程序对该DTL进行了动力学模拟,结果表明该方案的束流发射度增长很小。     

9MeV行波直线加速器用四极透镜系统状态分析

分析了大型海关集装箱检测系统用的9 MeV电子直线加速器的四极透镜系统变为斜四极透镜系统对束流聚焦特性的影响。对三单元四极透镜系统聚焦参数、制造和安装误差进行了分析,给出了参数选择方法和合理的误差要求。以上计算利用束流动力学程序TRANSPORT完成。     

双周期加速结构腔间耦合系数的模拟计算

在直线加速器加速管的设计中, 腔间耦合系数是一个关键参量, 它的误差是影响场分布误差的主要因素. 准确计算耦合系数，对于腔间耦合孔几何参数的设计十分重要. 目前, 采用电磁场计算软件进行数值模拟是计算耦合系数的主要 方法. 文献调研发现, 使用MAFIA程序计算耦合系数, 对于单周期的盘荷波导结构, 根据MAFIA程序内部电(磁)边界条件和周期性边界条件, 对应两者有行波模拟、驻波模拟两种方法计算色散曲线. 本文结合这两种方法, 对计算双周期加速结构耦合系数的方法进行了探索, 它们可得到相近的结果, 与实验测量值的差别小于15%.     

9MeV行波直线加速器用四极透镜系统状态分析

 分析了大型海关集装箱检测系统用的9 MeV电子直线加速器的四极透镜系统变为斜四极透镜系统对束流聚焦特性的影响。对三单元四极透镜系统聚焦参数、制造和安装误差进行了分析，给出了参数选择方法和合理的误差要求。以上计算利用束流动力学程序TRANSPORT完成。     

强流RFQ的稳定性设计研究

对强流RFQ耦合间隙的确定、二极模稳定杆的设计进行了详细的研究和讨论.利用现有的RFQ冷模,进行了本征模频率的测量、场分布的调试和测量、二极模稳定杆的试验.并通过与模拟结果的比较,验证了模拟程序在RFQ腔体设计中的可靠性.同时,对影响RFQ稳定性设计的物理进行了有益的探讨.     

四杆与四翼型RFQ内的二极场研究

RFQ (射频四极透镜) 是直线加速器中最重要的前级聚焦加速结构，其工作模式下束流孔中的电场四极对称性是保证束流品质及加速效率的关键。为了解决其各自存在的工作模式下四极场的不对称问题，分别对四杆型RFQ 和四翼型RFQ 的结构和模式谐振特性做了研究。针对四翼型RFQ，模拟显示双端口对称耦合的方式从抵消二极模式和提高结构对称性两方面来达到削弱工作模式下的场分布中二极量的目的，对一个1 m段四翼RFQ 模型腔的测量证实了双端口对称耦合抵消腔内二极模式的有效性；针对四杆型RFQ 的二极场，以SSC-Linac 项目的RFQ 为原型，利用三维模拟计算软件CST-MWS 进行模拟，通过改进支撑板的结构并调整参数，完全地消除了工作模式下的极间二极场，且理论上此种改进方法对支撑板结构的四杆型RFQ 均有效。Radio Frequency Quadruple(RFQ) is the most important front-end acceleration structure in linear accelerators.It can focus and accelerate beam in longitudinal and transversal direction, simultaneously. Symmetric of electric field in acceleration aperture is very important for the beam dynamics. To an idea RFQ, there is only quadruple electric field in the acceleration aperture. The dipole field in aperture is harmful and need be as small as possible. The methods to reduce it are studied in a four-rod RFQ and a four-vane RFQ in the article ndependently. To a four-vane RFQ, the symmetrical double-port couplers are employed to counteract the neighboring dipole modes. The availability is confirmed by the simulation with the 3-D Finite Element tool, CST-MWS. And it is also observed by measuring a model-cavity with a symmetrical double-port couplers. To a four-rod RFQ, a new structure of stems is proposed to reduce the dipole mode.Taking the RFQ for the SSC-LINAC project as example, the dipole mode contributions to the electric filed is completely eliminated by selecting stem’s parameters carefully. It is confirmed by the simulation of CST-MWS. heoretically, this method is independent with the frequency of an RFQ and serves for all RFQs with 4-rod or 4-wane structure.     

一米长四翼型RFQ调谐研究(英文)

为获取ADS工程中四翼型RFQ加速器在设计、调谐和运行等方面的经验,设计和建造了一台一米长四翼型RFQ加速器。该RFQ的设计频率为162.5 MHz,但是测量结果显示即使没有调谐器时,腔体的频率也为163.7 MHz。为降低腔体频率,使用四线模型理论进行了分析并重新设计了腔体的端板。使用了二极模稳定杆来加大四极频率与相邻二极频率的间隔。最终测量结果显示,在腔体电压分布没有大的波动的情况下腔体频率达到了设计频率。同时,腔体Q值降低了1%,这就要求需要更多的功率注入腔体。使用水对二极模稳定杆进行了冷却,以便腔体能够稳定工作。     

C-ADS注入器Ⅱ项目RFQ射频系统介绍（英）

C-ADS注入器Ⅱ的RFQ射频系统是该强流加速器的关键一环,它通过两台完全一样的耦合器为一台四边形四翼型RFQ提供和传送功率。该射频系统在设计之初就考虑为10 mA连续束流而进行特殊优化,从功率源、耦合器和功率传输系统几个方面对其进行详细介绍,尤其是针对CW模式下的系统稳定运行以及设备可靠性等方面进行的特殊考虑和模拟方法。该系统已经在2015年通过了10 mA连续束的测试,证实了该射频系统的设计和调试符合物理的实验需求。特别阐述了该系统中一种新的碗型陶瓷窗耦合器的设计思路和一种无环形器情况下的特殊的耦合系数调谐方法,同时推导了双端口耦合的计算方法的具体设置过程。     

C-ADS注入器Ⅱ项目RFQ射频系统介绍（英）

C-ADS注入器Ⅱ的RFQ射频系统是该强流加速器的关键一环,它通过两台完全一样的耦合器为一台四边形四翼型RFQ提供和传送功率。该射频系统在设计之初就考虑为10 mA连续束流而进行特殊优化,从功率源、耦合器和功率传输系统几个方面对其进行详细介绍,尤其是针对CW模式下的系统稳定运行以及设备可靠性等方面进行的特殊考虑和模拟方法。该系统已经在2015年通过了10 mA连续束的测试,证实了该射频系统的设计和调试符合物理的实验需求。特别阐述了该系统中一种新的碗型陶瓷窗耦合器的设计思路和一种无环形器情况下的特殊的耦合系数调谐方法,同时推导了双端口耦合的计算方法的具体设置过程。     

Beam dynamics study of RFQ for CADS with a 3D space-charge-effect

The ADS (accelerator driven subcritical system) project was proposed by the Chinese Academy of Sciences. The initial proton beams delivered from an electron cyclotron resonance ion source can be effectively accelerated by 162.5 MHz 4.2 m long room temperature radio-frequency-quadrupoles (RFQ) operating in CW mode. To test the feasibility of this physical design, a new Fortran code for RFQ beam dynamics study, which is space charge dominated, was developed. This program is based on Particle-In-Cell (PIC) technique in the time domain. Using the RFQ structure designed for the CADS project, the beam dynamics behavior is performed. The well-known simulation code TRACK is used for benchmarks. The results given by these two codes show good agreements. Numerical techniques as well as the results of beam dynamics studies are presented in this paper.     

Study on shunt impedance and voltage distribution of 4-rod RFQ cavity

A high current RFQ （radio frequency quadrupole） is being studied at the Institute of Modern Physics, CAS for the direct plasma injection scheme. Shunt impedance is an important parameter when designing a ＆rod RFQ cavity, it reflects the RF efficiency of the cavity, and has a direct influence on the cost of the structure. Voltage distribution of a RFQ cavity has an effect on beam transmission, and particles would be lost if the actual voltage distribution is not as what it should be. The influence of cell length, stem thickness and height on shunt impedance and voltage distribution have been studied, in particular the effect of projecting electrodes has been investigated in detail.     

SSC直线注入器RFQ腔体多物理场分析

SSC-LINAC是为兰州重离子研究装置（HIRFL）设计的直线注入器,它将U34+离子加速到1 MeV/u注入到分离扇回旋加速器（SSC）中,为冷却储存环（CSR）提供10 MeV/u的U34+。该注入器可以将SSC引出的重离子流强提高一个量级以上。SSC-LINAC由一个RFQ（Radio Frequency Quadrupole）加速器和4个DTL（drift tube linac）组成,设计频率为53.667 MHz。RFQ工作在连续波模式,设计功率30 kW,如果不能有效地冷却,高频电流在电极表面产生的热量会使RFQ的腔壁和电极发生形变,从而导致腔体频率的漂移以及加速和聚焦电场的改变。因此,为了保证连续波工作的RFQ加速器稳定运行,对水冷模式和通道设计提出了很高的要求。作者用有限元软件ANSYS对RFQ进行高频电磁场、温度场、结构应力的耦合分析,验证了冷却方案设计的可行性和可靠性。Heavy Ion Research Facility at Lanzhou(HIRFL) consists of SFC, SSC, CSRm and CSRe. A new linac injector, which will increase U34+ to 1 MeV/u, is designed for SSC to increase the beam intensity to ten times higher. The new injector, whose frequency is 53.667 MHz, is composed by a RFQ (Radio Frequency Quadrupole) cavity and four DTL(Drift Tube Linac) cavities. The RFQ cavity, whose RF power is 30 kW, is operated at CW(continuous wave) mode. The heat produced by HF (high frequency) electromagnetic will cause deformation of RFQ structure, lead to the resonant frequency shift, and reduce the focusing efficiency of the cavity. An efficient cooling system is necessary to ensure that the RFQ cavity can stably be operated at the nominal frequency. A detailed multi-physics field coupling analysis of RFQ has been finished with 3D finite elements software ANSYS. The result of the analysis shows that the water cooling system can cool the RFQ cavity fully and keep the frequency drift be in a acceptable level.     

Design of 57.5 MHz CW RFQ structure for the Rare Isotope Accelarator Facility

The Rare Isotope Accelerator (RIA) facility includes a driver LINAC for production of 400 kW CW heavy-ion beams. The initial acceleration of heavy ions delivered from an ECR ion source can be effectively performed by a 57.5 MHz 4 m long RFQ. The principal specifications of the RFQ are: (1) formation of extremely low longitudinal emittance: (2) stable operation over a wide range of voltage for acceleration of various ion species needed for RIA operation; (3) simultaneous acceleration of two-charge states of uranium ions. CW operation of an accelerating structure leads to a number of requirements for the resonators such as high shunt impedance, efficient water cooling of all parts of the resonant cavity, mechanical stability together with precise alignment, reliable rf contacts, a stable operating mode and fine tuning of the resonant frequency during operation. To satisfy these requirements a new resonant structure has been developed. This paper discusses beam dynamics and electrodynamics design of the RFQ cavity, as well as, some aspects of the mechanical design of this low-frequency CW RFQ.