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 4-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.     

突出电极对四杆型RFQ腔体并联阻抗及场平整性的影响

中国科学院近代物理研究所正在进行等离子体直接注入方案的研究,以便为重离子物理研究提供稳定可靠的高流强束流。由于工作频率较低,用于等离子体直接注入方案的RFQ腔体采用了适合于低频的四杆型结构。在完成束流动力学设计的前提下,研究了RFQ腔体支撑臂的各参数对并联阻抗的影响。由于突出电极之间存在着一定大小的电容,会对腔体的性能产生影响,为使腔体达到最优化的设计,进行了突出电极对并联阻抗及场平整性的影响的研究,并给出了突出电极的取值范围。     

突出电极对四杆型RFQ腔体并联阻抗及场平整性的影响

中国科学院近代物理研究所正在进行等离子体直接注入方案的研究,以便为重离子物理研究提供稳定可靠的高流强束流。由于工作频率较低,用于等离子体直接注入方案的RFQ腔体采用了适合于低频的四杆型结构。在完成束流动力学设计的前提下,研究了RFQ腔体支撑臂的各参数对并联阻抗的影响。由于突出电极之间存在着一定大小的电容,会对腔体的性能产生影响,为使腔体达到最优化的设计,进行了突出电极对并联阻抗及场平整性的影响的研究,并给出了突出电极的取值范围。     

四轩型RFQ加速腔高频特性的数值模拟与实验研究

为设计一个高负载因子、高流强的RFQ加速器，使用三维电磁场计算程序MAFIA对加速腔的高频特性进行了模拟计算. 本文主要研究RFQ支撑板高度、宽度、间距、电极形状等结构参数对高频腔体高频特性的影响，根据RFQ加速器的比分路阻抗以及电磁场分布的要求，对RFQ的结构参数进行优化设计，然后根据模拟计算结果加工冷模，进行冷模测量并将测量结果与计算结果加以比较.     

RF and field measurements of the SSC-LINAC RFQ

The 53.667 MHz continuous-wave heavy ion RFQ has been designed and manufactured for the SSC-LINAC project.This four-rod RFQ accelerates ions with maximum mass to charge ratio of 7 from 3.728 keV/u to 143 keV/u.Measurements have been carried out to check the RF performance of the cavity and the quality of the electric field.The S11 of the power coupler is adjusted to better than-44 dB,and the Q0 of the cavity is 6440.The quality of the electric field is evaluated by the perturbation method.The measurement procedure and data analysis will be discussed in detail.The error due to gravity of the perturbation bead has been corrected by averaging the fields in different quadrants.As a result,the unflatness of the electric field is±2.5%,and the dipole field component distributes from 0%to 20%in different longitudinal positions,which indicates the asymmetry of the quadrupole field.The unflatness of the quadrupole field distribution represents a good agreement with the simulation results.High power RF test and beam commissioning of the RFQ are on schedule in early 2014.     

分段共振耦合RFQ场调谐方法研究

强流质子加速器需要采用分段共振耦合RFQ作为其低能加速结构,为减少束流损失,RFQ加速器必须达到所要求的场分布.针对共振耦合结构的特殊性,在RFQ传输线模型的理论基础上,在一台RFQ冷模型上进行了场调谐的实验研究,获得了满意的实验结果.同时,也验证了作者用LabVIEW编写的RFQ场调谐程序的正确性.     

RFQ加速器中二极模稳定杆作用机理的研究

RFQ加速器中的二极模场给束流施加一个偏转力,导致束流损失在机器上.因此,必须采取降低二极模场的措施.人们提出采用二极模稳定杆使二极模频率远离四极工作模.在一台RFQ冷模上开展的实验研究中,发现了一些与二极模稳定杆作用机理相关的新现象,本文报告这些实验结果,并对其进行分析解释.根据这些结果,提出,利用非对称性地插入二极模稳定杆,可以降低非对称RFQ腔体中的二极模场分量.     

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.     

强流四杆型RFQ加速腔水冷系统的设计和数值模拟

为了研制一个强中子发生器，北京大学重离子物理研究所设计了一台高负载因子、高流强的RFQ加速器. 本文讨论了RFQ加速腔水冷系统的设计，使用有限元软件ANSYS对水冷系统进行了分析. 使用MAFIA模拟计算得到的功率密度，并将其作为ANSYS水冷模型的边界条件. 因为MAFIA程序和ANSYS程序分网方法的不同，使用一个程序来将MAFIA的结果导入到ANSYS模型中，从而建立起了RFQ加速腔的热分析模型. 通过这个热分析模型分析并检验了水冷系统的设计，确定了水冷系统的结构. 模拟计算结果表明：使用目前设计的这套水冷系统，能够使RFQ加速器工作在适宜的温度下以及长时间稳定的运行.     

梯度飞片材料的波阻抗分布设计与优化

建立起了梯度飞片击靶的理论模型，对具有不同波阻抗分布特征的W-Mo-Ti体系梯度飞片的 击靶过程进行了数值模拟计算.结果表明，梯度飞片对靶产生的压缩是逐步进行的，靶板的 自由面速度也是逐渐提高的，准等熵压缩过程的加载速率远低于传统冲击压缩.为获得较好 的准等熵压缩效果，梯度飞片的波阻抗分布应遵循随厚度变化的二次至三次幂函数关系，并 且靶板厚度必须与梯度飞片的击靶速度等相匹配. 关键词： 梯度飞片材料 波阻抗分布 准等熵压缩     

感应电压叠加装置中角向传输线阻抗计算

在进行感应电压叠加装置设计时, 为了使初级脉冲形成与传输系统产生的快前沿高压脉冲均匀耦合到次级传输线, 需要建立感应腔的二维电路模型对电磁波在角向传输线中的传播过程进行分析, 并基于电路计算结果优化设计角向传输线阻抗分布规律,使次级传输线中电流能够均匀分布。由于角向传输线结构复杂, 没有精确求解阻抗值的解析公式, 介绍了一种基于电报方程和瞬态电磁场仿真求解复杂结构传输线阻抗值的方法, 采用该方法对等宽度和变化宽度两种结构角向传输线阻抗值进行了评估。研究结果表明,相比于三平板传输线阻抗计算公式, 采用微带传输线阻抗计算公式对角向传输线阻抗值进行求解结果更加精确。     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置（APTR）,开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

350MHz强流质子RFQ加速器工艺腔的研制与测量

为研究强流质子RFQ加速腔的设计与加工工艺,研制了一台全尺寸无氧铜工艺腔.本文介绍了其物理设计与机械设计、机械加工与钎焊工艺研究及其高频性能的测量和调节.经调节,RFQ工艺腔可以达到较为理想的电场分布,其4个象限电场分布的一致性和平整度均能满足要求,二极场分量也足够小     

RFQ加速器高频测量软件和分析软件开发

强流RFQ加速器要求严格控制束流损失和束流发射度增长,因此必须准确测量和正确分析RFQ加速器的场分布和模式的场分量,并使它们符合设计要求.LebView是一个广泛应用于自动测量和数据处理的计算机软件平台,介绍在此平台上开发的RFQ自动测量软件和数据分析软件,同时给出这些软件的一些应用实例.     

利用模拟方法研究RFQ加速器中正、负离子束同时加速的动力学问题

在以时间为自变量的PARMTEQ程序的基础上,添加了另一带相反电荷的束流进行动力学计算,同时考虑了正、负离子束加速的空间电荷效应和束团间的作用.并针对特定结构参数的RFQ加速器,给出了双束加速的动力学模拟过程和结果.模拟计算的目的在于研究正、负离子束在RFQ加速结构中同时加速所引起的动力学问题.结果表明,正、负离子束同时加速有助于克服径向空间电荷效应,但在流强较大时,双束加速时,将会在纵向出现明显的异性电荷之间的“捕捉”(trap)现象,从而导致纵向粒子损失数目的增加.因此,为实现双束加速,必须专门重新设计RFQ加速器,使其传输效率高于单束,才能体现出双束加速的优越性     

欠匹配型磁绝缘感应电压叠加器次级阻抗优化方法

磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)次级阻抗对脉冲功率驱动源和负载之间的功率耦合具有重要影响.基于稳态磁绝缘Creedon层流理论和鞘层电子流再俘获(re-trapping)理论,建立了负载欠匹配型MIVA电路分析方法,数值分析获得了MIVA输出参数(输出电压、阴/阳极电流和电功率)随负载欠匹配程度的变化规律.考虑阴极传导电流作为闪光X射线照相二极管的有效电流,建立了以MIVA末端X射线剂量率最大为目标的次级阻抗优化方法.获得了欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*的变化规律:随着X射线剂量率对电压依赖程度提高,欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*呈指数降低;负载阻抗越大,Z_(op)~*越大.     

空芯脉冲变压器锥形绕组电压分布

 研究了空芯变压器锥形绕组的电压分布特性。运用多导体传输线理论建立锥形绕组的多导体传输线数值分析模型,推导模型等效电路中各项分布参数的求解公式,利用有限元软件求解分布参数并进行模拟计算。搭建实验平台测量绕组各匝线圈首端的电压波形,得到了匝间电压和对地电压的分布规律,实验结果与模拟计算基本吻合。研究表明：分布参数会引起电压谐振,冲击电压的上升沿在绕组首端产生匝间过电压;多导体传输线模型可对锥形变压器绕组的电压分布进行有效计算。     

基于复数电压分布的波导缝隙天线的改进设计

针对波导缝隙阵列,提出了一种基于复数电压分布的改进的波导缝隙阵列天线的设计方法。 针对Elliott 对于波导缝隙阵列的设计只适用于实数的电压分布,从而不能设计出有任意形状的方向图的天线的问题,对此方法进行了改进,将其扩展到了任意的复数电压分布,并且考虑了缝隙之间互耦的影响。最后,利用改进的方法设计了一个有16个缝隙的端馈线阵方向图,与商业软件Ansoft HFSS的仿真结果比较,证明了方法的有效性。     

空芯脉冲变压器锥形绕组电压分布

研究了空芯变压器锥形绕组的电压分布特性。运用多导体传输线理论建立锥形绕组的多导体传输线数值分析模型,推导模型等效电路中各项分布参数的求解公式,利用有限元软件求解分布参数并进行模拟计算。搭建实验平台测量绕组各匝线圈首端的电压波形,得到了匝间电压和对地电压的分布规律,实验结果与模拟计算基本吻合。研究表明：分布参数会引起电压谐振,冲击电压的上升沿在绕组首端产生匝间过电压;多导体传输线模型可对锥形变压器绕组的电压分布进行有效计算。     

HIRFL高频腔体功率耦合匹配实验研究

 介绍了HIRFL主加速器SSC高频腔体功率馈入耦合匹配系统的研究，实验结果表明，通过改变耦合环角度可更好地实现高频腔体和高频发射机之间的匹配，提高了高频腔体电压和高频发射机的工作效率。