一种射频四极场加速器及其加速方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Radio Frequency Quadrupole Field Accelerator and Its Acceleration Method

【技术实现步骤摘要】
一种射频四极场加速器及其加速方法
本专利技术涉及射频四极场加速器动力学设计
，尤其涉及一种射频四极场加速器及其加速方法。
技术介绍
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φs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。近些年发现，现有RFQ加速器传输效率虽然能达到很高(大于98％)，但是在RFQ加速器运行数年之后，RFQ传输效率都有不同程度地下降，甚至开始出现运行不稳定的现象，这可能的原因之一是RFQ内存在与RFQ出口能量相当的粒子丢失，高能量粒子的丢失会对电极产生较大的损伤，严重缩短了RFQ加速器的使用寿命。此外，现有RFQ加速器出口束流包含99.9％粒子的发射度都偏大，不利于在后续加速结构的加速传输，粒子在后续加速结构中丢失的几率较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种低电极损伤的射频四极场加速器及其加速方法。本专利技术进一步所要解决的技术问题是提供一种低电极损伤、高束流品质的射频四极场加速器及其加速方法。专利技术人研究发现，在现有动力学设计方案中，为了追求最大的传输效率，RFQ加速器绝大部分单元中都利用大的接受度来接收束流，这意味着所有粒子都能获得能量增益。由于有限长度的RFQ加速器决定不完全的绝热聚束，无法实现100％束流的传输，因此，RFQ加速器中总会损失束流，而这些被损失粒子由于获得能量增益而能量较高，会对RFQ加速器电极产生较大损伤。为解决上述高电极损伤问题，本专利技术所述的一种射频四极场加速器，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；所述径向匹配段用于实现来自低能传输线中不随时间变化的输入束流与射频四极场中随时间变化的聚焦系统之间的匹配；所述成形段用于使来自所述径向匹配段的束流形成纵向结构；所述小能量接受度段用于完成对来自所述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％的束流并保证传输效率高于95％；所述加速段用于将来自所述小能量接受度段的束流加速至最终目标能量。在上述加速器中，优选的，所述加速段包括增能段和常规加速段，所述增能段用于通过使调制因子快速增加来快速提升来自所述小能量接收度段的束流的能量；所述常规加速段用于将来自所述增能段的束流加速至所述最终目标能量。在上述加速器中，优选的，所述成形段通过增加加速单元数量以及优化调制因子和同步相位，获得相较现有技术常规成形段更小的纵向发射度。在上述加速器中，优选的，在所述成形段中，加速单元数量为80-90个，调制因子由1逐渐增大到1.05～1.07之间，同步相位由-90°逐渐增大到-80°～-75°之间。在上述加速器中，优选的，所述径向匹配段通过增加加速单元数量并优化其电极形状，使匹配束流参数中alpha降低和beta增大，以降低在低能传输线传输时束流的包络或者增加RFQ加速器前放置束流诊断元件空间。在上述加速器中，优选的，在所述径向匹配段中，加速单元数量为10～30个，所述匹配束流参数中的alpha在0.5～1之间，beta在3～8cm/rad之间。在上述加速器中，优选的，其横向聚集强度的设置范围为4～8，根据运行占空比，打火系数的设置范围为1.2～2.5。相应地，本专利技术还提供了一种射频四极场加速器的加速方法，该射频四极场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，所述加速方法包括：所述径向匹配段实现来自低能传输线中不随时间变化的输入束流与射频四极场中随时间变化的聚焦系统之间的匹配；所述成形段使来自所述径向匹配段的束流形成纵向结构；所述小能量接受度段完成对来自所述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％的束流并保证传输效率高于95％；所述加速段将来自所述小能量接受度段的束流加速至最终目标能量。在上述加速方法中，优选的，所述加速段包括增能段和常规加速段，所述加速段将来自所述小能量接受度段的束流加速至最终目标能量包括：所述增能段通过使调制因子快速增加来快速提升来自所述小能量接收度段的束流的能量；所述常规加速段将来自所述增能段的束流加速至所述最终目标能量。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、低电极损伤：本专利技术中，RFQ加速器包括径向匹配段、成形段、小能量接受度段和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频四极场加速器，其特征在于，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；所述径向匹配段用于实现来自低能传输线中不随时间变化的输入束流与射频四极场中随时间变化的聚焦系统之间的匹配；所述成形段用于使来自所述径向匹配段的束流形成纵向结构；所述小能量接受度段用于完成对来自所述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％的束流并保证传输效率高于95％；所述加速段用于将来自所述小能量接受度段的束流加速至最终目标能量。

【技术特征摘要】
1.一种射频四极场加速器，其特征在于，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；所述径向匹配段用于实现来自低能传输线中不随时间变化的输入束流与射频四极场中随时间变化的聚焦系统之间的匹配；所述成形段用于使来自所述径向匹配段的束流形成纵向结构；所述小能量接受度段用于完成对来自所述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％的束流并保证传输效率高于95％；所述加速段用于将来自所述小能量接受度段的束流加速至最终目标能量。2.如权利要求1所述的射频四极场加速器，其特征在于，所述加速段包括增能段和常规加速段，所述增能段用于通过使调制因子快速增加来快速提升来自所述小能量接收度段的束流的能量；所述常规加速段用于将来自所述增能段的束流加速至所述最终目标能量。3.如权利要求1或2所述的射频四极场加速器，其特征在于，所述成形段通过增加加速单元数量以及优化调制因子和同步相位，获得相较现有技术常规成形段更小的纵向发射度。4.如权利要求3所述的射频四极场加速器，其特征在于，在所述成形段中，加速单元数量为80-90个，调制因子由1逐渐增大到1.05～1.07之间，同步相位由-90°逐渐增大到-80°～-75°之间。5.如权利要求1或2所述的射频四极场加速器，其特征在于，所述径向匹配段通过增加加速单元数量并优化其电极形状，使匹配束流参数中alpha...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦为平，王志军，何源，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62