CN1110987C - 分离作用射频四极场加速方法与装置 - Google Patents

Abstract

分离作用射频四极场(SFRFQ)加速方法及装置，包括有四极场聚焦电极及一系列间距为βλ/2的带孔膜片加速电极对。加速电极对由方向相互垂直、间隙为g、交错排列的两带孔膜片组成。SFRFQ是将常规射频四极场(RFQ)加速装置中的加速与四极聚焦两种相互密切关联并相互制约的作用分离开来，使其分别周期性地作用于离子。由此可在确保强聚焦作用的同时，将加速电场强度提高近一倍，从而缩短加速装置长度，提高极限流强，并扩大适用能量范围。

Description

分离作用射频四极场加速方法与装置

本发明系关于带电粒子加速方法及加速器领域，尤其是涉及低能强流直线加速器领域。

常规射频四极场(RFQ)加速器(见图1-1、1-2、1-3)作为一种强流低能直线加速器已获得了极为广泛的应用。它的特点在于能直接加速从离子源引出的低能离子，并将加速、纵向群聚、横向聚焦与匹配等多种功能汇集于一个腔中。它利用射频四极场电极的表面形状沿着离子运动方向的起伏调制(见图1-4)，在四极聚焦电场上附着一个纵向加速电场，使离子在获得横向聚焦的同时，连续地得到加速。然而这种方式产生的纵向电场有它的局限性。一方面进一步增大电极形状的调制，并不一定能使加速电场随之升高，即加速电场达到一定的峰值之后并不再继续增强。另一方面更为重要的是，加速电场的任何增高，都将导致聚焦电场的明显降低。

常规RFQ结构通过电极表面形状调制所产生的射频电场的纵向和横向分量可分别写为

E_z＝(kAV/2)·I₀(kr)·sin kz·sin(ωt+φ)                           (1)

E_r＝[-(FV/a²)·r·cos(2ψ)-(kAV/2)·I₁(kr)·cos kz]·sin(ωt+φ)  (2)

A＝(m²-1)/[m²·I₀(ka)+I₀(mka)]                                   (3)

F＝1-A·I₀(mka)                                                      (4)式中k＝2π/βλ，β＝v/c，

V-极间电压，A-加速因子，F-聚焦因子，a-四极场电极最小孔半径，m-电极调制深度，β-加速离子的相对论速度，v-离子速度，c-光速，λ-射频加速电场的波长。

ω-射频圆频率，r、ψ、z-圆柱坐标系中的半径、方位角及轴向位置三坐标，t-时间，φ-离子运动相位，I₀、I₁-虚宗量零阶及一阶贝塞尔函数。

由此，电荷为e的离子在每一长为(βλ/2)的单元中的能量增益Δw近似等于：

Δw＝eA·T·V·cos(ωt+_s)                              (5)式中T-越隙因子，通常T≈π/4。_s-同步加速离子的射频相位。

由此式看出，加速因子A实际上是极间电压的利用系数。

离子的纵向相位振动和横向自由振动可分别以每个单元中各自相应的相移表示：

σ_z ²＝(-eπ² AV sinφ_s)/(m₀c²β²)                 (6)

σ_t ²＝[(e FV/πm₀c²)(λ/a)²]²/8-σ_z ²/2            (7)

由式(3)和(4)可见，聚焦因子F与加速因子A随调制深度m的变化是互相联系与互相制约的，它们的变化表示在图2中。通常RFQ中m由1增至2左右，此时A和F各为0.5上下。当m继续增加时，聚焦因子F下降；而加速因子A的增长则趋缓，乃至停止。这说明通常RFQ结构的加速能力受到了限制。它的加速能量适用范围，通常限制在每核子2MeV左右。

为克服常规RFQ结构上的缺点，本发明的目的是在确保强聚焦作用的同时，提高加速电场强度和极限流强，以扩大射频四极场加速装置的适用范围。发明之详细说明

常规RFQ通过电极表面形状的调制，其聚焦和加速两种作用不是分离的，而是密切联系，互相制约的，带电粒子在其中运动时连续地受到加速与聚焦。本发明提供的是一种分离作用射频四极场(SFRFQ，Separated Function RadioFrequency Quadrupole)加速方法。它将加速电场从通常RFQ的四极聚焦电场中分离出来，由专门的带孔膜片加速电极提供，而不再依靠四极场电极的表面形状调制产生，并使加速和聚焦两种作用分别周期性地作用于被加速的离子。为此，四极场电极无表面形状的调制，使其仅具聚焦而无加速作用。在四极场电极上每相距βλ/2处周期性地加载两片间隙为g的带孔膜片电极，专门用于对离子的加速。以βλ/2作为一个半波单元，两相邻半波单元的膜片方向是相互垂直交错排列的。如此周期性地实现聚焦、加速、聚焦、加速、……，形成一系列互相分离的加速间隙和四极电场聚焦作用区。我们把这种结构称之为“分离作用射频四极场”结构(SFRFQ)，离子在这种结构中运动时，可无前面提到的局限而得到最有效的加速。同时在横向仍能具有足够的强聚焦作用。

在分离作用RFQ的周期性结构中，加速电场集中在加速间隙g中。而射频四极聚焦场则周期性地分布在βλ/2单元长的其余部分，g＜βλ/2。图3-1、3-2为这种结构的实施示意图。离子通过每一加速间隙时的能量增益近似为：

Δw＝e T·V·cos(ωt+_s)                             (8)

它和式(5)不同之处在于式(8)中A＝1。假定间隙加速电场分布于长度为L_g的区间之内(L_g≥g)，且电场分布的形状可以用半个周期的正弦波表示，则越隙因子T为：

T＝cos(π·ξ/2)/(1-ξ²)                             (9)

其中，ξ＝L_g/L_s，L_s是单元长度，L_s＝β_sλ/2，此处β_s-同步离子的相对论速度。

由式(9)可知，如果1≥ξ≥0，则1≥T≥π/4。由此可见，在分离作用RFQ结构中，离子通过间隙加速时，其电压利用系数A＝1，越隙因子T≥π/4，明显优于通常RFQ结构。在间隙电场之外，离子受到典型的射频四极场的聚焦。此处由于电极表面形状没有调变，m＝1，A＝0，所以聚焦的电压利用系数F＝1。聚焦本领正比于V/a²(a为四极场电极间孔半径)。当然，加速电极束流孔径邻近的电场也具有变速聚焦和相位散焦效应。后者与式(7)中的第二项相当。

电场计算和实验测量表明，本发明提出的SFRFQ结构的加速电场梯度可高出通常RFQ结构近一倍。因此可有效缩短加速装置长度，提高极限流强。

本发明分离作用射频四极场加速装置的实施示意于图3-1，图3-2为该装置的部分立体结构示意图。其中(1)、(2)分别是加速膜片电极对，它们分别加载在四极场电极上，极间距离为g，g取得较小时可使时间渡越因子T增大，但不应引起高频电场的放电与击穿。相邻两电极对的间距为β_sλ/2。一个加速膜片电极对中，两相邻膜片方向是相互垂直交错排列的，加速膜片电极间加速电压幅值从第一个间隙开始依次为V，-V，V，-V，V，-V，…………，离子受到的加速电压值需乘以时间项cos(ωt+φ)，其中φ为该离子的相位。由于离子经过相邻加速间隙的时间为半个周期，因此一个正确相位的离子在通过各间隙时总是受到加速电压。整个加速装置由很多加速单元组成。离子入口和出口处分别只有一个膜片电极，它们分别与处于地电位的腔筒两端壁形成两个加速间隙，但它们的加速电压幅值仅为其它间隙的一半。图中箭头表示束流方向。电极材料一般为高频电流导电良好的铜材。加速膜片电极的孔直径为d，它应大于束流包络。四极场电极孔直径为2a，它大于d。为方便每个单元中它一般是不变的，但是不同单元中它们的值却是可以做成不同的，这将可以提供不同的横向聚焦强度及束孔大小，以利于根据需要达到总体的最佳横向聚焦及束流的强度与品质。各单元a的数值应根据束流动力学的优化参数设计及总体考虑确定。图3-1中阴影表示四极场电极，其上所加的射频电压幅值分别为V/2及-V/2。图3-1中(3)为加速装置的接地导体腔筒。

常规RFQ按激发射频四极场电极的方式主要有四杆型(4Rod)和四翼型(4Vane)，前者为谐振线方式，后者为谐振腔方式，分别见图1-1、1-2及1-3。根据本发明，只要将它们的四极场电极部分按前面的详细说明改变，即加入膜片加速电极，并令m＝1(即聚焦电极形状不调变)，便可分别形成分离作用四杆型和分离作用四翼型加速装置。它们也是分离作用RFQ的两种基本类型。其中四杆型分离作用RFQ的四极场电极可以是相应常规四杆型RFQ中的轴对称电极或微翼电极(Mini-vane)，因此属于通常四杆型RFQ的平面螺线RFQ(Spiral RFQ)、分离环RFQ(Split RFQ)、分离同轴RFQ(Split Coxial RFQ)、交叉指型RFQ(Interdigital RFQ)、以及可变能量RFQ等，均可发展形成相应的分离作用RFQ。

本发明还包括RFQ-SFRFQ组合型RFQ。它指的是同类型的RFQ与SFRFQ，由于是采用相同的激发射频四极场电极方式与机构，因而可以连接并置于同一个谐振加速腔中形成组合结构。由于RFQ适于加速能量低于每核子2MeV的离子，而SFRFQ则适于加速稍高能量的离子，因此加速装置的前加速段用RFQ结构，后加速段用SFRFQ结构，两者共同构成一个RFQ-SFRFQ组合腔，在RFQ--SFRFQ组合腔中，由于电压激发机构相同，因此在结构相联处，仍可形成加速电场。组合腔适于加速能量低于每核子约10MeV的离子。组合RFQ有结构更紧凑和节省射频功率源、腔间匹配系统及控制系统的优点。

分离作用RFQ的加速电场可以由上述成对的带孔膜片电极产生。它的优点是由于极间的加速间隙很小，因而所占一个单元中的空间很少，且加速效果较满意。这在离子能量较低的单元中由于βλ/2较短，其优点是很明显的。在单元长度太短时，可以考虑先采用通常的RFQ加速再过渡到SFRFQ，即上述的组合型RFQ。当单元长度变得较大时，加速电极也可以考虑采用其他如漂浮管等电极(见图4)，它可减小膜片电极间的电容负载，提高加速效率，这可根据优化设计及总体考虑确定。

对于孔直径2a一定的四极场电极，为了增大加速膜片电极的孔直径d，还可以将四极场电极在加速膜片电极处作成凹槽状，这甚至可以作到d＝2a(见图5)。它可以容纳更大的束流；或对于一定的束流，减小所需的a值，并增大膜片与四极场电极的绝缘间隙。

附图简要说明：

图1-1.常规四翼型RFQ示意图

图1-2常规四杆型RFQ示意图(低频结构)

图1-3.常规四杆型RFQ示意图(高频结构)

图1-4.常规RFQ极面形状调置示意图

图2.常规RFQ中加速因子A及聚焦因子F随电极形状调变度m的变化图

图3-1.本发明SFRFQ加速装置示意图

图3-2.本发明SFRFQ加速装置部分立体结构示意图

图4.采用漂浮管的加速结构示意图

图5.加速膜片处四极场电极做成凹槽加速结构示意图

图中编号说明：1、2：膜片电极或漂浮管电极

              3.加速装置的腔筒

              4.四极场电极

上述本发明的基本构型及各种变化可能改进。对本领域中专业技术人员而言是显而易见的。因此本发明的权利要求范围应当看作是覆盖了所有的这类变化及改进而不偏离本发明的精神及范围。

Claims (11)

1、一种用于加速带电粒子的分离作用射频四极场加速方法，其特征为：

将加速电场从通常射频四极聚焦电场中分离出来，由专门的带孔膜片加速电极提供，而不是依靠四极场电极的表面形状调制产生，四极场电极无表面形状的调制，使其仅具聚焦而无加速作用；在四极场电极上每相距βλ/2处周期性地加载两片间隙为g的带孔膜片电极，专门用于对离子的加速，并以βλ/2作为一个半波单元，两相邻半波单元的膜片方向则相互垂直交错排列，如此周期性地实现聚焦、加速、聚焦、加速，从而形成一系列互相分离的加速间隙和四极电场聚焦作用区，使离子得到最有效的加速而同时在横向仍能具有足够的强聚焦作用。

2、一种用于加速带电粒子的分离作用射频四极场加速装置，其特征为：

1)、四极场电极无表面形状的调制；

2)、在四极场电极上每相距βλ/2为一半波单元，周期性地加载两片间隙为g的带孔膜片电极，g＜βλ/2；

3)、两相邻半波单元的膜片方向是互相垂直交错排列的。

3、根据权利要求2的分离作用射频四极场加速装置，其特征为：

所说的膜片加速电极的孔半径为d/2，所说的四极聚焦电场孔半径为a，a＞d/2，在每个加速单元中a是不变的(四极聚焦电场孔半径是不变的)。

4、根据权利要求2的分离作用射频四极场加速装置，其特征为：

所说的膜片加速电极的孔半径为d/2及四极聚焦场电极的孔半径a，值a及d/2，在各个加速单元中是不一样的。

5、根据权利要求2的分离作用射频四极场加速装置，其特征为：

所说的加速电极为漂浮管电极。

6、根据权利要求2的分离作用射频四极场加速装置，其特征为：

所说的膜片电极孔直径为d，四极聚焦场电极的孔半径为a，值a等于值d/2，在加速膜片处四极场电极做成凹槽。

7、一种用于加速带电粒子的常规射频四极场和分离作用射频四极场在同一谐振腔内的组合型加速装置，其特征为：

1)、其前加速段为常规射频四极场，它的电极表面形状沿离子运动方向作起伏调制；

2)、其后加速段为分离作用射频四极场，它的四极场电极表面形状不加调制，而每隔βλ/2为一半波单元，在其上周期性地加载两片间隙为g的带孔膜片电极，两相邻半波单元的膜片方向是相互垂直交错排列的，g＜βλ/2。

8、根据权利要求7的组合型加速装置，其特征为：

所说的膜片加速电极的孔半径为d/2，所说的四极聚焦场电极的孔半径为a，a＞d/2，在每个加速单元中a是不变的(四极聚焦场电极的孔半径是不变的)。

9、根据权利要求7的组合型加速装置，其特征为：

所说的膜片加速电极的孔半径为d/2及四极聚焦场电极的孔半径a，值a及d/2，在各个加速单元中是不一样的。

10、根据权利要求7的组合型加速装置，其特征为：

所说的加速电极为漂浮管电极。

11、根据权利要求7的组合型加速装置，其特征为：

所说的膜片电极孔直径为d，四极聚焦场电极的孔半径为a，值a等于值d/2，在加速膜片处四极场电极做成凹槽。

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