CN1901775A - 射频四极场加速器的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射频四极场(RFQ)加速器的调制方法，属于射频四极场(RFQ)加速器动力学设计领域。该方法包括：束流进入RFQ加速器径向匹配段之后，以成形段处束流的参数为设计起点，加速器在成形段、微聚束段和加速段的孔径a、调制m和相位Fai变化要满足匹配条件R²=ε_mλ/sigmat以保持束团的大小不变。本方法在确定频率、注入、引出能量、束流入口发射度和流强等基本参数之后，根据束团大小与加速器单元参数之间满足匹配条件，直接计算RFQ加速器动力学参数，可避免传统的“四部曲方法”繁琐修改局部单元参数的缺点。

Description

射频四极场加速器的调制方法

技术领域

本发明属于射频四极场(RFQ)加速器动力学设计领域，具体涉及一种射频四极场(RFQ)加速器的调制方法。

背景技术

射频四极场(RFQ)加速器能直接加速从离子源中引出的低能离子，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结构之中，高效率地将数十毫安、数百毫安乃至安培级的强流离子束加速至几个MeV/核子。因而适合用于高能加速器的注入器及强流中子源等，甚至成了低能强流加速器的一种通用的前级加速器，获得了广泛的应用。近年来，国际上对于散裂中子源、加速器驱动能源和其它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，促使RFQ加速器逐渐成为低能端离子加速器的首选。

RFQ的设计通常采用美国LANL的K.R.Crandall等人提出的“四部曲方法”。该方法根据加速单元基本参数(孔径a、电极调制m，相位fai和极间电压V)的变化规律将设计过程分成以下四个阶段：径向匹配段、成形段、微聚束段和加速段。径向匹配段的形状像一个张开的喇叭口，用于接收汇聚的束流进入RFQ加速器，这时束流的横向尺寸R逐渐变小；在成形段和微聚束段通过同步相位φ_s的变化将该束流纵向(Z方向)压缩成一系列的束团，最后用加速段将粒子加速到需要的能量。该方法并没有考虑束流的匹配和空间电荷效应引起的不同自由度之间的耦合共振。为了抑制束流发射度增长和提高束流的传输效率，常规设计方法需要调节各个加速单元的结构参数(如孔径a、电极调制m和相位fai等)来实现。RFQ加速器通常由几百个加速单元构成，这个调节优化过程非常繁琐。而且即使能够实现高的传输效率，由于并没有满足束流匹配条件，仍然可能造成明显的束流发射度增长。

发明内容

本发明提供一种射频四极场(RFQ)加速器的调制方法，可有效抑制束流的耦合共振，提高传输效率和改善输出束流的品质。

本发明的技术内容：一种射频四极场(RFQ)加速器的调制方法，

束流进入RFQ加速器径向匹配段之后，所有加速单元都需要调节孔径a和调制m以确保束流在横向始终满足束团大小和加速器单元参数的匹配条件 $R^2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\mathrm{\λ}}{\sin \mathrm{gmat}}$ (t代表x和y两个方向)。即一个周期内RFQ加速器的聚焦力始终等于束流自身空间电荷力的散焦力，使得束流横向包络大小尽量保持不变。

首先根据加速器的工作频率找到一个合适的孔径和最大电极调制，使得束流在横向和纵向两个方向聚焦强度基本相等；

根据孔径a、调制m由此求得最大的极间电压V，并进一步确定横向聚焦强度sigmat的大小；

根据束团大小与加速单元参数之间的匹配关系，确定束流在加速器成形段的半径；

以成形匹配段处束流的参数为设计起点，在成形段、微聚束段和加速段，孔径a、调制m和相位Fai变化要满足匹配条件，以尽量保持束团的大小不变。

根据束流在加速器的成形段的半径，倒推出径向匹配段的束流参数。

束流从非平衡状态过渡到热平衡状态之后，各个方向之间的参数始终满足均温条件ε_xnsigmat_x＝ε_ynsigmat_y＝ε_znsigmal_z(x，y方向温度正比于ε_xnsigmat_x和ε_ynsigmat_y，而z方向上温度正比于ε_znsigmal_z)，减少耦合共振造成的束流损失。

束流纵向的温度ε_znsigmal_z逐渐增加，在成形匹配段的终点满足均温条件。在微聚束段和加速段参数变化同时满足匹配条件和均温条件，直到将粒子加速到最终能量。

本发明的技术效果：好的束流设计不仅尽可能保证束流不丢失，而且要求输出束流的品质也要好，即最终的发射度大小ε相对入口时的增长越小越好。要同时实现以上目标，束团在传输过程中需要满足匹配条件和均温条件。本方法在确定频率、注入、引出能量、束流入口发射度和流强等基本参数之后，根据束团大小与加速器单元参数之间满足匹配条件，直接计算RFQ加速器动力学参数，满足匹配条件的RFQ加速器动力学参数也可以由软件自动实现。同时也可以通过控制束团横向尺寸和纵向长度的大小来优化束流的传输效率和调节RFQ加速器的长度。本发明避免了传统的“四部曲方法”繁琐修改局部单元参数的缺点。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1本发明各个加速阶段的示意图；

图2实施例中每个加速器单元的基本参数；

图3束团的半径随着加速单元的变化曲线；

图4温度和加速单元之间的关系。

具体实施方式

通常在调制一台加速器之前，束流在入口的横向发射度(ε_xn，ε_yn)和加速器的工作频率等参数f可以根据要求直接给出。入口处束流的纵向发射度ε_zn是接近于零，在加速过程中逐渐增大，从而纵向温度也逐渐增加；而横向发射度在整个加速过程中通常基本保持不变。首先根据加速器的工作频率找到一个合适的孔径a和最大电极调制m(它永远出现在微聚束段的末端)，使得束流在横向和纵向两个方向聚焦强度基本相等。由孔径a、调制m由此求得最大的极间电压V(电场不能超过E_max，它由一定频率下的Kilpat系数确定，V＝Emax*a(1+m)/2*1.355)。a、m和V可以确定横向聚焦强度sigmat的大小，从而根据束团的大小和加速单元参数之间的匹配关系： $R^2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tn}}\mathrm{\λ}}{\sin \mathrm{gmat}}$ (t代表x和y两个方向)可以确定成形段中的单元参数(如纵向半径R等参数)。成形段之后的所有加速单元都需要调节孔径a和调制m以确保满足匹配关系条件。RFQ入口是径向匹配段，束流在该段的参数可以由成形段倒推求出。

通常进入RFQ加速器的束流为连续束流，纵向初始温度为零，要显著也低于横向温度。由于粒子之间的非线性空间电荷力使得束流的运动在x、y和纵向z方向上相互耦合，纵向发射度ε_zn在成形段迅速上升，这时候要调整孔径a使得束流严格满足匹配条件，防止束流发散打到加速器器壁上造成束流损失。之后微聚束段和加速段束流将同时满足匹配条件和均温条件，这时候需要同时调节孔径a、调制m和相位fai，以调整横向聚焦强度sigmat和纵向聚焦强度sigmal满足上述均温条件。

采用本发明调制一台强流质子RFQ加速器。

一、首先该加速器的基本参数见下表：

频率(MHz)	350
		输入能量(MeV)	0.05
输出能量(MeV)	2.00
		流强(mA)	50
束流入口发射度[Trans.，Norm，rms](πmm mrad)	0.2
		Kilpatrick电压系数	1.8

二、调制过程：

1)束流的横向和纵向聚焦都和孔径直接相关，选择一个初始孔径a和最大的电极调制m使得这两个方向的聚焦强弱相当：这里a＝0.29cm，最大调制m＝1.8和电压V＝96kV。

2)成形段处匹配的束流半径R＝0.136cm，由此倒推出径向匹配段的束流参数为α＝1.444，β＝2.916cm/rad，它们决定了RFQ入口处束流的形状。

3)以成形段处束流的参数为设计起点，孔径a、调制m和相位Fai变化要满足匹配条件，以尽量保持束团的大小不变；同时纵向的温度ε_znsigmal_z逐渐增加，在成形匹配段的终点满足均温条件，即各个方向之间的参数需要满足均温条件：ε_xnsigmat_x＝ε_ynsigmat_y＝ε_znsigmal_z。(x，y方向温度正比于ε_xnsigmat_x和ε_ynsigmat_y，而z方向上温度正比于ε_znsigmal_z)。

4)在微聚束段和加速段参数变化同时满足匹配条件和均温条件，直到将粒子加速到最终能量。

参考图1，各个加速阶段中所需要满足的条件。

要实现上述设计过程，需要按照图2设计中各个加速单元的参数：孔径a，相位Fai，调制m和横、纵向的聚焦强弱参数sigmat和sigmal。

图3给处了束团的横向半径随着加速单元的变化曲线，可以看到束团半径变化非常缓慢。而图4给出了束流三个方向的温度，可以看到z方向的束流温度一开始从零迅速上升，在到达横向温度后三个方向的束流温度就始终保持相同直到完成加速。

本实施例的模拟计算结果：

同步相位(°)		-90~-29
			电极调制		1~1.8
极间电压(kV)		96
			束流出口发射度[N，rms]	x(πmm mrad)	0.220
y(πmm mrad)	0.234
		Z(MeV deg)		0.2
单元数					248
		束流传输效率(％)		100％

Claims (4)

1、一种射频四极场加速器的调制方法，

束流进入RFQ加速器径向匹配段之后，以成形段处束流的参数为设计起点，加速器在成形段、微聚束段和加速段的孔径a、调制m和相位Fai变化要满足匹配条件 $R^2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\mathrm{\λ}}{\mathrm{sigmat}},$ 以保持束团的大小不变。

2、如权利要求1所述的射频四极场加速器的调制方法，其特征在于：成形段处束流参数的确定，包括：

首先根据加速器的工作频率找到一个合适的孔径和最大电极调制，使得束流在横向和纵向两个方向上的聚焦强度基本相等；

根据孔径a、调制m由此求得最大的极间电压V，并进一步确定横向聚焦强度sigmat的大小；

根据束团大小与加速单元参数之间的匹配关系，确定加速器成形段的束流参数。

3、如权利要求1或2所述的射频四极场加速器的调制方法，其特征在于：纵向束流的温度ε_znsigmal_z逐渐增加，在成形段的终点以及微聚束段和加速段，束流各方向满足均温条件ε_xnsigmat_x＝ε_ynsigmat_y＝ε_znsigmal_z。

4、如权利要求1或2所述的射频四极场加速器的调制方法，其特征在于：根据束流在加速器成形段的参数，倒推出径向匹配段的束流入口参数。

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