弯折翼型RFQ加速器新腔体结构研究

A new cavity structure of RFQ accelerator with bent vanes is proposed to meet the miniaturization requirement of low frequency heavy ion accelerators. The new structure has a downsized cross section by bending vanes while keeping a certain vane lengths. It also possesses the advantages of simple cooling structure and high power efficient when used in low frequency. The new structure has obvious advantages in reducing manufacturing difficulty of cavity, cutting down project cost, enhancing facility reliability and stability.

基于低频率重离子加速器的小型化趋势，提出了一种弯折翼型RFQ加速器新腔体结构。该结构通过翼的弯折在翼总长度一定的情况下大大缩小了腔体的横向尺寸。新结构在低频率领域使用时，不仅有小的横截面尺寸，同时还具备冷却系统简单、高功率效率等优点。新结构在降低腔体加工难度、减少工程费用、提高设备运行的可靠性和稳定性等方面都有明显优势。

重离子加速器是研究原子核结构、核反应机制、宇宙演化中的核过程以及重离子相关前沿科学问题的重要工具。离子束流在economic 和国家安全等诸多领域也应用广泛，例如近年来蓬勃发展的离子束癌症治疗行业，随着我国航天科技和核能开发的快速发展，迫切需要利用离子束解决与粒子辐射相关的关键技术难题。鉴于重离子束流应用的重要性和广泛性，重离子强流加速器的一些关键技术（如小型化）已经成为国家间重要的竞争型技术。在现有的重离子加速器装置中，低能段加速器基本都是RFQ加速器，因此，重离子加速器小型化的核心内容之一是RFQ加速器的小型化。目前，国际上人们提出了多种小型化RFQ的方法，例如提高RFQ的工作频率、逐渐提高RFQ沿束流运行方向的极间电压等。..本项目提出了一种弯折翼型RFQ射频结构，即对传统四翼型RFQ加速器的四个翼进行弯折。该新型结构能使低频率的RFQ具有较小的横向尺寸和拥有简单有效的冷却系统。项目分别对弯折翼型RFQ结构的四极加速电场、结构参数对腔体频率的影响、CW条件下的腔体热分布以及腔体的加工工艺等进行了研究。研究结果表明，弯折翼型RFQ射频结构拥有理想的TE210四极电场模式；在腔体频率不变的情况下，通过翼的弯折增加腔体分布电容可有效减小腔体横截面尺寸；通过合理布局简单的水冷管道，腔体温升跟同频率、同电压的四翼型腔体温升基本一样；腔体机械加工误差分析显示，弯折翼结构的电极加工误差略大于传统四翼型的加工误差。项目研制了一台81.25MHz的弯折翼型RFQ腔体，其横向尺寸比传统四翼型结构减小了20%，极间电压为70kV时最高温升仅为4.8℃，电极平均加工误差为0.045mm。..本研究完成了从弯折翼型RFQ射频结构概念的提出到第一个真正意义上腔体（BV-RFQ原型腔）的物理设计、铝模腔的机械加工工艺的探索以及低功率测试的整个研究。通过对频率为81.25 MHz的BV-RFQ原型腔的研制，论证了弯折翼型RFQ射频结构的现实可行性，这种结构主要具有横截面尺寸小、简单且高效的水冷系统的优点。