高电荷态重离子RFQ加速器的研究

本合作项目旨在北京大学26MHz重离子整体分离环RFQ加速器研究成果的基础上，结合兰州重离子加速器冷却储存环的需要，开展52MHz高电荷态重离子四杆型RFQ加速器的研究。由于低能高电荷态重离子的空间电荷效应特别严重，因此本项目将先进的"均温动力学"设计的理念以及空间电荷效应的影响应用于低能高电荷态重离子RFQ加速器的设计是十分重要的研究内容；同时开展高电荷态重离子源的引出离子种类、流强、引出束流的品质、以及空间电荷效应补偿的研究，并建成一台可以用于高电荷态重离子RFQ加速器的低能离子注入器；发展北大1MeV重离子RFQ加速器的微翼型四杆RFQ加速结构，研究开展52MHz适宜于加速高电荷态重离子到每核子140keV的微翼四杆型RFQ加速器研究；并研究其在高占空比乃至连续波下高功率和束流试验运行的可能性。

本课题为兰州重离子研究装置研制了一台连续波高电荷态重离子RFQ加速器，工作频率为53.667 MHZ；将荷质比不小于1/7的17 mA离子束流从3.728 keV/u加速至143 keV/u。.RFQ的设计借鉴了国内外强流和高占空比RFQ的设计经验。通过优化束流的相移变化过程避免了参数共振，其电极结构提供了较大的横向接受度，为LEBT段与RFQ的入口匹配提供了便利；同时在聚束段部分使强流束接近均温状态，对于0.5 pmA的238U34+束流，不同的粒子跟踪软件都给出了超过94%的传输效率。.谐振结构方面，我们对RFQ的功耗分布进行了研究，每个支板的两个支臂具有较高的功耗密度，需要足够的水冷；在电极端部的悬空段设计了往返式的水冷通道，使其温升得到有效控制；该RFQ配备了四个调谐器，其可使腔体频率升高125 kHz；对于功率馈送器，对包括陶瓷窗在内的过渡段的功率损耗和场分布进行了分析，高功率馈送时过渡段自身的功率损耗约为1.5 kW，这部分功率需要通过水冷带走。 .SSC-LINAC RFQ的横向聚焦强度沿纵向不断变化，使得平均孔径不再保持一致。通过数值模拟结果表明，这一变化造成的束流动力学参数差异很小，因此固定极头半径的加工方式是可行的。仿真结果表明，由于SSC-LINAC RFQ的频率较低，电场的不平整度较小。.我们使用机械测量臂结合激光跟踪仪的方式对电极的安装位置进行了测量，最大偏差量为0.17 mm，同时电极沿纵向存在一定的扭摆现象。 .RFQ腔体实测Q0值为6440，频率为53.607 MHz (室温25℃)。四极场分布不平整度为±2.5%。功率试验从5%占空比开始，直至连续波34 kW运行，腔体在连续波运行时的失谐约为2.18 kHz/kW。水温的监测结果表明腔体能够得到有效冷却。功率试验时通过测量轫致辐射谱对极间电压进行了标定，结果表明极间电压70 kV时的腔体功率约为35 kW，比分路阻抗为354kΩm。. 在连续波模式下进行了16O5+离子和40Ar8+离子的RFQ束流实验。测量显示该器对高电荷态重离子的传输效率可达94%，用飞行时间法测得的16O5+离子出口粒子能量为141.89 keV/u，40Ar8+离子出口能量为142.78 keV/u，达到了设计要求。