紧凑型重离子射频四极场直线加速器的理论设计与研究

论文摘要

随着粒子加速器在放射性医学以及原子核实验领域的应用发展,加速器整体结构的紧凑性成为了加速器设计的新要求。直线加速器因其高束流品质、易于注入等特点,经常用作加速器的注入器。近代物理研究所研制的首台具有自主知识产权的医用重离子加速器装置（HIMM）在其升级计划中,也将采用直线加速器代替原有回旋加速器作为注入器。射频四极场加速器（RFQ）作为直线注入器低能段的重要组成部分,也在向紧凑小型化的方向发展。依托HIMM项目的升级需求,本文完成了HIMM-RFQ的具体设计工作,提出了适用于紧凑型商业化低流强RFQ的快聚束动力学设计,并基于快聚束动力学设计完成了腔体相应的射频结构设计,最终完成腔体设计以及加工等研究。HIMM-Linac低能段RFQ的完整腔体设计包含了从束流动力学到射频结构,以及多物理场分析,水冷系统等多方面设计环节。本文基于RFQ束流动力学的相关理论,根据HIMM-RFQ的高稳定性、紧凑性的需求,以及其相对较低流强的特点,首次提出了快聚束动力学设计。快聚束动力学在低流强束流传输理论支持下,对于适用于强流传输的RFQ传统四段设计理论中成型段以及聚束段部分,进行了重新设计。在保证99%以上束流传输效率,并且在束流接受度留有充足余量的前提下,将设计长度缩短17%。并基于所提出的束流动力学做了多方面的误差分析。通过分析,得到了可容忍的非理想束流匹配参数极限,以及腔体加工装配等过程中误差容忍极限等各方面设计的极限容忍度数据,验证了该束流动力学对各方面误差都具有良好的容忍度,为后期稳定运行提供了理论依据。根据束流动力学结构参数,利用CST模拟仿真软件,对腔体射频结构进行了设计,并分析了结构参数对射频特性的影响。通过对射频结构参数的优化,将腔体四极场平整度控制在±3.5%以内,二极场分量控制在±2.5%以内。通过粒子在射频仿真建立电场中的跟踪模拟,证明射频设计可以很好的满足束流动力学设计要求。在射频设计结果之后,完成了腔体多物理场分析,通过多物理场分析结果完成了腔体冷却系统设计。对四杆型腔体加工中的关键点——电极加工,进行了分析研究,完成了射频设计模型到加工间的转换。并对电极加工误差数据做出动力学分析,证明了腔体加工可行性。同时,对腔体冷测方法以及冷测中的常见误差进行了分析讨论。本论文的研究包含了射频四极场加速器从束流动力学理论到腔体加工的整个过程。在整个加速器设计优化过程中,不仅应用到现有RFQ设计中所涉及到的基本方法,还在其基础上针对项目特点提出了快聚束动力学等设计创新,并在束流传输效率、束流发射度等多方面进行优化改进,最终完成将束流需求转换至具备加工条件的完整设计。本论文中,RFQ的设计过程和结果对同类型加速器设计、升级具有一定的参考作用。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王科栋

导师: 原有进,杨建成

关键词: 快速聚束,束流动力学设计,电磁设计,多物理场分析

来源: 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术,核科学技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

分类号: O571.6;TL53

总页数: 133

文件大小: 5648K

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