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大于1GHz RFQ电磁结构及横向动力学研究
结题报告
批准号:
11905267
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
27.0 万元
负责人:
窦为平
学科分类:
A2801.加速器物理
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
一般RFQ的适宜工作频率为50-400MHz,工作频率提升到大于1GHz,会使RFQ体积缩小,但将会带着诸多物理问题:在动力学上,横向聚集会减弱,束流传输效率难以保证;腔体尺寸会减小,加工和准直精度要求会提高;接受度会变小,上游束流与RFQ匹配难度会增加。电磁结构上,电压调谐敏感度会降低,场调平会更困难;分路阻抗和品质因子会下降,功率损耗会增加;热形变会更严重,工作频率难以控制。本项目通过模拟计算,主要针对RFQ工作频率提升所带来的横向动力学和电磁结构新问题进行研究,提出可行的降低和预测其影响的方法。其次研究RFQ作为直线注入器的共性匹配问题。本项目的研究旨在探索工作频率大于1GHz RFQ的动力学和高频特性,形成可靠的满足S波段直线加速器注入器要求的RFQ物理设计。高工作频率的RFQ作为S波段直线加速器注入器,将会使整个直线加速器的体积缩小,造价大幅度降低,提高其应用到医疗领域的可能性。
英文摘要
The suitable working frequency of RFQ is 50-400 MHz. If the working frequency is increased to more than 1 GHz, the volume of RFQ will be reduced, but there will be many physical problems: in dynamics, the transverse focusing will be weakened, the beam transmission efficiency will be reduced; the cavity size will be reduced, the requirements of machining and alignment accuracy will be improved; the acceptance will be reduced, and the matching difficulty between upstream beam and RFQ will be increased. In electromagnetic structure, the sensitivity of voltage tuning will be reduced, and tuning will be more difficult; shunt impedance and quality factor will be reduced, power loss will increase; thermal deformation will be more serious, and operating frequency will be difficult to control. Through the simulation calculation, this project mainly studies the new problems of transverse dynamics and electromagnetic structure caused by the increase of RFQ working frequency, and puts forward feasible methods to reduce and predict its impact. Secondly, the common matching problem of RFQ as linear injector is studied. The purpose of this research is to explore the dynamic and high frequency characteristics of RFQ with working frequency greater than 1 GHz, and to form a reliable RFQ physical design that meets the requirements of S-band linear accelerator injector. As an injector of S-band linear accelerator, RFQ with high operating frequency will reduce the volume and cost of the linear accelerator, and increase the possibility of its application in medical field.
通过数十年的发展,国内外已具有多台工作频率在80MHz-400MHz之间,能量高达数百MeV的直线加速器,限制直线加速器推广运用到治疗领域的主要因素是由低工作频率导致整个直线加速器体积庞大,价格昂贵。.本项目面向的是RFQ工作频率提升后带来诸多关键物理问题研究,包括工作频率大于1GHz RFQ的横向动力学和高频结构设计研究,RFQ内束流损失控制方法以及小接受度RFQ入口匹配研究。目标是探索工作频率大于1GHz RFQ加速器的横向动力学和高频结构特性,完成加速梯度高,RFQ内损失粒子能量低,出口束流品质好的RFQ动力学设计,完成电磁场分布平整、高频损耗功率优化以及腔体模式稳定的RFQ高频结构设计。.动力学上完成了从700MHz到1.5GHz RFQ的横向动力学特性研究,基于小接受度RFQ在线调试结果,针对性地进行了RFQ入口径向匹配段设计,RFQ内束流损失控制,完成了面向工程的RFQ误差分析方法研究,得到了频率为750MHz的RFQ动力学设计方案,出口能量为2MeV,长度为92.77cm,加速梯度2.15MV/m,传输效率为94.4%,RFQ内损失粒子能量300-500keV。在高频结构上完成了从700MHz到1.5GHz RFQ的高频特性研究,得到了频率为750MHz的RFQ高频设计方案,功率损耗为200W/mm,品质因数为7540,电场平整度在±2%以内,最大的场不对称为6.7%。.项目取得的主要成果是探索了700-1500MHz RFQ的横向动力学和高频特性,完成了可满足S波段注入器要求的750MHz RFQ加速器物理方案设计,具体如下:.1、完成了700-1500MHz横向动力学和高频特性研究,也完成了750MHz RFQ物理方案设计,在紧凑型同位素生产设备或者癌症治疗等领域具有很好的应用前景。.2、RFQ内束流损失控制方法,传统方法中RFQ内丢失粒子的最大能量与RFQ出口能量相当,会对电极产生严重损伤,以小能量接受度的方法进行RFQ内束流损失控制, 让将要丢失的束流无法获得能量增益,发生丢失时能量较低,减少对RFQ电极的损伤。.3、小接受度RFQ径向匹配段设计和在线匹配方法,优化入口径向匹配段的长度和单元数,实现了弱聚焦到强聚焦的平滑过渡,开发了匹配程序,可快速、自动地实现小接受度RFQ的在线匹配。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Beam dynamics design of HIAF RFQ
HIAF RFQ 的梁动力学设计
DOI:10.1142/s0218301321501044
发表时间:2021-12
期刊:International Journal of Modern Physics E
影响因子:1.1
作者:Chao Wang;Weiping Dou;Zhijun Wang;Yue Tao;Weilong Chen;Chi Feng;Shuhui Liu;Yuan He;Yuanshuai Qin;Xin Qi;Wangsheng Wang;Yongzhi Jia;Chenzhang Yuan;Lu Li
通讯作者:Lu Li
Development and cold-test of an RFQ-DTL coupled cavity
RFQ-DTL 耦合腔的开发和冷测试
DOI:10.1142/s0217751x22501068
发表时间:2022-05
期刊:International Journal of Modern Physics A
影响因子:1.6
作者:Wei-Ping Dou;Chen-Xing Li;Zhi-Jun Wang;Zong-Heng Xue;Xiao-Feng Jin
通讯作者:Xiao-Feng Jin
Research of beam matching on RFQ for CADS proton linac
CADS质子直线加速器RFQ光束匹配研究
DOI:10.1142/s0218301321500270
发表时间:2021-04
期刊:International Journal of Modern Physics E
影响因子:1.1
作者:Chao Wang;Weiping Dou;Zhijun Wang;Chi Feng;Wangsheng Wang;Weilong Chen;Yongzhi Jia;Shuhui Liu;Yuan He;Yuanshuai Qin;Yue Tao
通讯作者:Yue Tao
DOI:https://doi.org/10.1142/S0217751X22501068
发表时间:2022
期刊:International Journal of Modern Physics A
影响因子:--
作者:Wei-Ping Dou;Chen-Xing Li;Zhi-Jun Wang;Zong-Heng Xue;Xiao-Feng Jin
通讯作者:Xiao-Feng Jin
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