[發(fā)明專利]車載加速器中子源的梯形RFQ-IH DTL共振耦合射頻質(zhì)子直線加速腔

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• 申請日: 2022-12-14
• 公開（公告）號: CN115802581A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李海鵬;王盛;惠行健;蘇浩泉
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H05H9/00
• 分類號: H05H9/00;H05H7/02;H05H7/22
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 張宇鴿

本發(fā)明公開了車載加速器中子源的梯形RFQ?IH DTL共振耦合射頻質(zhì)子直線加速腔，RFQ的粒子出口端與DTL的粒子入口端相連；RFQ的粒子出口與DTL的粒子入口之間具有耦合間隙；RFQ的最后一個RFQ支撐桿設(shè)置為半支撐桿，半支撐桿為將RFQ支撐桿設(shè)位于RFQ的RFQ電極一側(cè)的部分去掉之后所保留的結(jié)構(gòu)；半支撐桿的長度滿足能夠使RFQ和DTL在同一頻率下實現(xiàn)耦合的條件。本發(fā)明通過將RFQ的最后一個RFQ支撐桿設(shè)置為半支撐桿以及確定耦合間隙的同步相位，實現(xiàn)了將RFQ和DTL共振耦合，進(jìn)而省去了傳統(tǒng)RFQ和DTL中間的MEBT過渡段，只需通過一個功率源進(jìn)行功率饋送，簡化了功率饋送系統(tǒng)，且重量顯著降低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于粒子加速器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及車載加速器中子源的梯形RFQ-IH DTL共振耦合射頻質(zhì)子直線加速腔。

背景技術(shù)

中子成像是一種優(yōu)良的無損檢測技術(shù)。中子不帶電、穿透性強，能分辨同位素、輕元素及近鄰元素，穿過被測物體后，物體結(jié)構(gòu)的不同或材料的差異會對其造成不同強度的衰減。對透過的中子強度分布進(jìn)行探測，即可得到物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料分布等信息。加速器中子源是一種設(shè)備簡潔、體積小、重量輕、相對易操作和控制的中子產(chǎn)生裝置，將加速器中子源進(jìn)一步小型化實現(xiàn)車載，則可以非常方便地在所希望的工作現(xiàn)場開展中子無損探傷工作，實現(xiàn)對橋梁、大壩、隧道等建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷檢查、航空器件的銹蝕檢測以及爆炸物的檢測分析等。

車載加速器中子源一般通過質(zhì)子束流轟擊鋰靶產(chǎn)生中子，所需質(zhì)子束能量低，中子產(chǎn)額高，輻射屏蔽難度低。粒子加速器是車載加速器中子源的核心部分，其體積、重量和性能決定了整個中子源系統(tǒng)的尺寸和使用效果。車載加速器中子源通常只要求加速器將質(zhì)子能量加速到較低能量區(qū)段(4MeV以下)。

在小型低能強流直線加速器領(lǐng)域，通過射頻電磁場加速粒子束是最經(jīng)濟(jì)而高效的方案。射頻加速器自上世紀(jì)60年代被提出以來，就取得了充分長足的發(fā)展。目前國際上的質(zhì)子加速器類型種類繁多。其中，射頻四極場直線加速器(RFQ)是國際上公認(rèn)的性能最優(yōu)的低能段加速腔。RFQ可以同時實現(xiàn)直流束流的聚焦與加速，具有結(jié)構(gòu)緊湊、束流質(zhì)量高、入口束流能量低的特點，所以常在離子源后直接使用。但是，RFQ的加速效率隨著能量的提高而降低。因此，質(zhì)子束流能量超過1MeV以上以后，為了提高加速梯度，常會將粒子先引出至中能傳輸段(MEBT)，注入其他高加速梯度的射頻加速腔體，如漂浮管直線加速器(DTL)等。

此外，針對不同的工作頻率，國際上已經(jīng)基于RFQ和DTL的加速原理研究出了諸多的派生結(jié)構(gòu)。其中，“H型”腔體工作于TE模式，具有體積小、加工簡單、工作頻譜寬的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于國際上諸多加速器驅(qū)動中子源項目中?！疤菪沃蜨型RFQ(L-RFQ)”和“指形支撐H型DTL(IH-DTL)”分別是兩種H型加速腔體的派生結(jié)構(gòu)。相比于其他腔體類型，L-RFQ和IH-DTL的機械強度高、功耗低、腔體尺寸小、品質(zhì)因數(shù)更高，且更適用于在適中的頻率下(200MHz)工作。

現(xiàn)有技術(shù)和不足：

在車載加速器中子源中，載體對加速腔體的尺寸和重量要求都尤為苛刻。傳統(tǒng)的“RFQ+MEBT+DTL”加速方案不僅需要很長的縱向空間，還需要兩套不同的功率源進(jìn)行供電，顯然傳統(tǒng)的“RFQ+MEBT+DTL”加速方案不適用于車載加速器。因此，目前國際上通用單一的RFQ腔體作為車載加速方案，并通過提高RFQ加速器的工作頻率實現(xiàn)腔體的小型化，如日本理化研究所的RANSIII加速器工作頻率為500MHz。提高工作頻率雖然可以減小腔體尺寸，但所需的射頻功耗、功率源的體積和重量增加從而使得功率饋送系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)更加復(fù)雜。因此，這種RFQ單一腔體的加速方案已經(jīng)接近了小型化和輕量化的極限。