[发明专利]车载加速器中子源的梯形RFQ-IH DTL共振耦合射频质子直线加速腔

说明书

本发明公开了车载加速器中子源的梯形RFQ‑IH DTL共振耦合射频质子直线加速腔，RFQ的粒子出口端与DTL的粒子入口端相连；RFQ的粒子出口与DTL的粒子入口之间具有耦合间隙；RFQ的最后一个RFQ支撑杆设置为半支撑杆，半支撑杆为将RFQ支撑杆设位于RFQ的RFQ电极一侧的部分去掉之后所保留的结构；半支撑杆的长度满足能够使RFQ和DTL在同一频率下实现耦合的条件。本发明通过将RFQ的最后一个RFQ支撑杆设置为半支撑杆以及确定耦合间隙的同步相位，实现了将RFQ和DTL共振耦合，进而省去了传统RFQ和DTL中间的MEBT过渡段，只需通过一个功率源进行功率馈送，简化了功率馈送系统，且重量显著降低。

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，具体涉及车载加速器中子源的梯形RFQ-IH DTL共振耦合射频质子直线加速腔。

背景技术

中子成像是一种优良的无损检测技术。中子不带电、穿透性强，能分辨同位素、轻元素及近邻元素，穿过被测物体后，物体结构的不同或材料的差异会对其造成不同强度的衰减。对透过的中子强度分布进行探测，即可得到物体的内部结构和材料分布等信息。加速器中子源是一种设备简洁、体积小、重量轻、相对易操作和控制的中子产生装置，将加速器中子源进一步小型化实现车载，则可以非常方便地在所希望的工作现场开展中子无损探伤工作，实现对桥梁、大坝、隧道等建筑内部结构的缺陷检查、航空器件的锈蚀检测以及爆炸物的检测分析等。

车载加速器中子源一般通过质子束流轰击锂靶产生中子，所需质子束能量低，中子产额高，辐射屏蔽难度低。粒子加速器是车载加速器中子源的核心部分，其体积、重量和性能决定了整个中子源系统的尺寸和使用效果。车载加速器中子源通常只要求加速器将质子能量加速到较低能量区段(4MeV以下)。

在小型低能强流直线加速器领域，通过射频电磁场加速粒子束是最经济而高效的方案。射频加速器自上世纪60年代被提出以来，就取得了充分长足的发展。目前国际上的质子加速器类型种类繁多。其中，射频四极场直线加速器(RFQ)是国际上公认的性能最优的低能段加速腔。RFQ可以同时实现直流束流的聚焦与加速，具有结构紧凑、束流质量高、入口束流能量低的特点，所以常在离子源后直接使用。但是，RFQ的加速效率随着能量的提高而降低。因此，质子束流能量超过1MeV以上以后，为了提高加速梯度，常会将粒子先引出至中能传输段(MEBT)，注入其他高加速梯度的射频加速腔体，如漂浮管直线加速器(DTL)等。

此外，针对不同的工作频率，国际上已经基于RFQ和DTL的加速原理研究出了诸多的派生结构。其中，“H型”腔体工作于TE模式，具有体积小、加工简单、工作频谱宽的优势，被广泛应用于国际上诸多加速器驱动中子源项目中。“梯形支撑H型RFQ(L-RFQ)”和“指形支撑H型DTL(IH-DTL)”分别是两种H型加速腔体的派生结构。相比于其他腔体类型，L-RFQ和IH-DTL的机械强度高、功耗低、腔体尺寸小、品质因数更高，且更适用于在适中的频率下(200MHz)工作。

现有技术和不足：

在车载加速器中子源中，载体对加速腔体的尺寸和重量要求都尤为苛刻。传统的“RFQ+MEBT+DTL”加速方案不仅需要很长的纵向空间，还需要两套不同的功率源进行供电，显然传统的“RFQ+MEBT+DTL”加速方案不适用于车载加速器。因此，目前国际上通用单一的RFQ腔体作为车载加速方案，并通过提高RFQ加速器的工作频率实现腔体的小型化，如日本理化研究所的RANSIII加速器工作频率为500MHz。提高工作频率虽然可以减小腔体尺寸，但所需的射频功耗、功率源的体积和重量增加从而使得功率馈送系统和冷却系统更加复杂。因此，这种RFQ单一腔体的加速方案已经接近了小型化和轻量化的极限。