根据束流动力学设计方案，使用电磁场计算软件CST Microwave Studio对带窗四翼型射频四极场(RFQ)结构进行了模拟研究，分析了加速腔结构参数对其物理特性的影响，得到了200 MHz质子带窗四翼型RFQ优化结构方案。该结构的比分路阻抗为79.5 kΩ·m，模式间隔达25.802 MHz。与传统的四翼型RFQ比较结果表明: 带窗四翼型RFQ具有较低的工作频率范围、良好的电稳定性以及较高的比分路阻抗。

为了提高射频四极场加速器(RFQ)的束流传输效率, 需要对纵向分布不均匀的极间电压进行补偿, 并且准确测量束流实验中极间电压的绝对数值。考虑到极间电压分布不均匀是由于分布电容和端部效应造成的, 而采用调谐块可以调节分布电感, 通过电磁场数值模拟研究了调谐块对极间电压分布的影响, 最终极间电压的平整度被调整到优于95%。在束流实验中, 通过测量轫致辐射谱测定了极间电压的数值, 通过束流动力学模拟研究了多能峰产生的原因, 并最终标定了70 kV极间电压对应的输入功率值284 kW。

采用过滤阴极真空弧法，制备了满足激光稳相加速机制要求的超薄自支撑类金刚石碳靶。室温下沉积，基片偏压为-32 V，薄膜沉积速率约为每脉冲0.002 nm。选取NaCl膜作脱膜剂，采用漂浮法进行脱膜。打捞板孔径为1 mm时，自支撑厚度范围为5~50 nm，自支撑成功率约为70%。利用拉曼光谱仪及原子力显微镜等仪器，测量了薄膜的结构、表面粗糙度等关键参数。

介绍了北京大学分离作用射频四极场(RFQ)加速器的结构特点, 包括膜片式电极、支撑环式电极支撑系统、水冷系统、调谐系统及其工艺实现; 介绍了基于该分离作用RFQ加速腔进行的调谐测试、高功率实验和束流实验。结果表明: 调谐系统的频率调节范围及品质因数完全满足实验要求; 分离作用RFQ加速腔的输入功率可以达到33 kW以上, 满足高功率下稳定运行的条件; 在束流实验中, 把1.03 MeV的O+入射束流加速到1.65 MeV, 半高宽能散小于3%。加速器结构满足物理设计要求, 加速系统运行稳定。

为了提高中子产额, 法兰克福强中子源采用Mobley型束团压缩器来增强打靶时质子流的密度, 其入口处由射频踢波器实现微脉冲的偏转,踢波器由一对电偏转板和串联电感线圈组成谐振腔体。考虑到高频下寄生电容效应、导体腔壁对线圈电感的影响以及涡流效应对线圈交流电阻的影响, 对一台模型腔的射频特性进行了理论预测。对腔体内电磁场分布进行了数值模拟, 并利用电容微扰法进行了冷模测量。针对谐振频率、品质因数和并联分路阻抗等参数, 分析比较了理论计算、数值模拟及冷模测量的结果, 总结得出射频踢波器的有效设计方法。

采用编码源能大大提高中子成像的中子注量率, 同时保持较高的准直比。对改进的均匀冗余矩阵编码源中子成像进行了计算机模拟并利用可见光进行了实验, 初步验证了编码源中子成像的可行性, 并且探索了各种在非理想条件下成像对图像质量的影响并提出了解决方法。结果表明, 编码源配合相关算法能够较好地重建图像, 反解后的物体尺寸及分辨能力与单孔成像相当, 同时缩短了曝光时间。若物体与理想成像面存在着位置或旋转偏差, 则投影大小与探测器CCD像素、解码矩阵尺寸便不能对齐, 但仍可以通过对图像背景噪声标准差的计算来后期修正图像, 也可以利用此方法在实验前确定编码源成像系统中理想成像面的位置, 以确保图像质量。

在分离作用射频四极场(SFRFQ)加速腔中加入频率调谐装置,用步进电机驱动调谐杆运动,改变调谐板在腔中的位置来改变调谐板与支撑环之间的分布电容,从而改变SFRFQ腔的工作频率,使其谐振频率为26.07 MHz,实现了RFQ和SFRFQ组合加速系统频率的匹配。在完成两腔频率调谐的基础上进行了SFRFQ腔体1/6占空比高功率试验,轫致辐射谱的测量表明,SFRFQ极间电压在入射峰值功率为28.8 kW时已达到86.2 kV,超过了设计指标的70.0 kV。

分析了加速器作为硼中子俘获治疗(BNCT)中子源的优势,提出以射频四极场(RFQ)加速器作为BNCT用中子源的首选机型.对该RFQ的参数进行了选择,利用质子轰击锂靶近阈反应产生的前冲中子束能散低、散角小的优势,设定RFQ最终能量为1.9 MeV.采用"匹配均温"设计方法进行了此强流质子RFQ的束流动力学设计,并对设计方案进行了传输模拟,在入口归一化均方根发射度为0.25 mm·mrad、流强为100 mA时,束流传输效率为99.3%.选择合适厚度的锂靶,经过整形即可得到满足BNCT治疗需要的中子束.