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射频四极场(Radio Frequency Quadrupole，RFQ)加速器利用四根电极之间的径向射频电场完成低能强流离子束的横向聚焦，而有规律的电极调制用来实现连续束流的绝热俘获、纵向聚束以及加速。自20世纪70年代提出以来，RFQ加速器凭借束流强、体积小、离子选择性好等优点，逐渐取代了体积庞大的高压倍加器，作为首选的低能端直线加速器，成为连接离子源与后续高能加速器的纽带，或者独立完成束流的加速，广泛应用于中子源、加速器驱动次临界或洁净核能系统、核医学与材料研究等领域。为了更好地将RFQ应用于离子注入、加速器质谱等领域，必须设法降低其出口束流能散，同时为了提高杆型RFQ的工作频率需要研究新的加速结构。本论文将RFQ的低能散动力学设计与新结构研究结合起来，主要研究一台工作在104 MHz左右、可加速荷质比≥1/14的离子至36 keV/u、出口束流能散远小于常规RFQ的新型梯形IH-RFQ加速器，包括动力学与结构设计，功率实验与初步束流实验。另外，以基于RFQ加速器的法兰克福中子源(Frankfurt Neutron Source at the Stern-Gerlach-Zentrum，FRANZ)为例，研究了RFQ加速器的束流注入、加速后束流的压缩处理等问题。通过这些工作，把RFQ加速器理论研究与应用紧密结合。
不同于传统的“四步曲”法，本文的RFQ动力学设计采用非绝热设计方法中的内聚束法，将RFQ划分为五个部分，即径向匹配段、非绝热聚束段、漂移段、过渡段和加速段。其中在非绝热聚束段调制系数从0增加到某一最大值再降为0，漂移段电极无调制完成束流的初步聚束，两者的作用相当于一个内聚束器，这样有利于降低出口束流能散。为了保证高的传输效率，对聚焦系数进行了合理设计以保持束流包络与加速通道之间的匹配。结合Staples的程序、PARMTEQM以及北京大学发展的MATCHDESIGN和RFQDYN，完成了14C+弱流束的动力学设计，出口束流能散为0.6％，传输效率97.6％，电极长度1.1 m，出口能量500 keV。与非绝热外聚束法相比，虽然其电极会略长一些，但是RFQ入口前不需要预聚束器，整个系统得到简化，总体传输效率大大提高。
梯形IH-RFQ的电极采用通体支撑方式，Microwave Studio(MWS)模拟表明它工作在H210模式，这不同于工作在H110模的传统IH-RFQ，而与四杆型RFQ相比它多了一半的支撑结构即并联回路。等效电路模型分析与MWS模拟显示在相同横向尺寸下，梯形IH-RFQ的谐振频率约为IH-RFQ的2倍、四杆型RFQ的1.3倍，所以它更适合工作在100 MHz以上的频率，且适于加速荷质比大的重离子。由于梯形IH-RFQ中电极支撑的对称性，电极间拥有完美的电四极场，这一点优于IH-RFQ和四杆型RFQ。以降低功耗为目的，在104 MHz左右对梯形IH-RFQ进行了射频结构优化，之后对加工腔体进行了冷测实验、功率实验以及初步束流实验。冷测实验利用矢量网络分析仪、结合电容微扰法进行。极间电压通过高纯锗探测器测量轫致辐射谱来确定，测得比分路阻抗为178 kΩ·m，达到了国际先进水平。利用2.45 GHz永磁ECR离子源，进行了4He+束加速模拟实验，得到了几百微安的束流，在几十微安的情况下，传输效率好于70％。
FRANZ主加速器为四杆型RFQ与IH-DTL的耦合腔体，经过250 kHz的斩波器与175 MHz的主加速器之后，200 mA的连续质子束获得了宏脉冲与微脉冲结构，采用Mobley型束团压缩器使得同一宏脉冲中的各个微脉冲在同一时间打靶，其入口采用工作在5 MHz的踢波器将微脉冲偏转不同的角度，被偏转的微脉冲经不同的磁铁传输路径后在锂靶前形成1 ns、直径约20 mm的质子束团，其峰值流强高达8 A。本文除了介绍FRANZ体积型离子源的安装与调试、低能束流传输段的模拟设计外，主要讨论其束团压缩器中射频踢波器的设计。考虑到踢波器设计的复杂性，首先对一个模型腔进行了深入研究，它由一对电偏转板和与其串联的电感线圈组成。从理论上研究了腔壁存在时线圈寄生电容和电感的计算，从而对其谐振频率进行预测，考虑到高频涡流效应对线圈电阻值的影响，分析了腔体的功率损耗特性。利用MWS对模型腔进行了电磁场数值模拟，系统地研究了其高频特性。最后对模型腔进行了测量。结果表明该模型腔谐振频率为8MHz左右，并联分路阻抗达2.8 MΩ。模型腔的研究为下一步FRANZ束团压缩器用5 MHz踢波器的设计积累了经验、奠定了基础。