重离子对癌细胞的高生物学灭杀效应和布拉格峰效应,使得医用重离子加速器成为了当下治疗癌症最有效的手段之一。但相比其他射线,重离子加速效率低,高昂的前期建造成本是制约医用重离子加速器发展及推广的主要原因。为提高国产医用重离子加速器HIMM（Heavy Ion Medical Machine）的国际竞争力,降低癌症患者的人均治疗成本,近代物理研究所计划采用一台紧凑型的直线加速器（HIMM-Linac）来完成HIMM的升级。本论文重点就HIMM-Linac中的射频四极场加速器RFQ（Radio Frequency Quadrupole）进行了研究,在已建好的162.5 MHz HIMM-RFQ实验研究的基础上,提出了325 MHz HIMM-RFQ的新设计方案。162.5 MHz HIMM-RFQ的实验研究主要包括场平整度、机械工艺及测量、低功率测试、高功率锻炼和束流实验。在仿真模拟阶段,极间场平整度通过垫块调谐的方法,优化到±4%。在低功率测试前,采用激光跟踪仪对电极的位置偏差进行了测量,测量结果可作为后续分析的重要数据。低功率测试中,对场平整度测量的误差因素进行了分析,并讨论了拉力消除由微扰体重力所造成误差的方法。场平整度测量结果在-5%～3%之间,与模拟计算和机械测量的结果有很好的一致性。高功率锻炼中,对高频系统和腔体老炼、取样信号进行了讨论分析,可为相关加速器的运行提供参考。在束流实验中,对传输效率和RFQ出口的能量进行了测量,测量结果均达到了设计要求。162.5 MHz HIMM-RFQ实验研究的结果证明了理论与模拟计算的可靠性,并为325 MHz HIMM-RFQ的设计提供了实验依据。325 MHz HIMM-RFQ研究的主要任务是束流动力学和高频结构的设计。在束流动力学上,325 MHz的频率虽然有利于建立更大的加速梯度,但也引起了横向接受度的减小和RFQ出口能量要求的提高。本文基于以上特点,通过优化聚束段出口的聚焦强度、散焦因子、最小孔径,提高了RFQ的横向接受度,使得RFQ传输效率提高到97.1%。在聚束段采用了快聚束方案,通过保持绝热近似下代表纵向稳定区面积的S因子不变来提高同步相位的变化速度,缩短聚束段的长度。在快聚束方案下,最大同步相位提高到-16°。相位的提高虽然增大了聚束段的长度,但也提高了加速梯度,导致RFQ整体长度缩短到153.33 cm,实现了医用加速器紧凑性的需求。后续的误差分析中,对该动力学设计在各种误差下的容忍度进行了研究。误差分析结果可作为质量评估和调试阶段的理论指导。在高频结构设计中,通过CST建模仿真,设计了RFQ初步的射频结构。经过底切优化后,场平整度为±0.8%,满足动力学的设计要求。在对二极模稳定杆进行研究后,将相邻二极模频率与工作频率的间隔提高到7 MHz,足以保证工作模式不会受到二极模的明显影响。最后,为了补偿各种误差造成的腔体谐振频率偏差,共设计了24个调谐器。在调谐过程中,调谐器几乎对场分布不造成影响,能够把腔体谐振频率调节到工作频率325 MHz。