高频四极直线加速器的结构是1969年被首次提出的。1974年苏联高能物理研究所首次建成双H腔型实验样机。1980年美国洛斯阿拉莫斯实验室首次建成四翼型实验样机，此后四翼型高频四极直线加速器广泛取代体积庞大的高压倍加器，成为低能强流加速器的一种通用前级加速器。

高频四极直线加速器实际上是一种特殊结构的谐振腔，利用电磁波在谐振腔中产生特定分布的电磁场对粒子横向（径向）聚焦、纵向聚束和加速。RFW谐振腔中有四个对称安置的双曲线形电极，相对电极加大小相等、极性相同的电压，相邻电极加大小相等、极性相反的电压，这样在中心区域形成电四极场（图1左）。当粒子在横截面上偏离中心点时，则会受到一个方向指向中心点的电场力（聚焦力）的作用，在对侧方向受到一个方向背向中心点的电场力（散焦力）作用，所受力的大小与偏离的距离成正比。由于电极电压是由谐振腔中的高频电磁场产生，电压是随时间周期变化的，每半个周期电极电压的极性改变一次，在一个方向上，粒子受到的电场力也按照聚焦力与散焦力交替变化，根据强聚焦原理，最终可以实现电场对粒子的作用都是聚焦力。

左图：横向截面，右图：纵向截面图1 高频四极直线加速器原理示意图

当极头调变参数m=1时，即四个电极距离中心点距离一样，四个结构完全对称的电极对中心点的电势贡献是一样的，这时中心点的电势为0；当m＞1时，水平方向的两个电极对中心点电势贡献更大，中心点的电势＞0；当m＜0时，垂直方向的两个电极对中心点电势贡献更大，中心点的电势＜0。这样通过改变电极与中心点的距离，z轴上的电势会随着m而变化，形成加速电场，即纵向调制产生加速电场（图1右）。图中ma和a是相对电极的最大和最小值，m越大纵向场分量越大，横向场分量越小。考虑到加速和横向聚焦的需要，通常1≤m≤2。四个电极与中心点的距离经过周期调制后，可以在z轴上形成正弦（或余弦）波形的加速电场。如果电极上的电压极性不随时间变化，经过半个周期的加速后，粒子就会进入减速区域，最终粒子不会得到加速。由于电极上的电压是周期变化的，只要设计好在z轴上的调制周期长度，使得粒子经过半个周期的加速后，电极电压的极性正好改变，原本的减速区域将变为加速区域，粒子可以一直得到加速。以上是高频四极直线加速器的基本原理，而后经过发展，又提出了四段式（径向匹配段、成形段、慢聚束段、加速段）的加速器设计方法，使得高频直线加速器的性能得到很大提升。

高频四极直线加速器根据腔型结构的不同，分为四翼型、四杆型和交叉指型三种。图2给出了一个四翼型高频四极直线加速器加速腔的实物图。高频四极直线加速器的优点在于能直接加速从离子源中引出的低能粒子，并将加速、纵向聚束、横向聚焦等多种功能汇集于一个结构中，从而可以高效率地将几十毫安、几百毫安乃至几安培级的强流离子束加速到7兆电子伏的能量。高频四极直线加速器是高功率离子加速器前端的关键部件，主要应用于散裂中子源、加速器驱动的次临界系统、μ子和中微子工厂等。

图2 四翼型高频四极直线加速器的加速腔实物图