直線加速器:高頻直線加速器-中文百科頻道

曆史

直線加速器的雛形概念最早是由英國科學家G.Ising在1924年提出，1924年他在一篇名為《産生高壓極隧射線方法原理》的文章中提出了一個直線加速器的設計圖樣。根據G.Ising的文章，直線加速器由一個直的真空管道和一系列的帶孔的金屬漂移管組成。粒子的加速是通過相鄰的漂移管之間的脈沖電場完成的，電場和粒子的同步是由電壓源和相應的漂移管之間的傳輸線長度的時間延遲來實現。同時他在文章中寫道：“現在來深入讨論實現這一想法的細節問題和可能遇到的困難為時尚早，我希望不久能做一個實驗。”這個建議在當時由于電磁技術的水平所限制的确難以實現。但是這個概念相當重要，對直線加速器的發展産生了裡程碑式的影響。到了1928年，直線加速器的概念正式被德國科學家RolfWideroe提出，他完成了世界上第一台直線加速器。R.Wideroe在《産生高電壓的新原理》一文中描述了這台加速器的原理，同G.Ising的理念不同，加速器的漂移管是交替的接高頻電源和接地。移管的長度随着粒子速度的增加而變長，保證粒子每次可以在正确的時間到達間隙從而被加速。在該加速器中，束流首先形成束團，然後進行高效率的加速。束流在加速時間内處于加速間隙感受加速電場，當電場反向的時候，束團處于漂移管中，這時漂移管屏蔽了減速電場，從而使整個過程是一個加速過程。

1928年E.維德羅提出加速原理。早期利用頻率不太高的交變電場加速帶電粒子，1946年後利用射頻微波來加速帶電粒子。在柱形金屬空管（波導）内輸入微波，可激勵各種模式的電磁波，其中一種模式沿軸線方向的電場有較大分量，可用來加速帶電粒子。為了使沿軸線運行的帶電粒子始終處于加速狀态，要求電磁波在波導中的相速降低到與被加速粒子運動同步，這可以通過在波導中按一定間隔安置帶圓孔的膜片或漂移管來實現。電子的質量很小，僅幾兆電子伏。

中國科學院高能物理研究所35MeV質子直線加速器的加速腔的能量時，電子的速度已接近光速，帶圓孔的膜片裝置适用于加速電子；質子或離子的質量較大，其速度較低，常采用帶漂移管的裝置。1966年建成的美國斯坦福電子直線加速器管長3050米，電子能量高達22吉電子伏，脈沖電子流強約80毫安，平均流強為48微安。

原理

加速器是由三根用絕緣材料制成的高柱和在它們中間的加速器管組成。加速器靠真空泵保持真空。外表流線型，不僅為了美觀，而且為了防止從任何棱角或突出部分形成意外的放電。

在加速器管中有金屬圈，它們同高壓發生器相連的方式能使一系列金屬圈的負壓由底部向頂端逐漸升高。生産質子的離子源安裝在加速器管的上端。帶正電的質子由于受到帶負電的金屬圈的吸引而順管射下——由于下面金屬圈的負電壓不斷增大，質子的速度也不斷增加。在加速器管的地端的地闆下面，有一間裝有接收器的小室，質子能夠在這裡同物質碰撞，在此過程中，轟擊能夠引起原子核的蛻變。

主要特點

束流的注入和引出很方便，束流強、傳輸效率高、束品質較好，可由前至後分段設計、制造和調試。由于加速器不存在偏轉束的同步輻射限制，可将電子束加速到很高能量，是下一代超高能對撞機的唯一候選者（見對撞機）。為使加速器有适當的長度，軸上加速電場強度一般在5—25兆伏/米，需要很大的微波功率源，因此單位束流功率所需造價和運行費用較高。現今提出的超導加速器可有效地降低運行費用。

行波與駐波加速

荷電粒子在高頻直線加速器中是用高頻（或微波）電場的軸向分量進行加速。按采用的加速波分類，有行波與駐波兩類。前者用圓柱波導作為加速結構，在其内沿軸周期性地設置圓盤負載，使波導中傳播的相速小于或等于光速，以利同步地加速粒子，其加速場的模式為類－TM，它在近軸區提供最大的軸向電場分量。

後者采用圓柱形諧振腔，也沿軸周期性地設置電極（或稱漂移管）負載，以提高有效加速電場強度，其加速場的模式為類－TM，同樣在近軸區提供最大的軸向電場分量。衡量加速結構性能的主要參數有兩類：一是與加速效率有關的參量，特别是有效分路阻抗。它表示給定高頻功率損耗，結構能建立多高的加速電場。

分路阻抗的高低決定于選用的頻率、結構的幾何尺寸與形狀及相鄰加速單元間高頻相位的變化量（工作模式）。通常頻率越高，結構尺寸越小，分路阻抗和加速效率越高。二是加速結構的穩定性，它表征由于結構的誤差和鄰近非加速模式對束流的影響。對駐波加速結構，實現穩定性的主要途徑是采用所謂的雙周期結構，即除了由負載形成的周期性加速單元外，還引進周期性的耦合單元，調節耦合單元的位置和尺寸，便可提高結構的抗幹擾性。

分類

按被加速粒子的種類，可分為電子、質子和重離子直線加速器。

電子

可采用行波或駐波加速粒子。當采用行波加速時，可使結構設計成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一種均勻的加速結構，即結構的各尺寸沿軸不變，便于設計和制造，缺點是微波功率在結構中的損耗不均勻，對較長的直線加速器來說，沿軸的結構溫控較不容易。等梯度型加速結構避免了這個缺點，代價是沿軸的結構尺寸有慢變化，使設計和制造較複雜些。

質子

質子的靜止質量是電子的1，800多倍，在其很長的加速範圍内，速度遠小于或小于光速，因而采用駐波加速結構，以獲得較高的有效分路阻抗和加速效率。質子的動能由1兆電子伏到1，000兆電子伏，其速度由光速的4.6%到87.5%。為使結構在不同能區均有較高的加速效率，需采用不同的結構。

如：①質子的動能由小于1兆伏加速到幾兆伏，可采用高頻四極型加速結構（RadioFrequencyQuadrupole，RFQ）。在一圓柱腔的中心部位，方位角對稱地設置四個軸向高頻電極，在它們所圍的近軸區，産生四極聚焦電場，以徑向聚焦束流；沿軸可周期性地調變每個電極的徑向尺寸，以得到在軸向群聚和加速束流的軸向電場。它兼具聚束、聚焦和加速幾種作用，是20世紀70年代興起的加速結構，選用頻率為200—400兆赫。②質子動能要由幾兆電子伏加速到150兆電子伏左右，可采用漂移管型結構（又稱阿爾瓦雷茨結構），是20世紀40年代末由L.阿爾瓦雷茨首先提出和建造的。

在圓柱形腔内，沿軸周期性地設置長度随能量漸增的電極。當高頻電場處在正半周時，質子束團在電極間被加速；當處在負半周時，質子束團躲在電極内不受負半周減速場的影響而漂移前進，故又稱電極為漂移管。在漂移管内安放四極磁鐵，可徑向聚焦束流，選用的頻率為200—400兆赫。③當質子動能要由150兆電子伏加速到更高能量，通常采用耦合腔加速結構。在該能區内對質子束的徑向聚焦已較容易，可将四極磁鐵移到加速腔外，使頻率提高到800—1，300兆赫，以提高加速效率。這種結構也可用于加速電子，工作頻率通常為1，300—3，000兆赫。

重離子

較接近于質子直線加速器，隻是在同樣動能下，粒子運動速度更低，因而工作頻率也更低，一般在27—150兆赫左右。早期的這類加速器，采用維德羅加速結構。現代的這類加速器按能區可采用高頻四極型或阿瓦萊茲型。現今發展的重離子加速結構，如柱形和平面螺旋線結構、分離環諧振腔結構等，它們的特點是徑向尺寸較小、公差要求較松、可做成許多短腔組合成整台加速器，既便于采用超導技術，又利于展寬重離子的範圍和能量連續可變的需求。

超導

利用超導材料做成的結構，其功耗幾乎可略去不計，因而可用較小微波功率建立較高的加速電場。這類加速腔大多采用内表面塗有氧化保護層的純铌材料制成，置于液氮和液氦逐級冷卻的低溫容器中，可冷卻至4.2K或更低。加速電場可達幾兆伏/米至20兆伏/米以上。将超導腔用于高能直線加速器，優勢更顯着。如用于強流質子直線加速器的高能段（約150—1，000兆電子伏），由于功耗可略去不計，可選用束通道孔徑較大的結構，可有效避免高能強流束沿途損失造成嚴重的放射性污染。此外，還有利于提高加速場強，減小設備規模和運行費用等。提議中的超導正負電子直線對撞機（TESLA），選用比其他同類對撞機方案（5，700—11，400兆赫）低得多的頻率（1，300兆赫）和較大的束孔徑，除仍有較高的加速電場（約25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾場相對很小，較易确保束流的高品質（發射度小、能散小等）。

直線加速器是各類加速器中被最廣泛應用的加速器類型（見粒子加速器）。