高頻直線加速器

高頻直線加速器，用沿直線軌道分布的高頻電場(chǎng)加速帶電粒子的裝置。

主要特點(diǎn)　束流的注入和引出很方便，束流強(qiáng)、傳輸效率高、束品質(zhì)較好，可由前至后分段設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試。由于加速器不存在偏轉(zhuǎn)束的同步輻射限制，可將電子束加速到很高能量，是下一代超高能對(duì)撞機(jī)的唯一候選者（見對(duì)撞機(jī)）。為使加速器有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，軸上加速電場(chǎng)強(qiáng)度一般在5～25兆伏/米，需很大的微波功率源，因此單位束流功率所需造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)較高。近期提出的超導(dǎo)加速器可有效地降低運(yùn)行費(fèi)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(chǎng)的軸向分量進(jìn)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(dǎo)作為加速結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)沿軸周期性地設(shè)置圓盤負(fù)載（圖1），使波導(dǎo)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(chǎng)的模式為類–TM01，它在近軸區(qū)提供最大的軸向電場(chǎng)分量。后者采用圓柱形諧振腔，也沿軸周期性地設(shè)置電極（或稱漂移管）負(fù)載（圖2），以提高有效加速電場(chǎng)強(qiáng)度，其加速場(chǎng)的模式為類–TM010，同樣在近軸區(qū)提供最大的軸向電場(chǎng)分量。衡量加速結(jié)構(gòu)性能的主要參數(shù)有兩類：一是與加速效率有關(guān)的參量，特別是有效分路阻抗。它表示給定高頻功率損耗，結(jié)構(gòu)能建立多高的加速電場(chǎng)。分路阻抗的高低決定于選用的頻率、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸越小，分路阻抗和加速效率越高。二是加速結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，它表征由于結(jié)構(gòu)的誤差和鄰近非加速模式對(duì)束流的影響。對(duì)駐波加速結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的主要途徑是采用所謂的雙周期結(jié)構(gòu)，即除了由負(fù)載形成的周期性加速單元外，還引進(jìn)周期性的耦合單元，調(diào)節(jié)耦合單元的位置和尺寸，便可提高結(jié)構(gòu)的抗干擾性。分類　按被加速粒子的種類，可分為電子、質(zhì)子和重離子直線加速器。電子直線加速器　可采用行波或駐波加速粒子。當(dāng)采用行波加速時(shí)，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一種均勻的加速結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)的各尺寸沿軸不變，便于設(shè)計(jì)和制造，缺點(diǎn)是微波功率在結(jié)構(gòu)中的損耗不均勻，對(duì)較長(zhǎng)的直線加速器來(lái)說(shuō)，沿軸的結(jié)構(gòu)溫控較不容易。等梯度型加速結(jié)構(gòu)避免了這個(gè)缺點(diǎn)，代價(jià)是沿軸的結(jié)構(gòu)尺寸有慢變化，使設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜些（圖3）。質(zhì)子直線加速器　質(zhì)子的靜止質(zhì)量是電子的1?800多倍，在其很長(zhǎng)的加速范圍內(nèi)，速度遠(yuǎn)小于或小于光速，因而采用駐波加速結(jié)構(gòu)，以獲得較高的有效分路阻抗和加速效率（圖4）。質(zhì)子的動(dòng)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(jié)構(gòu)在不同能區(qū)均有較高的加速效率，需采用不同的結(jié)構(gòu)。如：①質(zhì)子的動(dòng)能由小于1兆伏加速到幾兆伏，可采用高頻四極型加速結(jié)構(gòu)(RadioFrequencyQuadrupole,RFQ,圖5)。在一圓柱腔的中心部位，方位角對(duì)稱地設(shè)置四個(gè)軸向高頻電極，在它們所圍的近軸區(qū)，產(chǎn)生四極聚焦電場(chǎng)，以徑向聚焦束流；沿軸可周期性地調(diào)變每個(gè)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(chǎng)。它兼具聚束、聚焦和加速幾種作用，是20世紀(jì)70年代興起的加速結(jié)構(gòu)，選用頻率為200～400兆赫。②質(zhì)子動(dòng)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(jié)構(gòu)（又稱阿爾瓦雷茨結(jié)構(gòu)，圖2），是20世紀(jì)40年代末由L.W.阿爾瓦雷茨首先提出和建造的。在圓柱形腔內(nèi)，沿軸周期性地設(shè)置長(zhǎng)度隨能量漸增的電極。當(dāng)高頻電場(chǎng)處在正半周時(shí)，質(zhì)子束團(tuán)在電極間被加速；當(dāng)處在負(fù)半周時(shí)，質(zhì)子束團(tuán)躲在電極內(nèi)不受負(fù)半周減速場(chǎng)的影響而漂移前進(jìn)，故又稱電極為漂移管。在漂移管內(nèi)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(dāng)質(zhì)子動(dòng)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(jié)構(gòu)。在該能區(qū)內(nèi)對(duì)質(zhì)子束的徑向聚焦已較容易，可將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(jié)構(gòu)也可用于加速電子，工作頻率通常為1?300～3?000兆赫。重離子直線加速器　它較接近于質(zhì)子直線加速器，只是在同樣動(dòng)能下，粒子運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)，它是由R.維德羅于20世紀(jì)20年代提出和建造的?，F(xiàn)代的這類加速器按能區(qū)可采用高頻四極型或阿瓦萊茲型。近期發(fā)展的重離子加速結(jié)構(gòu)，如柱形和平面螺旋線結(jié)構(gòu)、分離環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)等，它們的特點(diǎn)是徑向尺寸較小、公差要求較松、可做成許多短腔組合成整臺(tái)加速器，既便于采用超導(dǎo)技術(shù)，又利于展寬重離子的范圍和能量連續(xù)可變的需求。超導(dǎo)直線加速器　利用超導(dǎo)材料做成的結(jié)構(gòu)，其功耗幾乎可略去不計(jì)，因而可用較小微波功率建立較高的加速電場(chǎng)。這類加速腔大多采用內(nèi)表面涂有氧化保護(hù)層的純鈮材料制成，置于液氮和液氦逐級(jí)冷卻的低溫容器中，可冷卻至4.2K或更低。加速電場(chǎng)可達(dá)幾兆伏/米至20兆伏/米以上。將超導(dǎo)腔用于高能直線加速器，優(yōu)勢(shì)更顯著。如用于強(qiáng)流質(zhì)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(jì)，可選用束通道孔徑較大的結(jié)構(gòu)，可有效避免高能強(qiáng)流束沿途損失造成嚴(yán)重的放射性污染。此外，還有利于提高加速場(chǎng)強(qiáng)，減小設(shè)備規(guī)模和運(yùn)行費(fèi)等。提議中的超導(dǎo)正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)(TESLA)，選用比其他同類對(duì)撞機(jī)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(chǎng)（約25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾場(chǎng)相對(duì)很小，較易確保束流的高品質(zhì)（發(fā)射度小、能散小等）。直線加速器是各類加速器中被最廣泛應(yīng)用的加速器類型（見粒子加速器）。 2100433B

小型質(zhì)子直線加速器主要用于質(zhì)子治療.。90年代初美國(guó)Hamm，Grandall等人首先提出利用S波段直線加速器進(jìn)行質(zhì)子治療的建議。利用S波段邊耦合直線加速器獲得毫米質(zhì)子束，可以使用醫(yī)用電子直線加速器現(xiàn)成的高頻技術(shù),我們也對(duì)此進(jìn)行了研究。除質(zhì)子治療外，這種加速器還可用作材料科學(xué)和生命科學(xué)研究。2100433B

按被加速粒子的種類，可分為電子、質(zhì)子和重離子直線加速器。

直線加速器電子直線加速器

可采用行波或駐波加速粒子。當(dāng)采用行波加速時(shí)，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一種均勻的加速結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)的各尺寸沿軸不變，便于設(shè)計(jì)和制造，缺點(diǎn)是微波功率在結(jié)構(gòu)中的損耗不均勻，對(duì)較長(zhǎng)的直線加速器來(lái)說(shuō)，沿軸的結(jié)構(gòu)溫控較不容易。等梯度型加速結(jié)構(gòu)避免了這個(gè)缺點(diǎn)，代價(jià)是沿軸的結(jié)構(gòu)尺寸有慢變化，使設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜些。

直線加速器質(zhì)子直線加速器

質(zhì)子的靜止質(zhì)量是電子的1,800多倍，在其很長(zhǎng)的加速范圍內(nèi)，速度遠(yuǎn)小于或小于光速，因而采用駐波加速結(jié)構(gòu)，以獲得較高的有效分路阻抗和加速效率。質(zhì)子的動(dòng)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(jié)構(gòu)在不同能區(qū)均有較高的加速效率，需采用不同的結(jié)構(gòu)。如：①質(zhì)子的動(dòng)能由小于1兆伏加速到幾兆伏，可采用高頻四極型加速結(jié)構(gòu)（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）。在一圓柱腔的中心部位，方位角對(duì)稱地設(shè)置四個(gè)軸向高頻電極，在它們所圍的近軸區(qū)，產(chǎn)生四極聚焦電場(chǎng)，以徑向聚焦束流；沿軸可周期性地調(diào)變每個(gè)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(chǎng)。它兼具聚束、聚焦和加速幾種作用，是20世紀(jì)70年代興起的加速結(jié)構(gòu)，選用頻率為200—400兆赫。②質(zhì)子動(dòng)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(jié)構(gòu)（又稱阿爾瓦雷茨結(jié)構(gòu)），是20世紀(jì)40年代末由L.阿爾瓦雷茨首先提出和建造的。在圓柱形腔內(nèi)，沿軸周期性地設(shè)置長(zhǎng)度隨能量漸增的電極。當(dāng)高頻電場(chǎng)處在正半周時(shí)，質(zhì)子束團(tuán)在電極間被加速；當(dāng)處在負(fù)半周時(shí)，質(zhì)子束團(tuán)躲在電極內(nèi)不受負(fù)半周減速場(chǎng)的影響而漂移前進(jìn)，故又稱電極為漂移管。在漂移管內(nèi)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(dāng)質(zhì)子動(dòng)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(jié)構(gòu)。在該能區(qū)內(nèi)對(duì)質(zhì)子束的徑向聚焦已較容易，可將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(jié)構(gòu)也可用于加速電子，工作頻率通常為1,300—3,000兆赫。

直線加速器重離子直線加速器

較接近于質(zhì)子直線加速器，只是在同樣動(dòng)能下，粒子運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代的這類加速器按能區(qū)可采用高頻四極型或阿瓦萊茲型?，F(xiàn)今發(fā)展的重離子加速結(jié)構(gòu)，如柱形和平面螺旋線結(jié)構(gòu)、分離環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)等，它們的特點(diǎn)是徑向尺寸較小、公差要求較松、可做成許多短腔組合成整臺(tái)加速器，既便于采用超導(dǎo)技術(shù)，又利于展寬重離子的范圍和能量連續(xù)可變的需求。

直線加速器超導(dǎo)直線加速器

利用超導(dǎo)材料做成的結(jié)構(gòu)，其功耗幾乎可略去不計(jì)，因而可用較小微波功率建立較高的加速電場(chǎng)。這類加速腔大多采用內(nèi)表面涂有氧化保護(hù)層的純鈮材料制成，置于液氮和液氦逐級(jí)冷卻的低溫容器中，可冷卻至4.2K或更低。加速電場(chǎng)可達(dá)幾兆伏/米至20兆伏/米以上。將超導(dǎo)腔用于高能直線加速器，優(yōu)勢(shì)更顯著。如用于強(qiáng)流質(zhì)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(jì)，可選用束通道孔徑較大的結(jié)構(gòu)，可有效避免高能強(qiáng)流束沿途損失造成嚴(yán)重的放射性污染。此外，還有利于提高加速場(chǎng)強(qiáng)，減小設(shè)備規(guī)模和運(yùn)行費(fèi)用等。提議中的超導(dǎo)正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)（TESLA），選用比其他同類對(duì)撞機(jī)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(chǎng)（約25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾場(chǎng)相對(duì)很小，較易確保束流的高品質(zhì)（發(fā)射度小、能散小等）。

直線加速器是各類加速器中被最廣泛應(yīng)用的加速器類型（見粒子加速器）。

強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器按其束流時(shí)間結(jié)構(gòu)可分為連續(xù)束和脈沖束兩類。連續(xù)束強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器主要用于核能領(lǐng)域，如嬗變核廢料、增殖核燃料、提供潔凈核能等，建造難度極大。目前美國(guó)、西歐和日本都在進(jìn)行研究工作。脈沖束強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器主要用于高通量脈沖散裂中子，它是有重要價(jià)值的科學(xué)研究裝置，主要利用中子散射研究凝聚態(tài)物理。目前美國(guó)準(zhǔn)備建造的NSNS(National Spallation Neutron Source)和西歐計(jì)劃建造的ESS(European Spallation Source)均屬此類。為了獲得幾十安培的窄脈沖束，需要在直線加速器后設(shè)置一個(gè)積聚環(huán)(Accumulator)。從直線加速器引出的負(fù)氫離子束被注入積聚環(huán)，在注入時(shí)負(fù)氫離子被剝離為質(zhì)子。直線加速器束流脈沖寬度約1ms，可以注入約一千圈，然后一次引出送到重核靶上。強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器還可用于其他方面。例如利用質(zhì)子束打靶時(shí)產(chǎn)生的π介子及其衰變產(chǎn)物μ介子和中微子進(jìn)行粒子物理和核物理的研究(如中微子振蕩等)，在武器研究方面也有多種用途。