基本介紹
- 中文名：高頻直線加速器
- 外文名：high-frequency linear accelerator
- 簡稱：直線加速器
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歷史
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《產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衝電場完成的，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：“現在來深入討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。”這個建議在當時由於電磁技術的水平所限制的確難以實現。但是這個概念相當重要，對直線加速器的發展產生了里程碑式的影響。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《產生高電壓的新原理》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。移管的長度隨著粒子速度的增加而變長，保證粒子每次可以在正確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。束流在加速時間內處於加速間隙感受加速電場，當電場反向的時候，束團處於漂移管中，這時漂移管禁止了減速電場，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）內輸入微波，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於加速狀態，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。
質子直線加速器
質子直線加速器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，帶圓孔的膜片裝置適用於加速電子；質子或離子的質量較大，其速度較低，常採用帶漂移管的裝置。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，脈衝電子流強約80毫安，平均流強為48微安。
原理
醫用直線加速器主要特點
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、製造和調試。由於加速器不存在偏轉束的同步輻射限制，可將電子束加速到很高能量，是下一代超高能對撞機的唯一候選者（見對撞機）。為使加速器有適當的長度，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。按採用的加速波分類，有行波與駐波兩類。前者用圓柱波導作為加速結構，在其內沿軸周期性地設定圓盤負載，使波導中傳播的相速小於或等於光速，以利同步地加速粒子，其加速場的模式為類－TM01，它在近軸區提供最大的軸向電場分量。後者採用圓柱形諧振腔，也沿軸周期性地設定電極（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－TM010，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，特別是有效分路阻抗。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於選用的頻率、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，它表征由於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採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，便可提高結構的抗干擾性。
分類
電子直線加速器
可採用行波或駐波加速粒子。當採用行波加速時，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，便於設計和製造，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，使設計和製造較複雜些。
質子直線加速器
質子的靜止質量是電子的1,800多倍，在其很長的加速範圍內，速度遠小於或小於光速，因而採用駐波加速結構，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，需採用不同的結構。如：①質子的動能由小於1兆伏加速到幾兆伏，可採用高頻四極型加速結構（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）。在一圓柱腔的中心部位，方位角對稱地設定四個軸向高頻電極，在它們所圍的近軸區，產生四極聚焦電場，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，可採用漂移管型結構（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。在圓柱形腔內，沿軸周期性地設定長度隨能量漸增的電極。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，質子束團躲在電極內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。在漂移管內安放四極磁鐵，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，通常採用耦合腔加速結構。在該能區內對質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。這種結構也可用於加速電子，工作頻率通常為1,300—3,000兆赫。
重離子直線加速器
較接近於質子直線加速器，只是在同樣動能下，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，採用維德羅加速結構。現代的這類加速器按能區可採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，既便於採用超導技術，又利於展寬重離子的範圍和能量連續可變的需求。
超導直線加速器
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。這類加速腔大多採用內表面塗有氧化保護層的純鈮材料製成，置於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。將超導腔用於高能直線加速器，優勢更顯著。如用於強流質子直線加速器的高能段（約150—1,000兆電子伏），由於功耗可略去不計，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，還有利於提高加速場強，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，較易確保束流的高品質（發射度小、能散小等）。
直線加速器是各類加速器中被最廣泛套用的加速器類型（見粒子加速器）。
直線加速器是各類加速器中被最廣泛套用的加速器類型（見粒子加速器）。
醫用直線加速器