直線感應電子加速器

直線感應電子加速器可產生流強達數千安培、高亮度、低能散度的高品質電子束，部件式結構的特點使它可大量串接獲得所需要的能量。

基本介紹

• 中文名：直線感應電子加速器
• 外文名：Linear induction electron accelerator

內容簡介

直線感應電子加速器可產生流強達數千安培、高亮度、低能散度的高品質電子束，部件式結構的特點使它可大量串接獲得所需要的能量，由於具備這些優越性能，使得直線感應加速器在近60年的時間裡得到了快速發展，並在閃光X射線照相、輻照效應、自由電子雷射、粒子束聚變、高功率微波等國防研究領域得到廣泛套用。

神龍一號

“神龍一號”直線感應電子加速器

簡介

直線感應加速器（LIA）是20 世紀60 年代發展起來的一種新型加速器， 它能產生強流、高亮度、低能散度的高品質電子束， 而部件式結構的特點使它可大量串接獲得所需要的能量.由於LIA 具備這些優越性能， 因而受到許多國家的重視， 美國、法國、俄羅斯已先後建成多台直線感應加速器 ， 並已廣泛地套用於閃光X 射線照相、自由電子雷射、粒子束聚變、高功率微波等研究領域.近十年來， 由於精密閃光X 射線照相的迫切需求， 極大地促進了直線感應加速器技術的發展。

“神龍一號”加速器是一台直線感應電子加速器， 其具體的設計指標如下：

電子能量18-20MeV，

束流強度≥2.5kA ，

束流脈寬≤90ns（FWHM），

X 光焦斑直徑≤1.5mm（FWHM），

X 光照射量（1m 處） ≥0.077C/kg。

物理設計

1、總體布局

如圖1所示， “神龍一號”加速器主體由注入器、加速段、聚焦段和韌致輻射靶室組成， 總長約60m。加速段由72 個加速腔組成， 每個腔內置有螺線管線圈， 以產生軸向磁場引導電子束， 每4 個加速腔串聯為一節， 共有18 節， 每節之間由多功能腔聯接， 多功能腔內安裝橋接線圈以確保引導磁場的連續性， 同時安裝有束流及束位置監測器， 對束流大小及位置進行線上監測.注入器提供的3.6MeV ， ～2.6kA ，90ns的電子束經軸向磁場引導依次通過72 個加速腔的加速間隙， 與此同時， 每個加速腔依次提供一個～220kV ， 120ns 的脈衝高壓至加速間隙， 使～2 .6kA ，90ns 寬的電子束同步加速至18-20MeV ， 並經磁透鏡聚焦打靶， 產生脈衝X光。該設備是一個十分龐大複雜的系統， 除主體外， 還包括脈衝功率系統、計算機控制和監測系統、輔助系統（真空、去離子水、冷卻水、變壓器油、高壓絕緣氣體等）以及束品質專用診斷設備等。

獲取小的焦斑直徑集中反映了整個加速器研製的技術難度。理論和計算表明， 為實現1.5mm 焦斑直徑指標， 必須使加速器輸出電子束的發射度和能散度分別控制在2000mm·mrad 和1%以內，同時需有效抑制束流質心的Corkscrew 運動、BBU 不穩定性的增長。

從技術角度而言， 達到上述發射度、能散度參數均具有挑戰性。要獲取低發射度的電子束， 必須具有運行性能良好的注入器和束流傳輸線， 前者確保電子束的初始發射度低， 後者則使束流被傳輸過程中的發射度增長量小。要使電子束的能散度小， 需要通過注入器、脈衝功率系統、加速腔等系統的精細設計、加工和安裝、調試予以保證。確保機械軸、螺線管磁軸、電子束軸三軸的一致性達到相當高的精度才能有效抑制束流質心的Corkscrew 運動。限制BBU 不穩定性的增長則需要設計低橫向耦合阻抗的加速腔， 同時要保證束流初始偏心量小。

2、加速腔

根據總體指標要求， 每個加速腔提供的加速電壓不小於230kV ；加速脈衝持續期間60ns 內的平頂波動不大於±1 %， 以使電子被加速獲取能量增益的散度小；橫向耦合阻抗不大於700Ω/m， 以有效控制BBU效應。與傳統加速腔的結構相比，“ 神龍一號” 加速腔的設計，高壓饋入採用軸向驅動方式， 以降低橫向耦合阻抗， 鐵氧體環浸在變壓器油中， 加速間隙是彎曲的， 另有一阻尼帶狀環， 置於加速間隙外角處.經檢測， 加速腔的橫向耦合阻抗～ 500Ω/m， 每個加速腔可提供250kV，±1%平頂不小於70ns的高壓加速脈衝。

3、脈衝功率系統

脈衝功率系統是加速器的功率源， 系統所能達到的總加速電壓決定了被加速電子的最終能量， 加速電壓平頂寬度和加速電壓饋送到各個加速腔的時間同步性決定了電子束的能散度。根據總體性能要求， 脈衝功率系統給注入器段12個感應腔和加速段72個加速腔提供加速電壓。84個電壓脈衝按照嚴格的時序輸出到各自對應的感應腔或加速腔， 注入器段脈寬為～90ns ， 加速段脈寬為～120ns ， 注入器段電壓幅度～300kV ， 加速段電壓幅度～250kV。“神龍一號”加速器的脈衝功率系統按照功能，可分為初級儲能系統、脈衝成形系統和觸發系統.初級儲能系統採用了8 台300kV Marx 發生器。脈衝形成裝置採用了48 套Blumlein 脈衝形成線（B 線）， 注入器段以1B-1C（即一個B 線為一個感應腔提供激勵電壓脈衝）方式工作， 加速段以1B-2C 方式工作。觸發系統主體由三級觸發網路構成， 包含了點火機，增強器， 小Marx，發散裝置，脈衝延時裝置等。點火信號觸動增強器， 增強器同時輸出10路快脈衝， 分別觸發小Marx 、8 台Marx 發生器和經過一段時間延遲後（～ 3μs）觸發Ⅰ級發散裝置FⅠ。FⅠ輸出8 路信號， 觸發8 台Ⅱ級發散裝置FⅡ。FⅡ再觸發48 根B線開關。每台Marx發生器通過主開關對6根B線諧振充電至峰值附近，主開關導通，B線將通過高壓同軸電纜輸出高壓脈衝分別饋入到注入器感應腔和加速段加速腔上。

4、束流傳輸系統

整個束傳輸線全長約48m， 其間數千安培的強流脈衝電子束經過約170mm的二極體加速區， 電子能量達到約3.6MeV，再經過4.5m的無加速場漂移區到達注入器出口；隨後進入到長38.5m的加速段， 通過逐級加速到達加速段出口時電子能量不低於18MeV；在加速段獲得能量增益的電子束進入到長約3.8m 的無加速漂移段，用於調整束流進入透鏡的入口參數；最後部分就是通過兩級磁透鏡的聚焦將電子束聚焦到軔致輻射靶上產生高照射量、強穿透能力的X射線。束流傳輸和聚焦元件採用螺線管線圈， 產生的峰值磁感應強度約0.25T，螺線管線圈的勵磁使用高穩定運行的恆流電源。21個線上的電阻環束位置監測裝置（BPM）監測輸運過程中束流的強度和偏心狀況。

5、注入器

注入器二極體陰陽極間高壓的產生採用感應疊加技術， 陰極段7 個感應腔， 陽極段5 個感應腔， 每個腔工作電壓大於300kV。穿過腔中央的陰陽極桿將這些感應腔串聯起來， 在二極體上疊加成3.6MV左右的高壓脈衝。在陰陽極間強電場的作用下， 表面粘有天鵝絨的陰極發射出強流電子束， 該電子束被二極體區螺線管線圈和陽極段感應腔中的螺線管線圈產生的磁場引導出注入器。由於注入器工作電壓高， 二極體腔的內徑達到了Υ1400mm， 因此二極體區線圈將全部置於陰陽極頭內.反向線圈（安置在陰極頭內， 以使陰極面的磁場為零）的引線從陰極桿中引出， 引導線圈從雙層陽極管中引出。這種思路首先解決了設計時面臨的困局， 相比於傳統的置於二極體腔外的方式， 置於陰陽極頭內的線圈對電源的要求更為實際可行， 並且線圈本身的製造難度和成本大大降低；更重要的是提高了注入器的性能， 因為二極校正線圈可以安置在螺線管線圈內， 而在安裝過程中磁軸的對中精度也將得到極大提高。由於線圈內置， 陰陽極頭大而重.為支承陰陽極桿， 並將陰陽極頭定位於注入器軸線上， 採用了徑向絕緣支撐。為降低束流脈衝在加速段中能散度增長， 注入器輸出束流脈衝寬度小於加速脈衝的脈寬， 注入器輸出束流脈衝脈寬為90ns（FWHM）。

6、軔致輻射靶

電子束與軔致輻射靶材相互作用， 電子的能量部分轉換為X 射線能.軔致輻射靶的設計要考慮3個關鍵因素：制靶材料；靶的厚度；靶的結構。

利用EGS4程式可對束靶作用後的X光能通量（照射量）進行計算，“神龍一號”軔致輻射靶的靶材和靶厚的選取是根據EGS4 程式的計算結果進行判斷的。計算結果表明， 在相同的靶材厚度下， 鎢靶靶前1m 處的照射量略低於鉭靶， 且鉭靶靶前照射量隨角度的增加而減小的速率是高於鎢靶的， 證明鉭靶相對於同等厚度的鎢靶來說， 產生的X 光的前沖性較好， 更加適用於閃光照相.選用鉭靶， 當靶厚為1.2mm時， 靶正前方1m 處的照射量最大。強流電子束與軔致輻射靶作用後， 電子束在靶內的能量沉積， 將引起軔致輻射靶的燒蝕和破壞，具體表現為靶材鼓包或穿孔；此外，靶的燒蝕將形成靶表面電漿，其中較輕的正離子在電子的負電荷作用下，易進入電子束團，導致電子束難於被正常聚焦。為此， 軔致輻射靶設計成疊靶結構。疊靶是將一定厚度的靶片一層層疊加起來， 中間留有一定空隙或填充其他材料， 通過該結構來減少電子束對靶的衝擊和破壞.疊靶由24 層鉭箔組成， 每層鉭箔厚0.05mm，間距為0.5mm，層與層之間為真空間隙，實際的轉換靶材厚度為24×0.05=1.2mm。利用EGS4程式模擬了上述結構的疊靶所產生的X 光照射量，結果表明， 在同樣電子束作用下，該疊靶與1.2mm整靶產生的X 光照射量基本相同。

7、控制和監測系統

控制系統的設計採用三級子網的網路結構。一級子網為面向設備子網， 採用現場匯流排標準。按受控設備分為恆流源控制子網、Marx 升壓控制子網、安全聯鎖控制子網、氣壓與真空系統控制子網。每個子網採用PC 工控微機作為主機.子網匯流排為RS-485標準匯流排， 最大傳輸距離1200m（無中繼器）， 最高傳輸速率為115.2kbps，傳輸介質為雙絞線.現場匯流排測控模組直接掛接在匯流排上， 對設備進行現場監控。另外， 一級子網還包括一個GPIB 匯流排子網， 用以控制示波器.二級子網為操作子網， 採用一台工作站作為主控， 每個一級子網的主機作為數據伺服器， 互相連結成一個區域網路。通信協定採用TCP/IP 協定， 作業系統為Windows 2000。三級子網為數據通訊子網。束流強度及其質心位置監測採用傳統的電阻環方法；加速腔電壓的測量採用硫酸銅水阻分壓器和CVP 電壓探頭；束流包絡、發射度、能散度等參數的診斷均是通過相應的轉換裝置將相關信息轉換為切倫科夫光或OTR 光， 再經接收系統接收圖像， 並對圖像進行處理獲取相應結果；焦斑測量則採用狹逢成像方法。

技術發展

直線感應加速器40餘年的發展進程中，套用需求始終推動著直線感應加速器技術不斷發展和創新。前20年，主要側重發展強流和高峰功率技術；上世紀80年代開始，發展高平均功率技術和束品質控制技術；90年代以後，主

要發展MHz重複頻率能力的固體開關調製器技術和高頻磁芯材料技術，以及高梯度絕緣體技術，並促進了概念創新，出現了環形直線感應加速器、感應同步加速器和介質壁加速器等新概念直線感應加速器。下面分別進行介紹。

1）強流和高峰功率技術

提高流強和峰功率涉及高功率脈衝功率技術、加速組元、強流束輸運、強粒子束源等眾多技術的提高和創新。主要經過前20年的發展，流強和峰功率得到了大幅的提升。例如，美國ATA加速器的電子束流強達10kA ，峰功率達500GW，平均功率也達1MW，滿足了當時自由電子雷射研究和帶電粒子束在大氣中傳輸研究的需要。又如，前蘇聯的徑向傳輸線型LIU-30加速器的電子束流強高達100kA，峰功率高達4TW，用於核武器效應模擬。還有，美國的感應疊加器型HERMES-III加速器（19MeV、700kA、28ns）的電子束流強高達700kA，峰功率高達13TW，是世界上功率最強大的短脈衝γ射線模擬源，用於模擬核爆瞬時輻射對電子學和完整軍事系統的效應。以上三台加速器對直線感應加速器強流和高峰功率技術的發展具有里程碑意義。

2）高平均功率技術

直線感應加速器發展初期，平均重複率通常在大約100Hz以下，這主要是由於脈衝功率系統所用的充氣火花隙開關工作頻率的限制。上世紀80年代發展的磁開關技術是高平均功率技術的重大進展，它使直線感應加速器的重複頻率從大約100Hz一下躍升至幾kHz。採用磁開關技術建成的ETA-II加速器輸出的電子束不僅平均功率高達3MW，而且具有高峰功率（12GW）和好的束品質，用於產生高平均功率自由電子雷射和微波的研究，以及後來的許多科學研究。

3）束品質控制技術

直線感應加速器的許多套用如閃光X光照相、高功率微波、自由電子雷射、重離子聚變等，不僅要求強流和高功率，而且要求高的束品質，以滿足束聚焦、提高轉換效率等不同的要求。弱流情況下，沒有空間電荷的影響，實現高束品質相對容易；但在強流高功率情況下，空間電荷非線性力的影響及不穩定性影響嚴重，經過長距離加速、輸運後仍要保持高的束品質難度極大。束品質主要用束能散度，束髮射度及束的穩定性來表征。束品質控制技術要解決的問題是如何實現要求的低能散度、低束髮射度及抑制各種束不穩定性，這涉及解決一系列相關的物理和技術問題。大體從上世紀80年代後期開始，通過在高品質束源技術、寬平頂高電壓產生技術、低橫向耦合阻抗加速組元技術、低橫向場分量螺線管線圈技術、高精度磁軸準直技術、束心智慧型調諧技術、束不穩定性抑制技術等關鍵技術上的相繼突破，對強流電子束品質的控制技術逐漸走向成熟，取得明顯效果。例如，1999年建成的DARHT-I加速器採用了一系列束品質控制技術，束品質顯著提高，使X光焦斑直徑（50%MTF）減小到約2 mm，這是同類加速器此前從未達到過的。但對重離子束品質的控制還很不成熟，由於重離子束始終是空間電荷占優的束，許多問題尚待解決。

4）固體開關調製器技術

固體開關調製器是使用固體開關的脈衝發生器。常用的半導體固體開關有場效應管（MOSFET）和絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）。固體開關調製器的主要特點，首先是高重複頻率，可達幾MHz ；其次是產生的脈衝格式（包括脈衝數量、極性、組合方式、形狀、幅度等）適應性強且精度高。目前已有不少固體開關調製器投入套用和研究工作，其中ARM-II是有代表性的一種，它可以2 MHz的重複率輸出45kV、4.8kA的脈衝，且脈衝格式可以變化。

5）高頻磁芯材料技術

加速組元能在幾MHz的高重複頻率下工作的關鍵是磁芯材料具有優良的高頻特性，即要求磁芯材料在幾MHz的高重複頻率下仍有足夠高的通量增量ΔB和每個脈衝激勵期間較為固定的導磁率μ，且損耗又足夠低。研究表明，微晶合金（Nanocrystalline alloy，商品名Finemet）和非晶金屬玻璃在MHz下仍具有優良的特性，滿足MHz重複頻率加速組元的要求，已在實際中套用。

6）高梯度絕緣體（HGI）技術

高梯度絕緣體由多層薄絕緣體和薄導體交替緊密疊壓構成，因此，高梯度絕緣體技術又稱為微疊層絕緣技術。這種微疊層結構沿面有利於抑制發射電子的雪崩過程，因而具有比普通絕緣體優異的擊穿特性，這已被實驗證實。微疊層導體間隔距離即絕緣層厚度對擊穿特性有顯著影響，實驗研究表明，隨絕緣層厚度減小，擊穿場強增加。圖5的結果表明，高梯度絕緣體的表面擊穿場強比普通絕緣體顯著提高，在脈寬2ns到10μs範圍，比普通絕緣體大致提高5~6倍；當脈寬為100ns時，高梯度絕緣體表面擊穿場強約為350kV/cm（35MV/m），而普通絕緣體僅約為60kV/cm（6MV/m）。

7）新加速概念

（1）環形感應加速器（CIA）

固體開關調製器和磁芯材料幾MHz重複頻率的工作能力給加速組元循環加速創造了條件。所謂循環加速就是粒子束反覆通過一個加速組元被加速。循環加速過程中，粒子束通過加速組元仍是沿直線被加速，但其往返運動軌跡可以是不封閉的螺旋線，也可以是封閉的環形。後一種方式可以實現反覆多次的加速，效率高，造價低，但須有粒子束的注入及引出裝置。顯然，加速組元循環加速使直線感應加速器從直線變成了環形，叫做環形感應加速器，也稱為感應循環加速器。美國馬里蘭大學已建成一台名為UMER的加速電子的環形感應加速器，周長11.5m。該加速器設計成低能（10keV）、強流（100mA），專門用於研究空間電荷占優束的物理學，為重離子加速器設計提供技術支持。目前，該加速器已投入使用，電子束已可運行3圈。

（2）感應同步加速器（IS）

感應同步加速器的概念是K.Takayama和J.Kishiro於1999年提出的。構想用感應組元替代射頻同步加速器中的射頻腔，從而顯著增加質子束團的長度（脈寬）、占空比及束流強度。在射頻同步加速器中，射頻腔產生的射頻電壓脈衝兼有對束團加速和縱向約束兩個作用，如圖6（a）所示。但在感應同步加速器中，這兩個作用是由兩個感應組元分別實現的，如圖6（b）所示。一個感應組元提供平頂電壓脈衝加速束團，由於該脈衝可以做成很長，因此可以加速脈寬達μs範圍縱向電荷密度均勻分布的長束團，這種長的束團稱為超級束團；另一個感應組元提供雙極性矩形電壓脈衝分別施加到該超級束團的頭部和尾部進行縱向約束，形成位壘相位穩定區。

感應同步加速器的原理性論證實驗在KEK的12GeV質子同步加速器（12GeV PS）上進行。實驗分為三個階段，計畫2007年完成。第一階段論證質子束團的感應加速（500MeV至8GeV），而束團的縱向約束仍利用射頻腔電壓脈衝；第二階段論證能量500MeV時，超級束團的形成；第三階段論證超級束團的聚積和加速（500MeV至8GeV）。第一階段論證實驗布局如圖7所示，在加速器主環（周長340m）上增加了感應加速系統，對射頻束團進行加速。而主環上原有的射頻腔經調整相位只對束團起縱向約束作用，不產生加速。目前，原理性論證實驗已取得決定性進展，首先，在環形加速器上觀測到質子（/束團）的感應加速，單個射頻束團從500MeV被加速到8GeV，能量增益4.8keV/圈；其次，論證了長為600ns的質子束團的形成，該束團能捕集在由感應組元產生的雙極性階躍電壓形成的位阱中。這些進展是實現感應同步加速器的關鍵里程碑。

（3）介質壁加速器（DWA）

介質壁加速器概念是在高梯度絕緣體技術發展的基礎上提出的。普通直線感應加速器僅在加速間隙上有加速電場，加速梯度通常不超過1MV/m。介質壁加速器構想用高梯度絕緣體代替加速器的導電束管道，使加速場可以均勻地施加在整個加速器的長度上，以實現連續的加速場，因而可顯著提高加速梯度。但為了給這種連續的加速場提供加速電壓，沿整個加速器軸向長度必須要有大量的脈衝形成線。它們的輸出端與高梯度絕緣體相連，實際上構成大量彼此相鄰的無磁芯感應組元。介質壁加速器的優點，首先是加速梯度高，可超過20MV/m；其次，低阻抗結構具有產生數百kA束流的能力，但輸運及絕緣體擊穿施加的限制目前尚不清楚。介質壁加速器的脈衝形成線通常採用不對稱的或對稱的Blumlein脈衝形成線，提高脈衝形成線性能的關鍵是採用高比能介質和高性能的開關。利用介質壁加速器技術可以發展非常緊湊、價格低廉的短脈衝強流加速器。