高頻直線加速器，是用沿直線軌道分布的高頻電場加速帶電粒子的裝置。
基本介紹
- 中文名：高頻直線加速器
- 用途：加速帶電粒子
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，需很大的微波功率源，因此單位束流功率所需造價和運行費較高。近期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（圖1），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（圖2），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 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（圖3）。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（圖4）。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(RadioFrequencyQuadrupole,RFQ,圖5)。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，圖2），是20世紀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，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
它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，它是由R.維德羅於20世紀20年代提出和建造的。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。近期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）。
