直線加速器

　　按被加速粒子的種類，可分為電子直線加速器、質(zhì)子直線加速器、重離子直線加速器和超導(dǎo)直線加速器等。

　　歷史：

　　直線加速器的雛形概念最早是由英國科學(xué)家G.Ising在1924年提出，1924年他在一篇名為《產(chǎn)生高壓極隧射線方法原理》的文章中提出了一個(gè)直線加速器的設(shè)計(jì)圖樣。根據(jù)G.Ising的文章，直線加速器由一個(gè)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(chǎng)完成的，電場(chǎng)和粒子的同步是由電壓源和相應(yīng)的漂移管之間的傳輸線長度的時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)他在文章中寫道：“現(xiàn)在來深入討論實(shí)現(xiàn)這一想法的細(xì)節(jié)問題和可能遇到的困難為時(shí)尚早，我希望不久能做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。”這個(gè)建議在當(dāng)時(shí)由于電磁技術(shù)的水平所限制的確難以實(shí)現(xiàn)。但是這個(gè)概念相當(dāng)重要，對(duì)直線加速器的發(fā)展產(chǎn)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(xué)家RolfWideroe提出，他完成了世界上第一臺(tái)直線加速器。R.Wideroe在《產(chǎn)生高電壓的新原理》一文中描述了這臺(tái)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(shí)間到達(dá)間隙從而被加速。在該加速器中，束流首先形成束團(tuán)，然后進(jìn)行高效率的加速。束流在加速時(shí)間內(nèi)處于加速間隙感受加速電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)反向的時(shí)候，束團(tuán)處于漂移管中，這時(shí)漂移管屏蔽了減速電場(chǎng)，從而使整個(gè)過程是一個(gè)加速過程。[2]

　　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(chǎng)加速帶電粒子，1946年后利

　　用射頻微波來加速帶電粒子。在柱形金屬空管（波導(dǎo)）內(nèi)輸入微波，可激勵(lì)各種模式的電磁波，其中一種模式沿軸線方向的電場(chǎng)有較大分量，可用來加速帶電粒子。為了使沿軸線運(yùn)行的帶電粒子始終處于加速狀態(tài)，要求電磁波在波導(dǎo)中的相速降低到與被加速粒子運(yùn)動(dòng)同步，這可以通過在波導(dǎo)中按一定間隔安置帶圓孔的膜片或漂移管來實(shí)現(xiàn)。電子的質(zhì)量很小，僅幾兆電子伏。

　　中國科學(xué)院高能物理研究所35MeV質(zhì)子直線加速器的加速腔的能量時(shí)，電子的速度已接近光速，帶圓孔的膜片裝置適用于加速電子；質(zhì)子或離子的質(zhì)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(dá)22吉電子伏，脈沖電子流強(qiáng)約80毫安，平均流強(qiáng)為48微安。

　　直線加速器原理

　　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(fā)生器相連的方式能使一系列金屬圈的負(fù)壓由底部向頂端逐漸升高。生產(chǎn)質(zhì)子的離子源安裝在加速器管的上端。帶正電的質(zhì)子由于受到帶負(fù)電的金屬圈的吸引而順管射下——由于下面金屬圈的負(fù)電壓不斷增大，質(zhì)子的速度也不斷增加。在加速器管的地端的地板下面，有一間裝有接收器的小室，質(zhì)子能夠在這里同物質(zhì)碰撞，在此過程中，轟擊能夠引起原子核的蛻變。

　　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度，軸上加速電場(chǎng)強(qiáng)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(jià)和運(yùn)行費(fèi)用較高。現(xiàn)今提出的超導(dǎo)加速器可有效地降低運(yùn)行費(fèi)用。