串列加速器结构

加速器两端为地电位，电动机带动的输电链将正电荷输送到高压电极。离子源产生的负离子在加速管中加速，到达高压端电荷交换室被剥离电荷变成正离子，然后可以在另一加速管继续加速。总的等效加速电压比普通的静电加速器提高了一倍。可用来加速从质子直到原子序数为92的铀离子，用于核物理实验、加速器质谱分析、同位素制备等。

1931年美国的范德格拉夫(R.J.Van de Graaff)发明了静电加速器，质子能量达到1.5MeV。串列加速器就是在静电加速器基础上发展起来的、由两段(甚至三段)静电加速器组成的加速器。

衡量加速器性能主要看加速粒子所能达到的能量和粒子流的强度(流强)。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器(能量小于100MeV)、中能加速器(能量在100MeV~1GeV)、高能加速器(能量在1GeV~1TeV)和超高能加速器(能量在1TeV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。

加速器的两种用途:一是进行物质结构的基本研究(包括原子、分子、原子核和基本粒子三个层次);另外在工业、农业和医学等领域有广泛的应用价值。

在世界上多数新建和改建的重离子加速器是等时性回旋加速器(即扇形聚焦回旋加速器)。其次是串列静电加速器。为了得到较高能量，很多新建的装置采用两台或两台以上加速器串联起来。构成重离子加速器系统，一些是串列静电加速器注入到回旋加速器或直线加速器，另一些是两台回旋加速器串联。

为了把束流从注入器传输到主加速器，需要有一个束流输运系统，对注入器引出束流进行适当的形状变换以适合主加速器对束流的要求。此外为减少由于电荷交换而引起的离子损失，对加速器和束流输运系统要求有较高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在输运线上应该有电荷分析装置。 重离子加速器的结构决定了它的调试和运行是比较复杂的，一般都应配备一个自动控制系统来控制调试和运行，当然，在加速器内和在输运线上的束流诊断设备是必不可少的。

兰州负离子研究装置，亦称兰州重离子加速器，是中国能量最高的大型重离子研究装置。 类似的中能重离子加速器现在世界上一共有8台，按建成时间排序HIRFL为第4台，法国、日本和我国都以大型分离扇回旋加速器作为主加速器。20世纪60年代以来，随着重离子加速器的发展，原子核物理开拓了一个蓬勃发展的新领域--重离子物理。在其它学科，如原子物理、材料科学、生命科学、新能源研究、天体物理等领域，重离子束亦显示出日益重要的应用前景并形成了重要的交叉学科。为使我国在这一前沿领域占有一席之地，由国家投资、近物所负责设计建造，于1988年建成了兰州重离子加速器(HIRFL)，其主要技术指标达到当时国际先进水平，1991年获中科院科技进步特等奖，1992年获国家科技进步一等奖。 1991年成立兰州重离子加速器国家实验室，它的定位是，以重离子物理基础和应用研究为主，相应发展粒子加速器和实验技术，向国内外开放的综合性科研基地。 20世纪90年代，在HIRFL上先后建成了具有国际先进水平的放射性束流线(RIBLL)和14.5GHz高电荷态ECR离子源，均获得中科院科技进步一等奖，为我国开展放射性束物理和高离化态原子物理这些国际前沿领域的研究创造了先进的实验条件。 兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)--是国家"九五"最大的科学工程。 兰州重离子加速器国家实验室已经发展成为在国际上享有较高知名度的重离子物理研究中心之一。

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当带电粒子(通常是电子)垂直注入均匀的恒磁场绕磁力线作圆周运动时,即使粒子的速率恒定,它也具有向心加速度，从而产生电磁辐射。由非相对论性(vc)低能电子发射的，叫回旋加速器辐射，由相对论性(v≈c)高能电子发射的，叫同步加速器辐射。它们首先是在回旋加速器和同步加速器中被观察到的，因而得名。有的文献中将两者统称回旋加速器辐射，苏联文献中常称为磁轫致辐射。

此两种辐射的偏振状态相似，都在垂直于磁场的方向上线偏振，在沿磁场的方向上圆偏振，在斜方向上一般是椭圆偏振(见光的偏振)。

两种辐射的频谱和角分布的特点有很大不同。回旋加速器辐射的谱是由拉莫尔角频率Ω0,及其谐频组成的分立谱(e和m0分别是电子的电荷和静止质量,B为磁感应强度，с为光速)。能量主要集中在基频,谐频成分极弱;辐射的方向性不强。相对论性电子的能量为γm0с2, 其中v是电子速度。 由于相对论效应,随着电子能量的增大，电子的质量m=m0γ增大，拉莫尔角频率的数值减小，并因电子速度上的差异而有所分散，从而使回旋加速器辐射的谱线间隔减小，线宽加大。在极端相对论性条件下，辐射谱变为连续的，这便是同步加速器辐射。与回旋加速器辐射相比，同步加速器辐射具有以下一些不同的特征:

① 存在一个临界角频率(R为粒子轨道半径),在其附近能谱有极大值。ωωc时,辐射功率谱正比于ω时;ωωc时，正比于

(ω/ωc)┩exp(-ω/ωc)。

随着γ 的增大，能谱的极大值向更高级的谐频转移。

② 对于给定的磁场，总辐射功率正比于γ2;对于给定轨道半径，它正比于γ4，即总辐射功率随粒子能量的增大而急剧增强。

③ 辐射的方向性极强，它像探照灯似地分布在以粒子运动方向为轴的极窄角锥内,锥的半角宽度θ~1/γ(见图)。 电子回旋运动产生电磁辐射的最早理论研究要追溯到20世纪初，G.A.肖脱于1912年计算了经典原子模型的辐射。40年代,Д.Д.伊万年科和И.Я.坡密朗丘克以及J.S.施温格曾考虑了这类辐射对设计圆形粒子加速器的重要性。尔后朱洪元(1948)和施温格(1949)发展了有关回旋加速器辐射的理论，这些理论公式已列入标准的教科书。理论计算表明，同步加速器中带电粒子能量U因辐射而产生的损耗率为q为电荷。此式表明,随U的增加极快。此外,对于质量小的电子,这种辐射消耗特别严重(∞m0-4)。这种辐射是高能圆形轨道加速器中最主要的能量损失机制。为了减少它，通常要采用很大的半径R。

同步加速器辐射为人们提供了一种高度准直并可连续调谐的强光光源。特别是在真空紫外和X射线波段,尚无可用的激光器与之匹敌。50年代同步加速器辐射已被广泛研究,60年代前期，美国国家标准局(NBS)的K.科德林、R.P.马登和他们的合作者开始把180MeV的同步加速器当作辐射源用于原子光谱的研究。近年来美国、苏联、日本和西欧许多国家都开展了这方面的工作，用同步加速器或储存环发出的同步加速器辐射来进行光化学、生物学、固体及其表面、材料学、光子散射、非线性光学、X射线全息、X射线显微学、X 射线光刻等多方面的探索和研究。这方面的研究以前多借助于粒子物理学的装置，近年来一批专用的设备正在设计或制造中。

同步加速器辐射是天体物理学中一种重要辐射机制。目前普遍认为，很多具有幂律谱和偏振的非热宇宙射电辐射来源于高能粒子的同步加速器辐射。这类射电源中最著名的例子是为中国《宋史》记载的蟹状星云中心1054年爆发的超新星遗迹。

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