电子直线加速器发展历史

电子直线加速器第一个人工核反应

带电粒子直线加速器是伴随着核科学以及微波高哦拼技术的发展而发展的，1932年Cockcroft 和 Walton研制成功700kV高压倍加器，开用400keV的质子加速器实现了世界上第一个人工核反应，他们也因此成功于1951年获得物理学诺贝尔奖 。

电子直线加速器回旋加速器

这一核反应实现后，核物理学家对带电粒子加速器产生了浓厚的兴趣并提出了更高的要求，这推动了加速器的发展，诞生了回旋加速器（cyclotron）等类型的加速器。但人们企图进一步提高回旋加速器的能量时遇到了很大的困难。

为克服回旋加速器的限制，沿直线轨道利用交变电场加速带电粒子的方案（即直线加速器的方案）被提出 。

电子直线加速器直线加速器

第一个高频直线加速器的概念是瑞典的Ising在1924年提出来的，他建议利用火花隙振荡器和传输线将射频场加到加速电极上，这个建议在当时并未付诸实施。

第一个运行的这类加速器是德国的Wideroe于1928年报道的，该装置由三个圆简电极组成，高频电场加在三个电极的两个间隙上。之后，美国加州大学伯克利分校的一个学生Sloan提出将Wideroe的方案扩展到10个电极和更多电极，并在1931年和Lawrence一起把汞离子加速到1.25MeV，1934年加速到2.85MeV。

这样低的重离子能量是不大可能引起核反应的，而当时的高频功率源水平还不能支持这类加速器进一步提高能量，因此该类加速器没有被发展起来。

不管怎样，直线加速器的原理已被证实，只要有适当的功率源可用，直线加速器必将成为加速器中的重要成员 。

电子直线加速器正式问世

微波功率源是电子直线加速器得以建造成功的关键。英国在第二次世界大战期间用于雷达的兆瓦级磁控管已研制成功，因此英国物理学家得天独厚地拥有10cm波长的功率源，英国原子能研究所建造了世界上第一台电子直线加速器，其长度为40cm，枪电压为45kV，以1MW、3000MHz的磁控管作为功率源，得到36mA、0.54MeV的电子束。1948年他们建立了反馈式行波电子直线加速器，以1.4MW的功率，得到4.5MeV的电子束。

在第二次世界大战末期，斯坦福大学的Hashen同Ginzton和 Woodyard审视了过去有关直线加速器可行性的结论，他们意识到战争期间研发的磁控管可以用来建造几个兆电子伏特的电子直线加速器。此后他们陆续建成了Mark Ⅰ、Mark Ⅱ、Mark Ⅲ。

20世纪50年代不少国家开始了电子直线加速器的设计和建造，包括法国和巴黎。

60年代中期，医用电子直线加速器已在医院应用，为减少加速器尺寸，开始研制驻波结构电子直线加速器。

80年代，自由电子激光及正负电子对撞机的不同方案问世，其关键技术就是高性能电子直线加速器，因此更高频段的直线加速器，高流强﹑低发射度、低能散的加速器得到发展并已取得不少成果。

随着超导技术的发展，超导直线加速器也问世了，近几年（截止2013年）能量回收直线加速器方案已在预研中，并在美国Jefferson实验室研究成功。

近几年（截止2013年）用于产生太赫兹（THz）辐射的FEL计划不断问世。

电子直线加速器基本结构：电子直线加速器可根据辐照工艺的要求作成立式或卧式。

加速器电子枪工作在脉冲状态，根据需要设计注入加速管的电子束能量、脉冲流强、束流直径和发散角等。一般采用皮尔斯型电子枪，并采用在较低温度下电子发射电流密度较大的六硼化镧作阴极材料。加速管由聚束段和加速段两部分组成。加速管采用恒温水冷却措施，使温度变化不大于1度，以确保电子束运行参数稳定。聚焦线圈根据理论计算中的束包络聚焦要求设置。微波功率源，可以采用磁控管或速调管，根据需要，对电子进行加速，提供能量。磁控管或速调管所需的脉冲高压由脉冲调制器供给。脉冲调制器一般采用软管线性脉冲调制器，由直流高压电源向充电变压器、脉冲形成线的电容器进行谐振充电。高功率脉冲闸流管为放电开关，脉冲形成线经闸流管、脉冲变压器初级绕组组成放电回路，在脉冲变压器初级形成高压，在变压器次级输出脉冲电高压。在电压稳定度要求较高时，调制器需采用脉冲电压稳定装置。磁控管或速调管输出的微波功率经波导、定向耦合器、环流器等组成的微波传输系统，通过陶瓷窗进入加速管，对于系统中的剩余功率，由另配的吸收负载所吸收。

电子直线加速器的最高电子能量已超过几万MeV，但由于工业辐射安全的限制，工业辐照电子直线加速器的最高能量定为10MeV。此外，直线加速器的注入和引出效率都很高；束流强度取决于注入器的入射强度和高频电源的荷载能力。一般受高频源的制约只能脉冲工作，脉冲电流可达几百mA，平均流强为1mA至十几mA，即束流功率为1kW到十几kW。

因电子束在电子直线加速器中是沿直线运动的，无同步辐射损失，所以被加速的电子束的能量不受原理性的限制，可以获得很高的能量，是建立超高能正负电子加速器（正负电子对撞机）的首选方案。 2100433B

小型质子直线加速器主要用于质子治疗.。90年代初美国Hamm，Grandall等人首先提出利用S波段直线加速器进行质子治疗的建议。利用S波段边耦合直线加速器获得毫米质子束，可以使用医用电子直线加速器现成的高频技术,我们也对此进行了研究。除质子治疗外，这种加速器还可用作材料科学和生命科学研究。2100433B

按被加速粒子的种类，可分为电子、质子和重离子直线加速器。

直线加速器电子直线加速器

可采用行波或驻波加速粒子。当采用行波加速时，可使结构设计成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一种均匀的加速结构，即结构的各尺寸沿轴不变，便于设计和制造，缺点是微波功率在结构中的损耗不均匀，对较长的直线加速器来说，沿轴的结构温控较不容易。等梯度型加速结构避免了这个缺点，代价是沿轴的结构尺寸有慢变化，使设计和制造较复杂些。

直线加速器质子直线加速器

质子的静止质量是电子的1,800多倍，在其很长的加速范围内，速度远小于或小于光速，因而采用驻波加速结构，以获得较高的有效分路阻抗和加速效率。质子的动能由1兆电子伏到1,000兆电子伏，其速度由光速的4.6%到87.5%。为使结构在不同能区均有较高的加速效率，需采用不同的结构。如：①质子的动能由小于1兆伏加速到几兆伏，可采用高频四极型加速结构（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）。在一圆柱腔的中心部位，方位角对称地设置四个轴向高频电极，在它们所围的近轴区，产生四极聚焦电场，以径向聚焦束流；沿轴可周期性地调变每个电极的径向尺寸，以得到在轴向群聚和加速束流的轴向电场。它兼具聚束、聚焦和加速几种作用，是20世纪70年代兴起的加速结构，选用频率为200—400兆赫。②质子动能要由几兆电子伏加速到150兆电子伏左右，可采用漂移管型结构（又称阿尔瓦雷茨结构），是20世纪40年代末由L.阿尔瓦雷茨首先提出和建造的。在圆柱形腔内，沿轴周期性地设置长度随能量渐增的电极。当高频电场处在正半周时，质子束团在电极间被加速；当处在负半周时，质子束团躲在电极内不受负半周减速场的影响而漂移前进，故又称电极为漂移管。在漂移管内安放四极磁铁，可径向聚焦束流，选用的频率为200—400兆赫。③当质子动能要由150兆电子伏加速到更高能量，通常采用耦合腔加速结构。在该能区内对质子束的径向聚焦已较容易，可将四极磁铁移到加速腔外，使频率提高到800—1,300兆赫，以提高加速效率。这种结构也可用于加速电子，工作频率通常为1,300—3,000兆赫。

直线加速器重离子直线加速器

较接近于质子直线加速器，只是在同样动能下，粒子运动速度更低，因而工作频率也更低，一般在27—150兆赫左右。早期的这类加速器，采用维德罗加速结构。现代的这类加速器按能区可采用高频四极型或阿瓦莱兹型。现今发展的重离子加速结构，如柱形和平面螺旋线结构、分离环谐振腔结构等，它们的特点是径向尺寸较小、公差要求较松、可做成许多短腔组合成整台加速器，既便于采用超导技术，又利于展宽重离子的范围和能量连续可变的需求。

直线加速器超导直线加速器

利用超导材料做成的结构，其功耗几乎可略去不计，因而可用较小微波功率建立较高的加速电场。这类加速腔大多采用内表面涂有氧化保护层的纯铌材料制成，置于液氮和液氦逐级冷却的低温容器中，可冷却至4.2K或更低。加速电场可达几兆伏/米至20兆伏/米以上。将超导腔用于高能直线加速器，优势更显著。如用于强流质子直线加速器的高能段（约150—1,000兆电子伏），由于功耗可略去不计，可选用束通道孔径较大的结构，可有效避免高能强流束沿途损失造成严重的放射性污染。此外，还有利于提高加速场强，减小设备规模和运行费用等。提议中的超导正负电子直线对撞机（TESLA），选用比其他同类对撞机方案（5,700—11,400兆赫）低得多的频率（1,300兆赫）和较大的束孔径，除仍有较高的加速电场（约25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾场相对很小，较易确保束流的高品质（发射度小、能散小等）。

直线加速器是各类加速器中被最广泛应用的加速器类型（见粒子加速器）。