高频直线加速器

高频直线加速器，用沿直线轨道分布的高频电场加速带电粒子的装置。

主要特点　束流的注入和引出很方便，束流强、传输效率高、束品质较好，可由前至后分段设计、制造和调试。由于加速器不存在偏转束的同步辐射限制，可将电子束加速到很高能量，是下一代超高能对撞机的唯一候选者（见对撞机）。为使加速器有适当的长度，轴上加速电场强度一般在5～25兆伏/米，需很大的微波功率源，因此单位束流功率所需造价和运行费较高。近期提出的超导加速器可有效地降低运行费用。行波与驻波加速　荷电粒子在高频直线加速器中是用高频（或微波）电场的轴向分量进行加速。按采用的加速波分类，有行波与驻波两类。前者用圆柱波导作为加速结构，在其内沿轴周期性地设置圆盘负载（图1），使波导中传播的相速小于或等于光速，以利同步地加速粒子，其加速场的模式为类–TM01，它在近轴区提供最大的轴向电场分量。后者采用圆柱形谐振腔，也沿轴周期性地设置电极（或称漂移管）负载（图2），以提高有效加速电场强度，其加速场的模式为类–TM010，同样在近轴区提供最大的轴向电场分量。衡量加速结构性能的主要参数有两类：一是与加速效率有关的参量，特别是有效分路阻抗。它表示给定高频功率损耗，结构能建立多高的加速电场。分路阻抗的高低决定于选用的频率、结构的几何尺寸与形状及相邻加速单元间高频相位的变化量（工作模式）。通常频率越高，结构尺寸越小，分路阻抗和加速效率越高。二是加速结构的稳定性，它表征由于结构的误差和邻近非加速模式对束流的影响。对驻波加速结构，实现稳定性的主要途径是采用所谓的双周期结构，即除了由负载形成的周期性加速单元外，还引进周期性的耦合单元，调节耦合单元的位置和尺寸，便可提高结构的抗干扰性。分类　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。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（图3）。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（图4）。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(RadioFrequencyQuadrupole,RFQ,图5)。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，图2），是20世纪40年代末由L.W.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。重离子直线加速器　它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，它是由R.维德罗于20世纪20年代提出和建造的。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。近期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。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）。 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）。

强流质子直线加速器按其束流时间结构可分为连续束和脉冲束两类。连续束强流质子直线加速器主要用于核能领域，如嬗变核废料、增殖核燃料、提供洁净核能等，建造难度极大。目前美国、西欧和日本都在进行研究工作。脉冲束强流质子直线加速器主要用于高通量脉冲散裂中子，它是有重要价值的科学研究装置，主要利用中子散射研究凝聚态物理。目前美国准备建造的NSNS(National Spallation Neutron Source)和西欧计划建造的ESS(European Spallation Source)均属此类。为了获得几十安培的窄脉冲束，需要在直线加速器后设置一个积聚环(Accumulator)。从直线加速器引出的负氢离子束被注入积聚环，在注入时负氢离子被剥离为质子。直线加速器束流脉冲宽度约1ms，可以注入约一千圈，然后一次引出送到重核靶上。强流质子直线加速器还可用于其他方面。例如利用质子束打靶时产生的π介子及其衰变产物μ介子和中微子进行粒子物理和核物理的研究(如中微子振荡等)，在武器研究方面也有多种用途。