加速器物理课程内容简介
加速器物理基础
高压加速器类型及应用
15
1.4 高压加速器的类型及应用
加速器物理基础
高频高压加速器(Dynamitron)
端电压： 0.4-4.5 MV 特点：输出能量高、输出电流大、束流品质较
好，高压纹波小，稳定可靠，束流功率可达 150KW，但电源利用率低，总效率一般不超过 40%
7
6
1 4 2 5
串列高压加速器
1.3 高压加速器的发展
加速器物理基础
许多加速器加速粒子，高压电极只被利用一次——单级加速器 如果让粒子多次加速，就能得到更高的能量——串列加速器
串列加速器是在静电加速器的基础上发展起来的。
高压电极2由高压电源1获得正高 压，粒子源3产生负离子。负离
子被电场加速到高压电极后，经 过一个固体薄膜或一段低压气体
常被用作增能器)
高压加速器类型及应用
14
1.4 高压加速器的类型及应用
加速器物理基础
倍压加速器
端电压： 0.1-4 MV 特点：束流品质及能量稳定度较静电加速器差
，但负载能力大，可加速各种粒子，提供连续或脉 冲束流
主要用途：质子与重离子直线加速器的注入器
，中子发生器，离子注入机，电子辐照等
课后习题
2
过度页
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高压加速器类型及应用 高压发生器 绝缘磁芯变压器 高压电场与绝缘介质 加速管 高压加速器的其他技术
利用利用直流高压电场来加速带电粒 子的加速器。倍压加速器、直线加速 器、回旋加速器、同步加速器、对撞 机与储存环，静电加速器等等。
课后习题
3
1. 高压加速器类型及应用
按照高压电源类型不同： 静电加速器 倍压加速器 高频高压加速器 绝缘芯变压器型加速器 强脉冲加速器
加速器物理
《核技术及应用》学科指定必修基础课程
的力，我们现在称之为库伦力(Coulomb forces)。由于更强大的电荷成为可能，发光的放电现 象被观察到，并且开始强烈地致力于对试验观察，在十九世纪的后半叶大部分期间内。例如， 正是这些电发光放电现象的观察导致科学界发现了基本粒子和电磁辐射，它们都是粒子加速 器的基本因素。
2e2 f 2 ， 3v
此处的 e 是发射粒子的电荷， f 为加速度，及 v 为光的速度。1897 年 J.J. Thomson 用电磁谱 测量了 Kanal 和阴极射线的荷质比( e / m )，并且发现了阴极射线的荷质比要大于 Kanal 射线
的荷质比 1700 倍，他解释阴极射线是由支配自由电子证据是自由电荷组成的。1897 年 J. Larmor 用公式描述拉莫进动(Larmor precession)的概念。1898 年 Lienard 计算了一个运动点 电荷邻域的电场和磁场，并且估算来自沿圆轨道运转荷电粒子电磁辐射的能量损失。1900 年 Wiechert 导出了点电荷的推迟势的表达式。1903 年汤姆逊提出正电荷在原子中均匀分布 的假设，1905 年卢瑟福提出电子围绕旋转的概念，盖革的两位研究生发现电子的散射行为
ηλεκτρον ，并且成为区分电现象与相关科学的起源。二千多年来此现象观察除了好奇心
没有其它更多的。然而，十九世纪以来有关的电现象在科学界内变得十分时髦了，并且发展 成为与现代科学文化紧密结合有影响力的一门技术。
到电荷载体能够被绝缘又经历了二百年的时间。许多系统试验得以进行，理论被发展， 以从数学上表述被观察到的现象。正是库伦(Coulomb)在 1785 年首次成功地标定了电荷之间
在此建造之后的二十一年里，伴随物理学发展，萌芽性质的加速器物理与技术发展开始 起步，建造了最早期的直线加速器。1907 年 Schott 用公式描述同步辐射的第一个理论，以 试图解释原子谱。1901 年起步的 W. Kaufmann 首先独立并于 1907 年与 A.H. Bucherer 提出 电子质量随能量的增长，第一个支持狭义相对论理论。1909 年 R.A. Milikan 开始测量电子 的电荷。1913 年由 J. Franck 和 G. Hertz 做了第一个试验用加速电子以激励原子。1914 年 Marsden 产生了第一个质子束借助阿尔法粒子照射石腊。1920 年 H. Greinacher 建造了第一 个级联发生器(cascade generator)。1922 年 R. Wideroe 作为研究生做了射线变压器草图设计。 1924 年 Ising 发明了电子直线加速器，借助于漂移管和火花隙激发产生加速功率。1928 年 Wideroe 报告了第一次钾和钠离子的直线加速器的运行，讨论了电子感应加速器的运行及错 误在于得到束流因缺乏聚焦。1928 年 P.A.M. Dirac 预言正电子的存在。1931 年 Van de Graaff 建造了首个高压发生器。
加速器物理课件4章高压倍加器
目录
பைடு நூலகம்
• 高压倍加器概述 • 高压倍加器的结构与组成 • 高压倍加器的工作原理 • 高压倍加器的性能参数与优化
01 高压倍加器概述
高压倍加器的基本原理
高压倍加器是一种利用电场加速带电 粒子的装置，其基本原理是利用高电 压电场对带电粒子施加作用力，使粒 子获得加速度，从而实现加速。
02 高压倍加器的结构与组成
电源系统
01
02
03
04
电源系统是高压倍加器的核心 组成部分，负责提供高电压直
流电。
电源系统的性能直接影响高压 倍加器的整体性能和稳定性。
电源系统通常由变压器、整流 器、滤波器等组成，能够提供 稳定、高效的高压直流电。
电源系统的设计和制造需要充 分考虑安全性和可靠性，确保 设备在长时间运行中不会出现
粒子束从高压倍加器传输到目标位置 的效率，是衡量高压倍加器性能的重 要指标。
高压倍加器的稳定性与可靠性
稳定性
高压倍加器在工作过程中应保持稳定的运行状态，以确保实验结果的准确性和 可重复性。
可靠性
高压倍加器的可靠性决定了其在长时间运行过程中出现故障的概率，是评价高 压倍加器性能的重要因素。
高压倍加器的能耗与散热性能
故障。
电场系统
电场系统是高压倍加器中产生加速电 场的部分。
电场系统通常由电极、绝缘材料、真 空密封等组成，需要具有良好的导电 性能和绝缘性能。
电场系统的设计需要精确控制电场的 分布和强度，以确保粒子在加速过程 中的稳定性和效率。
电场系统的设计和制造需要充分考虑 真空密封和散热问题，以确保设备的 可靠性和稳定性。
控制系统
控制系统是高压倍加器中实现 自动化控制的部分。
加速器物理学与核能研究
加速器物理学与核能研究第一章：引言在科学技术的发展过程中，核能作为一种精密的能源解决方案，引人注目，也受到广泛关注。
核反应和核分裂过程中进入关键区域的粒子，往往需要在其行程中被加速器加速或聚焦才能达到高能状态，这就使用到了加速器物理学中的相关知识。
本文将详细介绍加速器物理学原理及其在核电领域的应用。
第二章：加速器物理学的基本原理2.1 加速器物理学的发展最初的粒子加速器在20世纪初期建造，它们主要利用不同种类的电子器件来加速粒子流。
在20世纪中期，线性加速器（LINAC）试验成功后，粒子加速器获得了飞速的发展，加速器的类型不断增加，应用领域不断扩展。
2.2 粒子加速过程粒子在加速器内的运动可分为多个步骤，包括加速、聚焦、束缚和注入。
在这些步骤中，各种物理机制（如电磁场的激励或介质的相互作用）都在作用，进而形成了加速器物理学的学科体系。
2.3 加速器的种类目前，加速器的种类包括Cyclotron、Syclotron、放射性同位素加速器（Radioisotope Accelerator）和线性加速器（Linear Accelerator），每种类型的加速器都有其各自独特的工作原理和应用场景。
第三章：粒子加速器在核能研究中的应用3.1 加速器中的核反应加速器可以让原子核重现高能的状态。
通过让反应物在加速器内聚焦，再用大量的能量撞击反应物，从而使反应物成为高能的状态，最终实现核反应的目的。
通过这种方式，人们可以进行种种核反应的实验，从而使我们更好的了解核反应的现象、原理以及运动规律。
3.2 合成中性重离子中性重离子的合成是利用中子激发方法，即利用粒子束撞击目标核时，在核内产生中子，然后再利用这些中子让中性重离子产生。
这项研究的主要目的是增加超重核的稳定性，并进一步了解各种中性重离子的性质。
3.3 散射物理学散射事件是一种非常常见的物理事件。
在用中子或粒子束对样品进行散射实验时，加速器器的聚焦和振动使得粒子击中的样品集中在一个非常细小的区域内，形成了散射物理学中常见的“散射空间”。
加速器物理课件第7章电子感应加速器
d dW
f i L
L v
Wf Wi W f dW dW 2r Wi v v
•
0.9 0.99 0.999 0.9999
E/E0 2.294 7.09 22.37 70.71 223.6 707.1069
Ee ( MeV) 1.17 3.61 11.40 36.1 114.0 360.6
4 -32
r0 320 0.9 1.2 777.0
电子伏 r，R米 MeV ) 25 （ 100
B(特） r(m) 0.43 0.19 0.66 0.50 17.7
W (eV / 圈)0.18
电子束的强度
• • • • • • 电子束注入时间 电子束与电子枪的碰撞 电子枪发出的电子数目 磁聚焦 空间电荷效应 工作频率
dW eEdl dN
Edl EdA
A
B dA BdA t t
Edl t dW eEdl e dN t dW dW dt dW L dN dt dN dt v d dW L 苇伯 e 电子电量 dt dt v W 电子伏
• 有效注入时间----俘获时间 • 避免电子同电子枪碰撞的因素
r0
B0 dY (r ) ( ) r r0 dr r0 B0 dB (r ) ( ) r r0 n dr r0
有三个交叉点
1 r r0 时 B< B 2 1 r r0 时 B= B 平衡轨道 2 1 r r0 时 B> B 2
辐射损失
4 e 2 4 W ( ) 每圈电子伏 3 R 0 =8.85 10
Ep ( MeV ) 2151 6649 20979 66328 209744 663266
《加速器》(课件)
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 3.对于同一回旋加速 器，其粒子回旋的最大半 径是相同的，所以最大速 度必须满足
qBR vm m
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 4.因为狭缝极小，故 电场运动时间可以忽略.
t总 t 磁
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 4.因为狭缝极小，故 电场运动时间可以忽略.
t总 t 磁
1 mv 2 m m 2 t磁 n qB qU qB 1 m (qBR) m 2 m qU qB
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 1.带电粒子每经电场加 速一次，回旋半径就增大一 次，每次增加的动能为 Ek=qu， 粒子每经过一个周 期，被电场加速两次。 2.交变电场周期等于粒 子在磁场中的运动时间，即 2m T电 = T磁 qB
2.(多选)回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度 为B的匀强磁场与盒面垂直，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时 间可忽略，它们接在电压为U、频率为的交流电源上，若A处粒 子源产生的质子在加速器中被加速，下列说法正确的是( ) A.若只增大交流电压U，则质子获得的 最大动能增大 B.若只增大交流电压U，则质子在回旋 加速器中运行时间会变短 C.若磁感应强度B增大，交流电频率必 须适当增大才能正常工作 D.不改变磁感应强度B和交流电频率， 该回旋加速器也能用于加速粒子
2.(多选)回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度 为B的匀强磁场与盒面垂直，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时 间可忽略，它们接在电压为U、频率为的交流电源上，若A处粒 子源产生的质子在加速器中被加速，下列说法正确的是( BC ) A.若只增大交流电压U，则质子获得的 最大动能增大 B.若只增大交流电压U，则质子在回旋 加速器中运行时间会变短 C.若磁感应强度B增大，交流电频率必 须适当增大才能正常工作 D.不改变磁感应强度B和交流电频率， 该回旋加速器也能用于加速粒子
粒子加速器物理学
粒子加速器物理学粒子加速器是一种用于加速亚原子粒子的设备，它在物理学研究中起着重要的作用。
这些设备主要用于对原子核、原子和其他亚原子粒子的性质进行实验研究，进一步了解基本粒子的结构和相互作用。
本文将介绍粒子加速器的原理、分类以及在物理学研究中的应用。
一、粒子加速器的原理粒子加速器工作的基本原理是利用电场、磁场或者两者的组合来加速带电粒子。
这些带电粒子首先被放置在一个电场中，电场的作用力使得粒子获得一定的能量。
接下来，带电粒子进入一个磁场区域，磁场的作用使得粒子在垂直于磁场方向上产生一个圆周运动，从而维持粒子在加速器中的轨道。
粒子在电场和磁场的交替作用下不断受到加速和定向，最终进入高能区域。
二、粒子加速器的分类根据工作原理和用途的不同，粒子加速器可以分为多种类型。
其中，最常见的是环形加速器和直线加速器。
1. 环形加速器环形加速器是将带电粒子置于一个环形轨道上，通过不断加速和导向，使得粒子在环形轨道上运动。
环形加速器通常被用于对基本粒子的高能物理研究，如希望产生高能粒子对撞的大型强子对撞机（LHC）就是一个典型的环形加速器。
2. 直线加速器直线加速器是将带电粒子放置在一条直线轨道上，通过一系列的加速装置，将粒子推向越来越高的能量。
直线加速器往往体积较小，适用于对粒子进行精确控制和调试实验。
例如，部分医学机构使用直线加速器来产生高能X射线，并用于放射治疗。
三、粒子加速器在物理学研究中的应用粒子加速器在物理学研究中的应用非常广泛，涵盖了多个领域。
以下是一些主要的应用领域：1. 基本粒子物理学粒子加速器被广泛应用于研究基本粒子物理学，特别是对基本粒子相互作用的研究。
通过将带电粒子加速到极高能量，科学家可以模拟宇宙大爆炸发生后不久的情况，进一步研究基本粒子的性质、相互作用和结构。
2. 核物理学粒子加速器在核物理学研究中也发挥着重要作用。
通过控制粒子的能量和速度，科学家可以研究核反应、核衰变以及核能的释放和转换。
高中物理直线加速器工作原理
高中物理直线加速器工作原理直线加速器是一种用于加速带电粒子的装置，在物理科学研究和医学放射治疗等领域有着重要的应用。
本文将介绍高中物理直线加速器的工作原理。
1. 概述直线加速器是一种加速带电粒子的加速装置，通过不断增加粒子的动能，使其达到较高速度。
其基本组成包括电磁场产生器、加速腔和束流管等部分。
2. 工作原理2.1 电磁场产生器直线加速器中的电磁场产生器通常是由高电压电源和磁铁组成。
磁铁会产生一个稳定的磁场，而高电压电源则提供加速粒子所需的电场。
这两者共同作用下，形成一个稳定的电磁场。
2.2 加速腔加速腔是直线加速器中的主要部分，其内部充满了交变电场。
当带电粒子进入加速腔时，会受到电场的驱动而被加速。
通过频率控制和电场强度调节，可以实现对粒子的准确加速。
2.3 粒子束流管粒子在加速腔中受到加速后，会形成一束流。
粒子束流管的作用是将粒子束流引导到需要的位置，例如目标或探测器。
粒子束流管通常包括磁场和聚焦器等组件，用于保持粒子束流的稳定和方向性。
3. 实现加速过程在直线加速器中，粒子的加速过程主要受到电磁场的影响。
当带电粒子进入加速腔后，会受到电场的作用而加速运动，直至达到所需的能量和速度。
通过不断调节电场的强度和频率，可以实现对粒子的精确加速。
4. 应用领域直线加速器在科学研究和医学领域有着重要的应用。
在基础物理研究中，直线加速器可用于产生高能量的带电粒子束，研究粒子物理和核物理等领域。
同时，直线加速器还被广泛应用于放射治疗，用于肿瘤的放射疗法。
5. 结语高中物理直线加速器的工作原理是基于电磁场的加速原理，通过电场和磁场的作用，实现对带电粒子的加速。
直线加速器在科学研究和医学领域有着广泛的应用前景，对于推动科学发展和改善人类生活质量具有重要意义。
加速器物理学
加速器物理学加速器物理学是研究粒子加速器及其应用的学科，它涉及到粒子物理学、核物理学、凝聚态物理学等多个领域。
加速器物理学的发展对于科学研究以及现代技术的进步起到了不可替代的作用。
本文将从加速器的原理、种类以及应用等方面展开论述。
一、加速器的原理加速器物理学的核心是粒子的加速。
加速器的原理可以简单归纳为两个步骤：首先将粒子带电，然后在电场或磁场作用下对其加速。
电场和磁场是加速器运行的基本要素。
电场加速器是利用电场力加速粒子。
一个典型的电场加速器是静电加速器，它通过高电压产生强电场，使得带电粒子在电场中获得能量而加速。
另一种电场加速器是射频加速器，它利用射频电场周期性地加速粒子。
磁场加速器则是利用磁场力改变粒子运动轨迹，从而实现粒子加速。
磁场加速器的代表是同步加速器，它利用磁铁产生磁场，使得粒子在磁场中做圆周运动，并不断增加运动半径，从而实现加速。
二、加速器的种类加速器根据粒子的能量、种类、加速方式等不同，可以分为多种类型。
1. 循环加速器：循环加速器是一种能够持续加速粒子的加速器。
它通过不断重复加速过程，将粒子加速到所需的能量。
循环加速器的代表是圆环正负电子对撞机（CEPC）和大型强子对撞机（LHC）。
2. 线性加速器：线性加速器是一种直线状的加速器，粒子在其中直线加速。
线性加速器通常用于将粒子加速到较高能量，如电子直线加速器（LINAC）常用于医疗放射治疗中。
3. 周期加速器：周期加速器是一种能够重复加速粒子的加速器，周期加速器通常具有环形结构。
著名的周期加速器包括质子同步加速器（PS）和质子同步辐射加速器（PSR）。
三、加速器的应用加速器物理学的应用广泛，不仅在科学研究领域发挥重要作用，也在医学、工业和能源等领域得到应用。
1. 粒子物理研究：加速器在粒子物理领域的应用是最为重要且广泛的。
高能加速器能够提供足够高的粒子能量，使得物理学家们能够研究基本粒子的性质、相互作用等。
通过加速器实验，科学家们揭示了许多粒子物理学的奥秘，例如发现了希格斯玻色子。
加速器物理及其在粒子物理学中的应用
加速器物理及其在粒子物理学中的应用随着科学技术的不断进步，我们对物质世界的认识也在不断地变革。
在这样的背景下，粒子物理学作为研究最基本的物质构成要素的学科，受到了越来越多的关注。
而在粒子物理学的研究中，加速器物理则扮演着不可或缺的角色。
一、加速器物理简介加速器物理是指主要用于实现高速带电粒子束的技术，主要包括两个部分：加速器和束流物理学。
其中，加速器是指将带电粒子加速到较高速度或能量的设备，而束流物理学则是研究粒子在加速器中的分布、稳定性等特性的学科。
加速器包括线性加速器和环形加速器两种类型。
线性加速器是一种用高频电场加速粒子的设备，它的优点在于精度高、失乐观点低，但加速能量有限；而环形加速器则是将粒子束圆弧运动的方式来进行加速，它的优点是加速能量高，但复杂度高。
二、加速器物理在粒子物理学中的应用1. 粒子探测在粒子探测中，使用加速器将粒子加速到一定的速度后，将其引入探测器中进行测量。
探测器可以测量粒子的能量、电荷、轨迹等信息，从而研究粒子的物理性质。
而在这个过程中，加速器则起到粒子加速的作用。
2. 基础研究基础研究是粒子物理学的核心内容。
利用加速器可以生产出高能、高质量的基本粒子，从而进一步研究它们的特性和相互作用。
例如，利用电子-正电子对撞机可以生产出大量的带电弱子、带有顶夸克等粒子，从而深入了解它们的性质和作用。
3. 医学应用加速器技术不仅应用于粒子物理学领域，还被广泛运用于医疗领域中。
例如，利用加速器可以生产出放射性药物，用于癌症治疗；同时，加速器还可以用于放射性同位素的生产和分离等方面，为医学研究提供了重要的手段。
三、未来展望随着科技的进步，粒子物理学的应用范围也在不断地拓宽。
未来，加速器物理和粒子物理学将继续承担重要的使命。
例如，利用更加先进的加速器技术，可以进一步深入研究基本粒子的特性和行为；同时，在医疗、环境保护等方面，加速器技术也将有着更广泛的应用。
总之，加速器物理是粒子物理学领域中不可或缺的一环，对于深入了解物质的构成和本质有着重要的意义。
加速器物理课程内容简介
加速器物理课程内容简介引言高能加速器历史回顾与展望（授课教师：秦庆）第一章高频直线加速器物理（授课教师：王书鸿）1.1引言1.1.1直线加速器的基本特性1.1.2直线加速器的应用1.2电子直线加速器1.2.1高频直线加速原理1.2.2加速结构的主要物理参量1.2.3等阻抗加速结构1.2.4等梯度加速结构1.2.5驻波加速结构1.2.6予注入器1.2.7高功率脉冲压缩1.2.8纵向运动*1.2.9横向运动*1.2.10发射度，接受度和束流匹配1.2.11高能强流电子直线注入器的束流物理（*）纵向运动和横向运动两节，包括电子和质子直线加速器。
1.3质子直线加速器1.3.1渡越时间因子和有效分路阻抗1.3.2稳定的加速结构1.3.3高频四极场加速结构1.3.4漂移管加速结构1.3.5耦合腔加速结构1.4强流质子直线加速器概述1.4.1用途和技术挑战1.4.2束晕和束损1.4.3主要技术途径1.4.4强流质子直线加速器的应用1.5正负电子直线对撞机概述1.5.1引言1.5.2主要技术挑战1.5.3未来直线对撞机的设计考虑1.5.4试验装置和进展第二章高能环形加速器物理（授课教师：秦庆）2.1引言2.1.1环形加速器简介2.1.2必备知识简要回顾2.2横向线性运动2.2.1横向聚焦的必要性和横向振荡的稳定性2.2.2强聚焦原理及稳定性判据2.2.3横向运动方程2.2.4Hill’s方程的解及Twiss参数2.2.5发射度和接受度2.2.6动量分散2.3纵向束流动力学2.3.1加速方法2.3.2相稳定2.3.3绝热阻尼和纵向发射度2.4误差效应2.4.1二极场误差及其校正2.4.2四极场误差及其校正2.4.3色品及其校正2.4.4磁铁的安装误差2.4.5共振线图及高阶场2.4.6横向共振2.4.7横向线性耦合2.4.8动力学孔径2.4.9误差的应用2.5同步辐射2.5.1能量振荡2.5.2粒子的辐射及振荡阻尼2.5.3量子激发和束团的平衡尺寸（横向）2.5.4Vlasov方程与束团的纵向尺寸2.5.5同步辐射积分2.5.6同步辐射光源的磁聚焦结构2.6对撞机初步2.6.1对撞亮度2.6.2束束相互作用2.6.3正负电子对撞机设计初步第三章高能加速器中的束流集体效应（授课教师：秦庆）3.1引言3.1.1加速器中的粒子运动稳定性3.1.2加速器中的束流运行稳定性3.1.3束流集体效应现象观测3.2束流尾场和耦合阻抗3.2.1束流尾场3.2.2耦合阻抗3.2.3耦合阻抗的测量和计算3.3宏粒子模型方法3.3.1纵向Robinson不稳定性3.3.2头尾不稳定性和强头尾不稳定性3.3.3直线加速器中的束流崩溃效应3.3.4对撞机中的束团相干振荡3.4扰动分析方法3.4.1Vlasov方程及其线性化3.4.2纵向不稳定性振荡模分析3.5束团拉长效应3.5.1势阱畸变效应3.5.2微波不稳定性3.5.3观测和模拟计算3.6双流不稳定性3.6.1电子云不稳定性3.6.2快离子不稳定性3.6.3离子俘获效应3.6.4束流微粒效应3.7抑制束流不稳定3.7.1储存环中的阻尼效应3.7.2朗道阻尼3.7.3束流反馈3.8束流寿命3.8.1束流与残余气体的作用3.8.2量子寿命3.8.3Touschek效应3.8.4对撞寿命主要参考书目：1.T. Wangler, “Principles of RF Linear Accelerators”, Wiley, 1998.2.王书鸿等，《质子直线加速器》，原子能出版社，1986年。
加速器物理课件第3章静电加速器
1. 2. 3. 4.
静电加速器较其它加速器有如下特点： 被加速离子的能量连续可调； 离子的能量单一； 可加速多种离子或电子； 离子束聚焦良好，离子束靶点小。
静电加速器是低能核物理实验的最理想工具，同 时还广泛应用于离子注入，材料分析、材料辐照等领 域。
串列加速器 Tandem Accelerator
静电高压发生器
1. 高压电极（高压头部） 2. 充(输)电系统 3. 绝缘支柱
静电高压发生器产生高压的过程实质上是一个类 似于向电容器充电升压的过程。高压电极是一表面 光滑，边缘无棱角的半球状或园柱状金属壳体，可 以看成是一个对地的电容。充电系统不断地向高压 头部输送电荷，对电容充电，从而使高压头部电位 不断升高。设高压电极电压V，对地电容C与积累的 电荷Q的关系为：
i 2bv
对带子的宽度是有一定限制的．增大宽度，或多用几条输电带，加速器的体 积会随之增加．如果高气压型的钢桶太大，重量也会太大，而且所用的绝缘气体 也会增加很多，这些都是不能不加以考虑的．把大气型的体积增大一些，虽然花 费(设备、土建以及维护费用等)不至很大，但总是有一定限度的．因此，输电带的 宽度一般为300--600毫米． 带子的线速度也有一定的限制．· 线速度过高，带子容易发生强烈的振动， 因此一般在10--26米／秒之间 输电带的面速度为bv,一般在6一15米2／秒之间．
电晕针 Corona Point
高压三极管 3 磁分析器 钢筒 4
1 AC/DC 转 换 器 差分放大器 GVM 高压指示 转换开关
5 2
CPU 示波器 加法器
1.缝隙仪 2.旋转伏特计 3.电晕针 4.高压电极 5.电容拾取板
串列加速器高压稳定系统原理图
电子剥离器
加速器物理学及其应用
加速器物理学及其应用随着科技的不断发展与创新，人类对于物质结构和宇宙宏观世界的认知变得更加深入和精确，而加速器物理学在这一过程中发挥了非常重要的作用。
本文将简要介绍加速器物理学的基础知识以及其在科学研究、医学、环境保护等方面的应用。
一、加速器物理学的基础知识加速器物理学是研究如何将带电粒子加速到极高速度，并运用这些高能粒子进行研究和实验的领域。
加速器是一种能将带电粒子加速到极高能量的机器，它的基本原理是利用电场或磁场对带电粒子施加力，使其速度增加。
在加速器中，带电粒子在两个电极之间来回穿梭，每经过一次加速电场就会增加一次速度。
随着速度的增加，粒子质量也会发生变化，它的运动会越来越接近光速。
目前使用最广泛的加速器类型是线性加速器和环形加速器。
线性加速器又称具有串联参量互感器的迴旋加速器，是在直线上将粒子加速到极高能量的加速器。
它的优势是加速器不需要太大的空间，可以很好地控制能量输出。
环形加速器则是加速器器内迴旋，形成环形，加速后的粒子可以在它的环形轨道上运动。
它的优势是能够连续产生能量，可以产生更高的能量，创造更多的带电粒子。
二、加速器物理学在科学研究领域的应用1.基础研究在物理学的基础研究中，加速器物理学有着非常重要的作用。
通过利用加速器使带电粒子加速到极高速度，物理学家们可以研究粒子在极高速度下的行为，从而更深入地理解基本粒子的本质和性质。
例如，欧洲核子研究组织（CERN）就是一个利用大型环形加速器进行粒子物理学研究的组织，通过研究加速器所产生的高能量带电粒子的运动，物理学家们可以研究粒子之间的交互作用，揭示物质的基本性质。
2.核物理研究在核物理研究中，加速器物理学可以用来研究原子核的性质和反应。
利用加速器可以将带电粒子加速到极高速度，进而可以将它们用来轰击靶核，使靶核分裂或产生裂变。
通过研究裂变或分裂产生的核反应，物理学家们可以更好地理解原子核的构造和行为，从而更好地研究核反应，并在其基础之上开发出更高效的核能源。
直线加速器物理-Part1
Hamiltonian力学
一个n个自由度的系统，存在一个函数H(q, p, t)，称
为Hamiltonian，其变量为n个一般的坐标q; 这些q的n个共轭动量，以及时间t，满足2n个运动方 程 — Hamilton’s方程:
p
H , q
q
H p
狭义相对论
2 2
常用的能量单位：eV、keV、MeV、GeV、TeV
103 eV、 106 eV、 109 eV、 1012 eV
电子的静止质量：9.109389710-31 kg，
静止能量：0.51099906 MeV；
质子的静止质量：1.6726231 10-27 kg， 静止能量：938.27231 MeV。
集装箱检测花瓣型加速器rhodotronaccelerator主要内容射频直线加速器概述射频直线加速器特点及应用电子直线加速器电子直线加速器加速原理加速结构预注入器纵向运动和横向运动发射度接受度束流匹配束流的尾场效应质子直线加速器渡越时间因子和等效分路阻抗驻波加速结构射频四极磁铁rfq漂移管型直线加速器参考书目septiereds
高能(射频)直线加速器物理
Radio Frequency Linear Accelerator Physics
刘渭滨
中国科学院高能物理研究所 加速器中心
Institute of High Energy Physics (IHEP) Accelerator Center
A lecture Note for the CASGS 2011
通常加速器所加速的带电粒子不是一个两个，而是对极大数 量的粒子进行加速，这些的粒子在电磁场的作用下，大体沿 某一特定方向运动，形成带电粒子流，我们称之为束流。在 加速过程中，由于时变电磁场的作用，形成一个个束流脉冲， 即束团。
加速器物理课件第3章静电加速器
充电系统 Charging System
• 用于产生电荷并将电荷不断地输 送到加速器高压电极上以建立静 电高压的设备。它主要由充电电 源和电荷输运设备等组成。静电 加速器充电系统按电荷输运设备 分为三种：输电带，输电链和输 电梯。 • 输电带充电系统主要由充电电源、 喷电针排、输电带、刮电针排、 上下转轴等组成。输电带价格低， 输电能力大，可达数百微安，但 易拉伸磨损，在高压环境中产生 灰尘，使用寿命一般只有数千小 时。
改善电场分布
在空气中，当针尖为正电势时，在气压升高到十一、二大 气压时，间隙的火花放电击穿电压突然下降，变得与电晕 放电的起始电压相等，因此在击穿前不再出现电晕放 电．这个气压名做临界气压.无法利用电晕放电来喷电了
输电链
• 输电链由数百个尼龙绝缘 子和不锈钢小圆筒交替连 接而成。尼龙绝缘子承受 加速器全部高压，不锈钢 圆筒携带电荷输送到加速 器的高压电极。输电链机 械和电性能均较好，输电 电流稳定。每条输电链输 电 能 力 为 ～100μ A ， 使 用寿命可高达 30000 小时。
HI-13串列加速器
HI13 串列加速器
绝缘气体 击穿场强
千伏/英寸=2.54kv/cm 磅/平方英寸=0.068大气压
4 rR 球形电容器 c Rr 2 l 柱形电容器 c R ln r r 内径 R 外径
加速器物理acc_phys_1n
加速器物理学第一章绪论内容与目的：针对核技术及应用学科（加速器）学生及其他感兴趣者，主要，①系统地认识各类加速器的主要组成部分、功能、参数，概念清楚；②学习加速器的基本理论，线性理论下束流横向运动与纵向运动的稳定性，流强怎样提高及主要物理参数，在老师指导下能进行简单的计算和设计；③准备将来从事加速器研究、计算、设计、制造、运行。
基础知识：四大力学，主要是电动力学，特别是微分方程求解，会利用特殊函数。
掌握的几个方面：1、基本原理应用；2、基本理论，线性理论下的横向运动与纵向运动；3、主要类型，有些很少提到；4、加速器的新动向、新原理。
用的都是国外提出的原理，中国还没有提出过。
5、通过参观、实习、运行学习。
参考书：1、陈佳洱等著，加速器物理基础；2、徐建铭著，加速器原理；3、王书鸿著，质子直线加速器原理；4、姚充国著，电子直线加速器；5、M. Livingston, Particle Accelerator, 1962；6、J. J. Livingool, Principle of Cyclotron Accelerator；7、谢家麟著，加速器与科技创新，2000；8、H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics, 1998。
9、叶铭汉著，静电加速器。
本科生的相关课程，如电磁学（赵凯华著，伯克利教程，科大物理口的教材）、电动力学（曹昌祺著，郭硕洪著，杰克逊著中文或英文版），研究生的相关课程：高等电动力学。
§1.1 加速器发展概况带电粒子加速器的发展及其原理，来源于基本物理现象理论与试验的进步。
而粒子加速器试验研究仅起步于上世纪，它依赖于对电磁现象基本物理的理解，这一部分主要是在十九世纪期间和二十世纪初在理论和试验两方面探索所进行的。
在此引言中，我们将简洁地回顾导致粒子加速器发展、应用的历史，并引入基本定义和支配粒子束流动力学的公式。
§1.1.1 加速器产生的历史背景及其在近代物理学中的作用[1]粒子加速器的历史与发展，与荷电现象的理解和发现有关，也与灯炮中一些单个粒子所具有的特殊性质携带的电荷密切相关。
《加速器原理》课程教学大纲
《加速器原理》课程教学大纲Principle of Accelerator课程编号：130502051学时：24 学分：1.5分适用对象：核工程与核技术专业、核技术专业、核物理、辐射防护等专业本科生先修课程：普通物理、化学、原子物理、原子核物理、量子力学、电动力学、电子学、核辐射探测、辐射剂量与防护。
一、课程的性质和任务该课程可以支撑毕业要求第3条的达成。
加速器原理作为核工程与核技术专业、核技术专业的专业主干课之一，是一门非常重要和关键的课程。
本课程重点讲述加速器基本概念、基本原理及其应用。
希望学生通过本课程学习,深入了解各类加速器的工作原理、结构性能特点、及其主要应用领域。
为学生今后进一步学习加速器的其它课程或从事加速器相关领域的理论研发和实际操作应用等工作，打下坚实的基础。
二、教学目的及要求本课程重点讲述加速器基本概念、基本原理及其应用。
希望学生通过本课程学习,深入了解各类加速器的工作原理、结构性能特点、及其主要应用领域。
为学生今后进一步学习加速器的其它课程或从事加速器相关领域的理论研发和实际操作应用等工作，打下坚实的基础。
加速器原理课程是一门综合性很广的课程，涉及到普通物理、化学、原子物理、原子核物理、量子力学、电动力学、电子学、核辐射探测、辐射剂量与防护等多方面的理论知识，内容十分丰富，面非常广。
要求学生要掌握相当数量的针对核类专业开设的基础课和选修课。
对于此门课程，不仅要求学生掌握加速器相关的基本原理与公式，能够进行一定的分析计算推导，而且要熟知各类加速器性能、结构，应用。
三、主要教学内容第一章：绪论1．基本内容：一、加速器的基本构成二、加速器的发展简史三、加速器的分类四、加速器的应用五、带电粒子在恒定电磁场中的运动（一）带电粒子在电磁场中的运动方程（二）带电粒子在静电场中的运动（三）带电粒子在均匀恒定磁场中的运动（四）粒子运动470参数的相对论力学表达式。
2．教学基本要求：了解加速器的基本构成，加速器的发展概况、加速器的分类、加速器的应用；熟练掌握粒子运动参量的相对论表述。
加速器原理教学大纲
《加速器原理》教学大纲一课程的目的和基本要求。
《加速器原理》是原子核物理、核技术、辐射防护与环境工程等本科专业的专业课之一，本课程讲授的主要内容为加速器的基本理论、基本原理、基本结构和基本技术。
本课程的教学目的和基本要求为：通过本课程的学习使学生掌握加速器的基本理论、基本原理、基本结构和基本技术，并对加速器理论和技术研究的最新进展有较为充分的了解，培养学生分析问题和解决问题的能力；使一部分学生毕业后能够适应利用加速器开展原子核物理、核技术应用方面的研究工作；使一部分学生毕业后能适应加速器物理与加速器技术方面的研究开发工作。
二教学内容和学时分配。
本课程教学第一章：绪论（4学时）教学内容要点：加速器的发展历史及用途；加速器的分类；加速器的束流特性；带电粒子在电磁场中的运动方程。
第二章：粒子源与束流品质（8学时）教学内容要点：电子枪的结构及原理；离子源的结构与原理（包括：潘宁离子源、高频离子源、双等离子源、ECR离子源等）；离子源的束流品质（束流的相空间理论、束流发射度、束流亮度、束流能散度、束流强度、束流能量等）；离子源束流发射度的测量方法。
第三章：高压倍压加速器（6学时）教学内容要点：高压倍压加速器的基本组成及加速原理；倍压高压电源的基本结构、升压原理及局限性；高压的稳定与测量；带电粒子的加速与传输；离子束传输的聚焦元件（电透镜、磁透镜）；倍压加速器的束流特性。
倍压加速器的典型事例及用途；第四章：高压静电加速器（6学时）教学内容要点：高压静电加速器的基本组成及加速原理，静电起电机的基本结构、升压原理及局限性；静电加速器的加速管及加速原理；串列式静电加速器的基本结构与加速原理；电压的测量和稳定；静电加速器束流后传输系统；静电加速器的典型事例及用途。
第五章：回旋加速器（9学时）教学内容要点：经典回旋加速器的基本结构及加速原理（拉摩定律、谐振加速条件、离子的能量、粒子的加速轨迹等）；回旋加速器的电磁聚焦（电聚焦理论、磁聚焦理论）；回旋加速器的相移及能量极限；等时性回旋加速器的基本结构及等时性加速原理（直边扇形回旋加速器、螺旋扇形回旋加速器、分离扇形回旋加速器）；加速电压和高频系统；束流的引出；束流能量的调节。
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加速器物理课程内容简介
引言高能加速器历史回顾与展望（授课教师：秦庆）第一章高频直线加速器物理（授课教师：刘渭滨）
1.1引言
1.1.1直线加速器的基本特性
1.1.2直线加速器的应用
1.2电子直线加速器
1.2.1高频直线加速原理
1.2.2加速结构的主要物理参量
1.2.3等阻抗加速结构
1.2.4等梯度加速结构
1.2.5驻波加速结构
1.2.6予注入器
1.2.7高功率脉冲压缩
1.2.8纵向运动*
1.2.9横向运动*
1.2.10发射度，接受度和束流匹配
1.2.11高能强流电子直线注入器的束流物理
（*）纵向运动和横向运动两节，包括电子和质子直线加速器。
1.2.12 能量回收直线加速器
1.2.13 未来直线对撞机
1.3质子直线加速器
1.3.1渡越时间因子和有效分路阻抗
1.3.2稳定的加速结构
1.3.3高频四极场加速结构
1.3.4漂移管加速结构
1.3.5耦合腔加速结构
1.3.6高功率质子直线加速器
第二章高能环形加速器物理（授课教师：秦庆）
2.1引言
2.1.1环形加速器简介
2.1.2必备知识简要回顾
2.2横向线性运动
2.2.1横向聚焦的必要性和横向振荡的稳定性
2.2.2强聚焦原理及稳定性判据
2.2.3横向运动方程
2.2.4Hill’s方程的解及Twiss参数
2.2.5发射度和接受度
2.2.6动量分散
2.3纵向束流动力学
2.3.1加速方法
2.3.2相稳定
2.3.3绝热阻尼和纵向发射度
2.4误差效应
2.4.1二极场误差及其校正
2.4.2四极场误差及其校正
2.4.3色品及其校正
2.4.4磁铁的安装误差
2.4.5共振线图及高阶场
2.4.6横向共振
2.4.7横向线性耦合
2.4.8动力学孔径
2.4.9误差的应用
2.5同步辐射
2.5.1能量振荡
2.5.2粒子的辐射及振荡阻尼
2.5.3量子激发和束团的平衡尺寸（横向）
2.5.4Vlasov方程与束团的纵向尺寸
2.5.5同步辐射积分
2.5.6同步辐射光源的磁聚焦结构
2.6对撞机初步
2.6.1对撞亮度
2.6.2束束相互作用
2.6.3正负电子对撞机设计初步
第三章高能加速器中的束流集体效应（授课教师：秦庆）
3.1引言
3.1.1加速器中的粒子运动稳定性
3.1.2加速器中的束流运行稳定性
3.1.3束流集体效应现象观测
3.2束流尾场和耦合阻抗
3.2.1束流尾场
3.2.2耦合阻抗
3.2.3损失参数
3.2.4耦合阻抗的测量和计算
3.2.5阻抗模型
3.3单束流不稳定性
3.3.1纵向Robinson不稳定性
3.3.2强头尾不稳定性
3.3.3直线加速器中的束流不稳定性
3.3.4对撞机中的束团纵向相干振荡
3.4扰动分析方法
3.4.1Vlasov方程及其线性化
3.4.2束团头尾不稳定性
3.4.3多束团耦合不稳定性
3.4.4束团拉伸效应
3.5双流不稳定性
3.5.1电子云不稳定性
3.5.2快离子不稳定性
3.5.3离子俘获效应
3.5.4束流微粒效应
3.6束流不稳定性的抑制
3.6.1储存环中的阻尼效应
3.6.2朗道阻尼
3.6.3束流反馈
3.7束流寿命
3.7.1束流与束流管道中残余气体的相互作用
3.7.2量子寿命
3.7.3托歇克寿命
3.7.4对撞寿命
3.7.5束流总寿命
主要参考书目：
1.T. Wangler, “Principles of RF Linear Accelerators”, Wiley, 1998.
2.王书鸿等，《质子直线加速器》，原子能出版社，1986年。
3.姚充国，《电子直线加速器》，科学出版社，1983年。
4. D. Edwards, M. Syphers,“An Introduction to the Physics of High Energy
Accelerators”, Wiley, 1993.
5.M. Sands,“The Physics of Electron Storage Rings – An Introdu ction”, SLAC-121,
1970.
6. E.D. Courant, H. Synder, “Theory of the Alternating Gradient Synchrotron”, Ann.
Phys. 3, 1 (1958).
7.S. Turner (ed.) “Theoretical Aspects of the Behaviour of Beams in Accelerators
and Storage Rings”, CERN 77-13, 1977.
8.A. Chao, “Physic s of Collective Beam Instabilities in High Energy Accelerators,
Wiley, 1993.。