加速器原理-第6章

（3）加速腔 这是直线加速器的主体， 它将由高频功率源输入的能 量有效地转换成适宜于离子 加速的高额电场。根据加速离子的种类、能量范围等 的不同要求，发展了各种适用的加速器。 加速腔腔筒通常由低碳钢或不锈钢的钢—铜复合 板做成，也可通过在钢板内壁上镀以较其趋肤深度厚 得多的紫铜，以减少高频功率的损耗。腔筒及加速结 构均用水冷却。腔筒又是一个真空容器，它使加速结 构及离子束都处在高真空中。加速腔中还有频率调谐 装置、高频功率馈送装置及高频信号提取等装置。
mc
2
m0 c
而粒子运动速率的变化规律为
vs c c 1 ( 0 ) 2
1
2

0
1 2
1/ 2
随着能量的增加vs逐步趋于光速。
0 2 c 1 ( ) 0 W
1/ 2
为了实现行波电场对粒子的同步加速，就要求行 波的轴向行进速度vz随时与被加速的同步粒子速度vs保 持相等。即
要将微波功率传输到加速波导还要求有微波传输系 统。它包括隔离器、精合器、真空窗、吸收负载等微波 元件。这些部件应能承受额定功和驻波比小。 （5）真空系统 它一般由钛离子泵机组及真空检测、控制等装置组 成。以建立和维持加速波导、束流输运管道及部件中的 高真空，加速波导中真空度一般应忧于1.3×10-3Pa～ 6.7×10-5Pa 。 （6）聚焦系统 它包括建立纵向磁场的螺线管、磁四极透镜组，及 其电源与稳定、调节系统，以提供电子束所需的横向聚 焦。
（8）束流检测系统 它安装在束流输运管道各处，以测员束流的流强、 剖面、发射度、能散等。为调机和保证加速器的正确工 作状态提队根据。 （9）控制系统 它管理和控制加速器运行的各个步骤及保护装置， 并对以上加速器的各系统参量进行监测、显示及调整。 控制系统的中枢是控制台，大多是计算机化的系统。 （10）束流输出系统 它的任务是将从加速腔出来的束流输运到实验工作 区。主要由输运管道，偏转、分析磁铁、开关磁铁及聚 焦、束测部件组成。
（5）真空系统 它由分子泵、离子泵等真空机组及真空检测、控 制等装置组成，主要任务是在加速腔、束流输运管道 等设备中建立及维持所需的高真空。
（6）聚焦透镜系统 它主要由磁四极透镜组、电源及其稳定与调节系 统构成，以提供粒子束的横向聚焦。
（7）水冷装置 用于冷却加速腔、高频机、磁铁线圈及其它发热 部件。有的加速腔需要恒温以取得工作频率和加速电 场的稳定，这也是通过控制冷却水的水流量和温度达 到的。
W qeEa cos z
（2）同步加速条件 如果能做到使波速与被加速粒子速度一致，就可以 用行波电场持续地对粒子进行同步加速。为了使运动粒 子能受到行波电场的同步加速，行波电场沿轴向的行进 速度，应事先根据预定的加速相位φs和电场Eacos φs ， 以及与此相应的粒子能量和速度的增长规律来设计。 对于同步粒子， 2
加速器原理
教师：刘晓辉
成都理工大学 核技术与自动化工程学院
第6章 直线加速器
直线加速器是利用高频电场加速沿直线形轨道运动 的带电粒子的谐振加速装置。
直线谐振加速器分为驻波型和行波型两种。
第1节 工作原理
1. 驻波直线加速器
（1）谐振加速条件 在圆柱形加速腔筒的轴上，安置了一串圆柱形金 属漂移管。奇数号漂移管与射频功率源的一极相联， 偶数号漂浮管与另一极相联，它们的电位极性正好相 反。因此在相邻的漂移管的间隙里产生射频电场，这 个电场在漂移管两个端口向管内渗入，但由于屏蔽作 用管内深部无电场存在。
0 vz vs c 1 kz W qeE cos z i a s 0
z
2 1/ 2

式中：Wi为粒子入射初始动能。
第2节 直线加速器的结构
1. 离子直线加速器的组成
（1）注入器 通常是高压倍加器、单级静电加速器或申列静电 加速器。它向直线加速器提供足够能量、流强和符合 品质要求的所需种类的离子束。 （2）低能束流输运线 它将注入器输出的离子束注入到加速腔中，除装 有静电或磁的聚焦装置、束流导向装置、聚束、切割 装置及束流测量与观测等装置外，有时还有束流偏转 与分析装置。
（3）盘荷波导 这是加速器的主体。行波电子直线加速器的盘荷 波导可分常阻抗和常梯度两种。前者将波导的阻抗设 计得各处相同，后者则使波导上各处的加速场强不变。 现在加速波导几乎都用高导电无氧铜制造。由于 电子直线加速器对加速波导的频率与相位特性提出的 精度要求很高，因此对盘荷波导的加工精度及表面光 洁度等工艺的要求也非常之高。
2. 行波直线加速器
（1）加速原理 在均匀的圆柱波 导内输入微波功率， 终端接以匹配负载， 可以激励起TM001型 行波（右上角0表示 圆波导，右下角第一 个数字0表示沿φ角方 向均匀无变化，第二 个数字1表示沿半径 方向波节点数）。
TM001型波轴向电场分量的数学表达式为：
Ec Ea J 0 (k z r ) cos(zt k z z)
（4）微波功率源与微波传输系统 行波电子直线加速器的工作频率大部分在S波段 （～3000 MHz），少量的在L波段（～1300 MHz）、 X波段（～9000MHz）和C波段（～6000MHz），微 波功率源提供在这些波段建立加速电场所需的微波功 率。它主要有速调管和磁控管两种。速调管是利用速度 调制原理制成的一种高功率射频放大器，它的稳定性 好，输出功率高、工作寿命长，平均都在17000 h。但 效率一般仅40％左右。磁控管是一个自激振荡器。它的 设备简单，效率可达50％～60％，但它的功率和频率的 稳定性差，而且功率较小，因此它通常用作小型低能电 子直线加速器的功率源。
v c
W qeVa cos
（2）相移动特点 ( )1 0 非同步粒子每通过加 当 s s时， 速间隙一次都能获得比同步粒子更多的能量，其运动 速度必将相应地大于同步粒子速度，飞越漂移管的时 间就比同步粒子所需的时间短，因而进入下一个加速 间隙时的平均相位就要向左移动，而在回旋式加速器 中，速度大的粒子回旋周期变长，相位是向右移动的。 -s和 s时， ( )1 非同步粒子相 0 同理，当 位向右移动，远离相位φs 。 由此可知，驻波直线加速器的稳定平衡相位在π/2～0之间，即-φs ，而不是在+φs，因此所有被俘 获的粒子都将逐渐在-φs附近汇集。
要实现谐振加速度条件是根据每个间隙处离子的 速度v，合适地选取两相邻间隙之间的距离l(当间隙足 够窄时，此即近似为漂移管长度)，使通过的时间为 Tr/2，即满足 Tr c Tr
l v
2

2
这即是直线加速器的谐振加速条件。由此看出漂移管 长度应随粒子速度v或β的增加而增长。 如果离子的入射相位为φ，则离子一次加速度能 量增益为：
（7）水冷与恒温装置 由于加速波导的频率、相移等受温度的影响很大， 因此电子行波直线加速器对温度稳定度和温度梯度都有 严格的要求。这就要求对水冷管道的结构、布置与恒温 装置都需严格要求。 （8）束流检测系统 它包括对电子束特性，如电于束的强度、剖面、发 射度、能量、能谱、束团相宽、相位-能量等的测量。 （9）控制系统 它管理和控制加速器的运行、保护、调整等。 （10）束流输出系统 将由加速器引出来的电子束输运到实验、工作区。
高能物理研究所的1.1/1.4GeV电子直线加速器
3. 直线加速器的优点：
（1）粒子的注入和引出都比较容易，效率高，可以获 得较强的粒子流； （2）粒子束是直线运动，辐射损失极微弱，可以忽略 不计； （3）可以分期建造，逐节加长，逐步提高最终加速能 量，灵活性较大。
本章结束
E z (z, t) E z (z)cosωz
假定一个正离子在t=0时通过第1个间隙，这时间 隙电场方向是使离了加速的，然后离子进入下一个漂 移管。 轴上各处电场不仅随不同位置z变化，而且还随时 间t变化，但漂移管的屏蔽作用使这离子并不受这变化 电场的作用。如果离子漂出漂移管进入第2个间隙时 t=Tr/2，cos(ωTr/2)=-1，这时第2个间隙处的电场 Ez方向已变成和离子运动方向一致，即变成是加速的 了。以后离子又通过下一个漂移管达到第3个间隙。假 定又正好经过了Tr/2，即这时t=Tr， cos(ωTr)=1 ， 即这时第3个间隙处的电场正好还是加速场。由此可知， 这样继续下去，只要由一个间隙至下一个间隙是经过 Tr/2时间，即半个周期，那么以后在每个间隙处离子 总是受到加速的，这就是所谓的谐振加速。
（3）电场横向分量的散焦作用及纠正措施 根据“相位聚焦”原理，当加速相位为负值时， 粒子在间隙电场中将受到散焦作用。这样，相稳定性 就和束流聚焦之间存在矛盾。必须另外采取必要的措 施来保证束流的聚焦。 在早期，普遍采用在漂移管入口放置金属(钨)网 膜的办法，改变电场的分布形状，使有利于聚焦。但 是，放置网膜会导致束流的碰道损失，网膜本身寿命 也有一定限度。近年建造的驻波直线加速器，都采用 安装在漂移管中的四极透镜来获得良好的聚焦效果。
2. 电子直线加速器的组成
（1）电子枪 它提供加速用的电子束。通常阴极负高压为 40～120 kV，脉冲流强约几百mA，束流脉宽约1～ 3μs，它的电子束品质应满足要求，并且要求电子枪有 较长的使用寿命。 （2）低能束流输运线 它将从电子枪出来的电子束注入到加速波导中。 输运线上一般有束流导向、聚焦、测量及聚束等装置。
kz
2
g
式中：Ea为轴心处轴向电场峰值； kz为沿z轴单位距离 上电波的相移；λg为z轴上行波相邻两个峰或同相位点 之间的距离，也称导波波长；J0（ kzr）为零阶贝塞尔 函数。 TM001型波是一种沿z轴方向 传送的行波，波速为：
vz
z
kz

g
Tr
在电磁波传送的同时，电磁波的能量和功率也随同 传播，传播的方向与行波的行进方向是一致的，均为z 轴方向。 沿z轴行进的电场，可以对入射的带电粒子进 行加速。若入射时电场相位为φ，则粒子随同行波每行 进Δz距离，就可以获得相所需的高频功率。主要由高频机、 馈线、功率计及加速电场的幅值、相位与频率的稳定控 制系统组成。高频机是直线加速器的一个主要和贵重的 设备。它实际是一台高频的大功率放大器。由频率稳定 度高的晶体主振器输出的低电平信号，经低电平放大、 多级中间放大、驱动放大，最后驱动末级功率放大器。 末级功放管是高频机的关键器件，应根据输出功率和带 宽的要求来选择。 一台直线加速器的所有高频功率源，都以一个晶体 主振器的参考线作为相位的基准，以保持各加速腔及高 频部件间正确的相位关系。