加速器发展历史

加速器发展历史

•1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α粒子束（即氦核），轰击厚度仅为0.0004

厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构。

•静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。

•1932年美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为

0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。这是历史上第

一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

•1933年美国科学家凡德格拉夫发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。

•奈辛于1924年，维德罗于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯

(wrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位

素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

•1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。

自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。

•自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。

•1952年美国科学家柯隆、李温斯顿和史耐德发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。

•电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到1000GeV，这不是理论的限度，而是造价的限制。

•1960年意大利科学家陶歇克首次提出了两束加速粒子对撞的方式，并在意大利Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理。

•射频直线加速器（RF linac），是采用射频场以直线形式来加速带电粒子的。加速电子的就是电子直线加速器。

•电子直线加速器是利用微波功率产生高频电场对电子进行加速的装置，它使微波功率转化为束流功率。

•奈辛(G.Ising)于1924年，维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器。

•电子直线加速器的真正迅速发展，是在第二次世界大战后。它基于技术和理论基础：高功率源(脉冲功率兆瓦级,频率3000兆周以上）。

1945年的自动稳相原理。

电子直线加速器的构成

主要包括

●电子枪

●加速管

●调制器

●功率源

●微波传输系统

●聚焦系统

●真空系统

●控制系统

●恒温系统

●束流输运系统

●附属设备等

工作过程

调制器产生两个高压脉冲，一个激励功率源，高功率射频脉冲经过微波传输系统，进入加速管，建立加速场。另一个高压脉冲稍加延迟，加到电子枪，引出电子束，电子束流进入加速管道，受到射频场加速。每秒钟加速的宏脉冲束团个数，取决于调制器产生的脉冲重复频率。聚焦系统用来保证束流在加速过程中能顺利地通过加速波导，保持低的发射度。加速到高能的电子束由输出窗引出，经过束流输运系统到达使用区。在加速器中须保持良好的真空，以减少电子束与气体分子碰撞而引起的束流损失和防止高频放电。由于加速管壁上的欧姆损耗，产生大量的热量，需要用恒温水流带走，恒温水控制系统能使加速管保持在稳定的温度。控制系统的任务是实现远距离操作及监测整个加速器的运行情况。图1给出的是射频电子直线加速器基本组成框图。

图1 电子直线加速器基本组成框图•能量：2MeV-11MeV

•频率：S波段及以上

•加速结构：驻波（SW）/行波（TW）•工作模式：π， 2π/3

•电子枪：二极枪

•功率源：磁控管

具有相同相速的入射波与反射波的叠加就产生一个驻波

4

2

0,1,2,3,..n n 0.0,1,2,3,..n 212n cos 2sin .cos 2)

sin()sin(λ

π

π

π

ωωωω=

=

=====+=

=-=+=+-=-=k

z k k

t A kz t A E E E kz t A E kz t A E 差位置与时间无关，位置位置最小值位置最大值反正驻反正 • 驻波加速器因为需要满足纵向的边界条件，所以驻波加速器只能工作在色散图中的一些分立点上，而行波加速器则可以工作在色散图中的任意点上。 • 驻波加速器因为需要入射波与反射波同时加速粒子，驻波加速器运行在通频带的最低频率或者最高频率上。在那里入射波与反射波具有相同的相速，即k n L=Nπ其中N=0，1。也就是所谓的0模或者π模。在0模时，所有腔都在同一个相位上，在π模时相邻的腔内的场具有相反的相位。