直线加速器物理-part1
第十讲直线加速器
L/ 4 Ezmdz
L
/4
cosd
/4
L/2
L/4
2 sin /4
/ 4
L
0.9
相运动特点
Ea
eVa cos eVs s
s
T Ts
横向散焦问题： 当非同步粒子加速相位（速度相位）为负时，即它们 进入加速电场时，受时间散焦区的影响，产生横向散 焦作用
解决方法： 1 阿尔法瑞兹法，用钨网膜放置于漂移管入口，改变 电场分布，有利于聚焦； 2 漂移管中放置四极透镜
能量调频方式
盘荷尺寸(a和b)虽然一般固定不变，但当增 大微波频率时，对该盘荷来说，皱褶深度相 对增大，导致相速度减小。故一般采用微波 调频的方式来改变相速度，从而调节最终粒 子加速能量
相运动特点
Ea
rf ,t
eVa cos eVs s
s
T Ts
Ea
z
s
s
非同步粒子能自动稳相之条件：
rf ,z s
对于光滑波导，满足
rf ,z
c
cos
p rf ,z c
c 1 ( kc )2
k
为了慢波以加速电子，则有
p rf ,z
c c 1 ( kc )2
k
kc为虚数，令kc＝iKc
Ez Ez0 J0 (iKcr) cos(rf t kz z)
零阶虚贝赛尔函数
2.28
1
1.266
J0 ( x)
fc 2 k 2 b
c
2
2.405 b
fc
c
g
慢波原理
如输电线路过长，可将线路视为负载。 如50Hz交流电的波长达6000km
线间距
线半径
直线加速器
P
I Ek e I Ek 62.5 10 6 1.6 109 100[kW ] e
5. 加速器中为什么使用 TM 波用于加速，而不是 TE 波，是如何使相速小于光速的？ TM 波有纵向的电场分量可用于加速带电粒子，而 TE 波没有纵向电场分量。在圆波导中加 入周期性的盘荷负载后，产生的空间谐波分量可提供小于或等于光速的相速。 6. BEPC 直线加速器的行波加速结构的工作频率为 2856 MHz，计算加速场的波长。
12[cm] 4[cm] 3
2 / 3 模： Lc
2 2 / 3
模： Lc
12[cm] 6[cm] 2 / 2
9. 设一行波电子直线加速器，为等梯度加速结构，结构的主要参数为： 工 作 频 率 f 0 2998MHz ， 工 作 模 式 2 / 3 ， 每 加 速 节 长 300 ， 平 均 分 路 阻 抗
1/ 2
0.45MeV 938MeV 1.41 10 7 E0
E0
1/ 2
0.45 1 ， E0 1.64MV / m 938 1.4 10 7
11. CSNS 注入 H-束流的能量为 80 MeV，引出质子束流的能量为 1.6 GeV，计算这两种情况
下束流的磁刚度。
8. 高频波长为 λ= 12 cm 的直线加速器，分别计算其 / 2 模、0 模、 2 / 3 模、 模的单元 （Cell）长度。
/ 2 模： Lc
2 / 2
12[cm] 3[cm] 4
0 模： Lc
2 / 2
12[cm] 12[cm] 1
直线加速器物理Part(精品)
力学行为。以这三个广义坐标和三个广义动量作为坐标轴，且相 互垂直，这样构成的抽象空间称为六维束流相空间，粒子在某一 时刻的运动状态可由相空间中的一点（相点）来表示，随着时间 的推移，相点在相空间中描绘出的曲线称为相轨迹。
含有N个粒子的束流的运动状况，可由相空间中与之对应的分布 于某一区域的N个相点代表，该区域的图形称为束流相图，该区 域边界包围的体积称为束流相体积。
1
L f
L f2
L2 f2
2L L2
f
1 L f
BEPC直线加速器连接储存环的输运线公共段FODO结构 CSNS储存环连接靶站输运线的FODO结构
周期结构的稳定条件
假设一个周期的传输矩阵为M。经过n个周期的传输后，粒子的
坐标变为
xx'end
M
n
x x'
in
设V1和V2是M的本征向量，1和2为相应的本征值，则
Bn
cos(t
2n
Lc
z
0 )
上式表示Ez场由一系列波数和相速各不相同的空间谐波分量组成，波
数和相速分别为
kn
2n
Lc
v pn
kn
取出谐波数n＝1的空间谐波，相速Vp1与粒子速度相同，
Ez (0, z,t)
B1 cos(t
2
Lc
z 0)
（d）
对于0模、基波加速情况，相速vp1与粒子速度v同步，忽略在一 个周期中粒子速度的变化，有
dpx dz
dz dt
vz
dpx dz
vz
d( pz x') dz
vz ( pz x'' pz ' x')
直线加速器
直线加速器案例：医用直线加速器是当代医学界中的一类高精度设备,涉及机械、电子及高能物理等学科的知识,仪器的复杂程度很高.该设备是一放射治疗设备,是目前有效治疗肿瘤的手段之一,所以对设备的工作、运行条件要求很高。
相关章节：1-1 质点运动的描述；3-6 功能原理机械能守恒定律；14-3 狭义相对论的时空观；相关知识点：参考系质点；机械能守恒定律；长度的收缩；原理：（1）图为直线加速器的意图。
（2）如图所示，金属圆管为加速管（又称漂移管），总共有N+1个。
每个漂移管的长度依次递增，排列在奇数或偶数位置的漂移管分别与高频振荡器的两端相连。
带电粒子（重离子或电子）只是处在两管之间的间隙中时才受到电场的加速作用。
在漂移管中，由于为等电势区，电场强度为零，带电粒子在其中作匀速直线运动。
为使粒子在两管的间隙中能得到不断的加速，漂移管长度的设计有严格的要求。
（3）问题1：已知f为振荡频率，V n是粒子通过第n+1个漂移管的速度，则第L n+1个漂移管的长度是多少？答：L n+1=V n t=V n/2f（4）问题2：设入射离子的能量是E0,，经过n个间隙的加速后离子在第n+1个漂移管的能量是多少？（离子质量为m0，速度为V n）答：根据能量守恒定律E n=E0+neZV0=m0c2/√1-(V n/c)2（5）问题3：若该装置为初速度为0 的匀直线加速器，则漂移管之间长度之比应为多少？答：1:3:5.....(2n+1)（6）问题4：若离子的初始速率为v0，给间隙添加一个大小为U的电场，则离子进入第二个漂移管的速率是多少？答：根据能量守恒可得mv02/2=mv2/2+eUv=√v02-2qU/m（7）问题5：静止时看离子直线加速器的长为L，经直线加速器加速后的电子相对其静止的惯性系看直线加速器的总长L，是多少？答：根据洛伦兹变换式可得L，=L√1-β2。
高中物理多级直线加速器原理
高中物理多级直线加速器原理物理学研究中，加速器技术一直是一个比较重要的研究课题。
它可以用来研究微观粒子的受力机制、能量转换过程以及物理现象。
目前，多级直线加速器的原理是最为流行的。
这类加速器由三大部分组成：加速器驱动器、负载附件和加速结构。
高中物理学研究中，多级直线加速器是一个重要的研究课题，它可以帮助学生更好地理解微观粒子运动的物理原理。
一、加速器驱动器加速器驱动器主要用于提供加速能量，也就是用来加速物体的能量源。
加速器驱动器的类型可以有很多种，例如：马达、汽油发动机、风能发电机等。
其中，风能发电机可以把风能转化为机械能，从而产生动力，可以驱动多级直线加速器。
二、负载附件负载附件主要是放置在加速器结构上，用于对加速器驱动器提供支撑。
一般来说，负载附件可以有各种类型，例如：金属支撑、塑料支撑和玻璃管等。
三、加速结构加速结构由物理学研究者按照高中物理的原理设计，主要是为加速物体提供一条通路。
一般来说，加速结构可以分为吸收塔、推力塔和减少塔三个部分，其中，吸收塔会根据物体的速度和位置变化而变化；推力塔会根据物体的速度和位置变化，向物体施加推力，而减少塔则会根据物体的动量变化，减少物体向前的速度。
四、多级直线加速器的原理多级直线加速器的工作原理是将加速器驱动器提供的动能，通过加速结构转换成动量和力的形式，从而使微粒子的速度和位置发生变化。
一般来说，当微粒子进入到加速器的减少塔时，动量会发生变化，减少物体的前进速度，使其可以更容易的进入到吸收塔；当微粒子进入到吸收塔时，力会根据物体的速度发生变化，使其可以实现加速。
最后，当微粒子进入到加速器的推力塔时，力会发生变化，从而推动微粒子向前移动。
通过上述介绍，我们可以看出，多级直线加速器是一种非常重要的加速器结构，它可以使微粒子动能达到最大，从而研究微观粒子的受力机制、能量转换过程以及物理现象。
在高中物理学研究中，多级直线加速器既可以帮助学生深入理解力学原理，又能帮助学生更好地理解物理现象，是一个非常重要的研究课题。
直线加速器系统讲义108页文档
15、机会是不守纪律的。——雨果
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
பைடு நூலகம்
直线加速器系统讲义
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
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。
直线加速器系统讲义PPT课件
P MU MIM
2. 调制器的效率( M )
M P 出 P 入
3. 重复频率( f M )
fM 1TM
7
4. 脉冲波形
用于表示脉冲波形常用的三个参数
1）脉冲前沿 : 从稳定值的5%上升到90%所用的时间。
2）脉冲后沿 c : 从稳定值的90%下降到5%所用的时间。
5
四 简单工作原理 • 直流高压电源通过充电电感向传输线充电，当充到两倍
的电源电压后，处于等待状态。 • 当有一低压脉冲加到开关管（闸流管）的栅极上时，开
关管则导通。 • 传输线通过开关管向负载放电。 • 负载上得到一高压脉冲，其宽度由传输线长度决定。
6
§1.2 脉冲调制器的技术要求
一 基本参数
4
§1.1 引言
一 脉冲调制器的定义
凡是能够将一种信号的电压变化（或某种信息变化）去
改变振荡参数的设备叫调制器。脉冲调制器就是用脉冲的 电压去改变微波源的振荡幅度。
二 脉冲调制器在加速器中的应用
在使用微波电场加速带电粒子的加速器中的微波源大 多是脉冲工作的。
三 脉冲调制器的作用
负责提供给微波源（磁控管、速调管）一定振幅、一 定包络宽度、一定重复周期、功率为一定大小的高压脉 冲。
I l ----调制器的输出电流
14
Rl
ul il
1 Kul1
2
3.电子枪
1) 非线性阻抗。 2)相应于磁控管是高阻(在工作点附近 约几百K ）。
因此，在设计调制器时，不考虑电子枪的负 载对调制器的影响。
15
§1.3 线型脉冲调制器的基本电路
2
充电隔离元件
5
储能元件
直线加速器
微波功率源来激励加速腔.直线加速器的加速电场有行波和驻波两类.由于电子即使在低能时也接近光速，大部分电子直线加速器取行波加速方式，采用盘荷波导结构.在行波加速腔内装有环形金属盘片，用以减慢电磁波的相速.适当调整盘片的位置和圆孔的直径，即能使行波的相速度与粒子同步而持续加速.质子和重离子直线加速器则一般取驻波加速方式，采用带漂移管的谐振腔结构.适当选择漂移管的尺寸和位置，使轴向电场不满足加速要求时，粒子处在漂移管内受到屏蔽作用，而在通过漂移管间隙时得到加速.离子质量愈大，通常荷质比就愈小，相同能量下的速度也愈低，工作频率也就愈低，从而加速器的尺寸就愈大.直线加速器具有束流强度高、能量可逐节增加等优点，缺点是需要昂贵的高频、微波功率源.低能直线加速器在医疗和工业辐照中广泛应用，而中、高能直线加速器则在核物理和粒子物理研究中占有重要地位，并且是高能同步加速器和储存环、对撞机性能优良的注入器.
编辑本段直线加速器历史
1928年E.维德罗提出加速原理。早期利用频率不太高的交变电场加速带电粒子，1946年后利用射频微波来加速带电粒子。在柱形金属空管（波导）内输入微波，可激励各种模式的电磁波，其中一种模式沿轴线方向的电场有较大分量，可用来加速带电粒子。为了使沿轴线运行的带电粒子始终处于加ห้องสมุดไป่ตู้状态，要求电磁波在波导中的相速降低到与被加速粒子运动同步，这可以通过在波导中按一定间隔安置带圆孔的膜片或漂移管来实现。电子的质量很小，几兆电子伏 中国科学院高能物理研究所35MeV质子直线加速器的加速腔的能量时，电子的速度已接近光速，带圆孔的膜片装置适用于加速电子；质子或离子的质量较大，其速度较低，常采用带漂移管的装置。1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米，电子能量高达22吉电子伏，脉冲电子流强约80毫安，平均流强为48微安。
加速器物理课件第10章直线加速器
行波加速器
行波加速器运行在n=0的空间谐波情况下。一般 适宜加速短脉冲和速度接近于光速的粒子，比 如电子。 行波加速器---盘荷波导、螺旋波导等结构
盘荷波导：
2014-4-14
79
30
盘荷波导：
2014-4-14
79
31
螺旋波导
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32
驻波加速器
2014-4-14
79
8
在传播方向上z方向，两个临界波峰之间的距离λp比 实际的波长λ要长。这就意味着在Z的方向上波现象 以大于C的速度在传输。
在只有一个边界时，入射波 可以以任何方向入射均可传输
2014-4-14 79
图
9
两个导体壁的情况，就又多了一条限制，为了在每个边 界都满足条件，只有一个角度入射的波才能够传输。两 个壁之间的距离必须是半波长的整数倍此时波的纵向行 为为行波，横向行为为驻波。
其中A是常数，在半径为a的边界上，我们有：
Bessel 函数有许多根，每一个根对应一个TM波的模式，第一 个根为TM01，0指无方位上的变化，1指径向一个半波长。因 为 kr=2.405/a 所以为了满足边界条件kr是一个固定的数。
2014-4-14
79
15
色散关系曲线
相速
群速
在这个曲线上的任意一点同原点的连线的斜率给出了该点的相速 双曲线上所有的点都有 Vph>c，他们全在Vph=c的直线的上方。 d 双曲线上所有的点的斜率给出了该点的群速。 vg dk 在ω=ωc处，vg=0 色散曲线相对于原点是对称的，即波可以沿±z两个方向传播。
位置 n
p
k
n 0,1,2,3,..
直线加速器物理-1
时变电磁场的频率：一般为0.1GHz－－几十GHz。
加速方式和加速结构：因被加速粒子的电荷量、质量、能量（速度）的 不同而不同。
4. D.H. Whittum, Introduction to Electrodynamics for Microwave Linear Accelerators, SLAC-PBU-7802, April 1998.
5. A.W. Chao and M. Tigner, Eds., Handbook of Accelerator Physics and Engineering, World Scientific, 1998.
2. G. A. Loew and R. Talman, Elementary principles of linear accelerators, AIP Conf. Proc. 105, 1983.
3. T. P. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators, Jone Wiley & Sons, Inc. 1998.
1
v2 c2
v
v
v
✓ 真空中，Maxwell’s方程的表达式（微分方程）
E
1
0
(r, t)
B 0
E B
B
t
0
j(
r,
t
)
1 c2
E t
微分形式中的第4式还可以写成
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。
加速器原理-直线加速器的射频加速结构
驻波在谐振腔中也要损耗电磁能量。通常我们分别用并联电 阻 及分路阻抗来表征它的总功率损耗特性及单位长度上的损 耗特性：
[ l | E(z) | dz]2
Rp Zsl 0
P
[ l | E(z) | dz / l]2
Zs Rp /l 0 P/l
Rp单位 M
Zs单位 M/ m
并联谐振电路描述一个 谐振腔主要特性
不同形状的慢波结构，无论是工作在行 波状态,还是在驻波状态，它的任务都是 在于产生一个同带电粒子运动方向与速 度一致的加速行波成分。
盘荷波导加速管
三，主要加速腔结构：
阿尔瓦列兹加速腔：由美 国的阿尔瓦列兹研制成功 而得名的。它现在仍是使 用很广的离子加速腔。
工作在驻波状态
通常工作在2π模式，即经过一个单元电场 相移2π
RFQ(Radio
Frequency
Quadrupoles)加速结构是一种利
用四极电场同时实现横向聚焦
及纵向加速的新型加速结构。
由于电场的库仑力与带电粒子
的速度无关，这使它特别适合
于 加 速 能 量 低 于 （ 1—2MeV ） /
核子的低能离子，而且可以直
接接在离子源后使用。
Байду номын сангаас
一,波导与谐振腔
直线加速器所用的行波与驻波加速结构，是满足一定条件的波导 与谐振腔。下面分析波导和谐振腔的特性。
直线加速器常用的是圆柱型的波导及谐振腔。 为了能加速电子，它需要电磁场中存在轴向电场分量，因此最合适 的就是最简单的TM 01 行波模式和TM 010 驻波模式。
直线加速器加速的粒子采用的射频电场可分驻波和行波。 驻波场可以分解为方向相反的两列行波场的叠加，驻波也可以用行 波的方法来处理。
直线加速器
直线加速器
第二次世界大战结束后，军用技术转为民用，使放疗设备出现了戏剧性的变化。
被限制发展雷达微波设备的德国利用交变磁场对电子的作用开发了感应加速器分支，而英、美等国却充分利用雷达技术发展了行波和驻波直线加速器。
随着高能核物理学的发展，还建造了功率大、能量高的粒子回旋加速器和巨型高能直线加速器，以宏大的设备，研究原子的微观世界。
一、电子直线加速器的基本结构和系统
电子直线加速器是指电子被加速径迹成直线，按微波传输的特点电子直线加速器又分为行波和驻波直线加速器两类。
图1-4-7展示了直线加速器的基本结构和系统，它包括：电子枪、微波功率源（磁控管或速调管）、波导管（隔离器、RF监测器、相移器、RF吸收负载、RF 窗）、DC直流电源（射频发生器、脉冲调制器、枪发射延时电路）、真空系统（真空泵）、伺服系统（聚焦线圈、对中线圈）、偏转系统（偏转室、偏转磁铁）、剂量监测系统、治疗机头、治疗床等。
二、电子在直线加速器中的加速过程
电子被加速的过程分三个阶段：一是电子枪发射初始速度大约为0﹒45倍光速的电子，并被注入加速管；二是聚束段（Bunching Section）电子被持续稳定的加速，速度和能量不断地提升；第三阶段称谓相对论段，当光子接近光速c（300，000，000m/s）时，电子从微波中按相对论方式获取能量，这时电子的速度不再增长，而依质能转换规律使质量不断增加。
例如电子能量从1MeV增至5MeV时，速度仅增长
6%，即由0.94c升至0.996c，而能量却提升了五倍。
加速器原理-直线加速器
EN 2
(m0c2 )2
m0c2
2
相位在
[
2,
2,
]
区间内离子都是加速的
一般离子并不正好在零相位加速,而是在某一相位 n
离子一次加速的能量增益 W qeVa cosn (J)
Ez(z,t) Ez(z) cost (1)
首先将加速电场幅值 Ez(z) 展开为富氏级数:
维德罗埃直线加速器Wideroe Linac
谐振加速器的产生:1934年斯劳恩和柯思特斯将直线加速器的 漂浮管继续增加到36个来加速粒子，加速器不要太长，就需 要使用较高的频率，即劳伦斯提出谐振加速器。
1933年比姆斯（J.W.Beams）等建造 第一台电子直线加 速器将15kV的行波脉冲电压加到15个漂浮管上，将电子 能量由28keV提高到90keV 1935年电子直线加速器已发展到用54kV脉冲电压加到6 个漂浮管上，将电子加速到2.5MeV的能量。
定义：直线加速器是利用高频电场加速沿直线运动粒子 的谐振加速装置。
粒子获得的能量与加速长度 成正比。动能的增长量为：
W eVa cos (J) Va cos (eV)
Va 为加速电压的幅值
为电子通过加速间隙中心时加速电压的相角
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；
其中相速度最高的是n=1的波,我们称它为基波,而且有:
vnf v
vnb v
基波正向波:与离子速度相同,离子像骑在基波的正向波 上,二者一起前进,只要粒子在正向波加速相位上,就能 持续地得到加速,粒子越靠近行波正的峰值受加速作 用越强.
基波反向波:虽有与离子相同的速率,但行进 方向与粒子相反,粒子频繁受到加速与减 速,最终几乎不对粒子能量产生作用.
伽玛刀物理师
全国医用设备资格考试X（γ）刀物理师考试大纲第一篇直线加速器物理部分笫一章核物理基础1．基本概念原子序数，原子量，同位素，基态，激发态，特征X射线，原子结构和能级，原子核结构和能级，阿伏加德罗定律，质量和能量的基本关系，电子密度，重要基本粒子(光子、电子、质子、中子和π介子)的特性。
2．放射性原子核的稳定性，衰变类型，放射性指数衰变规律，放射性活度，半衰期，衰变常数，平均寿命τ，递次衰变，放射平衡，放射性比活度，人工放射性核素的生产途径和其生长规律。
1第二章电离辐射与物质的相互作用1．带电粒子与物质的相互作用电离辐射，直接致电离辐射，间接致电离辐射，碰撞阻止本领，辐射阻止本领，总质量阻止本领，射程，传能线密度。
带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞的作用过程，质量碰撞阻止本领与重带电粒子的能量、电荷数、靶物质的电子密度之间的关系，质量碰撞阻止本领与电子的能量、物质的电子密度之间的关系。
带电粒子与原子核发生非弹性碰撞的作用过程，质量辐射阻止本领与带电粒子质量、能量、单位质量物质中的原子数、物质原子的原子序数之间的关系。
带电粒子与原子核发生弹性碰撞的作用过程。
对于电子，碰撞损失和辐射损失的相对重要性。
2．X( )射线与物质的相互作用截面，线性衰减系数，线性衰减系数与23截面之间的关系，质量衰减系数，线能量转移系数，质量能量转移系数,质量能量吸收系数，半价层，平均自由程，有效原子序数。
与带电粒子相比，光子与物质的相互作用有何特点。
μ，HVL 和l 三者之间的关系，窄束、宽束光子线穿过靶物质时其强度衰减规律，ρμ，ρμtr 和ρμen 三者之间的关系。
光电效应作用过程，原子的光电效应截面与光子能量，原子序数之间的关系。
康普顿效应作用过程、原子的康普顿效应截面与光子能量、原子序数之间的关系。
电子对效应作用过程，原子的电子对效应截面与光子能量、原子序数之间的关系。
光子和物质的其它相互作用过程(相干散射和光核反应)。
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必备知识
• 经典力学，电磁场理论，电动力学 • 狭义相对论 • Hamilton方程，矩阵 • 等等
• 高等数学 • 数理方法
电磁场基本理论
一个电荷为 e 的带电粒子，在电场强度和磁感应强度
分别为
E
和
B
的电磁场中运动，满足
dp
e(E
v
B)
dt
p
mv
质子加速器：与电子相反，质子静止能量（938 MeV）大，只有高 能加速器才能达到超相对论能区，一般情况无同步辐射问题。低 能时，经常可以不考虑相对论效应，而在中能时通常也只需要做 相对论的校正就可以了。高频加速结构需要考虑速度的变化。
采用RF结构的加速器的加速场有两种选择：
行波：加速结构是波导，RF电场沿传播方向建立；
束流的注入和引出系统相对简单 粒子的加速能量可以从较低能量（keV）到很高能量（GeV、
TeV） 可以提供高流强的束流，易于对束流进行横向聚焦和纵向聚束，
4. D.H. Whittum, Introduction to Electrodynamics for Microwave Linear Accelerators, SLAC-PBU-7802, April 1998.
5. A.W. Chao and M. Tigner, Eds., Handbook of Accelerator Physics and Engineering, World Scientific, 1998.
时变电磁场的频率：一般为0.1GHz－－几十GHz。
加速方式和加速结构：因被加速粒子的电荷量、质量、能量（速度）的 不同而不同。
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；
1970年前苏联ITEP的I.Kapchinskij和V. Teplyakov提出了RFQ型直 线加速器的方案，解决了质子直线加速器的低能端的困难。1980年 R.Stokes在Los Alamos建成了一台实际可运行的强流质子RFQ。
质子和电子相比，静止能量相差很多，要获得相同的速度需要比电子 高得多的能量。
j E
0 0
1 c2
,
0 4 107[H/m],
0 8.85 1012[F/m]
Maxwell’s方程的积分形式为
E
dS
1
0
dV
B dS 0
E B
dl
dl
B
p H , q
q H p
狭义相对论
E mc 2 m0c 2
p
mv
1 ,
1
v2 c2
v vv
1. 射频直线加速器概述
1.0 什么是射频直线加速器？
射频直线加速器（Radio Frequency Accelerator）是指按照直线轨道利 用时变电磁场将带电粒子加速到更高能量的装置。
同步辐射（synchrotron radiation）：相对论性带电粒子在电磁场的作用
下沿弯转轨道行进时所发出的电磁辐射。由于它最初是在同步加速器上观
察到的，便被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射” 。电子在环形加
速器中每圈辐射的能量为 U0[eV ]
8.851032
E[eV ]4 R[m]
电子加速器：电子静止能量（0.511 MeV）很小，很容易达到超相 对论能区，即1，因此，以高频为基础的加速结构不需要考虑 其速度变化带来的同步问题，环形加速器需要考虑同步辐射因素。
6. 姚充国，电子直线加速器，科学出版社，1986.
7. 王书鸿、罗紫华、罗应雄，质子直线加速器原理，原子能出版社，1986.
参考书目（续）
8. 刘乃泉、林郁正、刘国治、黄文会，加速器理论，清华大学出版社，2004. 9. 赵籍九、尹兆升，粒子加速器技术，高等教育出版社，2006. 10. 夏慧琴、刘纯亮，束流传输原理，西安交通大学出版社，1991. 11. CERN Accelerator Physics Course，94-01、95-06 12. 魏开煜，带电束流传输理论，科学出版社，1986 13. 王书鸿，高频直线加速器物理，研究生院教材
Aerial view of CERN and the surrounding region of Switzerland and France. Three rings are visible, the smaller (at lower right) shows the underground position of the Proton Synchrotron, the middle ring is the Super Proton Synchrotron (SPS) with a circumference of 7 km and the largest ring (27 km) is that of the former Large Electron and Positron collider (LEP) accelerator with part of Lake Geneva in the background.
中国散裂中子源（CSNS）（~14+5亿元）
装置建设包括一台强流质子直线加速器(80MeV)、一台快循环同步加速 器(1.6GeV)、一个靶站、3台中子谱仪等设施和科学实验测试系统。
集装箱检测
花瓣型加速器 Rhodotron Accelerator
主要内容
1. 射频直线加速器概述 射频直线加速器特点及应用
加速器物理研究的内容既研究单个粒子加速和传输过程中的 运动行为（横向运动和纵向运动），也研究束流整体的运动 行为；既研究粒子与粒子之间的相互作用，也研究束团与束 团之间的相互作用。
1924年瑞典人G. Ising提出利用RF进行谐振加速的方法。 1927年挪威人R. Wideröe在德国亚琛大学建立第一台试验性的加 速装置，把钠离子和K离子加速到了50keV。
The Large Hadron Collider (LHC) sits in a circular tunnel 27 km in circumference. The tunnel is buried around 50 to 175 m. underground. It straddles the Swiss and French borders on the outskirts of Geneva. (~ 6.3 billion dollars)
2. G. A. Loew and R. Talman, Elementary principles of linear accelerators, AIP Conf. Proc. 105, 1983.
3. T. P. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators, Jone Wiley & Sons, Inc. 1998.
驻波：加速结构是谐振腔，RF电场在束流进入前已建立。
行波（Traveling Wave）加速结构
驻波（Standing Wave）加速结构
射频直线加速器因被加速粒子速度（能量）的不同，加速方式和 加速结构有所不同：
超相对论能区（接近1）、短脉冲结构行波加速
行波的优点是：束流随电场峰值一起运动，加速效率高、但RF功 率利用率不高，高（ 0.8）结构，一般采用盘荷波导加速结 构，行波加速方式；
1964年，斯坦福大学建成了第一台原型超导电子直线加速器。1966 年SLAC 3 公里长20GeV电子直线加速器开始运行。
1972年E. Knapp等在Los Alamos提出一种更为有效的加速结构CCL, 用于LAMPF(Los Alamos Meson Physics Facility)能量为800 MeV 的加速器。
带电粒子：电子（e-）、正电子（e+）、质子（p）、重离子（12C6+， 238U92+，H-like：He+、Li2+、Be3+，He-like heavy ions：Ta — U ）等。
电子加速器：电子，正电子。 强子加速器：包含至少一个原子核在内的带电粒子，外层电子部分被剥 离或全剥离的单原子、吸附一个电子的单原子、失去一个电子的分子或 团簇等，如质子、反质子、重离子等。
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。
例如：BEPC电子直线加速器电子束流的一个脉冲的电量约 为2 nC，脉冲长度为1 ns，包含的电子数量为1.251010个。 这些电子在聚束、加速过程中，形成3个束团，在加速到 1.89GeV后，经过输运线注入到BEPC储存环中进行积累， 注入的频率为每秒50次。
2. 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
3. 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
1. P. Lapostolle and A. Septier, Eds., Linear Accelerators, North Holland and Wiley, 1970.
质子的静止质量：1.6726231 10-27 kg， 静止能量：938.27231 MeV。