直线加速器物理 part1
直线加速器物理Part(精品)
x'' Fx qgx gx
pzvz
pz
B
磁刚度： B mv mvz qq
定义四极磁铁聚焦强度：K g q By q By
B mv x m0c x
单位： m2
则横向运动方程可以写成： x''Kx 0
y''Ky 0
x''Kx 0 y''Ky 0
粒子在四极磁铁中的横向运动方程称作Mathier-Hill方程。
令 k 2 (z) K(z) qg(z) g(z)
m0c B
横向运动方程也可写成：
d2x dz2
hk
2
(z)x
0
d2y dz2
hk
2
(
z)
y
0
h 1,0
虽然四极磁铁只在一个方向聚焦（如x方向），另一个方向（y方向） 散焦，但是通过聚焦和散焦磁铁的交错排列（交变梯度聚焦），可 以最终做到对两个方向（x和y方向）的聚焦（强聚焦原理）。这种磁 铁的排列组合，通常被称作Lattice（磁聚焦结构）。
根据哈密顿方程解的唯一性，可知相空间中粒子的相轨迹彼此互 不相交。由此可知处于区域内的相点不会移到区域的外边，原来 边界上的相点也不会移动到区域内部，这样，束流相图边界的运 动、变化就可以代表区域内所有相点的集体运动行为，也就代表 了整个束流的运动行为。
位置-斜率束流相空间
通常把组成束流的大量粒子的“质心”定义为参考粒子，参考粒 子的运动轨迹与束轴（z轴）始终重合。任意粒子的运动可看作参 考粒子的运动与任意粒子相对于参考粒子的运动的叠加。
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
直线加速器原理
直线加速器原理
直线加速器是一种物理实验装置，用于加速带电粒子（如电子、质子等）至高能状态，从而进行粒子物理学研究或应用。
直线加速器的工作原理基于两个主要步骤：加速和聚焦。
首先，加速器中的高频电场通过加速腔以驱动带电粒子在直线加速器中移动。
这个高频电场是由RF（射频）发射器产生的，其频率通常在几百兆赫兹至几十吉赫兹之间。
当带电粒子进入直线加速器时，它们会通过一系列电极和加速腔。
在每一个加速腔中，带电粒子会被高频电场加速，并获得额外的能量。
带电粒子跨越每个加速腔的时间很短，通常在纳秒至微秒的量级，因此直线加速器能够在极短的时间内将粒子加速到极高的速度。
为了保持粒子束的稳定性和准直度，直线加速器还配备了一系列聚焦磁铁。
这些磁铁通过产生磁场来控制带电粒子的轨道，以确保它们保持在一条直线上。
直线加速器的加速和聚焦步骤被反复进行，直到带电粒子达到所需的高能状态。
当粒子达到最终的目标速度后，它们可以用于各种粒子物理实验，例如高能物理学研究、医学放射治疗和工业辐射应用等。
总的来说，直线加速器通过利用高频电场和聚焦磁场的作用，
将带电粒子加速到高能状态，为粒子物理学研究和应用提供了重要的工具。
直线加速器工作原理及应用
直线加速器工作原理及应用直线加速器是一种具有很高加速能力的粒子加速器，它是通过在直线上施加电场或磁场来加速带电粒子。
直线加速器的工作原理可以简单分为两个步骤：加速和聚焦。
在加速阶段，带电粒子首先从起始点进入加速腔室。
加速腔室内部通常设有一系列的电极或磁铁。
在这些电极或磁铁之间，建立一个交变电场或者静磁场。
带电粒子在这个电场或磁场中会被加速，并且沿着直线方向运动。
通常每个腔室的电场或磁场逐渐增加，以达到足够高的粒子能量。
在聚焦阶段，为了使粒子束保持紧凑和稳定，必须对粒子束进行聚焦。
聚焦通常通过感应电场或磁场来实现。
这些电场或磁场可以根据粒子的位置和运动状态，对粒子束进行调整和纠正，以确保粒子束在整个加速器中保持稳定。
直线加速器的应用非常广泛。
它主要用于核物理研究、高能粒子物理研究和医学领域。
在核物理研究中，直线加速器被用来研究原子核结构、核反应和核衰变等现象。
它可以产生高能的质子、中子、重离子或电子束，以探测和分析原子核结构。
通过对高能粒子的相互作用进行研究，可以揭示物质的基本组成和性质。
在高能粒子物理研究中，直线加速器被用来研究基本粒子的性质和相互作用。
例如，欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就是通过将两个直线加速器从不同方向加速的质子束对撞，从而产生高能的对撞事件。
通过对这些对撞事件的观测和分析，可以研究基本粒子的性质、相互作用和宇宙学等问题。
在医学领域，直线加速器被用于肿瘤放疗。
直线加速器可以利用高能粒子束，直接瞄准和杀灭肿瘤组织，减少对正常组织的伤害。
通过控制电子束的剂量和能量，可以精确地照射肿瘤部位，提高放疗效果。
此外，直线加速器还可以应用于工业领域。
例如，在食品工业中，直线加速器可以用来杀菌和杀虫。
通过高能电子束对食品进行辐照处理，可以有效地杀死细菌和寄生虫，延长食品的保质期。
总之，直线加速器作为一种高能粒子加速器，具有很高的加速能力和广泛的应用领域。
它在核物理研究、高能粒子物理研究、医学和工业等领域都起到了重要的作用。
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。
直线加速器工作原理
直线加速器工作原理直线加速器是一种高能粒子加速器，主要用于粒子物理学、核物理学和医学领域的研究。
其工作原理是利用一定的电场和磁场将带电粒子加速至高速度，以达到所需的能量。
直线加速器由加速腔和加速器管组成。
加速腔是加速器管中的一部分，其内部空间被两个金属板构成。
这两个金属板具有高频电场，当高频电场传入时，强烈的电场使带电粒子被加速。
由于粒子前进的方向为直线，因此称之为直线加速器。
直线加速器应用电磁学中的电场和磁场相互协作的基本原理，将极弱的带电粒子加速到高速度。
在正常情况下，一枚带电粒子会因为静电斥力而遵循圆周运动，这种运动需要将粒子引导进一个能使其绕圆运动的磁场中。
但是直线加速器中的磁场是一个恒定的磁场，无法使粒子绕圆运动。
为了克服这一问题，直线加速器的加速腔中应用了高频电场，可以产生助推作用，与磁场一起让带电粒子向前加速。
直线加速器的工作过程大致如下：首先，通过可控的电压源使加速卡在加速器管中，然后加入一定频率的高频电场，电场与磁场协作，启动电子并加速运动。
在粒子通过加速管时，高频电场会不断地影响带电粒子，使其呈波浪形向前运动。
粒子运动越快，电场也需要越强，从而使粒子能够持续加速。
最终，由于质量和电荷量限制，粒子到达了其极限速度，加速过程就结束了。
通过直线加速器，可以将粒子加速到非常高的速度，达到亿级电子伏能级别，可用于探索基本粒子的性质、直接观察物质的结构和反应过程。
在医学领域，直线加速器被广泛应用于肿瘤治疗，其原理是用高能光子或电子束直接打断肿瘤细胞的DNA，以达到治疗目的。
总之，直线加速器的工作原理是利用电场和磁场调控带电粒子的移动轨迹，使其加速到高速度。
其在粒子物理学、核物理学和医学领域的应用具有重要意义。
直线加速器物理-part1
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
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。
直线加速器的工作原理
直线加速器的工作原理直线加速器是一种用于产生高能粒子束的重要科学仪器，广泛应用于粒子物理实验、核医学、材料科学等领域。
它的工作原理基于电场加速和磁场聚焦的基本原理，通过多个加速腔和磁铁组成的结构，将电子或离子束加速到极高的能量和速度。
直线加速器的结构通常包括加速腔、磁铁、束流管、电源和控制系统等几个关键部分。
首先，加速腔是直线加速器中最重要的组成部分之一。
加速腔通常由一系列金属腔体组成，这些腔体中通过射频电场产生电磁波，用于将电子或离子束加速。
在加速过程中，射频电场的频率和幅度会逐渐增大，从而使束流获得越来越高的能量。
然后，磁铁是直线加速器中的另一个关键组件。
磁铁主要起到聚焦束流的作用，通过在束流周围产生强磁场来控制束流的传输和聚焦。
磁铁通常由一系列线圈组成，这些线圈通过通电产生磁场，使束流沿着预定轨道传输。
通过调整磁场的强度和分布，可以实现束流的聚焦和精确控制。
束流管是将电子或离子束引入加速器的通道，它起到引导和保持束流的作用。
束流管通常由金属或陶瓷材料制成，具有良好的真空密封性和电绝缘性能。
束流在束流管中传输时，会受到加速腔和磁铁的作用，逐渐获得更高的能量和速度。
电源和控制系统是直线加速器的关键支撑设施。
电源主要提供加速腔和磁铁所需的电能，保证加速器正常工作。
控制系统则负责监测和调节加速器的参数，保证加速过程的稳定性和精确性。
通过精密的控制系统，可以实现对束流能量、速度和强度等参数的精确控制，以满足不同实验和应用的需求。
在直线加速器的工作过程中，电子或离子束首先进入加速腔，受到射频电场的加速作用，逐渐获得能量。
然后，束流通过磁铁的聚焦作用，沿着预定轨道传输，并逐渐加速。
在加速过程中，加速腔和磁铁的参数会根据需要进行调整，以实现对束流能量和速度的精确控制。
最终，束流达到预定的能量和速度后，可以用于进行各种实验和应用。
直线加速器是一种基于电场加速和磁场聚焦原理的高能粒子束产生装置。
它通过加速腔和磁铁的作用，将电子或离子束加速到极高的能量和速度，满足不同实验和应用的需求。
直线加速器原理
直线加速器原理直线加速器是一种用于加速带电粒子（如电子、质子等）的装置，它在医学诊断、科学研究和工业应用中起着重要作用。
直线加速器的原理是基于电场和磁场的相互作用，通过不断改变电场和磁场的方向和大小，从而使带电粒子获得加速。
本文将介绍直线加速器的原理及其应用。
首先，直线加速器中的核心部件是加速腔。
加速腔是由一系列金属筒状结构组成的，其中夹杂着一定数量的电磁场装置。
当带电粒子进入加速腔时，电磁场装置会产生电场和磁场，从而对带电粒子施加力，使其获得加速。
在加速腔内，电场和磁场的方向和大小会不断变化，以确保带电粒子能够持续加速。
这种不断变化的电场和磁场的作用方式，被称为相位同步加速。
其次，直线加速器的原理基于洛伦兹力。
当带电粒子进入电场或磁场中时，会受到洛伦兹力的作用，从而产生加速运动。
在直线加速器中，通过不断改变电场和磁场的方向和大小，可以使带电粒子不断受到洛伦兹力的作用，从而实现加速。
这种原理使得直线加速器能够将带电粒子加速到很高的能量，用于医学放射治疗和粒子物理研究等领域。
此外，直线加速器还可以通过改变电场和磁场的频率来实现加速。
在加速腔内，电场和磁场的频率会根据带电粒子的速度和能量不断调整，以确保带电粒子能够持续加速。
这种频率调整的原理被称为谐振加速，它可以使直线加速器对带电粒子进行精确控制，实现高效的加速效果。
最后，直线加速器在医学、科学和工业领域有着广泛的应用。
在医学诊断中，直线加速器可以用于产生高能X射线，用于肿瘤治疗和影像学检查。
在科学研究中，直线加速器可以用于加速带电粒子，进行高能物理实验和核物理研究。
在工业应用中，直线加速器可以用于材料表面处理和工业探测等领域。
综上所述，直线加速器是一种利用电场和磁场相互作用的装置，通过相位同步加速、洛伦兹力和谐振加速等原理，实现对带电粒子的加速。
它在医学诊断、科学研究和工业应用中有着重要的作用，是现代科技领域不可或缺的重要装置之一。
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
2014-4-14
79
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。
直线加速器原理
直线加速器原理
直线加速器是一种用于加速带电粒子的装置，它基于电场的作用力对带电粒子进行加速。
其主要原理是利用交替变化的电场来产生电场波动，并将带电粒子置于电场波动的轨道上，从而使粒子受到连续的加速。
具体原理包括以下几个步骤：
1. 电场产生：在直线加速器中，首先会产生一个变化的电场。
这可以通过引入交流电或者使用高频电场发生器来实现。
2. 粒子注入：带电粒子通常由电子枪或其他注入装置注入到加速器中。
这些粒子带有正负电荷，根据需要可以选择不同的粒子。
3. 加速段：在直线加速器中，粒子会通过一系列的加速段，每个加速段都与一个电场波动相连。
当电场波动通过加速段时，它会对粒子产生作用力，将其加速到更高的能量。
4. 相位调控：为了确保粒子在加速过程中不失去对应能量，需要对电场波动的相位进行调节。
相位调控可以通过改变电场的频率或者调整加速段的长度来实现。
5. 粒子出口：在经历了所有加速段后，粒子将具有更高的能量，并最终从直线加速器中射出。
这些带电粒子可以被引导到其他装置中，用于实验、医学或其他应用。
总的来说，直线加速器利用交替变化的电场来对带电粒子进行连续加速，并通过相位调控来确保粒子能够获得期望能量。
这
种原理使得直线加速器成为研究基本粒子物理、放射治疗和其他领域中不可或缺的一种装置。
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。
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:
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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.
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? 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;
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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
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? 真空中，Maxwell's方程的表达式（微分方程）
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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
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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.
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.
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）
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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.
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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 Accelery, 1970.
斯 坦 福 直 线 加 速 器 中 心
北京正负电子对撞机（BEPC：~2.4亿元，BEPCII：~6.4亿元） Beijing Electron Position Collider
上海光源 Shanghai Synchrotron Radiation facility (SSRF) 能量：3.5 GeV，周长：432 m，总投资：~12亿元