[科普中国]-四极直线加速器

概述

应用沿直线轨道分布的高频电磁场加速电子、质子和重离子的装置。E.维德罗于1928年提出了加速原理，设想沿一直线排列很多互相绝缘的金属圆管，相邻管分别接在一个高频电源的两极，利用管间隙中产生的电场加速带电粒子。粒子获得的能量同管间的电压和间隙数成比例，因此有可能在电压不高而间隙数较多的情况下把带电粒子加速到高能。为了加速电子以及提高加速效率，必须提高工作效率，于是逐步发展了波导和谐振腔等近代直线加速器普遍采用的加速结构，而维德罗式的加速结构目前仍用在重离子加速的低能部分。

直线加速器有许多非常吸引人的特点。加速过程中，带电粒子在柱形加速腔的轴线附近，基本上沿直线运动。因此，粒子的注入和引出都容易，传输效率高，有可能保持高的束流强度和品质。特别是加速电子时，因辐射损失很小，它是目前把电子加速到高能的最合适的加速器类型。为使加速器具有适当的长度，轴上加速电场的幅值一般要求在几兆伏/米以上；这就要求很大的微波功率，因此每单位能量所需的造价和运转维护费用比其他类型的加速器高。一些近代的直线加速器，采用了超导技术，已使运转费用大大降低。

工作原理在圆柱形金属空管(波导)内输入微波能量，可以激励出各种模式的电磁波，其中一种模式有一个较大的沿轴线方向的电场分量，可用来加速带电粒子。如果保持波的相速同粒子速度相等，那末在电场的适当相位处注入的粒子就可一直被加速下去。可是，一般空腔波导中波的相速度是大于光速的，为了加速带电粒子，必须把相速降低到合适的值与被加速粒子同步，为此在波导中加上适当的负载使之成为慢波结构。例如按一定间隔装置带圆孔的膜片，形成所谓金属盘荷波导（图1），它适用于加速电子。电子同离子的质量相差很大，在几兆电子伏的能量时，电子的速度就十分接近光速，而质子速度只有光速的百分之几，重离子的速度则更低，因此对于不同的粒子，要求相速度减小的程度很不相同。为了适应对离子的加速，通常采用带漂移管(加速电场集中在两管之间的气隙内)的谐振腔（图2）或相速较低的螺旋线谐振腔（图3）等加速结构。

直线加速器的加速电场有行波和驻波两种类型。大部分电子直线加速器，以行波方式进行加速，采用盘荷波导加速结构。要求行波的相速随电子能量的增加而提高，这靠改变波导中膜片的相对位置和圆孔直径来实现。离子直线加速器一般使用驻波加速方式，采用谐振腔加速结构。在带漂移管的谐振腔中，当轴上电场方向同加速要求不符合时，粒子恰好处在管内而不受电场的影响自由漂移；当粒子越过间隙时，恰好又在电场的加速相位而增加能量。随着粒子速度的增加，漂移管长度相应增大，使粒子在到达间隙时总处在加速相位，保证加速不断地进行下去。不带漂移管的谐振腔，如螺旋线谐振腔，加速原理与行波加速相类似，其中反射波的作用是使粒子加速和减速交替出现，平均效果等于零。1

分类电子直线加速器电子从电子枪（产生足够强且聚焦良好的电子流的部件）发射，经几十千伏或更高的电压的预加速，并经聚束器群聚以后，注入直线加速器主体。为保证电子在横向不散失，通常靠螺旋管等聚焦元件产生的磁场来控制它的横向运动。在加速器的开始部分，电子速度变化比较大，要适当选择结构的尺寸，以保证电磁波的相速度同电子速度相匹配。这时，自动稳相作用显著，相振荡振幅逐渐衰减，电子进一步聚合，变成短脉冲。当电子具有几兆电子伏的能量以后，速度就同光速十分接近。此后，电子可以进入相速等于光速的均匀波导继续加速。

在轴向电场相等的情况下，波导中每单位长度的损耗同高频波长的二次方根成正比，因此，在可能条件下要求频率高一些。但是，当波长减小的时候，结构的直径和束流的孔径都要相应地减小，这会限制束流的通导能力。根据适当的束孔径和高频功率要求，频率一般选在 3000MHz左右。例如美国的大部分电子直线加速器选用的频率是2856MHz。

微波功率源一般采用速调管。一支标准的速调管，具有20MW的输出功率，可以使一个 3米长的波导，激起10MV/m的轴向电场。

由于功率要求很高，加速器通常不能连续运转。电子脉冲长度，一般介于0.01～5μs之间，重复频率为50～1000Hz。 通常称束流脉冲长度同重复率的乘积为束流负载周期。一般电子直线加速器的负载周期很小。而采用超导技术，由于高频功率大幅度下降，负载周期可以很大，甚至达到100%。

能量低于100MeV的电子直线加速器，束流脉冲的峰值有几百毫安，是很好的电子及γ射线源，广泛应用于医疗、探伤、辐射化学以及辐照加工等方面。中国的低能电子直线加速器，自1964年中国科学院高能物理所建立第一台30兆电子伏电子直线加速器以来，已有相当的发展。

高能电子直线加速器主要用于基本粒子的研究工作。美国斯坦福直线加速器中心 1966年建成一台3050m长的电子直线加速器，采用245个速调管做微波电源，电子能量高达22GeV，脉冲电子流强约80mA，平均流强。

电子直线加速器的另一个发展方向是产生数百毫安直到十几安或更高的强流脉冲电子流，或强γ射线和快中子等次级粒子流，以满足如中子物理、辐射化学、辐射生物学以及其他研究工作的需要。一般的行波电子直线加速器的流强不能很大，很难超过1安。在强流时，需改用频率较低、体积较大的谐振腔加速结构，采用驻波加速方式。强流加速器的主要困难是，电子在加速过程中从电场带走较多的能量，改变了原来电场的分布，使后来电子的能量增益下降，这称为束流负载效应；特别是当电子流太强时，电子相互间排斥力很大，引起束流的发散和不稳定性。在加速过程中，可以观察到强度短脉冲束的崩溃现象当束流增强并超过某限值时，束脉冲不规则地缩短，并随流强的增加，越发明显起来。这是由于加速场中的一些有害成分同强束流的相互作用的结果。通过对加速器参量的仔细选择，设法消除电场的有害模式，是获得强流的重要条件。

质子直线加速器用高压倍加器或静电加速器把质子加速到足够的能量，并经聚束器把连续的质子束聚合成脉冲束团，然后进入加速器主体。能量为兆电子伏量级的质子速度很低，仅为光速的百分之几（1MeV时约为4.6%）。此时加速电场分量随半径迅速增大，并近似地同频率二次方成正比。而在大半径处由于电极之间击穿场强的限制，使得工作频率不能取得太高。大部分质子直线加速器的频率选为200MHz，与此相应的谐振腔直径约为90cm。加速场强的平均值一般取2～3MV/m，腔的高频功率要求为几百千瓦/米的量级。

为保证粒子纵向加速运动的稳定性，漂移管长度要随粒子能量而增加，使粒子进入间隙的时刻，电场总处于上升状态。同步粒子处在离波峰 20°～30° 的相位上（相位愈大，加速器可以接收愈多的粒子，但经受的加速场愈小，因而加速效率愈低）。这样，超前（或落后）的粒子将获得较小（或较大）的加速，使它们能保持在同步粒子的周围，获得相同的平均能量增益。但此时粒子的横运动是不稳定的，因为在间隙的前一半，粒子受到横向聚焦力的作用，在后一半则受到横向散焦力的作用，由于电场处于上升状态，散焦作用较大，因此净效应是散焦的。克服的方法之一是在每个漂移管的入口处装上金属栅网，以减弱或消除散焦场，但这会挡掉一部分束流。另一个方法是使用磁四极透镜等元件来控制束流的横向运动。

由于高频功率水平高，质子直线加速器的负载周期也是很低的。腔的建场时间约需200μs，脉冲长度选为几百微秒，负载周期很少超过1%。

最早建造（1951）的是美国伯克利的劳伦斯辐射实验室的32MeV质子直线加速器：工作频率200MHz.腔直径约1m，平均加速电场2.5MV/m。加速器总长约12米，注入端漂移管直径约12cm，依次逐渐缩小，最后一个管径约7cm，高频电源功率2.1MW，谐振器品质因数约7×10，脉冲长度约400μs，重复率15Hz，平均流强0.4A，束直径约1cm，以4MV静电加速器作注入器。美国洛斯阿拉莫斯科学实验室的质子直线加速器（1972年运转）能量达800MeV，束流超过100mA，脉冲长度150μs～1ms，负载周期1%或略小，它主要用于科研工作（介子工厂）。其他质子直线加速器大多用作质子同步加速器的注入器。

重离子直线加速器对于C、N、O、S、Ar、Kr甚至U这样重元素的离子，能够用类似质子直线加速器的结构进行加速，只是工作频率更低，一般在27～150MHz的范围。在直线加速器中，离子的能量增益同离子的荷质比成正比。普通离子源产生的重离子，荷质比随质量的增加迅速降低。为达到给定的能量，离子越重，就需要越大的有效加速电压，因此加速器的规模也越大。为此，一方面需要发展极高电荷态的重离子源（见离子源），另一方面则广泛采用固体或气体电子剥离器（见原子的剥离），升高荷质比，以提高加速效率。通常，离子的注入能量为几百千电子伏/核子，加速到约1兆电子伏/核子的能量时，进行电子剥离，然后进入加速器的后一部分加速至约10兆电子伏/核子的能量。例如，目前已运行的能一直加速到铀离子的直线加速器有：美国伯克利劳伦斯辐射实验室的超级重离子直线加速器和联邦德国国立重离子研究所（GSI）的全粒子直线加速器。它们的主体部分都采用质子直线加速器中通用的阿耳瓦雷茨谐振腔。重离子流强可达1012～1014s，粒子能量可以在一定范围内连续改变。

一些更有效的重离子加速结构，例如柱形螺旋线、平面螺旋线和分离环等谐振腔加速结构， 目前正在试验和发展中。同老式的阿耳瓦雷茨腔比较，它们的横向尺寸较小，公差要求较松，便于作成很短的腔（加速器由许多短腔串接而成）以及采用超导技术等。采用短腔和独立相技术（每个短腔单独供电并独立地控制相位），若注入束流又是很短的脉冲，则可以加速质量范围很宽的重离子，能量连续可变，同时保持极好的束品质。而超导谐振腔的采用，可以大大降低高频功耗和提高加速电场强度。近几年来，一种新型的高频四极透镜加速器正在发展中。这是一种低能强流直线加速器。它可以把初始能量仅10千电子伏/核子的连续离子流，在不大的距离（几米或稍长）上，聚束、聚焦并加速到能量为1～2兆电子伏/核子。它可以作为强流重离子加速器的注入器。随着新的加速结构的发展和应用，重离子直线加速器将成为一个有力的研究工具，为重离子核物理、核化学、制造超铀元素以及用重离子束引发热核反应等工作开辟广阔的前景。2