[科普中国]-重离子直线加速器

简介

重离子加速器的加速原理和结构基本上与质子加速器相同。但是，对于加速器来说，重离子与质子等轻离子的最大差别是它们的荷质比(Q/A)不同，这里Q是离子的电荷态，A是它的原子质量数。一般，重离子的荷质比远小于1(质子的荷质比=1)。

重离子直线加速器是获得具有增加的电荷质量比的元素的高能粒子的方法和装置。 包括以下步骤：将元素的原子电离，将所得离子加速至基本上等于每个核子1Mev的能量，使离子通过横向于该路径设置的元素蒸汽帘幕，从加速离子中剥离轨道电子的离子以提供第二电荷质量比，并且最终将得到的剥离离子加速至每个核子至少10Mev的最终能量3。

直线谐振式加速器重离子直线加速器是直线谐振式加速器的一种。

这类加速器中，粒子的运动和加速电压随时间的变化必须保持一定的谐振加速关系 (或叫同步加速关系)，因而这类加速方法叫谐振加速方法或同步加速方法。采用谐振加速方法的加速器叫谐振加速器。其中粒子运动轨道为直线的，叫直线谐振式加速器；粒子运动轨道为圆弧的，叫回旋谐振式加速器。直线谐振式加速器按所采用的电磁场型式可以分成两种。一种是利用谐振腔中的驻波电磁场来加速的，通常采用带漂移管的谐振腔或螺旋线谐振腔加速结构，它既可以加速离子，也能用来加速电子。另外一种是利用波导中的行波电磁场来加速粒子的，采用所谓金属盘荷波导加速结构，主要用来加速电子。

直线谐振式加速器有许多独特的优点。在加速过程中带电粒子基本上沿直线轨道运动，所以粒子的注入和引出都比较容易，传输效率高，加速粒子的束流强度高、品质好。在直流高压式加速器中，粒子的最终能量由加速器最高加速电压决定。而在直线谐振式加速器里，粒子的最终能量并不由高频加速电压决定，可以根据需要，通过逐节加长加速器的长度提高它的最终能量。这样利用较低的加速电压便能把粒子加速到极高能量，且灵活性也比较大。特别是加速电子时，因辐射损失小，成为目前把电子加速到高能的最合适的加速器类型。直线加速器的不足之处是高频运行功率消耗大，设备投资及维护费用比其他类型的加速器高。一些近代的直线加速器，采用超导等新技术已使运转费用大大降低1。

世界上第一台重离子直线加速器从1974年起，花了20多亿日元的科研用重离子直线加速器，已于1980年3月在日本理化研究所落成，并于4月初投入试运行，已获得成功。

这台加速器可加速比氖重的所有重离子。调频范围在17至45兆赫之间。这台调频重离子直线加速器，在日本属首创，在世界上也是第一台。这台加速器不仅可用于研究原子物理，而且重离子照射治癌和杂质微量分析等方面的研究，也是一种有用的工具4。

不同类型重离子加速器比较在各类重离子加速器中，静电加速器的特点是直流工作，能提供斑点小，能量精度高的各种重离子束流。
直线加速器束流强度大，粒子种类很少限制，因此第一台能加速周期表上全部元素的离子的全离子加速器就是直线型的加速器，这类加速器也是高能重离子装置中主加速器──同步加速器的理想的注入器。但离子在加速器的加速结构中只能一次加速，不能反复加速，电效率较低。目前，很多实验室正致力于更有效的直线加速器的研究。在高频功率方面，回旋加速器是很经济的，因为离子只需反复通过同一加速结构就能不断地增加能量，它的最大费用是由磁铁的尺寸决定。当要求离子能量高，种类和能量可变时，由于相对论质量增加所引起的磁场变化就需要相当精湛的磁场成形技术。
同步加速器在高频和磁铁建造方面是比较经济的。是获得高能重离子的理想的加速器。
超导加速器用作重离子加速器，由于它在经济上和技术上的巨大优越性，近年来得到广泛的重视。它可以在很低的微波功率下产生高加速电场，或者在很低的激磁功率下产生高的约束磁场。这些都将减小加速器尺寸，降低功率消耗和运行费用，是一种很有前途的重离子加速器。

现在世界上多数新建和改建的重离子加速器是等时性回旋加速器（即扇形聚焦回旋加速器）。其次是串列静电加速器。为了得到较高能量，很多新建的装置采用两台或两台以上加速器串联起来。构成重离子加速器系统，一些是串列静电加速器注入到回旋加速器或直线加速器，另一些是两台回旋加速器串联。