[科普中国]-感应直线加速器

发展历史

美国LLNL（Lawrence LivermoreNational Laboratory）1963 年建成了第一台感应直线加速器Astron-1，它能给出能量为3.7 MeV,脉冲流强为350 A 的电子束。

1968 年研制了束能量为6 MeV、脉冲流强为800 A 的Astron-II。

在这台加速器的基础上，1979 年电子束能量为4.5MeV,脉冲流强为10 kA 的ETA 实验性加速器调试成功。

1982 年用于闪光照相的FXR 问世，这台加速器的束能量为18 MeV、脉冲流强3 kA。

同时1983 年还为研究射束武器问题建造了束能量为50 MeV,脉冲流强10kA 的ATA 感应直线加速器。

我国研制感应直线加速器的计划始于1983 年。

1988 年建成了束能量为1.5 MeV、脉冲流强为2.7-3 kA 的第一台感应直线加速器，它将用作计划在1991 年建成的束能量为10 MeV、脉冲流强为2-3 kA 的感应直线加速器的注入器。1

原理感应直线加速器由很多个加速组元所组成，每个组元可看成一个用磁感应原理制成的特殊变压器。用由变压器原理产生的加速电场来加速粒子，可以得到功率很大的粒子束流。

每个感应加速组元的磁芯由良好的导磁材料制成。围绕着磁芯是由铜板制成的初级绕组。铜板与磁芯之间是绝缘的。当给初级绕组通入脉冲电流时，就在磁芯中感生出脉冲的环流磁通，并产生了轴向的感应电场。

电场与磁通变化量之间的关系式：

沿轴线运动的粒子流相当于变压器的次级绕组，这些电子将受到轴向感应电场的加速。每个感应加速组元感生的平均电场强度约为数kv/cm，能使电子能量提高数十keV。一台感应直线加速器由N 个加速组元组成，因此粒子得到的总能量为数十keV x N。由绝缘体制成的加速管放在感应加速组元中心轴的空心处，并保持一定的真空度。感应加速组元之间有短螺旋线，用磁场约束电子，使电子在加速过程中不因发散而丢失，并有导向器控制电子的运动方向。

感应直线加速器的种类很多。加速间隙处电场的形态也不相同。1

结构我国工程物理研究院于1988 年建成了一台电子束能量为1.5 MeV 的感应直线加速器。它由主体部分、脉冲电源系统、束流输运系统、监测控制系统以及真空、油、水、气辅助系统构成。

1、加速器主体

它由6 个加速组元、1 个二极管以及测试区组成。加速组元的磁芯都采用国产的环形铁氧体，每个组元感生的脉冲电压为250kV，前4 个组元由一根直径为94 mm 的中空不锈钢阴极杆贯穿，构成二极管的阴极，为二极管提供1MV 的脉冲电压。另外两个组元用作后加速，它们之间为过渡区。在两个后加速组元内径处装有聚焦线圈。

二极管是冷阴极平面场发射型。阴极装在阴极杆上，阳极与加速器外壳直接相连。阴极中心是一块直径为60 mm 的圆形天鹅绒布发射体，四周是聚焦电极。阳极头由不锈钢制成，中心有直径为70 mm 的圆孔，此孔用中心部分刻成网的钨膜遮蔽，钨网直径为40 mm。紧贴钨网后面的是一个孔径为4 0 mm 的铝准直器。轴向移动阴极杆可调节阴阳极间隙。二极管产生的电子束在长约70 cm 的过渡区内经轴向磁场调制后送到后加速部分加速，加速器出口后面是束参数测试区。

2、脉冲电源系统

该系统的作用是定时地给每个加速组元提供高功率高压脉冲。为此，必须将220V,50 Hz的市电变成高功率高压脉冲系列，并按要求的时间，给到每个加速组元上去。脉冲电源系统包括脉冲调制和触发两部分。脉冲调制部分由高压直流电源、主Marx 发生器、脉冲形成线和它的主开关组成。触发部分的作用是将触发指令脉冲放大成符合要求的触发脉冲，按预定

时间将它们分送到主Marx 发生器和主开关，实现高精度定时输出。主Marx 发生器输出分六路经脉冲形成线送到六个加速组元。一台大型的感应直线加速器如美国的ATA加速器长度为85 m,共有190 个加速组元，能把电子加速到50 MeV。为每个加速组元提供脉冲电压的时间必须与电子束的位置同步，换言之，只有当电子束通过某个加速组元时，才对这个加速组元提供脉冲电压。一旦失去同步，电子的能量就会大大降低。

3、束流输运系统

束流输运系统的作用是使二极管产生的电子束保质、保量地到达加速器出口。1.5 MeVLIA 束流输运系统由七个螺线管线圈（阴极外围的反向线圈、过渡区三个螺线管、两个加速组元内的主聚焦线圈和输出段螺线管）、线圈电源以及束流管道构成。

线圈的布置和束流管道的结构，束流管道内径由阳极入口处的40 mm 逐步过渡到146 mm，全长2m 多。七个线圈中的S2 可轴向移动，束流管道轴上的轴向磁场可达0.1 T 以上，旁轴3cm以内轴向磁场是均匀的，阴极表面轴向磁场接近于零。线圈都用中空的方铜线绕制，必要时可通水冷却。由六台8 kW,300 A 和一台14 kW, 500 A 的直流稳流电源供电，其电流稳定度和纹波都小于0.1%。单次工作时，线圈每次通电时间为5s,不加水冷线圈亦无明显温升。

4、束流监测系统

1.5 MeV LIA 全机装有32 个电压探测器，2 个电流和束流探测器。电压探测器采用严格标定过的硫酸铜水阻分压器和电容性探测器。发射电流用无感电阻测量。束流监测器实质上也是无感电阻，但要考虑束流偏轴时探测器内电流分布不均匀造成的波形畸变。所有脉冲电信号都用高速示波器记录。

脉冲电压到达各加速组元的时间间隔用一台32 路高精度时间间隔测量仪测量。在阴极杆尾部和加速器电子束出口处装有电阻杯，分别测量阴极发射电流和输出束流。电子束出口距螺线管端部25cm 处装有束流发射度测量器。电子束打靶的X 光斑用X 光小孔照相测量。X 光照射量用氟化锂（LiF）热释光剂量片测量。采用两台450 L/s 和一台1500 L/s 涡轮分子泵使加速器工作真空度保持在（2-4）10-3Pa。1

特点和应用现今感应直线加速器不仅能加速电子，还能加速轻离子或重离子。我国1.5 MeV 感应直线加速器已达到下列性能指标：

电子束能量：1.5-1.6 MeV

脉冲流强： 2.7-3 kA

束流脉宽： 90 ns

束斑半径：≤2 mm

束发射度：70 cm ·mrad

感应直线加速器给出的束流功率很大，脉冲流强可达数kA，甚至50 kA，而且束流品质好。多用于粒子束聚变、射束武器、闪光X 光照相、自由电子激光和辐照效应等研究领域。1