[科普中国]-电子环加速器

提出及发展

原苏联Bekcлeл于1957年提出了“电子环加速器”方案。

1968年在美国伯克利劳伦斯实验室（LBL）开了一次电子环加速器（ERA）的讨论会，与会科学家对电子环加速器（ERA）的成功寄予很大的希望。此后不少国家成立了研究组，少者数人，多者近100人进行理论和实验方面的研究。

1971年原苏联V.P.Sarantsev在日内瓦高能加速器会上作了电于环加速器将α 粒子加速到30MeV的报告。美国加利福尼亚大学劳伦斯辐射实验室提出了一个将质子加速到65—10GeV的电子环加速器方案，加速器全长约 400m，造价估计240万美元左右。

1978年原苏联杜布纳小组报告了电子环加速器（ERA）加速重离子的结果：加速器总长度为 50 cm，电子能量为20MeV，电子环的大半径R=3 cm，小半径a=2 mm，有个的离子被加速，其加速率为4MeV/核子/m，对其他重离子的加速率为1.5—2 MeV/核子/m。5×1011 N14

仿佛从电子环加速器（ERA）的结果可以看到新的希望，但由于电子环加速器（ERA）存在的不稳定性，如负质量不稳定性等使原来希望达到100MV/m的场梯度受到了限制（低于50MV/m）。因此电子环加速器作为高能量加速器的主张已被放弃，但少数实验室仍在研究电子环加速器（ERA）作为重离子加速器的可能性。总之，作为集团加速的电子环加速器有所进展，但仍有不少问题需要进一步研究和解决。1

原理把由直线电子感应加速器引出的电子束注入到磁镜中，然后用增加磁场的办法对电子束进行绝热压缩形成电子环。电子环形成的地方，由于电荷密度高，其电场足以使周围气体电离并捕获部分离子加载到电子环中。当该环被加速时，电子环—离子一起被加速。1

基本过程在电子环加速器中，基本过程分为四步，即成圈、压缩、捕获正离子和加速。

环状阴极发射出热电子被阳极加速，穿过阳极后形成圆筒状电子束，并进入到一个磁场的尖形场区在阳极后面的磁性材料环使两边纵向相反方向的磁场在此处形成高的径向磁场），此处的径向磁场使电子转圈，并使电子的纵向动能转换成转圈的角向动能。

电子束通过尖形场区后，磁场逐渐加大，电子的回旋半径也逐渐减小。这不但使电子环的纵向尺寸变小，径向尺寸也变小，因此形成电荷密度很高的电子环。由于圆筒电子束是脉冲化的，因此被压缩的电子环是一个接一个地沿纵向方向运动，如同吐的烟圈一样，故也被称之为“烟圈加速器”。

电子成圈并被压缩后，其电荷密度很高，并形成很强的电场。

为了加速离子，我们在压缩电子环的途中送入10−1 −10−2Pa 压力的气体，气体被电子环电离后部分被电子环捕获。这不但达到集团加速的可能，而且电子环捕获离子后自身的稳定性也得到改善。

加载离子的电子环沿纵向运动，其中已被捕获的离子同电子环一起以同样的纵向速度运动，若电子环沿纵向运动时，纵向磁场逐渐减小，则电子环的角向速度也减小，这导致电子环的纵向速度增加。结果电于环中的离子的也跟着增加，这也就实现了离子的加速。由于这是因磁场减小，电子环直径变大时被加速的，因此被称为“膨胀加速”。1

当然也可以用外场来加速电子环。