[科普中国]-质子直线加速器

介绍

1982年底，我国第一台自行设计、自行制造的质子直线加速器在中国科学院高能物理研究所建成，并在当年12月17日首次引出能量为1000万电子伏特的质子束流。这台加速器建成后，中国科学院高能物理研究所又将之进一步扩建，使其能量达到3500万电子伏特，成为我国目前能量最高、流强最大的一台质子加速器。

直线加速器是粒子加速器家庭的重要成员。它的优点是束流强度高、粒子注入和引出容易、可以分期分段建造、逐步提高最终能量.电子直线加速器除了用于科学研究外，还在工业、医疗等领域获得广泛的应用.与其相比,质子直线加速器由于价格较贵，它的应用受到限制.近年来由于科学技术的发展，人们对质子直线加速器的兴趣日益增加，特别是对于强流质子直线加速器和小型质子直线加速器。这也是质子直线加速器发展的两个重要方向。强流质子直线加速器和小型质子直线加速器看起来完全相反，实际上有着不少共同点：
（1）两者都要采用一些新的加速结构，特别是中能区。
（2）两者都要求加速高质量质子束(规一化发射度0.1— 0.2πmm.mrad左右)。对于强流加速器这是为了尽量减少束流损失以避免产生较强的放射性。而对于束流通道很细的S波段直线加速器，发射度较大的质子束根本不可能通过。
（3）用于核能和医疗的加速器一旦发生故障会造成重大损失，因此它们应该具有较高的可靠性、可利用率、可维修性和可检测性。1

强流质子直线加速器强流质子直线加速器按其束流时间结构可分为连续束和脉冲束两类。连续束强流质子直线加速器主要用于核能领域，如嬗变核废料、增殖核燃料、提供洁净核能等，建造难度极大。目前美国、西欧和日本都在进行研究工作。脉冲束强流质子直线加速器主要用于高通量脉冲散裂中子，它是有重要价值的科学研究装置，主要利用中子散射研究凝聚态物理。目前美国准备建造的NSNS(National Spallation Neutron Source)和西欧计划建造的ESS(European Spallation Source)均属此类。为了获得几十安培的窄脉冲束，需要在直线加速器后设置一个积聚环(Accumulator)。从直线加速器引出的负氢离子束被注入积聚环，在注入时负氢离子被剥离为质子。直线加速器束流脉冲宽度约1ms，可以注入约一千圈，然后一次引出送到重核靶上。强流质子直线加速器还可用于其他方面。例如利用质子束打靶时产生的π介子及其衰变产物μ介子和中微子进行粒子物理和核物理的研究(如中微子振荡等)，在武器研究方面也有多种用途。

小型质子直线加速器小型质子直线加速器主要用于质子治疗.。90年代初美国Hamm，Grandall等人首先提出利用S波段直线加速器进行质子治疗的建议。利用S波段边耦合直线加速器获得毫米质子束，可以使用医用电子直线加速器现成的高频技术,我们也对此进行了研究。除质子治疗外，这种加速器还可用作材料科学和生命科学研究。