[科普中国]-直线感应电子加速器

直线感应电子加速器可产生流强达数千安培、高亮度、低能散度的高品质电子束，部件式结构的特点使它可大量串接获得所需要的能量。

内容简介直线感应电子加速器可产生流强达数千安培、高亮度、低能散度的高品质电子束，部件式结构的特点使它可大量串接获得所需要的能量，由于具备这些优越性能，使得直线感应加速器在近60年的时间里得到了快速发展，并在闪光X射线照相、辐照效应、自由电子激光、粒子束聚变、高功率微波等国防研究领域得到广泛应用。1

“神龙一号”直线感应电子加速器简介直线感应加速器（LIA）是20 世纪60 年代发展起来的一种新型加速器， 它能产生强流、高亮度、低能散度的高品质电子束， 而部件式结构的特点使它可大量串接获得所需要的能量.由于LIA 具备这些优越性能， 因而受到许多国家的重视， 美国、法国、俄罗斯已先后建成多台直线感应加速器 ， 并已广泛地应用于闪光X 射线照相、自由电子激光、粒子束聚变、高功率微波等研究领域.近十年来， 由于精密闪光X 射线照相的迫切需求， 极大地促进了直线感应加速器技术的发展。

“神龙一号”加速器是一台直线感应电子加速器， 其具体的设计指标如下：

电子能量18-20MeV，

束流强度≥2.5kA ，

束流脉宽≤90ns（FWHM），

X 光焦斑直径≤1.5mm（FWHM），

X 光照射量（1m 处） ≥0.077C/kg。

物理设计1、总体布局

如图1所示， “神龙一号”加速器主体由注入器、加速段、聚焦段和韧致辐射靶室组成， 总长约60m。加速段由72 个加速腔组成， 每个腔内置有螺线管线圈， 以产生轴向磁场引导电子束， 每4 个加速腔串联为一节， 共有18 节， 每节之间由多功能腔联接， 多功能腔内安装桥接线圈以确保引导磁场的连续性， 同时安装有束流及束位置监测器， 对束流大小及位置进行在线监测.注入器提供的3.6MeV ， ～2.6kA ，90ns的电子束经轴向磁场引导依次通过72 个加速腔的加速间隙， 与此同时， 每个加速腔依次提供一个～220kV ， 120ns 的脉冲高压至加速间隙， 使～2 .6kA ，90ns 宽的电子束同步加速至18-20MeV ， 并经磁透镜聚焦打靶， 产生脉冲X光。该设备是一个十分庞大复杂的系统， 除主体外， 还包括脉冲功率系统、计算机控制和监测系统、辅助系统（真空、去离子水、冷却水、变压器油、高压绝缘气体等）以及束品质专用诊断设备等。

获取小的焦斑直径集中反映了整个加速器研制的技术难度。理论和计算表明， 为实现1.5mm 焦斑直径指标， 必须使加速器输出电子束的发射度和能散度分别控制在2000mm·mrad 和1%以内，同时需有效抑制束流质心的Corkscrew 运动、BBU 不稳定性的增长。

从技术角度而言， 达到上述发射度、能散度参数均具有挑战性。要获取低发射度的电子束， 必须具有运行性能良好的注入器和束流传输线， 前者确保电子束的初始发射度低， 后者则使束流被传输过程中的发射度增长量小。要使电子束的能散度小， 需要通过注入器、脉冲功率系统、加速腔等系统的精细设计、加工和安装、调试予以保证。确保机械轴、螺线管磁轴、电子束轴三轴的一致性达到相当高的精度才能有效抑制束流质心的Corkscrew 运动。限制BBU 不稳定性的增长则需要设计低横向耦合阻抗的加速腔， 同时要保证束流初始偏心量小。

2、加速腔

根据总体指标要求， 每个加速腔提供的加速电压不小于230kV ；加速脉冲持续期间60ns 内的平顶波动不大于±1 %， 以使电子被加速获取能量增益的散度小；横向耦合阻抗不大于700Ω/m， 以有效控制BBU效应。与传统加速腔的结构相比，“ 神龙一号” 加速腔的设计，高压馈入采用轴向驱动方式， 以降低横向耦合阻抗， 铁氧体环浸在变压器油中， 加速间隙是弯曲的， 另有一阻尼带状环， 置于加速间隙外角处.经检测， 加速腔的横向耦合阻抗～ 500Ω/m， 每个加速腔可提供250kV，±1%平顶不小于70ns的高压加速脉冲。

3、脉冲功率系统

脉冲功率系统是加速器的功率源， 系统所能达到的总加速电压决定了被加速电子的最终能量， 加速电压平顶宽度和加速电压馈送到各个加速腔的时间同步性决定了电子束的能散度。根据总体性能要求， 脉冲功率系统给注入器段12个感应腔和加速段72个加速腔提供加速电压。84个电压脉冲按照严格的时序输出到各自对应的感应腔或加速腔， 注入器段脉宽为～90ns ， 加速段脉宽为～120ns ， 注入器段电压幅度～300kV ， 加速段电压幅度～250kV。“神龙一号”加速器的脉冲功率系统按照功能，可分为初级储能系统、脉冲成形系统和触发系统.初级储能系统采用了8 台300kV Marx 发生器。脉冲形成装置采用了48 套Blumlein 脉冲形成线（B 线）， 注入器段以1B-1C（即一个B 线为一个感应腔提供激励电压脉冲）方式工作， 加速段以1B-2C 方式工作。触发系统主体由三级触发网络构成， 包含了点火机，增强器， 小Marx，发散装置，脉冲延时装置等。点火信号触动增强器， 增强器同时输出10路快脉冲， 分别触发小Marx 、8 台Marx 发生器和经过一段时间延迟后（～ 3μs）触发Ⅰ级发散装置FⅠ。FⅠ输出8 路信号， 触发8 台Ⅱ级发散装置FⅡ。FⅡ再触发48 根B线开关。每台Marx发生器通过主开关对6根B线谐振充电至峰值附近，主开关导通，B线将通过高压同轴电缆输出高压脉冲分别馈入到注入器感应腔和加速段加速腔上。

4、束流传输系统

整个束传输线全长约48m， 其间数千安培的强流脉冲电子束经过约170mm的二极管加速区， 电子能量达到约3.6MeV，再经过4.5m的无加速场漂移区到达注入器出口；随后进入到长38.5m的加速段， 通过逐级加速到达加速段出口时电子能量不低于18MeV；在加速段获得能量增益的电子束进入到长约3.8m 的无加速漂移段，用于调整束流进入透镜的入口参数；最后部分就是通过两级磁透镜的聚焦将电子束聚焦到轫致辐射靶上产生高照射量、强穿透能力的X射线。束流传输和聚焦元件采用螺线管线圈， 产生的峰值磁感应强度约0.25T，螺线管线圈的励磁使用高稳定运行的恒流电源。21个在线的电阻环束位置监测装置（BPM）监测输运过程中束流的强度和偏心状况。

5、注入器

注入器二极管阴阳极间高压的产生采用感应叠加技术， 阴极段7 个感应腔， 阳极段5 个感应腔， 每个腔工作电压大于300kV。穿过腔中央的阴阳极杆将这些感应腔串联起来， 在二极管上叠加成3.6MV左右的高压脉冲。在阴阳极间强电场的作用下， 表面粘有天鹅绒的阴极发射出强流电子束， 该电子束被二极管区螺线管线圈和阳极段感应腔中的螺线管线圈产生的磁场引导出注入器。由于注入器工作电压高， 二极管腔的内径达到了Υ1400mm， 因此二极管区线圈将全部置于阴阳极头内.反向线圈（安置在阴极头内， 以使阴极面的磁场为零）的引线从阴极杆中引出， 引导线圈从双层阳极管中引出。这种思路首先解决了设计时面临的困局， 相比于传统的置于二极管腔外的方式， 置于阴阳极头内的线圈对电源的要求更为实际可行， 并且线圈本身的制造难度和成本大大降低；更重要的是提高了注入器的性能， 因为二极校正线圈可以安置在螺线管线圈内， 而在安装过程中磁轴的对中精度也将得到极大提高。由于线圈内置， 阴阳极头大而重.为支承阴阳极杆， 并将阴阳极头定位于注入器轴线上， 采用了径向绝缘支撑。为降低束流脉冲在加速段中能散度增长， 注入器输出束流脉冲宽度小于加速脉冲的脉宽， 注入器输出束流脉冲脉宽为90ns（FWHM）。

6、轫致辐射靶

电子束与轫致辐射靶材相互作用， 电子的能量部分转换为X 射线能.轫致辐射靶的设计要考虑3个关键因素：制靶材料；靶的厚度；靶的结构。

利用EGS4程序可对束靶作用后的X光能通量（照射量）进行计算，“神龙一号”轫致辐射靶的靶材和靶厚的选取是根据EGS4 程序的计算结果进行判断的。计算结果表明， 在相同的靶材厚度下， 钨靶靶前1m 处的照射量略低于钽靶， 且钽靶靶前照射量随角度的增加而减小的速率是高于钨靶的， 证明钽靶相对于同等厚度的钨靶来说， 产生的X 光的前冲性较好， 更加适用于闪光照相.选用钽靶， 当靶厚为1.2mm时， 靶正前方1m 处的照射量最大。强流电子束与轫致辐射靶作用后， 电子束在靶内的能量沉积， 将引起轫致辐射靶的烧蚀和破坏，具体表现为靶材鼓包或穿孔；此外，靶的烧蚀将形成靶表面等离子体，其中较轻的正离子在电子的负电荷作用下，易进入电子束团，导致电子束难于被正常聚焦。为此， 轫致辐射靶设计成叠靶结构。叠靶是将一定厚度的靶片一层层叠加起来， 中间留有一定空隙或填充其他材料， 通过该结构来减少电子束对靶的冲击和破坏.叠靶由24 层钽箔组成， 每层钽箔厚0.05mm，间距为0.5mm，层与层之间为真空间隙，实际的转换靶材厚度为24×0.05=1.2mm。利用EGS4程序模拟了上述结构的叠靶所产生的X 光照射量，结果表明， 在同样电子束作用下，该叠靶与1.2mm整靶产生的X 光照射量基本相同。

7、控制和监测系统

控制系统的设计采用三级子网的网络结构。一级子网为面向设备子网， 采用现场总线标准。按受控设备分为恒流源控制子网、Marx 升压控制子网、安全联锁控制子网、气压与真空系统控制子网。每个子网采用PC 工控微机作为主机.子网总线为RS-485标准总线， 最大传输距离1200m（无中继器）， 最高传输速率为115.2kbps，传输介质为双绞线.现场总线测控模块直接挂接在总线上， 对设备进行现场监控。另外， 一级子网还包括一个GPIB 总线子网， 用以控制示波器.二级子网为操作子网， 采用一台工作站作为主控， 每个一级子网的主机作为数据服务器， 互相连结成一个局域网。通信协议采用TCP/IP 协议， 操作系统为Windows 2000。三级子网为数据通讯子网。束流强度及其质心位置监测采用传统的电阻环方法；加速腔电压的测量采用硫酸铜水阻分压器和CVP 电压探头；束流包络、发射度、能散度等参数的诊断均是通过相应的转换装置将相关信息转换为切伦科夫光或OTR 光， 再经接收系统接收图像， 并对图像进行处理获取相应结果；焦斑测量则采用狭逢成像方法。2

直线感应加速器技术的主要发展直线感应加速器40余年的发展进程中，应用需求始终推动着直线感应加速器技术不断发展和创新。前20年，主要侧重发展强流和高峰功率技术；上世纪80年代开始，发展高平均功率技术和束品质控制技术；90年代以后，主

要发展MHz重复频率能力的固体开关调制器技术和高频磁芯材料技术，以及高梯度绝缘体技术，并促进了概念创新，出现了环形直线感应加速器、感应同步加速器和介质壁加速器等新概念直线感应加速器。下面分别进行介绍。

1）强流和高峰功率技术

提高流强和峰功率涉及高功率脉冲功率技术、加速组元、强流束输运、强粒子束源等众多技术的提高和创新。主要经过前20年的发展，流强和峰功率得到了大幅的提升。例如，美国ATA加速器的电子束流强达10kA ，峰功率达500GW，平均功率也达1MW，满足了当时自由电子激光研究和带电粒子束在大气中传输研究的需要。又如，前苏联的径向传输线型LIU-30加速器的电子束流强高达100kA，峰功率高达4TW，用于核武器效应模拟。还有，美国的感应叠加器型HERMES-III加速器（19MeV、700kA、28ns）的电子束流强高达700kA，峰功率高达13TW，是世界上功率最强大的短脉冲γ射线模拟源，用于模拟核爆瞬时辐射对电子学和完整军事系统的效应。以上三台加速器对直线感应加速器强流和高峰功率技术的发展具有里程碑意义。

2）高平均功率技术

直线感应加速器发展初期，平均重复率通常在大约100Hz以下，这主要是由于脉冲功率系统所用的充气火花隙开关工作频率的限制。上世纪80年代发展的磁开关技术是高平均功率技术的重大进展，它使直线感应加速器的重复频率从大约100Hz一下跃升至几kHz。采用磁开关技术建成的ETA-II加速器输出的电子束不仅平均功率高达3MW，而且具有高峰功率（12GW）和好的束品质，用于产生高平均功率自由电子激光和微波的研究，以及后来的许多科学研究。

3）束品质控制技术

直线感应加速器的许多应用如闪光X光照相、高功率微波、自由电子激光、重离子聚变等，不仅要求强流和高功率，而且要求高的束品质，以满足束聚焦、提高转换效率等不同的要求。弱流情况下，没有空间电荷的影响，实现高束品质相对容易；但在强流高功率情况下，空间电荷非线性力的影响及不稳定性影响严重，经过长距离加速、输运后仍要保持高的束品质难度极大。束品质主要用束能散度，束发射度及束的稳定性来表征。束品质控制技术要解决的问题是如何实现要求的低能散度、低束发射度及抑制各种束不稳定性，这涉及解决一系列相关的物理和技术问题。大体从上世纪80年代后期开始，通过在高品质束源技术、宽平顶高电压产生技术、低横向耦合阻抗加速组元技术、低横向场分量螺线管线圈技术、高精度磁轴准直技术、束心智能调谐技术、束不稳定性抑制技术等关键技术上的相继突破，对强流电子束品质的控制技术逐渐走向成熟，取得明显效果。例如，1999年建成的DARHT-I加速器采用了一系列束品质控制技术，束品质显著提高，使X光焦斑直径（50%MTF）减小到约2 mm，这是同类加速器此前从未达到过的。但对重离子束品质的控制还很不成熟，由于重离子束始终是空间电荷占优的束，许多问题尚待解决。

4）固体开关调制器技术

固体开关调制器是使用固体开关的脉冲发生器。常用的半导体固体开关有场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。固体开关调制器的主要特点，首先是高重复频率，可达几MHz ；其次是产生的脉冲格式（包括脉冲数量、极性、组合方式、形状、幅度等）适应性强且精度高。目前已有不少固体开关调制器投入应用和研究工作，其中ARM-II是有代表性的一种，它可以2 MHz的重复率输出45kV、4.8kA的脉冲，且脉冲格式可以变化。

5）高频磁芯材料技术

加速组元能在几MHz的高重复频率下工作的关键是磁芯材料具有优良的高频特性，即要求磁芯材料在几MHz的高重复频率下仍有足够高的通量增量ΔB和每个脉冲激励期间较为固定的导磁率μ，且损耗又足够低。研究表明，微晶合金（Nanocrystalline alloy，商品名Finemet）和非晶金属玻璃在MHz下仍具有优良的特性，满足MHz重复频率加速组元的要求，已在实际中应用。

6）高梯度绝缘体（HGI）技术

高梯度绝缘体由多层薄绝缘体和薄导体交替紧密叠压构成，因此，高梯度绝缘体技术又称为微叠层绝缘技术。这种微叠层结构沿面有利于抑制发射电子的雪崩过程，因而具有比普通绝缘体优异的击穿特性，这已被实验证实。微叠层导体间隔距离即绝缘层厚度对击穿特性有显著影响，实验研究表明，随绝缘层厚度减小，击穿场强增加。图5的结果表明，高梯度绝缘体的表面击穿场强比普通绝缘体显著提高，在脉宽2ns到10μs范围，比普通绝缘体大致提高5~6倍；当脉宽为100ns时，高梯度绝缘体表面击穿场强约为350kV/cm（35MV/m），而普通绝缘体仅约为60kV/cm（6MV/m）。

7）新加速概念

（1）环形感应加速器（CIA）

固体开关调制器和磁芯材料几MHz重复频率的工作能力给加速组元循环加速创造了条件。所谓循环加速就是粒子束反复通过一个加速组元被加速。循环加速过程中，粒子束通过加速组元仍是沿直线被加速，但其往返运动轨迹可以是不封闭的螺旋线，也可以是封闭的环形。后一种方式可以实现反复多次的加速，效率高，造价低，但须有粒子束的注入及引出装置。显然，加速组元循环加速使直线感应加速器从直线变成了环形，叫做环形感应加速器，也称为感应循环加速器。美国马里兰大学已建成一台名为UMER的加速电子的环形感应加速器，周长11.5m。该加速器设计成低能（10keV）、强流（100mA），专门用于研究空间电荷占优束的物理学，为重离子加速器设计提供技术支持。目前，该加速器已投入使用，电子束已可运行3圈。

（2）感应同步加速器（IS）

感应同步加速器的概念是K.Takayama和J.Kishiro于1999年提出的。设想用感应组元替代射频同步加速器中的射频腔，从而显著增加质子束团的长度（脉宽）、占空比及束流强度。在射频同步加速器中，射频腔产生的射频电压脉冲兼有对束团加速和纵向约束两个作用，如图6（a）所示。但在感应同步加速器中，这两个作用是由两个感应组元分别实现的，如图6（b）所示。一个感应组元提供平顶电压脉冲加速束团，由于该脉冲可以做成很长，因此可以加速脉宽达μs范围纵向电荷密度均匀分布的长束团，这种长的束团称为超级束团；另一个感应组元提供双极性矩形电压脉冲分别施加到该超级束团的头部和尾部进行纵向约束，形成位垒相位稳定区。

感应同步加速器的原理性论证实验在KEK的12GeV质子同步加速器（12GeV PS）上进行。实验分为三个阶段，计划2007年完成。第一阶段论证质子束团的感应加速（500MeV至8GeV），而束团的纵向约束仍利用射频腔电压脉冲；第二阶段论证能量500MeV时，超级束团的形成；第三阶段论证超级束团的聚积和加速（500MeV至8GeV）。第一阶段论证实验布局如图7所示，在加速器主环（周长340m）上增加了感应加速系统，对射频束团进行加速。而主环上原有的射频腔经调整相位只对束团起纵向约束作用，不产生加速。目前，原理性论证实验已取得决定性进展，首先，在环形加速器上观测到质子（/束团）的感应加速，单个射频束团从500MeV被加速到8GeV，能量增益4.8keV/圈；其次，论证了长为600ns的质子束团的形成，该束团能捕集在由感应组元产生的双极性阶跃电压形成的位阱中。这些进展是实现感应同步加速器的关键里程碑。

（3）介质壁加速器（DWA）

介质壁加速器概念是在高梯度绝缘体技术发展的基础上提出的。普通直线感应加速器仅在加速间隙上有加速电场，加速梯度通常不超过1MV/m。介质壁加速器设想用高梯度绝缘体代替加速器的导电束管道，使加速场可以均匀地施加在整个加速器的长度上，以实现连续的加速场，因而可显著提高加速梯度。但为了给这种连续的加速场提供加速电压，沿整个加速器轴向长度必须要有大量的脉冲形成线。它们的输出端与高梯度绝缘体相连，实际上构成大量彼此相邻的无磁芯感应组元。介质壁加速器的优点，首先是加速梯度高，可超过20MV/m；其次，低阻抗结构具有产生数百kA束流的能力，但输运及绝缘体击穿施加的限制目前尚不清楚。介质壁加速器的脉冲形成线通常采用不对称的或对称的Blumlein脉冲形成线，提高脉冲形成线性能的关键是采用高比能介质和高性能的开关。利用介质壁加速器技术可以发展非常紧凑、价格低廉的短脉冲强流加速器。1

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所