四極直線加速器

四極直線加速器是一種新型的高頻四極透鏡加速器。這是一種低能強流直線加速器。它可以把初始能量僅10千電子伏/核子的連續離子流，在不大的距離（幾米或稍長）上，聚束、聚焦並加速到能量為1～2兆電子伏/核子。

基本介紹

• 中文名：四極直線加速器
• 外文名：Quadrupole linac
• 套用學科：能源工程
• 範疇：工程技術

概述

套用沿直線軌道分布的高頻電磁場加速電子、質子和重離子的裝置。E.維德羅於1928年提出了加速原理，構想沿一直線排列很多互相絕緣的金屬圓管，相鄰管分別接在一個高頻電源的兩極，利用管間隙中產生的電場加速帶電粒子。粒子獲得的能量同管間的電壓和間隙數成比例，因此有可能在電壓不高而間隙數較多的情況下把帶電粒子加速到高能。為了加速電子以及提高加速效率，必須提高工作效率，於是逐步發展了波導和諧振腔等近代直線加速器普遍採用的加速結構，而維德羅式的加速結構目前仍用在重離子加速的低能部分。

直線加速器有許多非常吸引人的特點。加速過程中，帶電粒子在柱形加速腔的軸線附近，基本上沿直線運動。因此，粒子的注入和引出都容易，傳輸效率高，有可能保持高的束流強度和品質。特別是加速電子時，因輻射損失很小，它是目前把電子加速到高能的最合適的加速器類型。為使加速器具有適當的長度，軸上加速電場的幅值一般要求在幾兆伏/米以上；這就要求很大的微波功率，因此每單位能量所需的造價和運轉維護費用比其他類型的加速器高。一些近代的直線加速器，採用了超導技術，已使運轉費用大大降低。

工作原理

在圓柱形金屬空管(波導)內輸入微波能量，可以激勵出各種模式的電磁波，其中一種模式有一個較大的沿軸線方向的電場分量，可用來加速帶電粒子。如果保持波的相速同粒子速度相等，那末在電場的適當相位處注入的粒子就可一直被加速下去。可是，一般空腔波導中波的相速度是大於光速的，為了加速帶電粒子，必須把相速降低到合適的值與被加速粒子同步，為此在波導中加上適當的負載使之成為慢波結構。例如按一定間隔裝置帶圓孔的膜片，形成所謂金屬盤荷波導（圖1），它適用於加速電子。電子同離子的質量相差很大，在幾兆電子伏的能量時，電子的速度就十分接近光速，而質子速度只有光速的百分之幾，重離子的速度則更低，因此對於不同的粒子，要求相速度減小的程度很不相同。為了適應對離子的加速，通常採用帶漂移管(加速電場集中在兩管之間的氣隙內)的諧振腔（圖2）或相速較低的螺旋線諧振腔（圖3）等加速結構。

圖1

圖2

圖3

直線加速器的加速電場有行波和駐波兩種類型。大部分電子直線加速器，以行波方式進行加速，採用盤荷波導加速結構。要求行波的相速隨電子能量的增加而提高，這靠改變波導中膜片的相對位置和圓孔直徑來實現。離子直線加速器一般使用駐波加速方式，採用諧振腔加速結構。在帶漂移管的諧振腔中，當軸上電場方向同加速要求不符合時，粒子恰好處在管內而不受電場的影響自由漂移；當粒子越過間隙時，恰好又在電場的加速相位而增加能量。隨著粒子速度的增加，漂移管長度相應增大，使粒子在到達間隙時總處在加速相位，保證加速不斷地進行下去。不帶漂移管的諧振腔，如螺旋線諧振腔，加速原理與行波加速相類似，其中反射波的作用是使粒子加速和減速交替出現，平均效果等於零。

分類

電子直線加速器

電子從電子槍（產生足夠強且聚焦良好的電子流的部件）發射，經幾十千伏或更高的電壓的預加速，並經聚束器群聚以後，注入直線加速器主體。為保證電子在橫向不散失，通常靠螺旋管等聚焦元件產生的磁場來控制它的橫向運動。在加速器的開始部分，電子速度變化比較大，要適當選擇結構的尺寸，以保證電磁波的相速度同電子速度相匹配。這時，自動穩相作用顯著，相振盪振幅逐漸衰減，電子進一步聚合，變成短脈衝。當電子具有幾兆電子伏的能量以後，速度就同光速十分接近。此後，電子可以進入相速等於光速的均勻波導繼續加速。

在軸向電場相等的情況下，波導中每單位長度的損耗同高頻波長的二次方根成正比，因此，在可能條件下要求頻率高一些。但是，當波長減小的時候，結構的直徑和束流的孔徑都要相應地減小，這會限制束流的通導能力。根據適當的束孔徑和高頻功率要求，頻率一般選在 3000MHz左右。例如美國的大部分電子直線加速器選用的頻率是2856MHz。

微波功率源一般採用速調管。一支標準的速調管，具有20MW的輸出功率，可以使一個 3米長的波導，激起10MV/m的軸向電場。

由於功率要求很高，加速器通常不能連續運轉。電子脈衝長度，一般介於0.01～5μs之間，重複頻率為50～1000Hz。 通常稱束流脈衝長度同重複率的乘積為束流負載周期。一般電子直線加速器的負載周期很小。而採用超導技術，由於高頻功率大幅度下降，負載周期可以很大，甚至達到100%。

能量低於100MeV的電子直線加速器，束流脈衝的峰值有幾百毫安，是很好的電子及γ射線源，廣泛套用於醫療、探傷、輻射化學以及輻照加工等方面。中國的低能電子直線加速器，自1964年中國科學院高能物理所建立第一台30兆電子伏電子直線加速器以來，已有相當的發展。

高能電子直線加速器主要用於基本粒子的研究工作。美國斯坦福直線加速器中心 1966年建成一台3050m長的電子直線加速器，採用245個速調管做微波電源，電子能量高達22GeV，脈衝電子流強約80mA，平均流強。

電子直線加速器的另一個發展方向是產生數百毫安直到十幾安或更高的強流脈衝電子流，或強γ射線和快中子等次級粒子流，以滿足如中子物理、輻射化學、輻射生物學以及其他研究工作的需要。一般的行波電子直線加速器的流強不能很大，很難超過1安。在強流時，需改用頻率較低、體積較大的諧振腔加速結構，採用駐波加速方式。強流加速器的主要困難是，電子在加速過程中從電場帶走較多的能量，改變了原來電場的分布，使後來電子的能量增益下降，這稱為束流負載效應；特別是當電子流太強時，電子相互間排斥力很大，引起束流的發散和不穩定性。在加速過程中，可以觀察到強度短脈衝束的崩潰現象當束流增強並超過某限值時，束脈衝不規則地縮短，並隨流強的增加，越發明顯起來。這是由於加速場中的一些有害成分同強束流的相互作用的結果。通過對加速器參量的仔細選擇，設法消除電場的有害模式，是獲得強流的重要條件。

質子直線加速器

用高壓倍加器或靜電加速器把質子加速到足夠的能量，並經聚束器把連續的質子束聚合成脈衝束團，然後進入加速器主體。能量為兆電子伏量級的質子速度很低，僅為光速的百分之幾（1MeV時約為4.6%）。此時加速電場分量隨半徑迅速增大，並近似地同頻率二次方成正比。而在大半徑處由於電極之間擊穿場強的限制，使得工作頻率不能取得太高。大部分質子直線加速器的頻率選為200MHz，與此相應的諧振腔直徑約為90cm。加速場強的平均值一般取2～3MV/m，腔的高頻功率要求為幾百千瓦/米的量級。

為保證粒子縱向加速運動的穩定性，漂移管長度要隨粒子能量而增加，使粒子進入間隙的時刻，電場總處於上升狀態。同步粒子處在離波峰 20°～30° 的相位上（相位愈大，加速器可以接收愈多的粒子，但經受的加速場愈小，因而加速效率愈低）。這樣，超前（或落後）的粒子將獲得較小（或較大）的加速，使它們能保持在同步粒子的周圍，獲得相同的平均能量增益。但此時粒子的橫運動是不穩定的，因為在間隙的前一半，粒子受到橫向聚焦力的作用，在後一半則受到橫向散焦力的作用，由於電場處於上升狀態，散焦作用較大，因此淨效應是散焦的。克服的方法之一是在每個漂移管的入口處裝上金屬柵網，以減弱或消除散焦場，但這會擋掉一部分束流。另一個方法是使用磁四極透鏡等元件來控制束流的橫向運動。

由於高頻功率水平高，質子直線加速器的負載周期也是很低的。腔的建場時間約需200μs，脈衝長度選為幾百微秒，負載周期很少超過1%。

最早建造（1951）的是美國伯克利的勞倫斯輻射實驗室的32MeV質子直線加速器：工作頻率200MHz.腔直徑約1m，平均加速電場2.5MV/m。加速器總長約12米，注入端漂移管直徑約12cm，依次逐漸縮小，最後一個管徑約7cm，高頻電源功率2.1MW，諧振器品質因數約7×10，脈衝長度約400μs，重複率15Hz，平均流強0.4A，束直徑約1cm，以4MV靜電加速器作注入器。美國洛斯阿拉莫斯科學實驗室的質子直線加速器（1972年運轉）能量達800MeV，束流超過100mA，脈衝長度150μs～1ms，負載周期1%或略小，它主要用於科研工作（介子工廠）。其他質子直線加速器大多用作質子同步加速器的注入器。

重離子直線加速器

對於C、N、O、S、Ar、Kr甚至U這樣重元素的離子，能夠用類似質子直線加速器的結構進行加速，只是工作頻率更低，一般在27～150MHz的範圍。在直線加速器中，離子的能量增益同離子的荷質比成正比。普通離子源產生的重離子，荷質比隨質量的增加迅速降低。為達到給定的能量，離子越重，就需要越大的有效加速電壓，因此加速器的規模也越大。為此，一方面需要發展極高電荷態的重離子源（見離子源），另一方面則廣泛採用固體或氣體電子剝離器（見原子的剝離），升高荷質比，以提高加速效率。通常，離子的注入能量為幾百千電子伏/核子，加速到約1兆電子伏/核子的能量時，進行電子剝離，然後進入加速器的後一部分加速至約10兆電子伏/核子的能量。例如，目前已運行的能一直加速到鈾離子的直線加速器有：美國伯克利勞倫斯輻射實驗室的超級重離子直線加速器和聯邦德國國立重離子研究所（GSI）的全粒子直線加速器。它們的主體部分都採用質子直線加速器中通用的阿耳瓦雷茨諧振腔。重離子流強可達1012～1014s，粒子能量可以在一定範圍內連續改變。

一些更有效的重離子加速結構，例如柱形螺旋線、平面螺旋線和分離環等諧振腔加速結構， 目前正在試驗和發展中。同老式的阿耳瓦雷茨腔比較，它們的橫向尺寸較小，公差要求較松，便於作成很短的腔（加速器由許多短腔串接而成）以及採用超導技術等。採用短腔和獨立相技術（每個短腔單獨供電並獨立地控制相位），若注入束流又是很短的脈衝，則可以加速質量範圍很寬的重離子，能量連續可變，同時保持極好的束品質。而超導諧振腔的採用，可以大大降低高頻功耗和提高加速電場強度。近幾年來，一種新型的高頻四極透鏡加速器正在發展中。這是一種低能強流直線加速器。它可以把初始能量僅10千電子伏/核子的連續離子流，在不大的距離（幾米或稍長）上，聚束、聚焦並加速到能量為1～2兆電子伏/核子。它可以作為強流重離子加速器的注入器。隨著新的加速結構的發展和套用，重離子直線加速器將成為一個有力的研究工具，為重離子核物理、核化學、製造超鈾元素以及用重離子束引發熱核反應等工作開闢廣闊的前景。