世界上第一台直線感應加速器ASTRON-I由N.Christofilos發明，並於1963年在美國勞倫斯利 弗莫爾實驗室（LLNL）建成。該加速器可提供束流350A、能量4MeV、脈寬300ns及重複率100Hz的脈衝電子束，用於約束電漿，並在後續實驗中用於研究電子束通過大氣傳輸的可行性，遠期目標是創造粒子束武器。
基本介紹
- 中文名：直線感應加速器
- 感應：直線感應
- 國家：美國
- 第一台：ASTRON-I
- 發明者：N.Christofilos
- 時間：1963年
發展歷程,工作原理,主要技術,套用範圍,
發展歷程
之後，美國又陸續研製了用於加速質子的ERA加速器（4MeV、1kA、45ns）；用於自由電子雷射（FEL）研究的ETA加速器（5MeV、10kA、60ns、1kHz猝發）、ATA加速器（50MeV、10kA、70ns、1kHz猝發）和高平均功率的ETA-II加速器（6MeV、2kA、70ns、5kHz準連續），同時，ETA和ATA加速器還用於帶電粒子束通過大氣傳輸的研究。
1982年，勞倫斯利弗莫爾實驗室研製了用於核武器流體動力學試驗閃光X光照相的FXR加速器（20MeV、2~4kA、60ns），這是直線感應加速器首次用於閃光X光照相。1990年代，隨著全面禁核試時代的到來，為了在全面禁核試後繼續保持核武器研究和發展能力，各核國家紛紛花大力氣提高自已的閃光X光照相能力。美國能源部決定建造雙軸閃光X光照相流體動力學試驗設施（DARHT），並計畫建造先進流體動力學試驗設施（AHF）。DARHT裝置由兩台軸線互成90°的20MeV直線感應加速器DARHT-I和DARHT-II組成，前者是一台脈寬為60ns的短脈衝加速器，一次只能獲得某一時刻的X光照片；後者則是一台脈寬為2μs的長脈衝加速器，通過踢束器能產生4個脈寬為（20~60）ns的脈衝，一次能獲得4個不同時刻的X光照片。AHF是一台具有多角度、多時刻閃光光照相能力的直線感應加速器。DARHT-I加速器已於1999年在洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）建成。DARHT-II加速器因技術問題完成時間推遲，仍在建造之中。除大力發展加速電子的直線感應加速器外，從1970年代起，美國開始陸續建造加速重離子的小型實驗加速器，用於研究直線感應加速器驅動的重離子聚變。
前蘇聯發展直線感應加速器起步比美國稍晚。1967年在實驗物理研究院（VNIIEF）建成第一台無鐵芯的直線感應 加速器（2MeV、2kA、40ns），之後利用徑向線加速原理分別於1977年和1989年建造了LIU-10加速器（14MeV、50kA、20ns）和LIU-30加速器（40MeV、100kA、20ns），用於模擬核爆的強軔致輻射源和強中子源。另外，湯姆斯克理工大學於1981年研製成功重複頻率的直線感應加速器LIU2/3（2MeV、3kA、70ns、10Hz），用於自由電子雷射研究。此後又陸續研製了一批用於高功率微波研究的重複頻率直線感應加速器。
法國原子能委員會核武器研究中心，從1988年開始直線感應加速器研究發展計畫。首先建成了用於自由電子雷射研究的LELIA加速器（2.5MeV、1kA、50ns），之後又研製了PIVAIR加速器（8MeV、3.5kA、60ns）。全面禁核試後，法國亦斥巨資研製與DARHT-I基本相同的直線感應加速器AIRIX（注入器從美國購買），以全面提高閃光X光照相能力，該加速器已於1999年底建成。
英國原子武器機構（AWE）計畫建造3台14MV感應疊加型的直線感應加速器，以構成多角度閃光X光照相，預計2010年運行。
1990年，日本原子能研究所（JAERI）、高能物理所（KEK）及大坂大學雷射工程研究所先後建成用於自由電子雷射研究的直線感應加速器。1996年，日本長崗技術大學建造了直線感應加速器ETIGO-III（8MeV、5kA、30ns），用於X光、高功率微波和煙氣脫硫等研究。
德國卡爾斯魯厄核物理研究中心在美國的幫助下，於1993年建造了基於感應疊加的直線感應加速器KALIF-HELIA（6MeV、360kA、50ns），用於強流輕離子束與物質相互作用、X光雷射泵浦和慣性約束聚變等研究。直線感應
中國的直線感應加速器研究始於1982年，走自主創新的發展道路，取得了一系列的成果。1989年研製成功中國首台1.5MeV直線感應加速器；1991年建成3.3MeV加速器（3.3MeV、2kA、60ns），用於曙光一號自由電子雷射研究，最大輸出功率達140MW，為當時亞洲同類實驗的最好結果；1993年建成中國首台用於閃光X光照相的10MeV直線感應加速器（10MeV、2.3kA、60ns），1995年該機升級為12MeV；幾年前自主研製成功“神龍一號”直線感應加速器（18~20MeV、2.5kA、60ns），“神龍一號”加速器總體性能達到國際先進水平。
工作原理
直線感應加速器主要由注入器、加速組元系統、脈衝功率系統、束輸運系統、測控系統及輔助系統（包括真空、 絕緣油、絕緣氣體及去離子水等）組成。其中，注入器是加速器的前級，作用是產生高品質強流粒子束並注入由加速組元串接構成的加速段加速。脈衝功率系統是加速器的脈衝發生器，它按設定時序給每一個加速組元輸入高電壓脈衝，在加速間隙上形成加速電壓。束輸運系統的作用是保證強流粒子束從產生到加速直至輸出的整個過程不致發散，使束流損失、束截面大小等參數及束不穩定性控制在設定範圍內。直線感應加速器的束輸運系統最顯著的特徵是具有輸運強流粒子束的能力，通常採用連續的螺線管輸運磁場或四極子輸運場（磁的或電的），具體選擇何種輸運場取決於輸運粒子種類（電子、輕離子或重離子）、粒子能量及粒子束流強度。當採用螺線管輸運磁場時，通常將螺線管線圈放在加速組元內。測控系統的作用是使加速器各部件按正常的時序和參數可靠的工作，並監測相關工作參數以判斷加速器是否正常工作。直線感應加速器利用經典的電磁感應原理工作，即利用磁通量的變化產生感生電動勢來加速帶電粒子。用隨時間變化的磁場產生的電場加速帶電粒子的思想早在上世紀20年代就已提出，並在1941年研製成功第一台圓形軌道加速器，即現在人們熟知的電子感應加速器（Betatron）。在這種加速器中，電子是被隨時間變化的磁場在與其垂直的平面內感生的圓形渦旋電場加速的，故運動軌道為圓形。直線感應加速器與電子感應加速器不同，帶電粒子沿直線被加速，為此直線感應加速器採用了感應組元（或加速組元）結構。感應組元可以簡單地看成為一個1:1的脈衝變壓器。環繞圓環狀磁芯有兩個迴路，其中與脈衝發生器相連的迴路是初級，而包含粒子束流和加速間隙的迴路是次級。當脈衝發生器產生的脈衝電壓輸入初級迴路時，使磁芯產生磁通量的變化，因而在次級迴路的加速間隙上產生感應電壓，加速間隙區域形成軸對稱的軸向感應電場，當帶電粒子此時通過，就能得到沿軸向的加速。設帶電粒子電荷量為q，加速間隙的感應電壓即加速電壓為Vc，則該帶電粒子通過加速間隙加速獲得的能量為qVc。
另一種產生加速電壓的方法是採用無磁芯的感應組元。這種組元工作時，雖然磁通密度B不變化，但B所占的面積發生變化，同樣導致磁通量的變化，因而感應產生加速電壓。無磁芯感應組元基本上是一個徑向傳輸線或軸向傳輸線。
直線感應加速器由一個感應組元或多個感應組元軸向串接組成，這種“積木式”結構不僅使直線感應加速器結構簡單，且便於粒子束能量的調整及粒子束的注入與引出。通常，由有磁芯感應組元構成的加速器稱為芯型直線感應加速器，而由無磁芯感應組元構成的則稱為線型直線感應加速器。
感應組元本身是一個感應電壓源，當用金屬導體代替粒子束流將N個感應組元軸向串聯起來時，可將這N個組元的電壓感應疊加形成N倍高的電壓，稱為感應電壓疊加器（IVA）。感應電壓疊加器產生的高電壓可用於產生粒子束或提供給負載，它本身就是一台加速器，也常作為直線感應加速器的前級（注入器），為其提供粒子束源。通常，感應電壓疊加器也看成是一種直線感應加速器。
主要技術
直線感應加速器40餘年的發展進程中，套用需求始終推動著直線感應加速器技術不斷發展和創新。前20年，主要側重發展強流和高峰功率技術；20世紀80年代開始，發展高平均功率技術和束品質控制技術；90年代以後，主要發展MHz重複頻率能力的固體開關調製器技術和高頻磁芯材料技術，以及高梯度絕緣體技術，並促進了概念創新，出現了環形直線感應加速器、感應同步加速器和介質壁加速器等新概念直線感應加速器。下面分別進行介紹。
1、強流和高峰功率技術 提高流強和峰功率涉及高功率脈衝功率技術、加速組元、強流束輸運、強粒子束源等眾多技術的提高和創新。主要經過前20年的發展，流強和峰功率得到了大幅的提升。例如，美國ATA加速器的電子束流強達10kA，峰功率達500GW，平均功率也達1MW，滿足了當時自由電子雷射研究和帶電粒子束在大氣中傳輸研究的需要。又如，前蘇聯的徑向傳輸線型LIU-30加速器的電子束流強高達100kA，峰功率高達4TW，用於核武器效應模擬。還有，美國的感應疊加器型HERMES-III加速器（19MeV、700kA、28ns）的電子束流強高達700kA，峰功率高達13TW，是世界上功率最強大的短脈衝γ射線模擬源，用於模擬核爆瞬時輻射對電子學和完整軍事系統的效應。以上三台加速器對直線感應加速器強流和高峰功率技術的發展具有里程碑意義。 2、高平均功率技術
直線感應加速器發展初期，平均重複率通常在大約100Hz以下，這主要是由於脈衝功率系統所用的充氣火花隙開關工作頻率的限制。上世紀80年代發展的磁開關技術是高平均功率技術的重大進展，它使直線感應加速器的重複頻率從大約100Hz一下躍升至幾kHz。採用磁開關技術建成的ETA-II加速器輸出的電子束不僅平均功率高達3MW，而且具有高峰功率（12GW）和好的束品質，用於產生高平均功率自由電子雷射和微波的研究，以及後來的許多科學研究。
3、束品質控制技術
直線感應加速器的許多套用如閃光X光照相、高功率微波、自由電子雷射、重離子聚變等，不僅要求強流和高功率，而且要求高的束品質，以滿足束聚焦、提高轉換效率等不同的要求。弱流情況下，沒有空間電荷的影響，實現高束品質相對容易；但在強流高功率情況下，空間電荷非線性力的影響及不穩定性影響嚴重，經過長距離加速、輸運後仍要保持高的束品質難度極大。束品質主要用束能散度，束髮射度及束的穩定性來表征。束品質控制技術要解決的問題是如何實現要求的低能散度、低束髮射度及抑制各種束不穩定性，這涉及解決一系列相關的物理和技術問題。大體從20世紀80年代後期開始，通過在高品質束源技術、寬平頂高電壓產生技術、低橫向耦合阻抗加速組元技術、低橫向場分量螺線管線圈技術、高精度磁軸準直技術、束心智慧型調諧技術、束不穩定性抑制技術等關鍵技術上的相繼突破，對強流電子束品質的控制技術逐漸走向成熟，取得明顯效果。例如，1999年建成的DARHT-I加速器採用了一系列束品質控制技術，束品質顯著提高，使X光焦斑直徑（50%MTF）減小到約2mm，這是同類加速器此前從未達到過的。但對重離子束品質的控制還很不成熟，由於重離子束始終是空間電荷占優的束，許多問題尚待解決。
4、固體開關調製器技術
固體開關調製器是使用固體開關的脈衝發生器。常用的半導體固體開關有場效應管（MOSFET）和絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）。固體開關調製器的主要特點，首先是高重複頻率，可達幾MHz；其次是產生的脈衝格式（包括脈衝數量、極性、組合方式、形狀、幅度等）適應性強且精度高。目前已有不少固體開關調製器投入套用和研究工作，其中ARM-II是有代表性的一種，它可以2MHz的重複率輸出45kV、4.8kA的脈衝，且脈衝格式可以變化。
5、高頻磁芯材料技術
加速組元能在幾MHz的高重複頻率下工作的關鍵是磁芯材料具有優良的高頻特性，即要求磁芯材料在幾MHz的高重複頻率下仍有足夠高的通量增量ΔB和每個脈衝激勵期間較為固定的導磁率μ，且損耗又足夠低。研究表明，微晶合金（Nanocrystallinealloy，商品名Finemet）和非晶金屬玻璃在MHz下仍具有優良的特性，滿足MHz重複頻率加速組元的要求，已在實際中套用。
6、高梯度絕緣體（HGI）技術
高梯度絕緣體由多層薄絕緣體和薄導體交替緊密疊壓構成，因此，高梯度絕緣體技術又稱為微疊層絕緣技術。這種微疊層結構沿面有利於抑制發射電子的雪崩過程，因而具有比普通絕緣體優異的擊穿特性，這已被實驗證實。微疊層導體間隔距離即絕緣層厚度對擊穿特性有顯著影響，實驗研究表明，隨絕緣層厚度減小，擊穿場強增加。圖5的結果表明，高梯度絕緣體的表面擊穿場強比普通絕緣體顯著提高，在脈寬2ns到10μs範圍，比普通絕緣體大致提高5~6倍；當脈寬為100ns時，高梯度絕緣體表面擊穿場強約為350kV/cm（35MV/m），而普通絕緣體僅約為60kV/cm（6MV/m）。
套用範圍
直線感應加速器已廣泛套用於科學研究、國防領域和國民經濟領域，這裡介紹幾種主要的套用，包括閃光X光照相、高功率微波和自由電子雷射、重離子聚變，以及在高能物理和能源科學的可能套用。
1、閃光X光照相
閃光X光照相是直線感應加速器的一種主要套用。閃光X光照相是利用強的脈衝X光對高速運動物體某一時刻的運動狀態進行透視照相，如果X光的脈衝寬很短，則可以獲得高速運動物體該時刻的準靜態X光透視圖像，與人體X光透視的原理完全一樣。閃光X光照相作為最重要的診斷手段用於核武器初級的流體動力學試驗始於美國的曼哈頓計畫，即第一顆核子彈研製期間。所謂流體動力學試驗就是使用裂變替代材料（如鎢）的核武器初級模型的內爆試驗，由於在高能炸藥產生的高溫和高壓下，金屬和其他材料象流體一樣流動，故稱之為流體動力學試驗。利用這種試驗可以研究核武器初級從內爆壓縮到裂變反應臨界點之前的全過程的物理學現象，校驗模擬計算程式，以及評估材料的老化效應和新製造的部件等。加速器按指定時刻輸出的電子束脈衝經聚焦透鏡聚焦到高原子序數靶（鉭或鎢）上，通過韌致輻射產生脈衝X光對內爆中的模型進行透視，透射出的X光最終在圖像探測器上成像，從而獲得該時刻模型的內爆圖像。為了防止加速器和圖像探測器被模型內爆產物破壞，可採取保護措施或在爆炸容器內進行試驗。 實現高解析度照相，要求X光焦斑直徑（50%MTF）小到2mm左右。實現這種小X光焦斑要求直線感應加速器輸出的2~3kA的強流電子束具有極好的束品質和優良的聚焦系統，這是十分困難的。從1963年投入使用的新一代閃光X光機PHERMEX（射頻直線駐波加速器）算起，到1999年建成DARHT-I（直線感應加速器），美國經過了36年才實現了大型閃光X光機X光焦斑直徑（50%MTF）2mm的要求。
2、重離子聚變
重離子聚變的最終目標是要在10ns內將能量為幾MJ且動能為幾GeV的重離子束聚焦到靶上，以實現靶的聚變點火。美國的重離子聚變計畫選擇多束直線感應加速器作為重離子聚變的驅動器，有代表性的驅動器主線設計，如圖10所示。注入器產生大約100束約200amu（原子質量單位）的重子離束，然後輸入一台約3GeV的多束直線感應加速器被同時並行加速（每一束都有自己的交變梯度四極子聚焦通道）；出加速器後，這些束在漂移壓縮段被縱向壓縮，再經末級聚焦和中性化進入靶腔，在其內傳輸到靶。近兩年，又提出了一種新的積木式驅動器概念。用大約20台螺線管線圈聚焦的能量較低（約200MeV）的直線感應加速器代替多束直線感應加速器作為驅動器，其構想如圖11所示。該方案採用最終能量200MeV、束流約170kA（每束）的氖離子（Ne+，20amu）。多年來，對驅動器開展了大量的研究,在多束強流重離子源和注入器、強流重離子束的加速和傳輸，以及重離子束的中性化漂移壓縮和聚焦等方面取得了重要進展。研究表明，採用中性化漂移壓縮和聚焦技術,積木式驅動器能滿足靶的聚焦要求，其造價具有競爭力，並提供一條有吸引力的發展慣性聚變能的途徑;多束直線感應加速器驅動器的加速器能量、長度和造價也能降低。目前和今後的一個新研究重點是探索中性化束壓縮和聚焦到極高強度的物理學,已計畫一系列3個實驗：10倍縱向壓縮（2006年）；100倍壓縮和1eV靶能力（2009年）；10eV靶能力（2014年）。美國政府已強調增加重離子束對高能密度物理研究的近期套用，計畫目標是在5年內用MeV級的重離子束將等體積的靶加熱到大於1eV。在分解實驗的基礎上，已經計畫了集成束實驗（IBX）和集成研究實驗（IRE）。集成束實驗可能是相當低能（約6~10MeV）的單束實驗，其設計可能包括和試驗兩種驅動器的部件。而集成研究實驗會將驅動器規模束加速到幾百MeV,該實驗建設之前會對這兩種驅動器作出選擇。
3、高功率微波和自由電子雷射
直線感應加速器產生微波的一個重要套用是構想作為高能正負電子直線對撞機的功率源，即相對論束調管雙束加速器（RK-TBA）方案。這種方案用直線感應加速器加速強流、低能量的驅動束,並在大部分束線維持10MeV能量。同時採用類似速調管的結構從驅動束引出頻率為11.4GHz的射頻功率，然後送到對撞機的高梯度加速結構上去加速另一束低電流束達到高能量，據估算，一台加速梯度50~200MeV/m（工作頻率11.4MHz~30MHz）、能量1~5TeV的直線對撞機對驅動束的要求是：束流約1kA，加速梯度0.3MeV/m，脈寬50—200ns，始終維持束能量10MeV，以及重複頻率約180Hz。
這些指標對直線感應加速器來說非常普通。這種方案的主要技術挑戰是強流束的長距離傳輸。經過多年的理論和實驗工作，已取得重要結果，對該方案的基礎技術層面的論證已完成。
4.在高能物理和能源科學的可能套用
（1）超級束團強子對撞機
這是具有超級束團能力的感應同步加速器典型的套用。在超級束團強子對撞機中，超級質子束團在對撞機環上的占空比可高達20%-30%，而普通強子對撞機僅3%-4%，因此，超級束團強子對撞機的亮度可比普通強子對撞機提高大約20倍，亮度達到約。據估算，一台設計能量2×31TeV、亮度的超級束團強子對撞機，要求感應加速組元產生總電壓約3MV、脈寬0.5μs、重複頻率90kHz的加速電壓；用於縱向脈衝約束的感應組元需要產生約100kV短電壓脈衝。這是直線感應加速器技術可以實現的。
