加速器原理-第6章

1、加速器原理加速器原理教师：刘晓辉教师：刘晓辉成都理工大学成都理工大学核技术与自动化工程学院核技术与自动化工程学院第第6章章 直线加速器直线加速器l直线加速器是利用高频电场加速沿直线形轨道运动直线加速器是利用高频电场加速沿直线形轨道运动的带电粒子的谐振加速装置。的带电粒子的谐振加速装置。l直线谐振加速器分为驻波型和行波型两种。直线谐振加速器分为驻波型和行波型两种。第第1节节 工作原理工作原理1. 驻波直线加速器驻波直线加速器（1）谐振加速条件）谐振加速条件 在圆柱形加速腔筒的轴上，安置了一串圆柱形金在圆柱形加速腔筒的轴上，安置了一串圆柱形金属漂移管。奇数号漂移管与射频功率源的一极相联，属漂移管。

2、奇数号漂移管与射频功率源的一极相联，偶数号漂浮管与另一极相联，它们的电位极性正好相偶数号漂浮管与另一极相联，它们的电位极性正好相反。因此在相邻的漂移管的间隙里产生射频电场，这反。因此在相邻的漂移管的间隙里产生射频电场，这个电场在漂移管两个端口向管内渗入，但由于屏蔽作个电场在漂移管两个端口向管内渗入，但由于屏蔽作用管内深部无电场存在。用管内深部无电场存在。(z)coszEt)(z,Ezz 假定一个正离子在假定一个正离子在t=0时通过第时通过第1个间隙，这时间个间隙，这时间隙电场方向是隙电场方向是使使离了加速的，然后离子进入下一个漂离了加速的，然后离子进入下一个漂移移管。管。 轴轴上上各处电场不仅

3、随不同位置各处电场不仅随不同位置z变化，而且还随时变化，而且还随时间间t变化，但漂变化，但漂移移管的屏蔽作用使这离子并不受这变化管的屏蔽作用使这离子并不受这变化电场的作用。如电场的作用。如果离子果离子漂出漂漂出漂移移管进入第管进入第2个间个间隙时隙时t=Tr/2，cos(Tr/2)=-1，这时第这时第2个间隙处的电场个间隙处的电场Ez方向已变成和离子运动方向一致，即变成是加速的方向已变成和离子运动方向一致，即变成是加速的了。以后离子又通过下一个漂了。以后离子又通过下一个漂移移管达到第管达到第3个间隙个间隙。假假定又正好经过定又正好经过了了Tr/2，即这时，即这时t=Tr， cos(Tr)=1

4、，即这时第即这时第3个间隙处的电场正好个间隙处的电场正好还是还是加速加速场。场。由此可知，由此可知，这样继续下去，只要由这样继续下去，只要由一一个个间隙间隙至至下下一个间隙是经过一个间隙是经过Tr/2时间，即半个周期，那么以后在每个间隙处离子时间，即半个周期，那么以后在每个间隙处离子总是受到加速的，这就是所谓的谐振加速。总是受到加速的，这就是所谓的谐振加速。 要实现谐振加速度条件是根据每个间隙处离子的要实现谐振加速度条件是根据每个间隙处离子的速度速度v，合适地选取两相邻间隙之间的距离，合适地选取两相邻间隙之间的距离l(当间隙足当间隙足够窄时，此即近似为漂移管长度够窄时，此即近似为漂移管长度)，

5、使通过的时间为，使通过的时间为Tr/2，即满足，即满足这即是直线加速器的谐振加速条件。由此看出漂移管这即是直线加速器的谐振加速条件。由此看出漂移管长度应随粒子速度长度应随粒子速度v或或的增加而增长。的增加而增长。 如果离子的入射相位为如果离子的入射相位为，则离子一次加速度能，则离子一次加速度能量增益为：量增益为：22rTvlcTrcvcosaqeVW （2）相移动特点）相移动特点 当当 非同步粒子每通过加非同步粒子每通过加速间隙一次都能获得比同步粒子更多的能量，其运动速间隙一次都能获得比同步粒子更多的能量，其运动速度必将相应地大于同步粒子速度，飞越漂移管的时速度必将相应地大于同步粒子速度，飞越

6、漂移管的时间就比同步粒子所需的时间短，因而进入下一个加速间就比同步粒子所需的时间短，因而进入下一个加速间隙时的平均相位就要向左移动，而在回旋式加速器间隙时的平均相位就要向左移动，而在回旋式加速器中，速度大的粒子回旋周期变长，相位是向右移动的。中，速度大的粒子回旋周期变长，相位是向右移动的。同理，当同理，当 非同步粒子相位非同步粒子相位向右移动，远离相位向右移动，远离相位s 。 由此可知，驻波直线加速器的稳定平衡相位在由此可知，驻波直线加速器的稳定平衡相位在-/20之间，即之间，即-s ，而不是在，而不是在+s，因此所有被俘，因此所有被俘获的粒子都将逐渐在获的粒子都将逐渐在-s附近汇集。附近汇集

7、。 0)(1时，ss0)(-1时，和ss（3）电场横向分量的散焦作用及纠正措施）电场横向分量的散焦作用及纠正措施 根据根据“相位聚焦相位聚焦”原理，当加速相位为负值时，原理，当加速相位为负值时，粒子在间隙电场中将受到散焦作用。这样，相稳定性粒子在间隙电场中将受到散焦作用。这样，相稳定性就和束流聚焦之间存在矛盾。必须另外采取必要的措就和束流聚焦之间存在矛盾。必须另外采取必要的措施来保证束流的聚焦。施来保证束流的聚焦。 在早期，普遍采用在漂移管入口放置金属在早期，普遍采用在漂移管入口放置金属(钨钨)网网膜的办法，改变电场的分布形状，使有利于聚焦。但膜的办法，改变电场的分布形状，使有利于聚焦。但是，

8、放置网膜会导致束流的碰道损失，网膜本身寿命是，放置网膜会导致束流的碰道损失，网膜本身寿命也有一定限度。近年建造的驻波直线加速器，都采用也有一定限度。近年建造的驻波直线加速器，都采用安装在漂移管中的四极透镜来获得良好的聚焦效果。安装在漂移管中的四极透镜来获得良好的聚焦效果。2. 行波直线加速器行波直线加速器（1）加速原理）加速原理 在均匀的圆柱波在均匀的圆柱波导内输入微波功率，导内输入微波功率，终端接以匹配负载，终端接以匹配负载，可以激励起可以激励起TM001型型行波（右上角行波（右上角0表示表示圆波导，右下角第一圆波导，右下角第一个数字个数字0表示沿表示沿角方角方向均匀无变化，第二向均匀无变化

9、，第二个数字个数字1表示沿半径表示沿半径方向波节点数）。方向波节点数）。TM001型型波轴向电场分波轴向电场分量的数学表达式为：量的数学表达式为：式中：式中：Ea为轴心处轴向电场峰值；为轴心处轴向电场峰值； kz为沿为沿z轴单位距离轴单位距离上电波的相移；上电波的相移；g为为z轴上行波相邻两个峰或同相位点轴上行波相邻两个峰或同相位点之间的距离，也称导波波长；之间的距离，也称导波波长；J0（ kzr）为零阶贝塞尔）为零阶贝塞尔函数。函数。TM001型波是一种沿型波是一种沿z轴方向轴方向传送的行波，波速为：传送的行波，波速为：)cos()(0zktrkJEEzzzacgzk2rgzzzTkv 在电

10、磁波传送的同时，电磁波的能量和功率也随同在电磁波传送的同时，电磁波的能量和功率也随同传播，传播的方向与行波的行进方向是一致的，均为传播，传播的方向与行波的行进方向是一致的，均为z轴方向。轴方向。 沿沿z轴行进的电场，可以对入射的带电粒子进轴行进的电场，可以对入射的带电粒子进行加速。若入射时电场相位为行加速。若入射时电场相位为，则粒子随同行波每行，则粒子随同行波每行进进z距离，就可以获得相应的能量增量为：距离，就可以获得相应的能量增量为： zqeEWacos（2）同步加速条件）同步加速条件 如果能做到使波速与被加速粒子速度一致，就可以如果能做到使波速与被加速粒子速度一致，就可以用行波电场持续地对

11、粒子进行同步加速。为了使运动粒用行波电场持续地对粒子进行同步加速。为了使运动粒子能受到行波电场的同步加速，行波电场沿轴向的行进子能受到行波电场的同步加速，行波电场沿轴向的行进速度，应事先根据预定的加速相位速度，应事先根据预定的加速相位s和电场和电场Eacos s ，以及与此相应的粒子能量和速度的增长规律来设计。以及与此相应的粒子能量和速度的增长规律来设计。对于同步粒子，对于同步粒子，而粒子运动速率的变化规律为而粒子运动速率的变化规律为随着能量的增加随着能量的增加vs逐步趋于光速。逐步趋于光速。20220211cmmc2/12002/120)(1)(1Wcccvs 为了实现行波电场对粒子的同步加

12、速，就要求行为了实现行波电场对粒子的同步加速，就要求行波的轴向行进速度波的轴向行进速度vz随时与被加速的同步粒子速度随时与被加速的同步粒子速度vs保保持相等。即持相等。即式中：式中：Wi为粒子入射初始动能。为粒子入射初始动能。2/1200cos1zqeEWcvkvsaiszzz第第2节节 直线加速器的结构直线加速器的结构1. 离子直线加速器的组成离子直线加速器的组成（1）注入器注入器 通常是高压倍加器、单级静电加速器或申列静电通常是高压倍加器、单级静电加速器或申列静电加速器。它向直线加速器提供足够能量、流强和符合加速器。它向直线加速器提供足够能量、流强和符合品质要求的所需种类的离子束。品质要求

13、的所需种类的离子束。 （2）低能束流输运线）低能束流输运线 它将注入器输出的离子束注入到加速腔中，除装它将注入器输出的离子束注入到加速腔中，除装有静电或磁的聚焦装置、束流导向装置、聚束、切割有静电或磁的聚焦装置、束流导向装置、聚束、切割装置及束流测量与观测等装置外，有时还有束流偏转装置及束流测量与观测等装置外，有时还有束流偏转与分析装置。与分析装置。 （3）加速腔）加速腔 这是直线加速器的主体，这是直线加速器的主体，它将由高频功率源输入的能它将由高频功率源输入的能量有效地转换成适宜于离子量有效地转换成适宜于离子加速的高额电场。根据加速离子的种类、能量范围等加速的高额电场。根据加速离子的种类、能

14、量范围等的不同要求，发展了各种适用的加速器。的不同要求，发展了各种适用的加速器。 加速腔腔筒通常由低碳钢或不锈钢的钢加速腔腔筒通常由低碳钢或不锈钢的钢铜复合铜复合板做成，也可通过在钢板内壁上镀以较其趋肤深度厚板做成，也可通过在钢板内壁上镀以较其趋肤深度厚得多的紫铜，以减少高频功率的损耗。腔筒及加速结得多的紫铜，以减少高频功率的损耗。腔筒及加速结构均用水冷却。腔筒又是一个真空容器，它使加速结构均用水冷却。腔筒又是一个真空容器，它使加速结构及离子束都处在高真空中。加速腔中还有频率调谐构及离子束都处在高真空中。加速腔中还有频率调谐装置、高频功率馈送装置及高频信号提取等装置。装置、高频功率馈送装置及高

15、频信号提取等装置。（4）高频功率源）高频功率源 它向加速腔提供所需的高频功率。主要由高频机、它向加速腔提供所需的高频功率。主要由高频机、馈线、功率计及加速电场的幅值、相位与频率的稳定控馈线、功率计及加速电场的幅值、相位与频率的稳定控制系统组成。高频机是直线加速器的一个主要和贵重的制系统组成。高频机是直线加速器的一个主要和贵重的设备。它实际是一台高频的大功率放大器。由频率稳定设备。它实际是一台高频的大功率放大器。由频率稳定度高的晶体主振器输出的低电平信号，经低电平放大、度高的晶体主振器输出的低电平信号，经低电平放大、多级中间放大、驱动放大，最后驱动末级功率放大器。多级中间放大、驱动放大，最后驱动

16、末级功率放大器。末级功放管是高频机的关键器件，应根据输出功率和带末级功放管是高频机的关键器件，应根据输出功率和带宽的要求来选择。宽的要求来选择。 一台直线加速器的所有高频功率源，都以一个晶体一台直线加速器的所有高频功率源，都以一个晶体主振器的参考线作为相位的基准，以保持各加速腔及高主振器的参考线作为相位的基准，以保持各加速腔及高频部件间正确的相位关系。频部件间正确的相位关系。（5）真空系统）真空系统 它由分子泵、离子泵等真空机组及真空检测、控它由分子泵、离子泵等真空机组及真空检测、控制等装置组成，主要任务是在加速腔、束流输运管道制等装置组成，主要任务是在加速腔、束流输运管道等设备中建立及维持所

17、需的高真空。等设备中建立及维持所需的高真空。（6）聚焦透镜系统）聚焦透镜系统 它主要由磁四极透镜组、电源及其稳定与调节系它主要由磁四极透镜组、电源及其稳定与调节系统构成，以提供粒子束的横向聚焦。统构成，以提供粒子束的横向聚焦。 （7）水冷装置）水冷装置 用于冷却加速腔、高频机、磁铁线圈及其它发热用于冷却加速腔、高频机、磁铁线圈及其它发热部件。有的加速腔需要恒温以取得工作频率和加速电部件。有的加速腔需要恒温以取得工作频率和加速电场的稳定，这也是通过控制冷却水的水流量和温度达场的稳定，这也是通过控制冷却水的水流量和温度达到的。到的。 （8）束流检测系统）束流检测系统 它安装在束流输运管道各处，以测

18、员束流的流强、它安装在束流输运管道各处，以测员束流的流强、剖面、发射度、能散等。为调机和保证加速器的正确工剖面、发射度、能散等。为调机和保证加速器的正确工作状态提队根据。作状态提队根据。（9）控制系统）控制系统 它管理和控制加速器运行的各个步骤及保护装置，它管理和控制加速器运行的各个步骤及保护装置，并对以上加速器的各系统参量进行监测、显示及调整。并对以上加速器的各系统参量进行监测、显示及调整。控制系统的中枢是控制台，大多是计算机化的系统。控制系统的中枢是控制台，大多是计算机化的系统。（10）束流输出系统）束流输出系统 它的任务是将从加速腔出来的束流输运到实验工作它的任务是将从加速腔出来的束流输

19、运到实验工作区。主要由输运管道，偏转、分析磁铁、开关磁铁及聚区。主要由输运管道，偏转、分析磁铁、开关磁铁及聚焦、束测部件组成。焦、束测部件组成。 2. 电子直线加速器的组成电子直线加速器的组成（1）电子枪）电子枪 它提供加速用的电子束。通常阴极负高压为它提供加速用的电子束。通常阴极负高压为40120 kV，脉冲流强约几百，脉冲流强约几百mA，束流脉宽约，束流脉宽约13s，它的电子束品质应满足要求，并且要求电子枪有，它的电子束品质应满足要求，并且要求电子枪有较长的使用寿命。较长的使用寿命。 （2）低能束流输运线）低能束流输运线 它将从电子枪出来的电子束注入到加速波导中。它将从电子枪出来的电子束注

20、入到加速波导中。输运线上一般有束流导向、聚焦、测量及聚束等装置。输运线上一般有束流导向、聚焦、测量及聚束等装置。 （3）盘荷波导）盘荷波导 这是加速器的主体。行波电子直线加速器的盘荷这是加速器的主体。行波电子直线加速器的盘荷波导可分常阻抗和常梯度两种。前者将波导的阻抗设波导可分常阻抗和常梯度两种。前者将波导的阻抗设计得各处相同，后者则使波导上各处的加速场强不变。计得各处相同，后者则使波导上各处的加速场强不变。 现在加速波导几乎都用高导电无氧铜制造。由于现在加速波导几乎都用高导电无氧铜制造。由于电子直线加速器对加速波导的频率与相位特性提出的电子直线加速器对加速波导的频率与相位特性提出的精度要求很

21、高，因此对盘荷波导的加工精度及表面光精度要求很高，因此对盘荷波导的加工精度及表面光洁度等工艺的要求也非常之高。洁度等工艺的要求也非常之高。 （4）微波功率源与微波传输系统）微波功率源与微波传输系统 行波电子直线加速器的工作频率大部分在行波电子直线加速器的工作频率大部分在S波段波段（3000 MHz），少量的在），少量的在L波段（波段（1300 MHz）、）、X波段（波段（9000MHz）和）和C波段（波段（6000MHz），微），微波功率源提供在这些波段建立加速电场所需的微波功波功率源提供在这些波段建立加速电场所需的微波功率。它主要有速调管和磁控管两种。速调管是利用速度率。它主要有速调管和磁控

22、管两种。速调管是利用速度调制原理制成的一种高功率射频放大器，它的稳定性调制原理制成的一种高功率射频放大器，它的稳定性好，输出功率高、工作寿命长，平均都在好，输出功率高、工作寿命长，平均都在17000 h。但。但效率一般仅效率一般仅40左右。磁控管是一个自激振荡器。它的左右。磁控管是一个自激振荡器。它的设备简单，效率可达设备简单，效率可达5060，但它的功率和频率的，但它的功率和频率的稳定性差，而且功率较小，因此它通常用作小型低能电稳定性差，而且功率较小，因此它通常用作小型低能电子直线加速器的功率源。子直线加速器的功率源。 要将微波功率传输到加速波导还要求有微波传输系要将微波功率传输到加速波导还要求有微波传输系统。它包括隔离器、精合器、真空窗、吸收负载等微波统。它包括隔离器、精合器、真空窗、吸收负载等微波元件。这些部件应能承受额定功和驻波比小。元件。这些部件应能承受额定功和驻波比小。（5）真空系统）真空系统 它一般由钛离子泵机组及真空检测、控制等装置组它一般由钛离子泵机组及真空检测、控制等装置组成。以建立和维持加速波导、束流输运管道及部件中的成。以建立和维持加速波导、束流输运管道及部件中的高真空，加速波导中真空度一般应忧于高真空，加速波导中真空度一般应忧于1.310-3Pa6.710