能量回收型直线加速器ERL

1、能量回收型直线加速器ERL能量回收型直线加速器能量回收型直线加速器( Energy Recovery Linacs, 简简称称ERL) , 是一种新型的、发展中的加速器是一种新型的、发展中的加速器,它具有直线加它具有直线加速器的优质束流性能速器的优质束流性能, 具有接近环型加速器的高效率。具有接近环型加速器的高效率。同时它也是将超导加速器和储存环的优点结合起来的一同时它也是将超导加速器和储存环的优点结合起来的一种装置种装置, 主要用于产生高平均功率的自由电子激光。已主要用于产生高平均功率的自由电子激光。已在自由电子激光等方面投入应用在自由电子激光等方面投入应用, 并具有多方面的发展并具有多方面

2、的发展和应用前景。同时，它也是一种计划替代同步辐射源的和应用前景。同时，它也是一种计划替代同步辐射源的装置，并将把同步辐射科技带入一个新的领域。装置，并将把同步辐射科技带入一个新的领域。简介：简介： 基本原理：基本原理：让已被直线加速器加速和使用过的电子束( 如用于驱动自由电子激光等) , 经过回转的束流输运通道, 再返回到直线加速器入口, 并进入直线加速器, 但让电子束受到高频电场力的方向与电子束前进的方向相反( 而不是相同) , 也就是说, 让电子束减速( 而不是加速) ,从而使电子束的能量以电磁波的形式返还给加速结构, 用于下一个新束团的加速。它的特点是既保留了直线加速器的束流性能好的优

3、势，又使整机效率趋近环形加速器。 比如说：美国杰弗逊实验室的红外自由电子激光驱动器。示意图ERL工作过程示意图1ERL工作过程示意图2双 线 型 ERL Maury Tigner -ERL概念创始人目前，世界上建议中的先进光源如：康奈尔大学与JLab共同提出的ERL光源、美国BNL实验室的PERL、美国LBNL实验室的LUX-LBL、英国的4GLS、日本的KEK，JAEA、德国的ERLSYN、俄罗斯的MARS等，都将采用超导加速器和能量回收技术2005年，国际知名的光源专家联合对德国在建的欧洲x射线自由电子激光(XFEL)装置提出了采用能量回收技术的改进方案。2004年，美国JLab采用能量回

4、收技术和超导电子加速器提供的高平均功率的电子束如下图所示，在红外自由电子激光波段获得10kW输出，回收效率99以上，预计目标是实现1MW输出同期，采用能量回收技术实现高功率激光输出的单位还有日本JAEA和俄罗斯的BINP这些实验装置的成功运行充分证明了能量回收技术原理的可行性及其优越性表2给出了这3个实验室的红外自由电子激光及THz的电子束参数Jlab的电子束能量已达到160MeV，平均电流达到91mA2006年10月，Jlab实现了在波长16岫的142kW的连续波输出下一步将对光腔进行改进，目标是实现100kW一1MW的输出JAEA的电子束能量为17MeV，自由电子激光波长为22ktm，与2

5、004年相比，目前束团重复频率已经加倍达到208MHz，注入器RF功率源由8kW提高到了50kW，返回ARC段的能量接受度由7提高到了15BINP的电子能量为12MeV，最大平均电流达到了20mA，其计划值为150mA，它的特点是电流稳定阈值高，纵向接受度高，允许大能散运行，轨迹长度和纵向色散要求宽松能量回收直线加速器能量回收直线加速器(ERL)技术是近年来获得发展的重要加速器技技术是近年来获得发展的重要加速器技术术ERL具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平等优势，被越来具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平等优势，被越来越多地应用到先进光源和自由电子激光装置中越多地应用到先进光源和自由电子激光

6、装置中未来光源要求高品质电子束具有低的电子束发射度、高亮度、高相干性和超短时问结构光阴极电子枪加上超导直线加速器可以提供高品质电子束而高光子通量需要高流强电子束，仅仅是使用直线加速器需要非常大的电力资源能量回收直线加速器(ERL)技术解决了上述问题图1是ERL的原理图，与波荡器作用产生自由电子激光输出后，电子束返航注入主加速器，在减速相位把电子束的动能转换为微波能量，用于加速新的电子束ERL可使自由电子激光的能量转换效率有几倍到几十倍的提高，并使辐射防护和微波功率源的投资大幅度地降低因此，采用ERL技术，不仅可以大幅降低高频系统的造价和主耦合器的功率负担，提高效益投资比，还具有高效、节能、稳定

7、性好、低辐射水平的特点由于ERL技术的优势，采用ERL技术已成为新光源发展的一个趋势优势：原因：ERL 发 展 动 态ERL（能量回收型直线加速器）发展到近些年，在世界范围内演变成了4种：1.ERL-FELs(FELs=Free Electron Lasers)自由电子激光加速器自由电子激光加速器2.ERL-Light sources 光源加速器光源加速器3.ERL-Electron coolers 电子冷却加速器电子冷却加速器4.ERL-Colliding beam 碰撞束加速器碰撞束加速器ERL-FELs（自由电子激光加速器自由电子激光加速器）：是所有开始运行了的ERL中，唯一一种能够为F

8、ELs（自由电子激光器）提供束流的加速器。一束10KW强度的光束已经在JLAB实验室产生，超过2KW的光束在JAERI实验室产生，他们都是使用的超导射频系统（RF systems）。而在Novosibirsk（新西伯利亚）的实验室，一个ERL=FELs已经建成了正常的传导腔（normal conducting cavities）。同样是来自JLAB的对使用了两个直线加速器的推拉式FEL的提案，当一个加速器在恢复束流的能量时（可以理解成技能冷却时），另一个就在加速，反之亦然。ERL-Electron coolers（电子冷却加速器）电子冷却加速器）：由于传统的直线加速器极难得到要求的电流，所以就

9、用ERL型加速器。BNL的电子冷却器用于冷却的离子束是由基于ERL原理的重离子对撞机产生的。2005年，于FNAL建成的DC电子冷却器能够回收电子能量。这不是一个直线加速器，而是一个稳压静电加速器，并能得到最高能量的冷却电子。核物理ERLs: JLAB基于ERL原理，设计成电子离子对撞机，产生中等能量的粒子。其中一个eRHIC对撞机就是把10GeV的电子与极化的质子、离子相对撞。这也就是之前所说的ERL-Colliding beam 碰撞束加速器。碰撞束加速器。New, active high-current linac SRF structure developments BNL Const

10、ruction of 5-cell, 703.75 MHz cavity, SRF electron gun, andconstruction 0.5A, 20 MeV ERL (design 80 MeV). Cornell Construction of a 2-cell, 1300 MHz injector cavities, DC electrongun, cold HOM damping of TESLA type cavities and design of100 mA, 100 MeV ERL. JLab Design (construction in 2007) of a 5-

11、cell cavity, DC gun with SRFbooster under construction, design of 100 mA, 120 MeV ERL. KEK Development of radial damping scheme for TESLA type ERLcavity, design of a 100 mA, 200 MeV ERL.BNL实验室的腔的基本数据未来，用铜模型进行“Super-Cryomodule”测试腔的机械刚度测试图腔的机械刚度测试图ERL 测 试JLAB实验室的腔体Current status The cavity is at JLab

12、First BCP cycle was done. Vertical test shows a low field Q of over 1010. Fields of up to 10 MV/m were established for a short time with same good Q There is a slow thermal heating which is being investigated (most likely not from cavity) Horizontal test at BNL about January 2007.参考资料参考资料1.王书鸿（中国科学院

13、高能物理研究所），能量回收型加速器；2.刘振超, 庄杰佳, 刘初玉, 王宇钢, 王桂梅, 刘克新, 鲁向阳, 赵 夔, 陈佳洱，北京大学重离子物理研究所，北京大学ERL 装置交汇段的研究与设计；3.郝建奎,赵夔,核物理与核技术国家重点实验室，北京大学重离子物理研究所,射频超导技术与ERL技术新进展；4. A. Burrill, R. Calaga, H. Hahn, V. Litvinenko，G. McIntyre, H.C. Hseuh, A. Nicoletti, C-I. Pai, D. Phillips, J. Rank, J.Scaduto, K. Smith, A. Zaltsman，D. Holmes, M. Cole A. Favale, J. Rathke, T. Schultheiss, P. Kneisel, R. Rimmer, L. Phillips, J. Preble, J. Mammosser, E.Daly, R. Campisi，J. Sekutowicz and so on, The High-Current ERL Cavity；5. Georg H. Hoffstaettera（Laboratory for Elementary Particle Physics, Cornell