加速器发展历史.docx

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加速器发展历史

加速器发展历史

•1919年英国科学家卢瑟福（E.Rutherford）用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α粒子束（即氦核），轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。

利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构。

•静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。

•1932年美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。

这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

•1933年美国科学家凡德格拉夫发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。

•奈辛于1924年，维德罗于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV。

但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯（E.O.Lawrence）1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。

这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

•1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。

●自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：

同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。

•自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。

随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。

同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。

•1952年美国科学家柯隆、李温斯顿和史耐德发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。

这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。

此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。

•电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到1000GeV，这不是理论的限度，而是造价的限制。

•1960年意大利科学家陶歇克首次提出了两束加速粒子对撞的方式，并在意大利Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理。

•射频直线加速器（RFlinac），是采用射频场以直线形式来加速带电粒子的。

加速电子的就是电子直线加速器。

•电子直线加速器是利用微波功率产生高频电场对电子进行加速的装置，它使微波功率转化为束流功率。

•奈辛（G.Ising）于1924年，维德罗（E.Wideroe）于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器。

•电子直线加速器的真正迅速发展，是在第二次世界大战后。

它基于技术和理论基础：

高功率源（脉冲功率兆瓦级,频率3000兆周以上）。

1945年的自动稳相原理。

电子直线加速器的构成

主要包括

●电子枪

●加速管

●调制器

●功率源

●微波传输系统

●聚焦系统

●真空系统

●控制系统

●恒温系统

●束流输运系统

●附属设备等

工作过程

调制器产生两个高压脉冲，一个激励功率源，高功率射频脉冲经过微波传输系统，进入加速管，建立加速场。

另一个高压脉冲稍加延迟，加到电子枪，引出电子束，电子束流进入加速管道，受到射频场加速。

每秒钟加速的宏脉冲束团个数，取决于调制器产生的脉冲重复频率。

聚焦系统用来保证束流在加速过程中能顺利地通过加速波导，保持低的发射度。

加速到高能的电子束由输出窗引出，经过束流输运系统到达使用区。

在加速器中须保持良好的真空，以减少电子束与气体分子碰撞而引起的束流损失和防止高频放电。

由于加速管壁上的欧姆损耗，产生大量的热量，需要用恒温水流带走，恒温水控制系统能使加速管保持在稳定的温度。

控制系统的任务是实现远距离操作及监测整个加速器的运行情况。

图1给出的是射频电子直线加速器基本组成框图。

图1电子直线加速器基本组成框图

•能量：

2MeV-11MeV

•频率：

S波段及以上

•加速结构：

驻波（SW）/行波（TW）

•工作模式：

π，2π/3

•电子枪：

二极枪

•功率源：

磁控管

具有相同相速的入射波与反射波的叠加就产生一个驻波

•驻波加速器因为需要满足纵向的边界条件，所以驻波加速器只能工作在色散图中的一些分立点上，而行波加速器则可以工作在色散图中的任意点上。

•驻波加速器因为需要入射波与反射波同时加速粒子，驻波加速器运行在通频带的最低频率或者最高频率上。

在那里入射波与反射波具有相同的相速，即knL=Nπ其中N=0，1。

也就是所谓的0模或者π模。

在0模时，所有腔都在同一个相位上，在π模时相邻的腔内的场具有相反的相位。

模

0，π

π/2

有效分路阻抗

最大

最小

模式间隔

最小

最大

群速

最小

最大

损耗引起的场相移

最大

最小

微扰引起的场畸变

最大

最小

直线加速器中的加速电场行波直线加速器的加速管由金属波导组成。

在均匀的金属波导里输入适当的微波功率，便能激起TM010电磁波（横磁波）。

这个波沿着直线波导管传播。

但是在通常的圆柱波导中，这种电磁波的轴向电场分量，不能用来加速带电粒子。

这是由于电磁波的相速大于光速，而按照相对论的观点，电子的速度不可能超过光速，减慢相速的装置叫做“慢波结构”。

目前在直线加速器中通用的慢波结构有：

盘荷波导，带漂移管的谐振腔以及螺旋波导等。

这些慢波结构都是在均匀的金属波导中，周期地加载一些金属结构，如金属盘片，金属管以及金属管制成的螺旋线，以减慢行波的相速。

在这种周期结构里，设周期长度为D，电场的分布遵循弗洛克定理（Floquet’sTheorem），即轴向电场的分布为：

（1）这儿的kzD为每周期的相移。

以D为周期，对E（z+D）作傅立叶展开，可得轴上的电场为：

（2）

设整个系统为旋转对称，则轴向电场可写成为：

（3）

式中J0（krnr）为零阶贝塞尔函数，kz=ω/vp为基波的传播常数,ω，vp分别为角频率和相速，

（5）

取其实部得

（6）

式中

（7）

公式（6）就是行波直线加速器中的加速电场。

根据电磁场理论，由Ez可解得电磁场的其它分量。

对于理想的圆柱对称场，有：

（8）

对于n>0的空间谐波，由于其振荡为

的缘故而变化很快。

因此，n=0的基波控制了粒子的运动。

下面我们来分析电子在公式（6）和公式（8）所表示的基波场中的运动情况。

直线加速器中粒子的相运动

电子的相运动实质上就是电子的纵向运动。

电子的相运动过程是沿着管道轴向（即纵向）进行的。

纵向（z向）运动方程

电子在加速电场Ez中运动，其能量变化为：

（9）

式中e为电子电荷，m0为其静止能量，ve为电子速度，

，

。

将公式（6）代入公式（9），即可得到：

（10）

又，从公式（7）不难得到：

（11）

引入无量纲变量

（12）

则方程（10）和（11）可重写为：

（13）

这就是电子在加速波导中的纵向运动方程，其中

为电磁波的场强参数

，

应该指出的是，方程（13）中的第一个方程的右边，只考虑了射频场对电子的作用。

在强流直线加速器中，还必须计入电子束本身的空间电荷效应和束流负载效应。

稳相原理

在直线加速器里，有效的行波相速沿着加速器轴线按一定的规律变化。

只有那些开始的运动速度等于当地行波的相速，并且运动速度的变化规律与行波相速变化的规律一致的粒子，才能与行波电场同步运动，这种粒子在行波场中所处的相角φs才能保持不变，这种粒子才是严格的“同步粒子”，有的书上称为“参考粒子”。

同步粒子在行波场中所处的相角φs称为“平衡相位”。

严格来说，在一个高频周期2π相位中，位于φs相位上的粒子只有一个，如果只有它能随行波一同前进，稳定地得到加速，那意义是不大的。

更何况，由于各种扰动，例如加速场振幅、相速的微小变化，同步粒子也可能会偏离平衡相位。

幸好，如同其它谐振加速器一样，在直线加速器里也有自动稳相现象的存在。

一些不严格同步的粒子的加速相角会绕着平衡相位作振荡。

通常称这种自动稳相现象为稳相原理。

从电子的纵向运动方程（13）看到，当φ取负值时，粒子的相对论能量γ将增加，反之亦然。

因此，通常取在

的范围。

设平衡相位为φs，从图2可以看到相运动的自动稳相过程：

图2稳相原理

当非同步粒子早于同步粒子到达第一个腔时，它得到的能量增量较同步粒子小，因此它获得的飞行速度的增量也较小，于是，在到达下一个腔时，它的相位也将往后滑移，也即向φs靠拢；如果到达第一个腔时，非同步粒子迟于同步粒子，则它得到的能量较同步粒子大，速度的增量也较大，于是在飞达下一个腔时，它的相位向前滑移，也向φs靠拢。

这样不管非同步粒子的相位是早于或迟于同步相位，在

范围内，总是围绕着φs作振荡，而且相位越来越靠拢同步相位φs，从而获得稳定的同步加速。

因此，在平衡相位φs的两边，存在一个相位区间，注入相位在此区间中的电子能被射频加速场俘获，稳定地绕平衡相位φs作相振动，不断受到加速，这个初始相位区间称为俘获区间。

相振荡方程

在直线加速器中，电子的加速过程在很大程度上与其它的共振加速器类似。

被俘获于加速状态的非同步粒子围绕着同步粒子（或称参考粒子）所处的平衡相位作相振荡运动。

但是，应该指出的是，直线加速器中的相位振荡，只在加速器的开始部分（聚束器）存在，而且振荡次数通常不大。

这是由于静止质量很小的电子的速度很快就接近于光速，以至相位振荡急剧衰减并使振荡终止，而在其它的共振加速器中，粒子在整个加速期间都作相位振荡。

现在，我们在小振幅振荡的假设下来推导相振荡方程。

对于同步粒子：

，由方程（13）得：

因此，

（14）

并且有

（15）

可见，同步粒子在加速过程中，其能量增加，但其相位保持不变。

一直处于平衡相位φs。

对于非同步粒子，它们相对于同步粒子有：

（16）

因此得：

（17）

对上面的第二式再取微分，不难得到：

（18）

此即为非同步粒子围绕着平衡相位的相振荡方程。

在小振幅振荡假设下，方程（18）可进一步改写为：

（19）

它类似于简谐振动。

可以推得相振荡频率Ω为：

（20）

由此得相振荡频率Ω与高频电磁场角频率ω之比为：

（21）

公式（20）表明，相振荡频率Ω随电子的相对

速度βS的增大而减小，当βS≈1时，也即当电子速度接近于光速时，相振荡频率Ω→0，相振荡终止，粒子会聚在一定的相位宽度内而得到继续加速。

图3给出了粒子相运动轨迹的一个模拟计算实例。

从中可以明显看到加速过程中，粒子相位会聚的图像。

图3粒子的相位会聚

束流动力学模拟计算

加速器理论及设计工作中，计算机程序起着极其重要的作用。

无论是粒子加速器中场值的计算，还是在这些场作用下的粒子动力学方程组的求解，常常是不能获得解析解的，因而，实际计算工作相当繁琐而难以靠手工进行。

随着大型电子计算机功能的不断完善，加速器设计的专用程序越来越多，使用也越来越方便。

目前，国际上已有一批计算机程序专门用于各种直线加速器的粒子动力学模拟计算，例如，PARMILA程序，PARMELA程序可分别求解离子直线加速器和电子直线加速器中的粒子纵向和横向运动。

程序用六维相空间来描述粒子束的运动状态，计算中考虑了空间电荷效应。

TRACE3D程序可计算束团的包络，程序中对于束流通过的元件，包括了诸如漂移管，薄透镜，四极透镜，永久磁铁四极透镜，聚焦线圈，偏转磁铁，双组合透镜，三组合透镜，边缘场，高频加速缝，高频腔，耦合腔筒等，可由用户根据设计需要来选定，甚至还可加入用户自行定义的特殊元件。

SUPERFISH软件：

可用来计算加速腔体的高频参量，得到单腔的微波工作频率，衰减，Q值，场分布，分路阻抗等数值。

HFSS软件：

用来计算加速结构的输入输出耦合器，给出耦合器的结构参数，耦合区的场强分布，耦合度和驻波比。