直線加速器（利用高頻電磁場(chǎng)加速粒子的機(jī)器）
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直線加速器
利用高頻電磁場(chǎng)加速粒子的機(jī)器
直線加速器通常是指利用高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行加速，同時(shí)被加速粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線的加速器。高頻直線加速器（high-frequency linear accelerator）簡(jiǎn)稱直線加速器，是指用沿直線軌道分布的高頻電場(chǎng)加速帶電粒子的裝置。按被加速粒子的種類，可分為電子直線加速器、質(zhì)子直線加速器、重離子直線加速器和超導(dǎo)直線加速器等。
基本信息
| 中文名 | 高頻直線加速器 |
| 外文名 | high-frequency linear accelerator |
| 作用 | 加速帶電粒子 |
| 原理 | 利用高頻電磁場(chǎng) |
| 簡(jiǎn)稱 | 直線加速器 |
歷史
直線加速器的雛形概念最早是由英國(guó)科學(xué)家G.Ising在1924年提出，1924年他在一篇名為《產(chǎn)生高壓極隧射線方法原理》的文章中提出了一個(gè)直線加速器的設(shè)計(jì)圖樣。根據(jù)G.Ising的文章，直線加速器由一個(gè)直的真空管道和一系列的帶孔的金屬漂移管組成。粒子的加速是通過相鄰的漂移管之間的脈沖電場(chǎng)完成的，電場(chǎng)和粒子的同步是由電壓源和相應(yīng)的漂移管之間的傳輸線長(zhǎng)度的時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)他在文章中寫道：“現(xiàn)在來(lái)深入討論實(shí)現(xiàn)這一想法的細(xì)節(jié)問題和可能遇到的困難為時(shí)尚早，我希望不久能做一個(gè)實(shí)驗(yàn)?！边@個(gè)建議在當(dāng)時(shí)由于電磁技術(shù)的水平所限制的確難以實(shí)現(xiàn)。但是這個(gè)概念相當(dāng)重要，對(duì)直線加速器的發(fā)展產(chǎn)生了里程碑式的影響。到了 1928年，直線加速器的概念正式被德國(guó)科學(xué)家RolfWideroe提出，他完成了世界上第一臺(tái)直線加速器。R.Wideroe在《產(chǎn)生高電壓的新原理》一文中描述了這臺(tái)加速器的原理，同G.Ising的理念不同，加速器的漂移管是交替的接高頻電源和接地。移管的長(zhǎng)度隨著粒子速度的增加而變長(zhǎng)，保證粒子每次可以在正確的時(shí)間到達(dá)間隙從而被加速。在該加速器中，束流首先形成束團(tuán)，然后進(jìn)行高效率的加速。束流在加速時(shí)間內(nèi)處于加速間隙感受加速電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)反向的時(shí)候，束團(tuán)處于漂移管中，這時(shí)漂移管屏蔽了減速電場(chǎng)，從而使整個(gè)過程是一個(gè)加速過程。
1928年E.維德羅提出加速原理。早期利用頻率不太高的交變電場(chǎng)加速帶電粒子，1946年后利
用射頻微波來(lái)加速帶電粒子。在柱形金屬空管（波導(dǎo)）內(nèi)輸入微波，可激勵(lì)各種模式的電磁波，其中一種模式沿軸線方向的電場(chǎng)有較大分量，可用來(lái)加速帶電粒子。為了使沿軸線運(yùn)行的帶電粒子始終處于加速狀態(tài)，要求電磁波在波導(dǎo)中的相速降低到與被加速粒子運(yùn)動(dòng)同步，這可以通過在波導(dǎo)中按一定間隔安置帶圓孔的膜片或漂移管來(lái)實(shí)現(xiàn)。電子的質(zhì)量很小，僅幾兆電子伏。
原理
加速器是由三根用絕緣材料制成的高柱和在它們中間的加速器管組成。加速器靠真空泵
保持真空。外表流線型，不僅為了美觀，而且為了防止從任何棱角或突出部分形成意外的放電。
主要特點(diǎn)
束流的注入和引出很方便，束流強(qiáng)、傳輸效率高、束品質(zhì)較好，可由前至后分段設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試。由于加速器不存在偏轉(zhuǎn)束的同步輻射限制，可將電子束加速到很高能量，是下一代超高能對(duì)撞機(jī)的唯一候選者（見對(duì)撞機(jī)）。為使加速器有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，軸上加速電場(chǎng)強(qiáng)度一般在5—25兆伏/米，需要很大的微波功率源，因此單位束流功率所需造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用較高?，F(xiàn)今提出的超導(dǎo)加速器可有效地降低運(yùn)行費(fèi)用。
行駐波加速
荷電粒子在高頻直線加速器中是用高頻（或微波）電場(chǎng)的軸向分量進(jìn)行加速。按采用的加速波分類，有行波與駐波兩類。前者用圓柱波導(dǎo)作為加速結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)沿軸周期性地設(shè)置圓盤負(fù)載，使波導(dǎo)中傳播的相速小于或等于光速，以利同步地加速粒子，其加速場(chǎng)的模式為類－TM，它在近軸區(qū)提供最大的軸向電場(chǎng)分量。后者采用圓柱形諧振腔，也沿軸周期性地設(shè)置電極（或稱漂移管）負(fù)載，以提高有效加速電場(chǎng)強(qiáng)度，其加速場(chǎng)的模式為類－TM，同樣在近軸區(qū)提供最大的軸向電場(chǎng)分量。衡量加速結(jié)構(gòu)性能的主要參數(shù)有兩類：一是與加速效率有關(guān)的參量，特別是有效分路阻抗。它表示給定高頻功率損耗，結(jié)構(gòu)能建立多高的加速電場(chǎng)。分路阻抗的高低決定于選用的頻率、結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與形狀及相鄰加速單元間高頻相位的變化量（工作模式）。通常頻率越高，結(jié)構(gòu)尺寸越小，分路阻抗和加速效率越高。二是加速結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，它表征由于結(jié)構(gòu)的誤差和鄰近非加速模式對(duì)束流的影響。對(duì)駐波加速結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的主要途徑是采用所謂的雙周期結(jié)構(gòu)，即除了由負(fù)載形成的周期性加速單元外，還引進(jìn)周期性的耦合單元，調(diào)節(jié)耦合單元的位置和尺寸，便可提高結(jié)構(gòu)的抗干擾性。
分類
電直線加速器
可采用行波或駐波加速粒子。當(dāng)采用行波加速時(shí)，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一種均勻的加速結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)的各尺寸沿軸不變，便于設(shè)計(jì)和制造，缺點(diǎn)是微波功率在結(jié)構(gòu)中的損耗不均勻，對(duì)較長(zhǎng)的直線加速器來(lái)說(shuō)，沿軸的結(jié)構(gòu)溫控較不容易。等梯度型加速結(jié)構(gòu)避免了這個(gè)缺點(diǎn)，代價(jià)是沿軸的結(jié)構(gòu)尺寸有慢變化，使設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜些。
質(zhì)直線加速器
質(zhì)子的靜止質(zhì)量是電子的1,800多倍，在其很長(zhǎng)的加速范圍內(nèi)，速度遠(yuǎn)小于或小于光速，因而采用駐波加速結(jié)構(gòu)，以獲得較高的有效分路阻抗和加速效率。質(zhì)子的動(dòng)能由1兆電子伏到1,000兆電子伏，其速度由光速的4.6%到87.5%。為使結(jié)構(gòu)在不同能區(qū)均有較高的加速效率，需采用不同的結(jié)構(gòu)。如：①質(zhì)子的動(dòng)能由小于1兆伏加速到幾兆伏，可采用高頻四極型加速結(jié)構(gòu)（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）。在一圓柱腔的中心部位，方位角對(duì)稱地設(shè)置四個(gè)軸向高頻電極，在它們所圍的近軸區(qū)，產(chǎn)生四極聚焦電場(chǎng)，以徑向聚焦束流；沿軸可周期性地調(diào)變每個(gè)電極的徑向尺寸，以得到在軸向群聚和加速束流的軸向電場(chǎng)。它兼具聚束、聚焦和加速幾種作用，是20世紀(jì)70年代興起的加速結(jié)構(gòu)，選用頻率為200—400兆赫。②質(zhì)子動(dòng)能要由幾兆電子伏加速到150兆電子伏左右，可采用漂移管型結(jié)構(gòu)（又稱阿爾瓦雷茨結(jié)構(gòu)），是20世紀(jì)40年代末由L.阿爾瓦雷茨首先提出和建造的。在圓柱形腔內(nèi)，沿軸周期性地設(shè)置長(zhǎng)度隨能量漸增的電極。當(dāng)高頻電場(chǎng)處在正半周時(shí)，質(zhì)子束團(tuán)在電極間被加速；當(dāng)處在負(fù)半周時(shí)，質(zhì)子束團(tuán)躲在電極內(nèi)不受負(fù)半周減速場(chǎng)的影響而漂移前進(jìn)，故又稱電極為漂移管。在漂移管內(nèi)安放四極磁鐵，可徑向聚焦束流，選用的頻率為200—400兆赫。③當(dāng)質(zhì)子動(dòng)能要由150兆電子伏加速到更高能量，通常采用耦合腔加速結(jié)構(gòu)。在該能區(qū)內(nèi)對(duì)質(zhì)子束的徑向聚焦已較容易，可將四極磁鐵移到加速腔外，使頻率提高到800—1,300兆赫，以提高加速效率。這種結(jié)構(gòu)也可用于加速電子，工作頻率通常為1,300—3,000兆赫。
重離直加速器
較接近于質(zhì)子直線加速器，只是在同樣動(dòng)能下，粒子運(yùn)動(dòng)速度更低，因而工作頻率也更低，一般在27—150兆赫左右。早期的這類加速器，采用維德羅加速結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代的這類加速器按能區(qū)可采用高頻四極型或阿瓦萊茲型。現(xiàn)今發(fā)展的重離子加速結(jié)構(gòu)，如柱形和平面螺旋線結(jié)構(gòu)、分離環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)等，它們的特點(diǎn)是徑向尺寸較小、公差要求較松、可做成許多短腔組合成整臺(tái)加速器，既便于采用超導(dǎo)技術(shù)，又利于展寬重離子的范圍和能量連續(xù)可變的需求。
超直加速器
利用超導(dǎo)材料做成的結(jié)構(gòu)，其功耗幾乎可略去不計(jì)，因而可用較小微波功率建立較高的加速電場(chǎng)。這類加速腔大多采用內(nèi)表面涂有氧化保護(hù)層的純鈮材料制成，置于液氮和液氦逐級(jí)冷卻的低溫容器中，可冷卻至4.2K或更低。加速電場(chǎng)可達(dá)幾兆伏/米至20兆伏/米以上。將超導(dǎo)腔用于高能直線加速器，優(yōu)勢(shì)更顯著。如用于強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器的高能段（約150—1,000兆電子伏），由于功耗可略去不計(jì)，可選用束通道孔徑較大的結(jié)構(gòu)，可有效避免高能強(qiáng)流束沿途損失造成嚴(yán)重的放射性污染。此外，還有利于提高加速場(chǎng)強(qiáng)，減小設(shè)備規(guī)模和運(yùn)行費(fèi)用等。提議中的超導(dǎo)正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)（TESLA），選用比其他同類對(duì)撞機(jī)方案（5,700—11,400兆赫）低得多的頻率（1,300兆赫）和較大的束孔徑，除仍有較高的加速電場(chǎng)（約25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾場(chǎng)相對(duì)很小，較易確保束流的高品質(zhì)（發(fā)射度小、能散小等）。
醫(yī)學(xué)應(yīng)用
產(chǎn)品特點(diǎn)
①能量分檔多，能量范圍寬。
設(shè)計(jì)有完善的多級(jí)安全聯(lián)鎖，確保人員和設(shè)備的安全。
②全數(shù)字化的設(shè)計(jì)，整機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制，操作軟件采用圖形界面，操作更簡(jiǎn)便。自動(dòng)頻率控制（AFC）、自動(dòng)束流控制（AIC）、劑量監(jiān)視和自動(dòng)均整度控制（ADC）等控制系統(tǒng)全部采用微處理器控制，劑量更穩(wěn)定。
④加速管采用行波反饋系統(tǒng)，具有能量范圍寬、能量穩(wěn)定性高、束流能譜好，快速瞬態(tài)反應(yīng)等的特點(diǎn)。配合大功率的微波反饋系統(tǒng)，最高微波能量高達(dá)6MW。
⑤限束裝置的上下光闌可分別獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)不同治療種類的需要。中心精度高?？膳渫庵玫腦刀、多葉光柵等適形治療系統(tǒng)。具有遠(yuǎn)程故障診斷功能，可通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)助用戶進(jìn)行維護(hù)，維修更簡(jiǎn)便。
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作者
