等阻抗加速器結(jié)構(gòu)

《電氣工程名詞》第一版。 2100433B

1998年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

《電氣工程名詞》第一版。 2100433B

按被加速粒子的種類(lèi)，可分為電子、質(zhì)子和重離子直線(xiàn)加速器。

直線(xiàn)加速器電子直線(xiàn)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(xiàn)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。

直線(xiàn)加速器質(zhì)子直線(xiàn)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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。

直線(xiàn)加速器重離子直線(xiàn)加速器

較接近于質(zhì)子直線(xiàn)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(lèi)加速器，采用維德羅加速結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代的這類(lèi)加速器按能區(qū)可采用高頻四極型或阿瓦萊茲型?，F(xiàn)今發(fā)展的重離子加速結(jié)構(gòu)，如柱形和平面螺旋線(xiàn)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。

直線(xiàn)加速器超導(dǎo)直線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)加速器，優(yōu)勢(shì)更顯著。如用于強(qiáng)流質(zhì)子直線(xiàn)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(xiàn)對(duì)撞機(jī)（TESLA），選用比其他同類(lèi)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）。

直線(xiàn)加速器是各類(lèi)加速器中被最廣泛應(yīng)用的加速器類(lèi)型（見(jiàn)粒子加速器）。