直線加速器成像室

《建筑學(xué)名詞》第二版。 2100433B

利用超高壓射線治療疾病的房間。

小型質(zhì)子直線加速器主要用于質(zhì)子治療.。90年代初美國(guó)Hamm，Grandall等人首先提出利用S波段直線加速器進(jìn)行質(zhì)子治療的建議。利用S波段邊耦合直線加速器獲得毫米質(zhì)子束，可以使用醫(yī)用電子直線加速器現(xiàn)成的高頻技術(shù),我們也對(duì)此進(jìn)行了研究。除質(zhì)子治療外，這種加速器還可用作材料科學(xué)和生命科學(xué)研究。2100433B

強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器按其束流時(shí)間結(jié)構(gòu)可分為連續(xù)束和脈沖束兩類。連續(xù)束強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器主要用于核能領(lǐng)域，如嬗變核廢料、增殖核燃料、提供潔凈核能等，建造難度極大。目前美國(guó)、西歐和日本都在進(jìn)行研究工作。脈沖束強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器主要用于高通量脈沖散裂中子，它是有重要價(jià)值的科學(xué)研究裝置，主要利用中子散射研究凝聚態(tài)物理。目前美國(guó)準(zhǔn)備建造的NSNS(National Spallation Neutron Source)和西歐計(jì)劃建造的ESS(European Spallation Source)均屬此類。為了獲得幾十安培的窄脈沖束，需要在直線加速器后設(shè)置一個(gè)積聚環(huán)(Accumulator)。從直線加速器引出的負(fù)氫離子束被注入積聚環(huán)，在注入時(shí)負(fù)氫離子被剝離為質(zhì)子。直線加速器束流脈沖寬度約1ms，可以注入約一千圈，然后一次引出送到重核靶上。強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器還可用于其他方面。例如利用質(zhì)子束打靶時(shí)產(chǎn)生的π介子及其衰變產(chǎn)物μ介子和中微子進(jìn)行粒子物理和核物理的研究(如中微子振蕩等)，在武器研究方面也有多種用途。

按被加速粒子的種類，可分為電子、質(zhì)子和重離子直線加速器。

直線加速器電子直線加速器

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。

直線加速器質(zhì)子直線加速器

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。

直線加速器重離子直線加速器

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。

直線加速器超導(dǎo)直線加速器

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）。

直線加速器是各類加速器中被最廣泛應(yīng)用的加速器類型（見粒子加速器）。