加速器原理-第6章

1、加速器原理加速器原理教師：劉曉輝教師：劉曉輝成都理工大學(xué)成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院核技術(shù)與自動化工程學(xué)院第第6章章 直線加速器直線加速器l直線加速器是利用高頻電場加速沿直線形軌道運(yùn)動直線加速器是利用高頻電場加速沿直線形軌道運(yùn)動的帶電粒子的諧振加速裝置。的帶電粒子的諧振加速裝置。l直線諧振加速器分為駐波型和行波型兩種。直線諧振加速器分為駐波型和行波型兩種。第第1節(jié)節(jié) 工作原理工作原理1. 駐波直線加速器駐波直線加速器（1）諧振加速條件）諧振加速條件 在圓柱形加速腔筒的軸上，安置了一串圓柱形金在圓柱形加速腔筒的軸上，安置了一串圓柱形金屬漂移管。奇數(shù)號漂移管與射頻功率源的一極相聯(lián)，屬漂移管。

2、奇數(shù)號漂移管與射頻功率源的一極相聯(lián)，偶數(shù)號漂浮管與另一極相聯(lián)，它們的電位極性正好相偶數(shù)號漂浮管與另一極相聯(lián)，它們的電位極性正好相反。因此在相鄰的漂移管的間隙里產(chǎn)生射頻電場，這反。因此在相鄰的漂移管的間隙里產(chǎn)生射頻電場，這個電場在漂移管兩個端口向管內(nèi)滲入，但由于屏蔽作個電場在漂移管兩個端口向管內(nèi)滲入，但由于屏蔽作用管內(nèi)深部無電場存在。用管內(nèi)深部無電場存在。(z)coszEt)(z,Ezz 假定一個正離子在假定一個正離子在t=0時通過第時通過第1個間隙，這時間個間隙，這時間隙電場方向是隙電場方向是使使離了加速的，然后離子進(jìn)入下一個漂離了加速的，然后離子進(jìn)入下一個漂移移管。管。 軸軸上上各處電場不僅

3、隨不同位置各處電場不僅隨不同位置z變化，而且還隨時變化，而且還隨時間間t變化，但漂變化，但漂移移管的屏蔽作用使這離子并不受這變化管的屏蔽作用使這離子并不受這變化電場的作用。如電場的作用。如果離子果離子漂出漂漂出漂移移管進(jìn)入第管進(jìn)入第2個間個間隙時隙時t=Tr/2，cos(Tr/2)=-1，這時第這時第2個間隙處的電場個間隙處的電場Ez方向已變成和離子運(yùn)動方向一致，即變成是加速的方向已變成和離子運(yùn)動方向一致，即變成是加速的了。以后離子又通過下一個漂了。以后離子又通過下一個漂移移管達(dá)到第管達(dá)到第3個間隙個間隙。假假定又正好經(jīng)過定又正好經(jīng)過了了Tr/2，即這時，即這時t=Tr， cos(Tr)=1

4、，即這時第即這時第3個間隙處的電場正好個間隙處的電場正好還是還是加速加速場。場。由此可知，由此可知，這樣繼續(xù)下去，只要由這樣繼續(xù)下去，只要由一一個個間隙間隙至至下下一個間隙是經(jīng)過一個間隙是經(jīng)過Tr/2時間，即半個周期，那么以后在每個間隙處離子時間，即半個周期，那么以后在每個間隙處離子總是受到加速的，這就是所謂的諧振加速。總是受到加速的，這就是所謂的諧振加速。 要實(shí)現(xiàn)諧振加速度條件是根據(jù)每個間隙處離子的要實(shí)現(xiàn)諧振加速度條件是根據(jù)每個間隙處離子的速度速度v，合適地選取兩相鄰間隙之間的距離，合適地選取兩相鄰間隙之間的距離l(當(dāng)間隙足當(dāng)間隙足夠窄時，此即近似為漂移管長度夠窄時，此即近似為漂移管長度)，

5、使通過的時間為，使通過的時間為Tr/2，即滿足，即滿足這即是直線加速器的諧振加速條件。由此看出漂移管這即是直線加速器的諧振加速條件。由此看出漂移管長度應(yīng)隨粒子速度長度應(yīng)隨粒子速度v或或的增加而增長。的增加而增長。 如果離子的入射相位為如果離子的入射相位為，則離子一次加速度能，則離子一次加速度能量增益為：量增益為：22rTvlcTrcvcosaqeVW （2）相移動特點(diǎn)）相移動特點(diǎn) 當(dāng)當(dāng) 非同步粒子每通過加非同步粒子每通過加速間隙一次都能獲得比同步粒子更多的能量，其運(yùn)動速間隙一次都能獲得比同步粒子更多的能量，其運(yùn)動速度必將相應(yīng)地大于同步粒子速度，飛越漂移管的時速度必將相應(yīng)地大于同步粒子速度，飛越

6、漂移管的時間就比同步粒子所需的時間短，因而進(jìn)入下一個加速間就比同步粒子所需的時間短，因而進(jìn)入下一個加速間隙時的平均相位就要向左移動，而在回旋式加速器間隙時的平均相位就要向左移動，而在回旋式加速器中，速度大的粒子回旋周期變長，相位是向右移動的。中，速度大的粒子回旋周期變長，相位是向右移動的。同理，當(dāng)同理，當(dāng) 非同步粒子相位非同步粒子相位向右移動，遠(yuǎn)離相位向右移動，遠(yuǎn)離相位s 。 由此可知，駐波直線加速器的穩(wěn)定平衡相位在由此可知，駐波直線加速器的穩(wěn)定平衡相位在-/20之間，即之間，即-s ，而不是在，而不是在+s，因此所有被俘，因此所有被俘獲的粒子都將逐漸在獲的粒子都將逐漸在-s附近匯集。附近匯集

7、。 0)(1時，ss0)(-1時，和ss（3）電場橫向分量的散焦作用及糾正措施）電場橫向分量的散焦作用及糾正措施 根據(jù)根據(jù)“相位聚焦相位聚焦”原理，當(dāng)加速相位為負(fù)值時，原理，當(dāng)加速相位為負(fù)值時，粒子在間隙電場中將受到散焦作用。這樣，相穩(wěn)定性粒子在間隙電場中將受到散焦作用。這樣，相穩(wěn)定性就和束流聚焦之間存在矛盾。必須另外采取必要的措就和束流聚焦之間存在矛盾。必須另外采取必要的措施來保證束流的聚焦。施來保證束流的聚焦。 在早期，普遍采用在漂移管入口放置金屬在早期，普遍采用在漂移管入口放置金屬(鎢鎢)網(wǎng)網(wǎng)膜的辦法，改變電場的分布形狀，使有利于聚焦。但膜的辦法，改變電場的分布形狀，使有利于聚焦。但是，

8、放置網(wǎng)膜會導(dǎo)致束流的碰道損失，網(wǎng)膜本身壽命是，放置網(wǎng)膜會導(dǎo)致束流的碰道損失，網(wǎng)膜本身壽命也有一定限度。近年建造的駐波直線加速器，都采用也有一定限度。近年建造的駐波直線加速器，都采用安裝在漂移管中的四極透鏡來獲得良好的聚焦效果。安裝在漂移管中的四極透鏡來獲得良好的聚焦效果。2. 行波直線加速器行波直線加速器（1）加速原理）加速原理 在均勻的圓柱波在均勻的圓柱波導(dǎo)內(nèi)輸入微波功率，導(dǎo)內(nèi)輸入微波功率，終端接以匹配負(fù)載，終端接以匹配負(fù)載，可以激勵起可以激勵起TM001型型行波（右上角行波（右上角0表示表示圓波導(dǎo)，右下角第一圓波導(dǎo)，右下角第一個數(shù)字個數(shù)字0表示沿表示沿角方角方向均勻無變化，第二向均勻無變化

9、，第二個數(shù)字個數(shù)字1表示沿半徑表示沿半徑方向波節(jié)點(diǎn)數(shù)）。方向波節(jié)點(diǎn)數(shù)）。TM001型型波軸向電場分波軸向電場分量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：式中：Ea為軸心處軸向電場峰值；為軸心處軸向電場峰值； kz為沿為沿z軸單位距離軸單位距離上電波的相移；上電波的相移；g為為z軸上行波相鄰兩個峰或同相位點(diǎn)軸上行波相鄰兩個峰或同相位點(diǎn)之間的距離，也稱導(dǎo)波波長；之間的距離，也稱導(dǎo)波波長；J0（ kzr）為零階貝塞爾）為零階貝塞爾函數(shù)。函數(shù)。TM001型波是一種沿型波是一種沿z軸方向軸方向傳送的行波，波速為：傳送的行波，波速為：)cos()(0zktrkJEEzzzacgzk2rgzzzTkv 在電

10、磁波傳送的同時，電磁波的能量和功率也隨同在電磁波傳送的同時，電磁波的能量和功率也隨同傳播，傳播的方向與行波的行進(jìn)方向是一致的，均為傳播，傳播的方向與行波的行進(jìn)方向是一致的，均為z軸方向。軸方向。 沿沿z軸行進(jìn)的電場，可以對入射的帶電粒子進(jìn)軸行進(jìn)的電場，可以對入射的帶電粒子進(jìn)行加速。若入射時電場相位為行加速。若入射時電場相位為，則粒子隨同行波每行，則粒子隨同行波每行進(jìn)進(jìn)z距離，就可以獲得相應(yīng)的能量增量為：距離，就可以獲得相應(yīng)的能量增量為： zqeEWacos（2）同步加速條件）同步加速條件 如果能做到使波速與被加速粒子速度一致，就可以如果能做到使波速與被加速粒子速度一致，就可以用行波電場持續(xù)地對

11、粒子進(jìn)行同步加速。為了使運(yùn)動粒用行波電場持續(xù)地對粒子進(jìn)行同步加速。為了使運(yùn)動粒子能受到行波電場的同步加速，行波電場沿軸向的行進(jìn)子能受到行波電場的同步加速，行波電場沿軸向的行進(jìn)速度，應(yīng)事先根據(jù)預(yù)定的加速相位速度，應(yīng)事先根據(jù)預(yù)定的加速相位s和電場和電場Eacos s ，以及與此相應(yīng)的粒子能量和速度的增長規(guī)律來設(shè)計(jì)。以及與此相應(yīng)的粒子能量和速度的增長規(guī)律來設(shè)計(jì)。對于同步粒子，對于同步粒子，而粒子運(yùn)動速率的變化規(guī)律為而粒子運(yùn)動速率的變化規(guī)律為隨著能量的增加隨著能量的增加vs逐步趨于光速。逐步趨于光速。20220211cmmc2/12002/120)(1)(1Wcccvs 為了實(shí)現(xiàn)行波電場對粒子的同步加

12、速，就要求行為了實(shí)現(xiàn)行波電場對粒子的同步加速，就要求行波的軸向行進(jìn)速度波的軸向行進(jìn)速度vz隨時與被加速的同步粒子速度隨時與被加速的同步粒子速度vs保保持相等。即持相等。即式中：式中：Wi為粒子入射初始動能。為粒子入射初始動能。2/1200cos1zqeEWcvkvsaiszzz第第2節(jié)節(jié) 直線加速器的結(jié)構(gòu)直線加速器的結(jié)構(gòu)1. 離子直線加速器的組成離子直線加速器的組成（1）注入器注入器 通常是高壓倍加器、單級靜電加速器或申列靜電通常是高壓倍加器、單級靜電加速器或申列靜電加速器。它向直線加速器提供足夠能量、流強(qiáng)和符合加速器。它向直線加速器提供足夠能量、流強(qiáng)和符合品質(zhì)要求的所需種類的離子束。品質(zhì)要求

13、的所需種類的離子束。 （2）低能束流輸運(yùn)線）低能束流輸運(yùn)線 它將注入器輸出的離子束注入到加速腔中，除裝它將注入器輸出的離子束注入到加速腔中，除裝有靜電或磁的聚焦裝置、束流導(dǎo)向裝置、聚束、切割有靜電或磁的聚焦裝置、束流導(dǎo)向裝置、聚束、切割裝置及束流測量與觀測等裝置外，有時還有束流偏轉(zhuǎn)裝置及束流測量與觀測等裝置外，有時還有束流偏轉(zhuǎn)與分析裝置。與分析裝置。 （3）加速腔）加速腔 這是直線加速器的主體，這是直線加速器的主體，它將由高頻功率源輸入的能它將由高頻功率源輸入的能量有效地轉(zhuǎn)換成適宜于離子量有效地轉(zhuǎn)換成適宜于離子加速的高額電場。根據(jù)加速離子的種類、能量范圍等加速的高額電場。根據(jù)加速離子的種類、能

14、量范圍等的不同要求，發(fā)展了各種適用的加速器。的不同要求，發(fā)展了各種適用的加速器。 加速腔腔筒通常由低碳鋼或不銹鋼的鋼加速腔腔筒通常由低碳鋼或不銹鋼的鋼銅復(fù)合銅復(fù)合板做成，也可通過在鋼板內(nèi)壁上鍍以較其趨膚深度厚板做成，也可通過在鋼板內(nèi)壁上鍍以較其趨膚深度厚得多的紫銅，以減少高頻功率的損耗。腔筒及加速結(jié)得多的紫銅，以減少高頻功率的損耗。腔筒及加速結(jié)構(gòu)均用水冷卻。腔筒又是一個真空容器，它使加速結(jié)構(gòu)均用水冷卻。腔筒又是一個真空容器，它使加速結(jié)構(gòu)及離子束都處在高真空中。加速腔中還有頻率調(diào)諧構(gòu)及離子束都處在高真空中。加速腔中還有頻率調(diào)諧裝置、高頻功率饋送裝置及高頻信號提取等裝置。裝置、高頻功率饋送裝置及高

15、頻信號提取等裝置。（4）高頻功率源）高頻功率源 它向加速腔提供所需的高頻功率。主要由高頻機(jī)、它向加速腔提供所需的高頻功率。主要由高頻機(jī)、饋線、功率計(jì)及加速電場的幅值、相位與頻率的穩(wěn)定控饋線、功率計(jì)及加速電場的幅值、相位與頻率的穩(wěn)定控制系統(tǒng)組成。高頻機(jī)是直線加速器的一個主要和貴重的制系統(tǒng)組成。高頻機(jī)是直線加速器的一個主要和貴重的設(shè)備。它實(shí)際是一臺高頻的大功率放大器。由頻率穩(wěn)定設(shè)備。它實(shí)際是一臺高頻的大功率放大器。由頻率穩(wěn)定度高的晶體主振器輸出的低電平信號，經(jīng)低電平放大、度高的晶體主振器輸出的低電平信號，經(jīng)低電平放大、多級中間放大、驅(qū)動放大，最后驅(qū)動末級功率放大器。多級中間放大、驅(qū)動放大，最后驅(qū)動

16、末級功率放大器。末級功放管是高頻機(jī)的關(guān)鍵器件，應(yīng)根據(jù)輸出功率和帶末級功放管是高頻機(jī)的關(guān)鍵器件，應(yīng)根據(jù)輸出功率和帶寬的要求來選擇。寬的要求來選擇。 一臺直線加速器的所有高頻功率源，都以一個晶體一臺直線加速器的所有高頻功率源，都以一個晶體主振器的參考線作為相位的基準(zhǔn)，以保持各加速腔及高主振器的參考線作為相位的基準(zhǔn)，以保持各加速腔及高頻部件間正確的相位關(guān)系。頻部件間正確的相位關(guān)系。（5）真空系統(tǒng)）真空系統(tǒng) 它由分子泵、離子泵等真空機(jī)組及真空檢測、控它由分子泵、離子泵等真空機(jī)組及真空檢測、控制等裝置組成，主要任務(wù)是在加速腔、束流輸運(yùn)管道制等裝置組成，主要任務(wù)是在加速腔、束流輸運(yùn)管道等設(shè)備中建立及維持所

17、需的高真空。等設(shè)備中建立及維持所需的高真空。（6）聚焦透鏡系統(tǒng)）聚焦透鏡系統(tǒng) 它主要由磁四極透鏡組、電源及其穩(wěn)定與調(diào)節(jié)系它主要由磁四極透鏡組、電源及其穩(wěn)定與調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成，以提供粒子束的橫向聚焦。統(tǒng)構(gòu)成，以提供粒子束的橫向聚焦。 （7）水冷裝置）水冷裝置 用于冷卻加速腔、高頻機(jī)、磁鐵線圈及其它發(fā)熱用于冷卻加速腔、高頻機(jī)、磁鐵線圈及其它發(fā)熱部件。有的加速腔需要恒溫以取得工作頻率和加速電部件。有的加速腔需要恒溫以取得工作頻率和加速電場的穩(wěn)定，這也是通過控制冷卻水的水流量和溫度達(dá)場的穩(wěn)定，這也是通過控制冷卻水的水流量和溫度達(dá)到的。到的。 （8）束流檢測系統(tǒng)）束流檢測系統(tǒng) 它安裝在束流輸運(yùn)管道各處，以測

18、員束流的流強(qiáng)、它安裝在束流輸運(yùn)管道各處，以測員束流的流強(qiáng)、剖面、發(fā)射度、能散等。為調(diào)機(jī)和保證加速器的正確工剖面、發(fā)射度、能散等。為調(diào)機(jī)和保證加速器的正確工作狀態(tài)提隊(duì)根據(jù)。作狀態(tài)提隊(duì)根據(jù)。（9）控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng) 它管理和控制加速器運(yùn)行的各個步驟及保護(hù)裝置，它管理和控制加速器運(yùn)行的各個步驟及保護(hù)裝置，并對以上加速器的各系統(tǒng)參量進(jìn)行監(jiān)測、顯示及調(diào)整。并對以上加速器的各系統(tǒng)參量進(jìn)行監(jiān)測、顯示及調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)的中樞是控制臺，大多是計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的中樞是控制臺，大多是計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)。（10）束流輸出系統(tǒng)）束流輸出系統(tǒng) 它的任務(wù)是將從加速腔出來的束流輸運(yùn)到實(shí)驗(yàn)工作它的任務(wù)是將從加速腔出來的束流輸

19、運(yùn)到實(shí)驗(yàn)工作區(qū)。主要由輸運(yùn)管道，偏轉(zhuǎn)、分析磁鐵、開關(guān)磁鐵及聚區(qū)。主要由輸運(yùn)管道，偏轉(zhuǎn)、分析磁鐵、開關(guān)磁鐵及聚焦、束測部件組成。焦、束測部件組成。 2. 電子直線加速器的組成電子直線加速器的組成（1）電子槍）電子槍 它提供加速用的電子束。通常陰極負(fù)高壓為它提供加速用的電子束。通常陰極負(fù)高壓為40120 kV，脈沖流強(qiáng)約幾百，脈沖流強(qiáng)約幾百mA，束流脈寬約，束流脈寬約13s，它的電子束品質(zhì)應(yīng)滿足要求，并且要求電子槍有，它的電子束品質(zhì)應(yīng)滿足要求，并且要求電子槍有較長的使用壽命。較長的使用壽命。 （2）低能束流輸運(yùn)線）低能束流輸運(yùn)線 它將從電子槍出來的電子束注入到加速波導(dǎo)中。它將從電子槍出來的電子束注

20、入到加速波導(dǎo)中。輸運(yùn)線上一般有束流導(dǎo)向、聚焦、測量及聚束等裝置。輸運(yùn)線上一般有束流導(dǎo)向、聚焦、測量及聚束等裝置。 （3）盤荷波導(dǎo)）盤荷波導(dǎo) 這是加速器的主體。行波電子直線加速器的盤荷這是加速器的主體。行波電子直線加速器的盤荷波導(dǎo)可分常阻抗和常梯度兩種。前者將波導(dǎo)的阻抗設(shè)波導(dǎo)可分常阻抗和常梯度兩種。前者將波導(dǎo)的阻抗設(shè)計(jì)得各處相同，后者則使波導(dǎo)上各處的加速場強(qiáng)不變。計(jì)得各處相同，后者則使波導(dǎo)上各處的加速場強(qiáng)不變。 現(xiàn)在加速波導(dǎo)幾乎都用高導(dǎo)電無氧銅制造。由于現(xiàn)在加速波導(dǎo)幾乎都用高導(dǎo)電無氧銅制造。由于電子直線加速器對加速波導(dǎo)的頻率與相位特性提出的電子直線加速器對加速波導(dǎo)的頻率與相位特性提出的精度要求很

21、高，因此對盤荷波導(dǎo)的加工精度及表面光精度要求很高，因此對盤荷波導(dǎo)的加工精度及表面光潔度等工藝的要求也非常之高。潔度等工藝的要求也非常之高。 （4）微波功率源與微波傳輸系統(tǒng)）微波功率源與微波傳輸系統(tǒng) 行波電子直線加速器的工作頻率大部分在行波電子直線加速器的工作頻率大部分在S波段波段（3000 MHz），少量的在），少量的在L波段（波段（1300 MHz）、）、X波段（波段（9000MHz）和）和C波段（波段（6000MHz），微），微波功率源提供在這些波段建立加速電場所需的微波功波功率源提供在這些波段建立加速電場所需的微波功率。它主要有速調(diào)管和磁控管兩種。速調(diào)管是利用速度率。它主要有速調(diào)管和磁控

22、管兩種。速調(diào)管是利用速度調(diào)制原理制成的一種高功率射頻放大器，它的穩(wěn)定性調(diào)制原理制成的一種高功率射頻放大器，它的穩(wěn)定性好，輸出功率高、工作壽命長，平均都在好，輸出功率高、工作壽命長，平均都在17000 h。但。但效率一般僅效率一般僅40左右。磁控管是一個自激振蕩器。它的左右。磁控管是一個自激振蕩器。它的設(shè)備簡單，效率可達(dá)設(shè)備簡單，效率可達(dá)5060，但它的功率和頻率的，但它的功率和頻率的穩(wěn)定性差，而且功率較小，因此它通常用作小型低能電穩(wěn)定性差，而且功率較小，因此它通常用作小型低能電子直線加速器的功率源。子直線加速器的功率源。 要將微波功率傳輸?shù)郊铀俨▽?dǎo)還要求有微波傳輸系要將微波功率傳輸?shù)郊铀俨▽?dǎo)還要求有微波傳輸系統(tǒng)。它包括隔離器、精合器、真空窗、吸收負(fù)載等微波統(tǒng)。它包括隔離器、精合器、真空窗、吸收負(fù)載等微波元件。這些部件應(yīng)能承受額定功和駐波比小。元件。這些部件應(yīng)能承受額定功和駐波比小。（5）真空系統(tǒng)）真空系統(tǒng) 它一般由鈦離子泵機(jī)組及真空檢測、控制等裝置組它一般由鈦離子泵機(jī)組及真空檢測、控制等裝置組成。以建立和維持加速波導(dǎo)、束流輸運(yùn)管道及部件中的成。以建立和維持加速波導(dǎo)、束流輸運(yùn)管道及部件中的高真空，加速波導(dǎo)中真空度一般應(yīng)憂于高真空，加速波導(dǎo)中真空度一般應(yīng)憂于1.310-3Pa6.710