直線加速器物理-Part2課件

電子直線加速器應用廣泛：作為同步加速器、同步輻射光源和正負電子對撞機的注入器；放射性治療用加速器；正負電子直線對撞機。所有這些電子直線加速器在開始部分都有一段預注入器作為整個直線加速器的起始，預注入器雖然因機器的不同而有所不同，但結構和功能都基本相同，通常是由電子槍和聚束系統(tǒng)組成。預注入器示意圖2.6電子直線加速器的預注入器電子槍分類：直流電子槍，脈沖電子槍（脈沖長度從1ns到幾s

）強流電子槍（安培量級），弱流電子強（毫安量級）傳統(tǒng)電子槍，新型電子槍（熱陰極微波電子槍，光陰極微波電子槍，極化束電子槍等）BEPC電子槍：峰值流強4A，脈沖寬度2.5ns，重復頻率12.5Hz。BEPCII電子槍：峰值流強10A，脈沖寬度1ns，重復頻率50Hz。強流電子槍示意圖一般要求電子槍能夠提供有一定聚束的，小發(fā)射度的，大流強的束流?？墒褂肊GUN程序模擬計算進行設計。電子槍基本原理一般都是加熱陰極，使其發(fā)射電子，然后電子在極間高壓的作用下加速，通過陽極上的小孔射出?，F(xiàn)在一般比較常用的常規(guī)電子槍是柵控電子槍。在離陰極很近的地方安裝一個柵極，改變柵極調制電壓可以很方便的調節(jié)槍電流，從而獲得陡峭的電流脈沖。200kVHVsupply

GunE-GunforBEPCII-Linac

(highcurrentandsmallemittance)

ParametersUnitBEPCIICathodeEIMACY796BeamcurrentPulselengthAns101(FWHM)Emittance(norm.)μm14AcceleratingvoltagekV150200Pulse/3μsHeatervolt./currentV/A68/57.5GridvoltageV0~250RepetitionRateHz50電子槍出口縱向束流分布（150KeV）ItemsUnitsSpecificationsTypeTriodeBeamCurrent（max）A2AnodeVoltagekV~120FilamentVoltageV6.4FilamentCurrentA5.5GridBiasV50500Bunchlengths3.0RepetitionRate(max)Hz625NSCKIPT100MeV100kW電子直線加速器電子槍參數能量回收型直線加速器（ERL）對電子槍的要求：（1）高平均電流在俄羅斯的低頻常溫裝置BINP上，得到20mA的電子束流，在美國JLAB的1.3GHz光陰極、超導ERL設備上已經得到9.1mA的束流。高平均電流，就要求加速器必須工作在CW（ContinuousWave）模式，或者長脈沖模式。100mA的平均流強成為當前研制ERL的目標。（2）短脈沖、低發(fā)射度的電子槍與儲存環(huán)同步輻射光源相比，ERL能夠產生高品質的電子束流，即脈沖長度短至ps、亞ps量級，歸一化發(fā)射度可小于2mmmrad?，F(xiàn)在已經運行的BINP－ERL裝置和JAERI－ERL裝置采用的是熱陰極直流高壓槍，束流發(fā)射度在30mmmrad左右，JLAB－ERL裝置采用的光陰極高壓直流注入系統(tǒng)，束流品質得到極大提高，束流發(fā)射度減小到10mmmrad以下。正在設計中的ERL裝置，束流發(fā)射度的設計目標均在1mmmrad左右。BINP：BudkerInstitute

ofNuclearPhysics，RussiaJAERI：JapanAtomicEnergyResearchInstituteERL:EnergyRecoveryLinac高壓直流型電子槍，技術相對成熟，電子槍本身結構簡單，可以獲得非常好的真空，GaAs陰極在此真空環(huán)境下可以有相對較長的壽命。但是加速梯度低（<7MV/m）、場致發(fā)射、槍內打火、隔離陶瓷擊穿、離子反轟陰極一直是高壓直流型電子槍待解決的問題。同時，因為加速梯度低，為減小空間電荷效應引起的發(fā)射度增長，槍內電子脈沖必須足夠長，這就需要在電子槍后加聚束器壓縮束團，而且需要利用加速組元進一步提高束團能量。JLAB高壓直流型電子槍JLAB:ThomasJeffersonNationalAcceleratorFacility(JeffersonLab)低頻率（幾百MHz）的常溫微波槍，與超導微波槍相比，結構相對簡單，造價低，有諸多S波段和L波段高頻微波槍運行。因為頻率低，微波周期長，驅動激光可以長達幾十個ps，幾十個ps的電子束團感受到近似直流高壓的加速，可以極大的減小空間電荷效應的影響。同時與高壓直流槍相比，加速場梯度大，槍后不需要加速組元進一步加速。但是常溫微波電子槍需要在連續(xù)模式下運行，腔體的散熱問題和高真空如何實現(xiàn)、能否保持是此類電子槍的最大問題。聚束系統(tǒng)原理從電子槍出來的電子速度：v<c

（如～0.5c

（79keV））首先通過高頻腔或波導的高頻場，對束團中的電子進行速度調制，再經過一段漂移節(jié)后，束團的縱向長度可以得到壓縮。束團前后電子由于所處高頻相位的不同，受力情況也有所不同，前面的電子受到減速作用，速度減小，能量降低；后面的電子受到加速作用，速度提高，能量增加。在經過一段漂移節(jié)后，后面速度快的電子趕上前面速度慢的電子，從而實現(xiàn)縱向聚束。聚束可以把多數電子聚集在大約10o高頻相位范圍內。聚束過程通常第一步采用駐波單腔結構的預聚束器進行預聚束；然后使用行波腔進行進一步聚束，在聚束器的前幾個腔，相速vp<c，以滿足和束流的同步要求。粒子經過加速間隙時所“看”到的軸上的駐波場可以寫成是粒子在z處的時間，t=0的粒子初始位置可以是間隙中的任意位置，相應的相位為。其中zEz0可以把能量增益改寫成如下形式：其中渡越時間因子Panofsky方程假設初始束流為連續(xù)束流，能量為W0，速度為0，在經過聚束器后束流的能量被調制，能量增益為：假設加速間隙長度為Lb考慮到E(z)的對稱性，和粒子速度變化不大的情況，有于是渡越時間因子簡化為：把電場改寫成sin形式，則經過聚束器后相位為的粒子與相位為0的粒子相比，速度的變化為選擇合適的聚束器與加速器之間的漂移長度Ld，使即在Ld位置處，得：電子槍出口縱向束流分布（150KeV）A0加速管出口束流縱向分布（～40MeV）

聚束器和加速管（上海，2998MHz)BEPCII-LinacSHB1SHB2未經過次諧波聚束器聚束經過次諧波聚束器聚束使用A0加速管出口BPM03電極測量得到的束流信號2.7高頻功率源和脈沖壓縮器●

高能直線加速器的高頻功率源速調管（klystrons）和高壓調制器（modulators）兩部分。●峰值功率高（10-80MW），占空比低（例如：重復頻率～100Hz，脈沖長度～幾s）BEPCII-LinacNewRFPowerSource

Newmodulatorswithhighpower320kV×360A.

Highvoltagestability≤±0.15%高頻脈沖壓縮器為增加峰值功率以提高加速梯度，一些直線加速器采用了脈沖壓縮器，如SLED（SLACEnergyDevelopment）高頻脈沖壓縮器：把低功率的長脈沖，壓縮為高功率的短脈沖。Twomajorcomponents:1)a-phaseshifter;2)twohigh-QcavitiesoperatedatTE015-modeandconnectedtoa3-dbcoupler.高頻脈沖壓縮器SLED:

(SLACEnergyDevelopment).SLEDforBEPCII-Linac

2.8縱向運動對于電子和質子加速器，縱向運動的原理基本一樣。但是電子和質子的質量相差較大（電子的靜止能量為0.511MeV，質子為938MeV），因此二者在加速器中的速度通常也有所差別：質子：=v/c<1（20MeV時，=0.203）電子：＝1（2MeV時，=0.978）于是電子和質子的縱向運動也有所差別。在各種加速器中，帶電粒子（參考粒子）要穩(wěn)定的獲取持續(xù)的加速，必須滿足各自相應的同步加速條件。在行波直線加速器中，要求加速場的相速與電子的速度同步，即也可以使用另外一種表述方式。例如盤荷波導工作于/2模時，要求電子渡越一個腔的距離（Lc）時，射頻場變化了1/4周期（90o），即同步加速條件為同樣，工作于2/3模時，同步加速條件是2.8.1穩(wěn)定的同步加速相位在電子直線加速器中，電子能量較低時，穩(wěn)定的同步加速相位應選擇在電場隨時間變化的上升階段（自動穩(wěn)相）。當電子能量較高，即＝1時，束團中電子速度都是光速，因此相對于參考粒子，不再有縱向相位改變。這時可以選擇加速電場的峰做為加速相位，以獲取最大的能量增益。然而，當電子束團電荷量很高（如>1nC）、束團長度很短時，縱向尾場將會引起束團的能散的增加，通過選擇合適的加速相位，可以在一定程度上抑制尾場效應。2.8.2縱向運動方程經過一個加速單元后，同步粒子和非同步粒子的能量增益分別為：其中T是渡越時間因子(對于行波加速結構T=1，駐波加速結構T<1)于是有其中另外，相位變化和速度變化（0模）有：縱向運動方程：縱向運動方程描述了非同步粒子在（W，）相空間的運動。2.8.3縱向運動的穩(wěn)定性假設加速梯度足夠小，可以忽略掉阻尼項縱向運動方程可以簡化為或利用對方程兩側進行積分，并利用其中方程左側的第一項是“動能”項；第二項是“勢能”項；H是積分常數項，也就是哈密頓量。方程反映的是運動能量的守恒。劉維定理（Liouville’stheorem）：能夠使用哈密頓量描述的運動系統(tǒng)，相軌跡包圍的面積為常數。當同步相位s在（-/2，0）之間時，存在勢阱，勢阱中的粒子圍繞同步粒子（s，Ws）做振蕩，能夠被穩(wěn)定的加速。穩(wěn)定區(qū)的范圍是其中，2是H(2)=H(-s)的解。對于小角度振蕩，穩(wěn)定區(qū)的寬度約為3|s|。因此有|s|

↑

→

穩(wěn)定區(qū)增大，但是能量增益dW/dz↓勢阱、相跡和相穩(wěn)定區(qū)相穩(wěn)定區(qū)的邊界被稱為Separatrix、fish或者bucket。H可以?。?s

和wk＝0用下面的方程求得：?。絪，并利用上式，可以求得相穩(wěn)定區(qū)的能量范圍：2.8.4加速效率前面的分析中忽略了阻尼項當考慮了阻尼項后，相軌跡有所變化，但相面積仍然保持恒定。對于低速粒子（小粒子）的加速，當經過加速后，同步粒子的速度和能量有較大變化，以至于不能忽略時，相穩(wěn)定區(qū)將有所增大，因而加速器的接收范圍有所增