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直线加速器（利用高频电磁场加速粒子的机器）

次浏览 | 更新时间：2023-05-16

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直线加速器

利用高频电磁场加速粒子的机器

直线加速器通常是指利用高频电磁场进行加速，同时被加速粒子的运动轨迹为直线的加速器。高频直线加速器（high-frequency linear accelerator）简称直线加速器，是指用沿直线轨道分布的高频电场加速带电粒子的装置。按被加速粒子的种类，可分为电子直线加速器、质子直线加速器、重离子直线加速器和超导直线加速器等。

基本信息

中文名	高频直线加速器
外文名	high-frequency linear accelerator
作用	加速带电粒子
原理	利用高频电磁场
简称	直线加速器

历史

直线加速器的雏形概念最早是由英国科学家G.Ising在1924年提出，1924年他在一篇名为《产生高压极隧射线方法原理》的文章中提出了一个直线加速器的设计图样。根据G.Ising的文章，直线加速器由一个直的真空管道和一系列的带孔的金属漂移管组成。粒子的加速是通过相邻的漂移管之间的脉冲电场完成的，电场和粒子的同步是由电压源和相应的漂移管之间的传输线长度的时间延迟来实现。同时他在文章中写道：“现在来深入讨论实现这一想法的细节问题和可能遇到的困难为时尚早，我希望不久能做一个实验。”这个建议在当时由于电磁技术的水平所限制的确难以实现。但是这个概念相当重要，对直线加速器的发展产生了里程碑式的影响。到了 1928年，直线加速器的概念正式被德国科学家RolfWideroe提出，他完成了世界上第一台直线加速器。R.Wideroe在《产生高电压的新原理》一文中描述了这台加速器的原理，同G.Ising的理念不同，加速器的漂移管是交替的接高频电源和接地。移管的长度随着粒子速度的增加而变长，保证粒子每次可以在正确的时间到达间隙从而被加速。在该加速器中，束流首先形成束团，然后进行高效率的加速。束流在加速时间内处于加速间隙感受加速电场，当电场反向的时候，束团处于漂移管中，这时漂移管屏蔽了减速电场，从而使整个过程是一个加速过程。

1928年E.维德罗提出加速原理。早期利用频率不太高的交变电场加速带电粒子，1946年后利

用射频微波来加速带电粒子。在柱形金属空管（波导）内输入微波，可激励各种模式的电磁波，其中一种模式沿轴线方向的电场有较大分量，可用来加速带电粒子。为了使沿轴线运行的带电粒子始终处于加速状态，要求电磁波在波导中的相速降低到与被加速粒子运动同步，这可以通过在波导中按一定间隔安置带圆孔的膜片或漂移管来实现。电子的质量很小，仅几兆电子伏。

中国科学院高能物理研究所35MeV质子直线加速器的加速腔的能量时，电子的速度已接近光速，带圆孔的膜片装置适用于加速电子；质子或离子的质量较大，其速度较低，常采用带漂移管的装置。1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米，电子能量高达22吉电子伏，脉冲电子流强约80毫安，平均流强为48微安。

原理

加速器是由三根用绝缘材料制成的高柱和在它们中间的加速器管组成。加速器靠真空泵

保持真空。外表流线型，不仅为了美观，而且为了防止从任何棱角或突出部分形成意外的放电。

在加速器管中有金属圈，它们同高压发生器相连的方式能使一系列金属圈的负压由底部向顶端逐渐升高。生产质子的离子源安装在加速器管的上端。带正电的质子由于受到带负电的金属圈的吸引而顺管射下——由于下面金属圈的负电压不断增大，质子的速度也不断增加。在加速器管的地端的地板下面，有一间装有接收器的小室，质子能够在这里同物质碰撞，在此过程中，轰击能够引起原子核的蜕变。

主要特点

束流的注入和引出很方便，束流强、传输效率高、束品质较好，可由前至后分段设计、制造和调试。由于加速器不存在偏转束的同步辐射限制，可将电子束加速到很高能量，是下一代超高能对撞机的唯一候选者（见对撞机）。为使加速器有适当的长度，轴上加速电场强度一般在5—25兆伏/米，需要很大的微波功率源，因此单位束流功率所需造价和运行费用较高。现今提出的超导加速器可有效地降低运行费用。

行驻波加速

荷电粒子在高频直线加速器中是用高频（或微波）电场的轴向分量进行加速。按采用的加速波分类，有行波与驻波两类。前者用圆柱波导作为加速结构，在其内沿轴周期性地设置圆盘负载，使波导中传播的相速小于或等于光速，以利同步地加速粒子，其加速场的模式为类－TM，它在近轴区提供最大的轴向电场分量。后者采用圆柱形谐振腔，也沿轴周期性地设置电极（或称漂移管）负载，以提高有效加速电场强度，其加速场的模式为类－TM，同样在近轴区提供最大的轴向电场分量。衡量加速结构性能的主要参数有两类：一是与加速效率有关的参量，特别是有效分路阻抗。它表示给定高频功率损耗，结构能建立多高的加速电场。分路阻抗的高低决定于选用的频率、结构的几何尺寸与形状及相邻加速单元间高频相位的变化量（工作模式）。通常频率越高，结构尺寸越小，分路阻抗和加速效率越高。二是加速结构的稳定性，它表征由于结构的误差和邻近非加速模式对束流的影响。对驻波加速结构，实现稳定性的主要途径是采用所谓的双周期结构，即除了由负载形成的周期性加速单元外，还引进周期性的耦合单元，调节耦合单元的位置和尺寸，便可提高结构的抗干扰性。

分类

按被加速粒子的种类，可分为电子、质子和重离子直线加速器。

电直线加速器

可采用行波或驻波加速粒子。当采用行波加速时，可使结构设计成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一种均匀的加速结构，即结构的各尺寸沿轴不变，便于设计和制造，缺点是微波功率在结构中的损耗不均匀，对较长的直线加速器来说，沿轴的结构温控较不容易。等梯度型加速结构避免了这个缺点，代价是沿轴的结构尺寸有慢变化，使设计和制造较复杂些。

质直线加速器

质子的静止质量是电子的1,800多倍，在其很长的加速范围内，速度远小于或小于光速，因而采用驻波加速结构，以获得较高的有效分路阻抗和加速效率。质子的动能由1兆电子伏到1,000兆电子伏，其速度由光速的4.6%到87.5%。为使结构在不同能区均有较高的加速效率，需采用不同的结构。如：①质子的动能由小于1兆伏加速到几兆伏，可采用高频四极型加速结构（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）。在一圆柱腔的中心部位，方位角对称地设置四个轴向高频电极，在它们所围的近轴区，产生四极聚焦电场，以径向聚焦束流；沿轴可周期性地调变每个电极的径向尺寸，以得到在轴向群聚和加速束流的轴向电场。它兼具聚束、聚焦和加速几种作用，是20世纪70年代兴起的加速结构，选用频率为200—400兆赫。②质子动能要由几兆电子伏加速到150兆电子伏左右，可采用漂移管型结构（又称阿尔瓦雷茨结构），是20世纪40年代末由L.阿尔瓦雷茨首先提出和建造的。在圆柱形腔内，沿轴周期性地设置长度随能量渐增的电极。当高频电场处在正半周时，质子束团在电极间被加速；当处在负半周时，质子束团躲在电极内不受负半周减速场的影响而漂移前进，故又称电极为漂移管。在漂移管内安放四极磁铁，可径向聚焦束流，选用的频率为200—400兆赫。③当质子动能要由150兆电子伏加速到更高能量，通常采用耦合腔加速结构。在该能区内对质子束的径向聚焦已较容易，可将四极磁铁移到加速腔外，使频率提高到800—1,300兆赫，以提高加速效率。这种结构也可用于加速电子，工作频率通常为1,300—3,000兆赫。

重离直加速器

较接近于质子直线加速器，只是在同样动能下，粒子运动速度更低，因而工作频率也更低，一般在27—150兆赫左右。早期的这类加速器，采用维德罗加速结构。现代的这类加速器按能区可采用高频四极型或阿瓦莱兹型。现今发展的重离子加速结构，如柱形和平面螺旋线结构、分离环谐振腔结构等，它们的特点是径向尺寸较小、公差要求较松、可做成许多短腔组合成整台加速器，既便于采用超导技术，又利于展宽重离子的范围和能量连续可变的需求。

超直加速器

利用超导材料做成的结构，其功耗几乎可略去不计，因而可用较小微波功率建立较高的加速电场。这类加速腔大多采用内表面涂有氧化保护层的纯铌材料制成，置于液氮和液氦逐级冷却的低温容器中，可冷却至4.2K或更低。加速电场可达几兆伏/米至20兆伏/米以上。将超导腔用于高能直线加速器，优势更显着。如用于强流质子直线加速器的高能段（约150—1,000兆电子伏），由于功耗可略去不计，可选用束通道孔径较大的结构，可有效避免高能强流束沿途损失造成严重的放射性污染。此外，还有利于提高加速场强，减小设备规模和运行费用等。提议中的超导正负电子直线对撞机（TESLA），选用比其他同类对撞机方案（5,700—11,400兆赫）低得多的频率（1,300兆赫）和较大的束孔径，除仍有较高的加速电场（约25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾场相对很小，较易确保束流的高品质（发射度小、能散小等）。

直线加速器是各类加速器中被最广泛应用的加速器类型（见粒子加速器）。

医学应用

产品用途

双光子医用直线加速器是用于癌症放射治疗的大型医疗设备，它通过产生X射线和电子线，对病人体内的肿瘤进行直接照射，从而达到消除或减小肿瘤的目的。

产品特点

①能量分档多，能量范围宽。

设计有完善的多级安全联锁，确保人员和设备的安全。

②全数字化的设计，整机采用计算机控制，操作软件采用图形界面，操作更简便。自动频率控制（AFC）、自动束流控制（AIC）、剂量监视和自动均整度控制（ADC）等控制系统全部采用微处理器控制，剂量更稳定。

③独立双通道的电离室设计，确保剂量测量的准确性。偏转系统采用滑雪式消色散结构，可获得更好的束流分布。

④加速管采用行波反馈系统，具有能量范围宽、能量稳定性高、束流能谱好，快速瞬态反应等的特点。配合大功率的微波反馈系统，最高微波能量高达6MW。

⑤限束装置的上下光阑可分别独立运动，适应不同治疗种类的需要。中心精度高。可配外置的X刀、多叶光栅等适形治疗系统。具有远程故障诊断功能，可通过互联网协助用户进行维护，维修更简便。

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