[科普中國(guó)]-電子環(huán)加速器

提出及發(fā)展

原蘇聯(lián)Bekcлeл于1957年提出了“電子環(huán)加速器”方案。

1968年在美國(guó)伯克利勞倫斯實(shí)驗(yàn)室（LBL）開(kāi)了一次電子環(huán)加速器（ERA）的討論會(huì)，與會(huì)科學(xué)家對(duì)電子環(huán)加速器（ERA）的成功寄予很大的希望。此后不少?lài)?guó)家成立了研究組，少者數(shù)人，多者近100人進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究。

1971年原蘇聯(lián)V.P.Sarantsev在日內(nèi)瓦高能加速器會(huì)上作了電于環(huán)加速器將α 粒子加速到30MeV的報(bào)告。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室提出了一個(gè)將質(zhì)子加速到65—10GeV的電子環(huán)加速器方案，加速器全長(zhǎng)約 400m，造價(jià)估計(jì)240萬(wàn)美元左右。

1978年原蘇聯(lián)杜布納小組報(bào)告了電子環(huán)加速器（ERA）加速重離子的結(jié)果：加速器總長(zhǎng)度為 50 cm，電子能量為20MeV，電子環(huán)的大半徑R=3 cm，小半徑a=2 mm，有個(gè)的離子被加速，其加速率為4MeV/核子/m，對(duì)其他重離子的加速率為1.5—2 MeV/核子/m。5×1011 N14

仿佛從電子環(huán)加速器（ERA）的結(jié)果可以看到新的希望，但由于電子環(huán)加速器（ERA）存在的不穩(wěn)定性，如負(fù)質(zhì)量不穩(wěn)定性等使原來(lái)希望達(dá)到100MV/m的場(chǎng)梯度受到了限制（低于50MV/m）。因此電子環(huán)加速器作為高能量加速器的主張已被放棄，但少數(shù)實(shí)驗(yàn)室仍在研究電子環(huán)加速器（ERA）作為重離子加速器的可能性?？傊?，作為集團(tuán)加速的電子環(huán)加速器有所進(jìn)展，但仍有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決。1

原理把由直線電子感應(yīng)加速器引出的電子束注入到磁鏡中，然后用增加磁場(chǎng)的辦法對(duì)電子束進(jìn)行絕熱壓縮形成電子環(huán)。電子環(huán)形成的地方，由于電荷密度高，其電場(chǎng)足以使周?chē)鷼怏w電離并捕獲部分離子加載到電子環(huán)中。當(dāng)該環(huán)被加速時(shí)，電子環(huán)—離子一起被加速。1

基本過(guò)程在電子環(huán)加速器中，基本過(guò)程分為四步，即成圈、壓縮、捕獲正離子和加速。

環(huán)狀陰極發(fā)射出熱電子被陽(yáng)極加速，穿過(guò)陽(yáng)極后形成圓筒狀電子束，并進(jìn)入到一個(gè)磁場(chǎng)的尖形場(chǎng)區(qū)在陽(yáng)極后面的磁性材料環(huán)使兩邊縱向相反方向的磁場(chǎng)在此處形成高的徑向磁場(chǎng)），此處的徑向磁場(chǎng)使電子轉(zhuǎn)圈，并使電子的縱向動(dòng)能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)圈的角向動(dòng)能。

電子束通過(guò)尖形場(chǎng)區(qū)后，磁場(chǎng)逐漸加大，電子的回旋半徑也逐漸減小。這不但使電子環(huán)的縱向尺寸變小，徑向尺寸也變小，因此形成電荷密度很高的電子環(huán)。由于圓筒電子束是脈沖化的，因此被壓縮的電子環(huán)是一個(gè)接一個(gè)地沿縱向方向運(yùn)動(dòng)，如同吐的煙圈一樣，故也被稱(chēng)之為“煙圈加速器”。

電子成圈并被壓縮后，其電荷密度很高，并形成很強(qiáng)的電場(chǎng)。

為了加速離子，我們?cè)趬嚎s電子環(huán)的途中送入10?1 ?10?2Pa 壓力的氣體，氣體被電子環(huán)電離后部分被電子環(huán)捕獲。這不但達(dá)到集團(tuán)加速的可能，而且電子環(huán)捕獲離子后自身的穩(wěn)定性也得到改善。

加載離子的電子環(huán)沿縱向運(yùn)動(dòng)，其中已被捕獲的離子同電子環(huán)一起以同樣的縱向速度運(yùn)動(dòng)，若電子環(huán)沿縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，縱向磁場(chǎng)逐漸減小，則電子環(huán)的角向速度也減小，這導(dǎo)致電子環(huán)的縱向速度增加。結(jié)果電于環(huán)中的離子的也跟著增加，這也就實(shí)現(xiàn)了離子的加速。由于這是因磁場(chǎng)減小，電子環(huán)直徑變大時(shí)被加速的，因此被稱(chēng)為“膨脹加速”。1

當(dāng)然也可以用外場(chǎng)來(lái)加速電子環(huán)。