[科普中國]-直線感應(yīng)電子加速器

直線感應(yīng)電子加速器可產(chǎn)生流強(qiáng)達(dá)數(shù)千安培、高亮度、低能散度的高品質(zhì)電子束，部件式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使它可大量串接獲得所需要的能量。

內(nèi)容簡介直線感應(yīng)電子加速器可產(chǎn)生流強(qiáng)達(dá)數(shù)千安培、高亮度、低能散度的高品質(zhì)電子束，部件式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使它可大量串接獲得所需要的能量，由于具備這些優(yōu)越性能，使得直線感應(yīng)加速器在近60年的時(shí)間里得到了快速發(fā)展，并在閃光X射線照相、輻照效應(yīng)、自由電子激光、粒子束聚變、高功率微波等國防研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1

“神龍一號”直線感應(yīng)電子加速器簡介直線感應(yīng)加速器（LIA）是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的一種新型加速器， 它能產(chǎn)生強(qiáng)流、高亮度、低能散度的高品質(zhì)電子束， 而部件式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使它可大量串接獲得所需要的能量.由于LIA 具備這些優(yōu)越性能， 因而受到許多國家的重視， 美國、法國、俄羅斯已先后建成多臺直線感應(yīng)加速器 ， 并已廣泛地應(yīng)用于閃光X 射線照相、自由電子激光、粒子束聚變、高功率微波等研究領(lǐng)域.近十年來， 由于精密閃光X 射線照相的迫切需求， 極大地促進(jìn)了直線感應(yīng)加速器技術(shù)的發(fā)展。

“神龍一號”加速器是一臺直線感應(yīng)電子加速器， 其具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

電子能量18-20MeV，

束流強(qiáng)度≥2.5kA ，

束流脈寬≤90ns（FWHM），

X 光焦斑直徑≤1.5mm（FWHM），

X 光照射量（1m 處） ≥0.077C/kg。

物理設(shè)計(jì)1、總體布局

如圖1所示， “神龍一號”加速器主體由注入器、加速段、聚焦段和韌致輻射靶室組成， 總長約60m。加速段由72 個加速腔組成， 每個腔內(nèi)置有螺線管線圈， 以產(chǎn)生軸向磁場引導(dǎo)電子束， 每4 個加速腔串聯(lián)為一節(jié)， 共有18 節(jié)， 每節(jié)之間由多功能腔聯(lián)接， 多功能腔內(nèi)安裝橋接線圈以確保引導(dǎo)磁場的連續(xù)性， 同時(shí)安裝有束流及束位置監(jiān)測器， 對束流大小及位置進(jìn)行在線監(jiān)測.注入器提供的3.6MeV ， ～2.6kA ，90ns的電子束經(jīng)軸向磁場引導(dǎo)依次通過72 個加速腔的加速間隙， 與此同時(shí)， 每個加速腔依次提供一個～220kV ， 120ns 的脈沖高壓至加速間隙， 使～2 .6kA ，90ns 寬的電子束同步加速至18-20MeV ， 并經(jīng)磁透鏡聚焦打靶， 產(chǎn)生脈沖X光。該設(shè)備是一個十分龐大復(fù)雜的系統(tǒng)， 除主體外， 還包括脈沖功率系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（真空、去離子水、冷卻水、變壓器油、高壓絕緣氣體等）以及束品質(zhì)專用診斷設(shè)備等。

獲取小的焦斑直徑集中反映了整個加速器研制的技術(shù)難度。理論和計(jì)算表明， 為實(shí)現(xiàn)1.5mm 焦斑直徑指標(biāo)， 必須使加速器輸出電子束的發(fā)射度和能散度分別控制在2000mm·mrad 和1%以內(nèi)，同時(shí)需有效抑制束流質(zhì)心的Corkscrew 運(yùn)動、BBU 不穩(wěn)定性的增長。

從技術(shù)角度而言， 達(dá)到上述發(fā)射度、能散度參數(shù)均具有挑戰(zhàn)性。要獲取低發(fā)射度的電子束， 必須具有運(yùn)行性能良好的注入器和束流傳輸線， 前者確保電子束的初始發(fā)射度低， 后者則使束流被傳輸過程中的發(fā)射度增長量小。要使電子束的能散度小， 需要通過注入器、脈沖功率系統(tǒng)、加速腔等系統(tǒng)的精細(xì)設(shè)計(jì)、加工和安裝、調(diào)試予以保證。確保機(jī)械軸、螺線管磁軸、電子束軸三軸的一致性達(dá)到相當(dāng)高的精度才能有效抑制束流質(zhì)心的Corkscrew 運(yùn)動。限制BBU 不穩(wěn)定性的增長則需要設(shè)計(jì)低橫向耦合阻抗的加速腔， 同時(shí)要保證束流初始偏心量小。

2、加速腔

根據(jù)總體指標(biāo)要求， 每個加速腔提供的加速電壓不小于230kV ；加速脈沖持續(xù)期間60ns 內(nèi)的平頂波動不大于±1 %， 以使電子被加速獲取能量增益的散度??；橫向耦合阻抗不大于700Ω/m， 以有效控制BBU效應(yīng)。與傳統(tǒng)加速腔的結(jié)構(gòu)相比，“ 神龍一號” 加速腔的設(shè)計(jì)，高壓饋入采用軸向驅(qū)動方式， 以降低橫向耦合阻抗， 鐵氧體環(huán)浸在變壓器油中， 加速間隙是彎曲的， 另有一阻尼帶狀環(huán)， 置于加速間隙外角處.經(jīng)檢測， 加速腔的橫向耦合阻抗～ 500Ω/m， 每個加速腔可提供250kV，±1%平頂不小于70ns的高壓加速脈沖。

3、脈沖功率系統(tǒng)

脈沖功率系統(tǒng)是加速器的功率源， 系統(tǒng)所能達(dá)到的總加速電壓決定了被加速電子的最終能量， 加速電壓平頂寬度和加速電壓饋送到各個加速腔的時(shí)間同步性決定了電子束的能散度。根據(jù)總體性能要求， 脈沖功率系統(tǒng)給注入器段12個感應(yīng)腔和加速段72個加速腔提供加速電壓。84個電壓脈沖按照嚴(yán)格的時(shí)序輸出到各自對應(yīng)的感應(yīng)腔或加速腔， 注入器段脈寬為～90ns ， 加速段脈寬為～120ns ， 注入器段電壓幅度～300kV ， 加速段電壓幅度～250kV?！吧颀堃惶枴奔铀倨鞯拿}沖功率系統(tǒng)按照功能，可分為初級儲能系統(tǒng)、脈沖成形系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng).初級儲能系統(tǒng)采用了8 臺300kV Marx 發(fā)生器。脈沖形成裝置采用了48 套Blumlein 脈沖形成線（B 線）， 注入器段以1B-1C（即一個B 線為一個感應(yīng)腔提供激勵電壓脈沖）方式工作， 加速段以1B-2C 方式工作。觸發(fā)系統(tǒng)主體由三級觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成， 包含了點(diǎn)火機(jī)，增強(qiáng)器， 小Marx，發(fā)散裝置，脈沖延時(shí)裝置等。點(diǎn)火信號觸動增強(qiáng)器， 增強(qiáng)器同時(shí)輸出10路快脈沖， 分別觸發(fā)小Marx 、8 臺Marx 發(fā)生器和經(jīng)過一段時(shí)間延遲后（～ 3μs）觸發(fā)Ⅰ級發(fā)散裝置FⅠ。FⅠ輸出8 路信號， 觸發(fā)8 臺Ⅱ級發(fā)散裝置FⅡ。FⅡ再觸發(fā)48 根B線開關(guān)。每臺Marx發(fā)生器通過主開關(guān)對6根B線諧振充電至峰值附近，主開關(guān)導(dǎo)通，B線將通過高壓同軸電纜輸出高壓脈沖分別饋入到注入器感應(yīng)腔和加速段加速腔上。

4、束流傳輸系統(tǒng)

整個束傳輸線全長約48m， 其間數(shù)千安培的強(qiáng)流脈沖電子束經(jīng)過約170mm的二極管加速區(qū)， 電子能量達(dá)到約3.6MeV，再經(jīng)過4.5m的無加速場漂移區(qū)到達(dá)注入器出口；隨后進(jìn)入到長38.5m的加速段， 通過逐級加速到達(dá)加速段出口時(shí)電子能量不低于18MeV；在加速段獲得能量增益的電子束進(jìn)入到長約3.8m 的無加速漂移段，用于調(diào)整束流進(jìn)入透鏡的入口參數(shù)；最后部分就是通過兩級磁透鏡的聚焦將電子束聚焦到軔致輻射靶上產(chǎn)生高照射量、強(qiáng)穿透能力的X射線。束流傳輸和聚焦元件采用螺線管線圈， 產(chǎn)生的峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度約0.25T，螺線管線圈的勵磁使用高穩(wěn)定運(yùn)行的恒流電源。21個在線的電阻環(huán)束位置監(jiān)測裝置（BPM）監(jiān)測輸運(yùn)過程中束流的強(qiáng)度和偏心狀況。

5、注入器

注入器二極管陰陽極間高壓的產(chǎn)生采用感應(yīng)疊加技術(shù)， 陰極段7 個感應(yīng)腔， 陽極段5 個感應(yīng)腔， 每個腔工作電壓大于300kV。穿過腔中央的陰陽極桿將這些感應(yīng)腔串聯(lián)起來， 在二極管上疊加成3.6MV左右的高壓脈沖。在陰陽極間強(qiáng)電場的作用下， 表面粘有天鵝絨的陰極發(fā)射出強(qiáng)流電子束， 該電子束被二極管區(qū)螺線管線圈和陽極段感應(yīng)腔中的螺線管線圈產(chǎn)生的磁場引導(dǎo)出注入器。由于注入器工作電壓高， 二極管腔的內(nèi)徑達(dá)到了Υ1400mm， 因此二極管區(qū)線圈將全部置于陰陽極頭內(nèi).反向線圈（安置在陰極頭內(nèi)， 以使陰極面的磁場為零）的引線從陰極桿中引出， 引導(dǎo)線圈從雙層陽極管中引出。這種思路首先解決了設(shè)計(jì)時(shí)面臨的困局， 相比于傳統(tǒng)的置于二極管腔外的方式， 置于陰陽極頭內(nèi)的線圈對電源的要求更為實(shí)際可行， 并且線圈本身的制造難度和成本大大降低；更重要的是提高了注入器的性能， 因?yàn)槎O校正線圈可以安置在螺線管線圈內(nèi)， 而在安裝過程中磁軸的對中精度也將得到極大提高。由于線圈內(nèi)置， 陰陽極頭大而重.為支承陰陽極桿， 并將陰陽極頭定位于注入器軸線上， 采用了徑向絕緣支撐。為降低束流脈沖在加速段中能散度增長， 注入器輸出束流脈沖寬度小于加速脈沖的脈寬， 注入器輸出束流脈沖脈寬為90ns（FWHM）。

6、軔致輻射靶

電子束與軔致輻射靶材相互作用， 電子的能量部分轉(zhuǎn)換為X 射線能.軔致輻射靶的設(shè)計(jì)要考慮3個關(guān)鍵因素：制靶材料；靶的厚度；靶的結(jié)構(gòu)。

利用EGS4程序可對束靶作用后的X光能通量（照射量）進(jìn)行計(jì)算，“神龍一號”軔致輻射靶的靶材和靶厚的選取是根據(jù)EGS4 程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷的。計(jì)算結(jié)果表明， 在相同的靶材厚度下， 鎢靶靶前1m 處的照射量略低于鉭靶， 且鉭靶靶前照射量隨角度的增加而減小的速率是高于鎢靶的， 證明鉭靶相對于同等厚度的鎢靶來說， 產(chǎn)生的X 光的前沖性較好， 更加適用于閃光照相.選用鉭靶， 當(dāng)靶厚為1.2mm時(shí)， 靶正前方1m 處的照射量最大。強(qiáng)流電子束與軔致輻射靶作用后， 電子束在靶內(nèi)的能量沉積， 將引起軔致輻射靶的燒蝕和破壞，具體表現(xiàn)為靶材鼓包或穿孔；此外，靶的燒蝕將形成靶表面等離子體，其中較輕的正離子在電子的負(fù)電荷作用下，易進(jìn)入電子束團(tuán)，導(dǎo)致電子束難于被正常聚焦。為此， 軔致輻射靶設(shè)計(jì)成疊靶結(jié)構(gòu)。疊靶是將一定厚度的靶片一層層疊加起來， 中間留有一定空隙或填充其他材料， 通過該結(jié)構(gòu)來減少電子束對靶的沖擊和破壞.疊靶由24 層鉭箔組成， 每層鉭箔厚0.05mm，間距為0.5mm，層與層之間為真空間隙，實(shí)際的轉(zhuǎn)換靶材厚度為24×0.05=1.2mm。利用EGS4程序模擬了上述結(jié)構(gòu)的疊靶所產(chǎn)生的X 光照射量，結(jié)果表明， 在同樣電子束作用下，該疊靶與1.2mm整靶產(chǎn)生的X 光照射量基本相同。

7、控制和監(jiān)測系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用三級子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一級子網(wǎng)為面向設(shè)備子網(wǎng)， 采用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。按受控設(shè)備分為恒流源控制子網(wǎng)、Marx 升壓控制子網(wǎng)、安全聯(lián)鎖控制子網(wǎng)、氣壓與真空系統(tǒng)控制子網(wǎng)。每個子網(wǎng)采用PC 工控微機(jī)作為主機(jī).子網(wǎng)總線為RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線， 最大傳輸距離1200m（無中繼器）， 最高傳輸速率為115.2kbps，傳輸介質(zhì)為雙絞線.現(xiàn)場總線測控模塊直接掛接在總線上， 對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控。另外， 一級子網(wǎng)還包括一個GPIB 總線子網(wǎng)， 用以控制示波器.二級子網(wǎng)為操作子網(wǎng)， 采用一臺工作站作為主控， 每個一級子網(wǎng)的主機(jī)作為數(shù)據(jù)服務(wù)器， 互相連結(jié)成一個局域網(wǎng)。通信協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議， 操作系統(tǒng)為Windows 2000。三級子網(wǎng)為數(shù)據(jù)通訊子網(wǎng)。束流強(qiáng)度及其質(zhì)心位置監(jiān)測采用傳統(tǒng)的電阻環(huán)方法；加速腔電壓的測量采用硫酸銅水阻分壓器和CVP 電壓探頭；束流包絡(luò)、發(fā)射度、能散度等參數(shù)的診斷均是通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換裝置將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為切倫科夫光或OTR 光， 再經(jīng)接收系統(tǒng)接收圖像， 并對圖像進(jìn)行處理獲取相應(yīng)結(jié)果；焦斑測量則采用狹逢成像方法。2

直線感應(yīng)加速器技術(shù)的主要發(fā)展直線感應(yīng)加速器40余年的發(fā)展進(jìn)程中，應(yīng)用需求始終推動著直線感應(yīng)加速器技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新。前20年，主要側(cè)重發(fā)展強(qiáng)流和高峰功率技術(shù)；上世紀(jì)80年代開始，發(fā)展高平均功率技術(shù)和束品質(zhì)控制技術(shù)；90年代以后，主

要發(fā)展MHz重復(fù)頻率能力的固體開關(guān)調(diào)制器技術(shù)和高頻磁芯材料技術(shù)，以及高梯度絕緣體技術(shù)，并促進(jìn)了概念創(chuàng)新，出現(xiàn)了環(huán)形直線感應(yīng)加速器、感應(yīng)同步加速器和介質(zhì)壁加速器等新概念直線感應(yīng)加速器。下面分別進(jìn)行介紹。

1）強(qiáng)流和高峰功率技術(shù)

提高流強(qiáng)和峰功率涉及高功率脈沖功率技術(shù)、加速組元、強(qiáng)流束輸運(yùn)、強(qiáng)粒子束源等眾多技術(shù)的提高和創(chuàng)新。主要經(jīng)過前20年的發(fā)展，流強(qiáng)和峰功率得到了大幅的提升。例如，美國ATA加速器的電子束流強(qiáng)達(dá)10kA ，峰功率達(dá)500GW，平均功率也達(dá)1MW，滿足了當(dāng)時(shí)自由電子激光研究和帶電粒子束在大氣中傳輸研究的需要。又如，前蘇聯(lián)的徑向傳輸線型LIU-30加速器的電子束流強(qiáng)高達(dá)100kA，峰功率高達(dá)4TW，用于核武器效應(yīng)模擬。還有，美國的感應(yīng)疊加器型HERMES-III加速器（19MeV、700kA、28ns）的電子束流強(qiáng)高達(dá)700kA，峰功率高達(dá)13TW，是世界上功率最強(qiáng)大的短脈沖γ射線模擬源，用于模擬核爆瞬時(shí)輻射對電子學(xué)和完整軍事系統(tǒng)的效應(yīng)。以上三臺加速器對直線感應(yīng)加速器強(qiáng)流和高峰功率技術(shù)的發(fā)展具有里程碑意義。

2）高平均功率技術(shù)

直線感應(yīng)加速器發(fā)展初期，平均重復(fù)率通常在大約100Hz以下，這主要是由于脈沖功率系統(tǒng)所用的充氣火花隙開關(guān)工作頻率的限制。上世紀(jì)80年代發(fā)展的磁開關(guān)技術(shù)是高平均功率技術(shù)的重大進(jìn)展，它使直線感應(yīng)加速器的重復(fù)頻率從大約100Hz一下躍升至幾kHz。采用磁開關(guān)技術(shù)建成的ETA-II加速器輸出的電子束不僅平均功率高達(dá)3MW，而且具有高峰功率（12GW）和好的束品質(zhì)，用于產(chǎn)生高平均功率自由電子激光和微波的研究，以及后來的許多科學(xué)研究。

3）束品質(zhì)控制技術(shù)

直線感應(yīng)加速器的許多應(yīng)用如閃光X光照相、高功率微波、自由電子激光、重離子聚變等，不僅要求強(qiáng)流和高功率，而且要求高的束品質(zhì)，以滿足束聚焦、提高轉(zhuǎn)換效率等不同的要求。弱流情況下，沒有空間電荷的影響，實(shí)現(xiàn)高束品質(zhì)相對容易；但在強(qiáng)流高功率情況下，空間電荷非線性力的影響及不穩(wěn)定性影響嚴(yán)重，經(jīng)過長距離加速、輸運(yùn)后仍要保持高的束品質(zhì)難度極大。束品質(zhì)主要用束能散度，束發(fā)射度及束的穩(wěn)定性來表征。束品質(zhì)控制技術(shù)要解決的問題是如何實(shí)現(xiàn)要求的低能散度、低束發(fā)射度及抑制各種束不穩(wěn)定性，這涉及解決一系列相關(guān)的物理和技術(shù)問題。大體從上世紀(jì)80年代后期開始，通過在高品質(zhì)束源技術(shù)、寬平頂高電壓產(chǎn)生技術(shù)、低橫向耦合阻抗加速組元技術(shù)、低橫向場分量螺線管線圈技術(shù)、高精度磁軸準(zhǔn)直技術(shù)、束心智能調(diào)諧技術(shù)、束不穩(wěn)定性抑制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)上的相繼突破，對強(qiáng)流電子束品質(zhì)的控制技術(shù)逐漸走向成熟，取得明顯效果。例如，1999年建成的DARHT-I加速器采用了一系列束品質(zhì)控制技術(shù)，束品質(zhì)顯著提高，使X光焦斑直徑（50%MTF）減小到約2 mm，這是同類加速器此前從未達(dá)到過的。但對重離子束品質(zhì)的控制還很不成熟，由于重離子束始終是空間電荷占優(yōu)的束，許多問題尚待解決。

4）固體開關(guān)調(diào)制器技術(shù)

固體開關(guān)調(diào)制器是使用固體開關(guān)的脈沖發(fā)生器。常用的半導(dǎo)體固體開關(guān)有場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。固體開關(guān)調(diào)制器的主要特點(diǎn)，首先是高重復(fù)頻率，可達(dá)幾MHz ；其次是產(chǎn)生的脈沖格式（包括脈沖數(shù)量、極性、組合方式、形狀、幅度等）適應(yīng)性強(qiáng)且精度高。目前已有不少固體開關(guān)調(diào)制器投入應(yīng)用和研究工作，其中ARM-II是有代表性的一種，它可以2 MHz的重復(fù)率輸出45kV、4.8kA的脈沖，且脈沖格式可以變化。

5）高頻磁芯材料技術(shù)

加速組元能在幾MHz的高重復(fù)頻率下工作的關(guān)鍵是磁芯材料具有優(yōu)良的高頻特性，即要求磁芯材料在幾MHz的高重復(fù)頻率下仍有足夠高的通量增量ΔB和每個脈沖激勵期間較為固定的導(dǎo)磁率μ，且損耗又足夠低。研究表明，微晶合金（Nanocrystalline alloy，商品名Finemet）和非晶金屬玻璃在MHz下仍具有優(yōu)良的特性，滿足MHz重復(fù)頻率加速組元的要求，已在實(shí)際中應(yīng)用。

6）高梯度絕緣體（HGI）技術(shù)

高梯度絕緣體由多層薄絕緣體和薄導(dǎo)體交替緊密疊壓構(gòu)成，因此，高梯度絕緣體技術(shù)又稱為微疊層絕緣技術(shù)。這種微疊層結(jié)構(gòu)沿面有利于抑制發(fā)射電子的雪崩過程，因而具有比普通絕緣體優(yōu)異的擊穿特性，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。微疊層導(dǎo)體間隔距離即絕緣層厚度對擊穿特性有顯著影響，實(shí)驗(yàn)研究表明，隨絕緣層厚度減小，擊穿場強(qiáng)增加。圖5的結(jié)果表明，高梯度絕緣體的表面擊穿場強(qiáng)比普通絕緣體顯著提高，在脈寬2ns到10μs范圍，比普通絕緣體大致提高5~6倍；當(dāng)脈寬為100ns時(shí)，高梯度絕緣體表面擊穿場強(qiáng)約為350kV/cm（35MV/m），而普通絕緣體僅約為60kV/cm（6MV/m）。

7）新加速概念

（1）環(huán)形感應(yīng)加速器（CIA）

固體開關(guān)調(diào)制器和磁芯材料幾MHz重復(fù)頻率的工作能力給加速組元循環(huán)加速創(chuàng)造了條件。所謂循環(huán)加速就是粒子束反復(fù)通過一個加速組元被加速。循環(huán)加速過程中，粒子束通過加速組元仍是沿直線被加速，但其往返運(yùn)動軌跡可以是不封閉的螺旋線，也可以是封閉的環(huán)形。后一種方式可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)多次的加速，效率高，造價(jià)低，但須有粒子束的注入及引出裝置。顯然，加速組元循環(huán)加速使直線感應(yīng)加速器從直線變成了環(huán)形，叫做環(huán)形感應(yīng)加速器，也稱為感應(yīng)循環(huán)加速器。美國馬里蘭大學(xué)已建成一臺名為UMER的加速電子的環(huán)形感應(yīng)加速器，周長11.5m。該加速器設(shè)計(jì)成低能（10keV）、強(qiáng)流（100mA），專門用于研究空間電荷占優(yōu)束的物理學(xué)，為重離子加速器設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。目前，該加速器已投入使用，電子束已可運(yùn)行3圈。

（2）感應(yīng)同步加速器（IS）

感應(yīng)同步加速器的概念是K.Takayama和J.Kishiro于1999年提出的。設(shè)想用感應(yīng)組元替代射頻同步加速器中的射頻腔，從而顯著增加質(zhì)子束團(tuán)的長度（脈寬）、占空比及束流強(qiáng)度。在射頻同步加速器中，射頻腔產(chǎn)生的射頻電壓脈沖兼有對束團(tuán)加速和縱向約束兩個作用，如圖6（a）所示。但在感應(yīng)同步加速器中，這兩個作用是由兩個感應(yīng)組元分別實(shí)現(xiàn)的，如圖6（b）所示。一個感應(yīng)組元提供平頂電壓脈沖加速束團(tuán)，由于該脈沖可以做成很長，因此可以加速脈寬達(dá)μs范圍縱向電荷密度均勻分布的長束團(tuán)，這種長的束團(tuán)稱為超級束團(tuán)；另一個感應(yīng)組元提供雙極性矩形電壓脈沖分別施加到該超級束團(tuán)的頭部和尾部進(jìn)行縱向約束，形成位壘相位穩(wěn)定區(qū)。

感應(yīng)同步加速器的原理性論證實(shí)驗(yàn)在KEK的12GeV質(zhì)子同步加速器（12GeV PS）上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)分為三個階段，計(jì)劃2007年完成。第一階段論證質(zhì)子束團(tuán)的感應(yīng)加速（500MeV至8GeV），而束團(tuán)的縱向約束仍利用射頻腔電壓脈沖；第二階段論證能量500MeV時(shí)，超級束團(tuán)的形成；第三階段論證超級束團(tuán)的聚積和加速（500MeV至8GeV）。第一階段論證實(shí)驗(yàn)布局如圖7所示，在加速器主環(huán)（周長340m）上增加了感應(yīng)加速系統(tǒng)，對射頻束團(tuán)進(jìn)行加速。而主環(huán)上原有的射頻腔經(jīng)調(diào)整相位只對束團(tuán)起縱向約束作用，不產(chǎn)生加速。目前，原理性論證實(shí)驗(yàn)已取得決定性進(jìn)展，首先，在環(huán)形加速器上觀測到質(zhì)子（/束團(tuán)）的感應(yīng)加速，單個射頻束團(tuán)從500MeV被加速到8GeV，能量增益4.8keV/圈；其次，論證了長為600ns的質(zhì)子束團(tuán)的形成，該束團(tuán)能捕集在由感應(yīng)組元產(chǎn)生的雙極性階躍電壓形成的位阱中。這些進(jìn)展是實(shí)現(xiàn)感應(yīng)同步加速器的關(guān)鍵里程碑。

（3）介質(zhì)壁加速器（DWA）

介質(zhì)壁加速器概念是在高梯度絕緣體技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上提出的。普通直線感應(yīng)加速器僅在加速間隙上有加速電場，加速梯度通常不超過1MV/m。介質(zhì)壁加速器設(shè)想用高梯度絕緣體代替加速器的導(dǎo)電束管道，使加速場可以均勻地施加在整個加速器的長度上，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的加速場，因而可顯著提高加速梯度。但為了給這種連續(xù)的加速場提供加速電壓，沿整個加速器軸向長度必須要有大量的脈沖形成線。它們的輸出端與高梯度絕緣體相連，實(shí)際上構(gòu)成大量彼此相鄰的無磁芯感應(yīng)組元。介質(zhì)壁加速器的優(yōu)點(diǎn)，首先是加速梯度高，可超過20MV/m；其次，低阻抗結(jié)構(gòu)具有產(chǎn)生數(shù)百kA束流的能力，但輸運(yùn)及絕緣體擊穿施加的限制目前尚不清楚。介質(zhì)壁加速器的脈沖形成線通常采用不對稱的或?qū)ΨQ的Blumlein脈沖形成線，提高脈沖形成線性能的關(guān)鍵是采用高比能介質(zhì)和高性能的開關(guān)。利用介質(zhì)壁加速器技術(shù)可以發(fā)展非常緊湊、價(jià)格低廉的短脈沖強(qiáng)流加速器。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所