高梯度电子直线加速器

由于实验高能物理对于高能加速器的需要,希望建造能量为Tev数量级的电子、正电子直线对撞机,为此需要建造能量为Tev数量级、加速梯度为100MV/m的电子直线加速器。本文对于这种高梯度电子直线加速器的工作频率和加速结构的选取、新的微波功率源、脉冲功率压缩系统和双束加速器等有关问题作了综合性的介绍。     

电子直线加速器的现状和发展

现代的电子直线加速器是指电子束在微波电场作用下,直线地通过加速结构,能量不断增加的装置.有时又称作电子林耐克(Linac).在电子加速器中它占有十分重要的地位.加速结构通常是一段带圆盘负荷的金属圆波导(见图1,也存在其它加速结构,如后面淡到的边耦合腔结构),利用在其中传播的TM01波纵向电场分量Ez加速电子。加上金属圆盘负荷主要是为了把电磁波传播的相速减到小于或等于光速,以便实现同步加速.本文主要谈谈这类电子直线加速器的现状和发展趋势,并不包括静电加速器、直线电子感应加速器和其它一些低能强流直线加速器.但某些以电子直线加…     

医用电子直线加速器驻波加速原理

 带电粒子加速器是用人工方法借助不同形态的电场,将各种不同种类的带电粒子加速到更高能量的电磁装置。电子直线加速器是利用微波电场加速电子,使其具有直线运动轨道的加速装置。尽管20世纪60年代后期驻波电子直线加速器发展迅速,但其原理并不新颖。早在20世纪40年代中期,不少研究小组在研究行波电子直线加速器的同时,就已利用驻波电场加速电子。电子直线加速器有两种可供选择的工作方式,即行波工作方式和驻波工作方式。     

高梯度行波电子直线加速器

本文评述了一种采用射频功率反馈的高梯度行波电子直线加速器,详细计算了它们的能量增益和瞬态特性。最后简要地比较了它与高梯度驻波直线加速器的性能及特点。     

高梯度行波电子直线加速器

本文评述了一种采用射频功率反馈的高梯度行波电子直线加速器,详细计算了它们的能量增益和瞬态特性。最后简要地比较了它与高梯度驻波直线加速器的性能及特点。     

TRIUMF ARIEL 电子直线加速器设计

 TRIUMF 的三期升级工程(ARIEL) 计划建造一个 50 MeV 平均流强为10 mA的电子直线加速器作为注入器,通过光裂反应生成放射性核素。电子直线加速器包括两个主要部分：注入器和后加速器,注入器完成电子能量从100 keV到10 MeV的转换,随后的后加速器将电子能量从10 MeV加速到50 MeV。电子源拟采用重复频率为650 MHz的热电子枪提供初始能量为100 keV,束长为 171 ps的电子束。束流动力学模拟了几种不同的设计方案以获得最优化的设计,模拟显示通过对腔体以及聚焦元件的仔细设计以及电子枪出射电子的参数选择, 电子束能量在达到50 MeV时束长可以被聚焦到 11.75 ps (对应于1.3 GHz 频率下5.5°) ,并且可以使电子束在超导低温柜中的尺寸保持在1.26 cm以下。     

一种新型、紧凑、高效电子直线加速器加速管的设计研究

对一个新型、紧凑、高效的电子直线加速器的加速管的设计,进行了等阻抗与等梯度两种结构的比较研究.对于使用一个5MW速调管的能量和相位经过选择的用毕束流注入到两种加速管的情况应用Parmela程序进行了模拟计算.说明宜于加工和调试的等阻抗加速管更为适宜.最后,简单地讨论了如用更高功率(如30MW?,相应加速能量约为30MeV)的速调管用毕束流作为这种新型加速器的注入束时,等阻抗加速结构除了在设计、加工、调试中的简单易行外,同时模拟结果表明整个加速管无需外加横向聚焦磁场.     

能量回收型直线加速器

 能量回收型直线加速器(EnergyRecoveringLinacs,简称ERL),是一种新型的、发展中的加速器,它具有直线加速器的优质束流性能,具有接近环型加速器的高效率。已在自由电子激光等方面投入应用,并具有多方面的发展和应用前景。一、由来和优势我们知道,高频电子直线加速器是用高频电场加速沿直线轨道运动的电子束的装置。通常,电子束只通过直线加速结构一次,在达到要求的能量后,即离开直线加速器,或直接用于科学实验、医学放疗、材料辐照、自由电子激光驱动等;或注入到环型加速器中继续加速和积累,用于同步辐射光源或高能物理实验等。     

高品质激光尾波场电子加速器

激光尾波场电子加速的加速梯度相比于传统直线加速器高了3—4个量级,对于小型化粒子加速器与辐射源的研制具有重要的意义,成为当今国内外的研究热点.台式化辐射源应用需求的提高,特别是自由电子激光装置的快速发展,对电子束流品质提出了更高的要求,激光尾波场电子加速的束流品质和稳定性是目前实现新型辐射源的首要障碍.本文归纳整理了中国科学院上海光学精密机械研究所电子加速研究团队十年来在研制台式化激光尾波场电子加速器过程中采取的方案和取得的进展.例如率先提出了注入级和加速级分离的级联加速方案,通过实验获得了GeV量级的电子束能量;基于级联加速方式利用能量啁啾控制,实验获得世界最高品质的电子束流;通过优化激光系统稳定性和特殊的气体喷流结构,获得稳定的高品质电子束流输出等.这一系列实验结果有利于进一步推进激光尾波场电子加速器的应用.     

近几年高能加速器的新发展

本文从四个方面介绍１９６６年以来高能加速器的新发展．即强聚焦同步加速器、中高能强流加速器、对撞机和新技术及新加速原理． 强聚焦同步加速器是当前高能加速器的主要类型．近年来采用了分离作用强聚焦系统、增强器等新技术,最高能量已提高到４００千兆电子伏、设计平均流强达微安级,都比六十年代水平提高十倍多．每千兆电子伏投资约６０万美元,为六十年代水平的６０％左右． 质子强流发展较慢,目前仍依靠二十多年前建成的稳相加速器,平均流强为微安级,最高能量１０００兆电子伏．有的正计划改建,把流强提高到十至数十微安．建造中的有两台等时性旋加速器,设计平均流强１００微安,能量约５００兆电子伏．一台８００兆电子伏的质子直线加速器正在总调中,设计流强１毫安．高能强流电子束主要依靠电子直线加速器产生,目前已达２２千兆电子伏,平均流强４８微安． 利用相对运动的两束粒子进行对撞的对撞机是近年来发展较快的加速器类型．由于对撞实验中粒子能量利用率高,是今后进行“超高能”实验的有效方法．目前已经建成的电子正电子对撞机单束能量约２．５千兆电子伏,质子对撞机为２６．５千兆电子伏． 在加速器方面已广泛采用电子计算机和自动化技术．正在研究中的新技术主要为超导磁     

BTF加速器物理设计

北京X射线自由电子激光试验装置(BTF)将“寄生”在BEPCⅡ直线注入器这一国内能量最高, 性能最好的电子直线加速器上.BTF将弃用现有直流枪予注入器, 采用光注入器(photoinjector)经低能输运线斜注入到BEPCⅡ直线加速器主加速器, 同时拆掉三节加速管以安装两级磁压缩器, 并在A46后拆掉二节加速管引出束流, 经高能输运线后进入波荡器.模拟结果表明改造后的直线加速器BTF电子能量可达1.18GeV、能散0.15%、归一化发射度小于2.5mm.mrad.     

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。     

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）北大核心CSCD

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。     

激光等离子体尾波加速器的发展和展望

超强激光在气体等离子体中传输时可以激发出大振幅的电子等离子体尾波。激光等离子体尾波加速器是利用该尾波对带电粒子（特别是电子和正电子）进行加速的一种新型装置。由于其加速梯度相较于现有的常规加速器可以提升1000倍,为建造超紧凑型的加速器和辐射源奠定了基础,也为将来建造基于等离子体的超高能正负电子对撞机和自由电子激光装置提供了可能。对该新型加速器的原理、特点、发展历程,尤其是近十年来的主要进展和未来发展趋势及面临的主要挑战进行简要梳理和介绍。     

质子直线加速器设计研究

当前质子直线加速器发展的两个重要方向是强流质子直线加速器和小型质子直线加速器.前者主要用于核能领域,后者主要用于质子治疗.两类加速器有着共同的特点:1.采用一些新型加速结构,它们是传统结构的组合和发展;2.加速小发射度的质子束;3.加速器应有高度的可靠性.但前者的建造难度远大于后者,它还要求具有很低的束流损失率和尽可能高的能量利用效率.研究了两类加速器设计中的一些重要问题,提出了一些设计方案.     

射频超导腔的研究新进展

 射频超导谐振腔已经大规模地应用到粒子加速器领域,其优越之处在于它可以在CW模式或长宏脉冲模式下,提供高的加速梯度。射频超导已经成为自由电子激光和能量回收直线加速器的关键技术。经过30多年的研究发展,解决了超导腔的热崩溃、场致发射等诸多关键问题,目前加速梯度已经超过40 MV/m。高加速梯度的获得是射频超导领域的前沿热点,电抛光＋低温热处理技术使射频超导腔的加速梯度提高3～4 MV/m。最新发展起来的超导腔的干式处理可以改善超导腔的表面状况,提高超导腔的Q值,抑制次级电子发射效应,有可能成为提高超导腔性能的又一有效手段。     

第一讲台面型电子加速器——激光尾波场加速器

近年来，随着超短超强激光脉冲技术的发展，利用超短超强激光在等离子体中激发出的高强度尾波场来实现电子加速的方案也取得了巨大进展．相对于传统的射频腔加速器，这种新型的加速器由于以等离子体为介质，可以突破传统加速器中加速梯度小于100MV／m的限制，其加速梯度可以达到100GV／m．电子在这样的加速场下，在厘米量级的距离内就可以获得GeV的能量．随着台面型超短超强激光器的发展，新一代实用化的台面型电子加速器有望在不远的将来得以实现．文章将从理论和实验上对激光尾波场加速中的尾波激发、电子注入、距离延长三个方面加以介绍，同时给出国内在这些方面的一些研究进展．     

介质壁直线加速器加速单元间的电路耦合及解耦

中国工程物理研究院流体物理研究所研发的介质壁直线加速器是基于固态脉冲形成线、GaAs光导开关和高梯度绝缘介质壁三项关键技术的新型直线脉冲加速器。在加速器调试阶段,测量出获得加速的质子束流能量远低于预期值,在排除功率源负载能力因素之后,发现脉冲功率源因连接回路引起的电路耦合效应是导致束流能量低的主要原因。基于介质壁直线加速器加速单元放电回路结构的分析,确认了加速单元之间的电路耦合的必然性。并通过测量回路电流,研究了几种不同工作模式下的电路耦合效应。结合电路耦合的特点,给出了两种基于磁芯隔离的解耦方法,并测量了这两种方法的解耦效率。     

医用质子直线加速器的设计研究

讨论用于治癌的低束流高能量质子直线加速器的初步物理设计.采用短脉冲和高重复频率的S波段的加速结构,类似于医用电子直线加速器.总长26m,由离子源、RFQ、DTL、SCDTL及SCL组成,能量经70—200MeV有八档可调,平均束流强度10—40nA.     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013