加速器原理-直線加速器課件

1、粒子獲得的能量與加速長度成正比。動(dòng)能的增長量為：為加速電壓的幅值為電子通過加速間隙中心時(shí)加速電壓的相角定義：直線加速器是利用高頻電場加速沿直線運(yùn)動(dòng)粒子的諧振加速裝置。直線加速器的優(yōu)點(diǎn)：1、粒子的注入和引出都比較容易，效率高，可以獲得較強(qiáng)的粒子流；3、可以分期建造，逐節(jié)加長，逐步提高最終加速能量，靈活性較大。2、粒子束是直線運(yùn)動(dòng)，輻射損失極微弱；對于直線加速器輻射功率損失:對于回旋加速器輻射功率損失:直線加速器的缺點(diǎn)1、設(shè)備龐大,加速器總長度可達(dá)幾千米,幾十千米2 、需要昂貴的高頻、微波功率源. 直線加速器 實(shí)景示意1924年瑞典的伊思英（G.Ising） 首先提出直線加速器的設(shè)想和圖樣： 用漂

2、浮管進(jìn)行加速 維德羅埃(E.Wideroe)于1928年發(fā)明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的第一臺(tái)直線加速器，由于受當(dāng)時(shí)高頻技術(shù)的限制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV。一、發(fā)展概述維德羅埃直線加速器Wideroe Linac諧振加速器的產(chǎn)生:1934年斯勞恩和柯思特斯將直線加速器的漂浮管繼續(xù)增加到36個(gè)來加速粒子，加速器不要太長，就需要使用較高的頻率，即勞倫斯提出諧振加速器。1933年比姆斯（J.W.Beams）等建造 第一臺(tái)電子直線加速器將15kV的行波脈沖電壓加到15個(gè)漂浮管上，將電子能量由28keV提高到90keV 1935年電子直線加速器已發(fā)展到用54kV脈沖電壓加到6個(gè)漂浮管

3、上，將電子加速到2.5MeV的能量。 直到第二次世界大戰(zhàn)中雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，解決了一直限制著直線加速器的射頻技術(shù)和大功率源的難題。直線加速器進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。 在二戰(zhàn)后，大約10個(gè)小組獨(dú)立地開始發(fā)明和研制射頻電子直線加速器。其中有兩個(gè)小組工作是領(lǐng)先的。一個(gè)是英國TRE(Telecommunications Research Establishment)研究所D.D.Fry領(lǐng)導(dǎo)的小組。一個(gè)是美國W.W.Hansen領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)的一個(gè)小組。Fry小組在1946年11月建成第一臺(tái)現(xiàn)代電子直線加速器，束流能量為0.5MeV。Hansen小組于1947年初建成1.7MeV電子直線加速器。自此之后各

4、種電子直線加速器得到迅速的發(fā)展。 1944-1945年,在成熟理論和技術(shù)支持下,現(xiàn)代直線加速器進(jìn)入迅速發(fā)展時(shí)期。 1945年，阿爾瓦列茲在伯克利實(shí)驗(yàn)室，利用戰(zhàn)后剩余的功率源，于年建成ev的質(zhì)子直線加速器 從1947年到1953年在美國斯坦福連續(xù)建造了Mark I到Mark III三臺(tái)電子直線加速器。1958年時(shí)Mark III將電子能量加速到900MeV，霍夫斯塔特在這臺(tái)加速器上完成了有重要意義的質(zhì)子和中子形狀因子的測量，因而獲得了1961年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。從1956年開始斯坦福直線加速器中心建造了著名的3km長的20Gev的電子直線加速器，并于1966年首次運(yùn)轉(zhuǎn)。 1960年美國BNL首次將

5、交變梯度強(qiáng)聚焦原理應(yīng)用于阿爾瓦列茲型加速器的徑向聚焦上，以磁四極透鏡對代替先前的金屬網(wǎng)，使脈沖流強(qiáng)達(dá)到數(shù)十mA，比先前又提高了103倍。 1972年德國卡士魯核研究中心和法蘭克福大學(xué)合作，建成了第一個(gè)超導(dǎo)離子加速腔柱狀螺線腔，用以加速質(zhì)子，能量達(dá)到0.42MeV 。1972年美國洛絲阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室建成的800MeV質(zhì)子直線加速器。 1974年德國建成了一臺(tái)全粒子直線加速器（UNILAC），它由維德羅埃腔，阿爾瓦列茲腔和單隙腔組成，可將周期表上從氫到鈾的任何元素的離子加速?，F(xiàn)代很多高能及超高能加速器中，直線加速器都是不可缺少的一個(gè)部分。如SPS， SLC維德羅埃直線加速器工作原理二加速原理諧

6、振加速條件:設(shè)Ln是第n個(gè)漂移管的有效長度,它非常接近于兩個(gè)相鄰間隙中心之間的有效長度,由可得Vn為粒子通過n+1個(gè)漂移管的速度設(shè)入射粒子能量為E0, 經(jīng)過n個(gè)間隙后,粒子在第n+1個(gè)漂移管中的能量為En由此得或當(dāng)粒子入射能量很小時(shí),即開始加速時(shí),粒子動(dòng)能增量也很小,即為非相對論情形,即則由 每個(gè)漂移管的長度依次?為使加速器總長度盡量減小,應(yīng)該?由 為提高粒子能量應(yīng)采取的措施?下面估算直線加速器的總長度設(shè)對于相對論得相位在區(qū)間內(nèi)離子都是加速的一般離子并不正好在零相位加速,而是在某一相位離子一次加速的能量增益首先將加速電場幅值展開為富氏級(jí)數(shù):(1)(2)(1)(2)代入如沿x軸正方向傳播的平面簡

7、諧波，其表達(dá)式為波的疊加?相速度?群速度?式中（wt-kx）稱為波相，當(dāng)（wt-kx）一定時(shí)，則 值一定。當(dāng)t增大時(shí)，x必須增大，才能保持（wt-kx）不變。這意味著用（wt-kx）描述的振動(dòng)狀態(tài)隨著時(shí)間的推移向x的正方向傳播。 相速度即波相傳播的速度，等于x對t的變化率，令wt-kx常量 將上式兩邊微分，經(jīng)整理可得 實(shí)驗(yàn)和理論證明，相速度的大小還與波的頻率有關(guān)。光的色散現(xiàn)象就是波速與頻率有關(guān)的明顯例證。通常把相速度與頻率無關(guān)的媒質(zhì)稱為無色散媒質(zhì)；把相速度隨頻率而變的媒質(zhì)稱為色散媒質(zhì)。w=2pv 在無色散媒質(zhì)中，只要用相速度描述波的傳播即可，但是在色散媒質(zhì)中，要描述任意一種波的傳播只有相速度就

8、不夠了，需要引入群速度的概念。 以兩個(gè)頻率相近的等振幅簡諧波的合成波的傳播為例說明群速度的概念 合成波為設(shè)t時(shí)刻的波形 而 表示圖中一個(gè)個(gè)小的波形。上式中或或k2,所以 變化緩慢如圖中虛線所示的包絡(luò)線令則上式可改寫為在波傳播過程中，一個(gè)個(gè)小的波形在向前傳播的同時(shí)，整個(gè)波形即包絡(luò)也在向前移動(dòng)，二者移動(dòng)速度可如下求得： 常量 等式兩邊微分 可求得小波形移動(dòng)的速度為 同樣可求得包絡(luò)移動(dòng)的速度或稱波群移動(dòng)的速度為 在無色散媒質(zhì)中，相速度與頻率無關(guān)，由w=uk可求得 =u在色散媒質(zhì)中，相速度與頻率有關(guān)。在w=uk中u是頻率的函數(shù),這樣 圖的上半部表示t1時(shí)刻 、和 的波形曲線。此時(shí) 的一個(gè)波峰（用標(biāo)記）

9、和 的一個(gè)波峰（用標(biāo)記）恰好重合，重合處應(yīng)是合成波的最大值即波形包跡(即包絡(luò))的最高點(diǎn)。 圖的下半部表示在另一時(shí)刻t2的波形曲線。與t1時(shí)刻比較，、和都沿x正方向傳播了一段距離。適當(dāng)選擇t2t1，使得帶標(biāo)記的波峰之后的一對波峰在t2時(shí)刻重合，這樣包跡的最高點(diǎn)恰好移到新的重合處。 第n次,正向行波第n次,反向行波駐波電場滿足時(shí)其中相速度最高的是n=1的波,我們稱它為基波,而且有:基波正向波:與離子速度相同,離子像騎在基波的正向波上,二者一起前進(jìn),只要粒子在正向波加速相位上,就能持續(xù)地得到加速,粒子越靠近行波正的峰值受加速作用越強(qiáng).基波反向波:雖有與離子相同的速率,但行進(jìn)方向與粒子相反,粒子頻繁受

10、到加速與減速,最終幾乎不對粒子能量產(chǎn)生作用.離子加速,v越來越大漂移管長度做得逐漸增大加速方式波的類型一般適用范圍特征剩余功率的利用行波加速行波,方向單一電子只產(chǎn)生正向波,用正向波加速吸收或引出再傳輸?shù)叫胁ㄈ肟?反饋)駐波加速駐波,可分解為方向相反的兩列行波場的疊加離子既產(chǎn)生正向波,又產(chǎn)生反向波在終端反射,與各次反射的波疊加成駐波直線加速器行波加速與駐波加速的區(qū)別 無論是行波直線加速器,還是駐波直線加速器,為了實(shí)現(xiàn) 粒子在其中的加速,都必須確保兩個(gè)過程: 諧振的實(shí)現(xiàn)；聚焦的實(shí)現(xiàn)諧振的實(shí)現(xiàn) vph為波的相速1）行波加速持續(xù)加速，終端負(fù)載吸收剩余功率2）駐波加速可視為兩列行波迭加，起加速作用的是正向基波（ 最高）故行波加速和駐波加速可統(tǒng)一處理。聚焦的實(shí)現(xiàn)可以加速粒子的射頻場在橫向是散焦的，多數(shù)情況下要外加磁聚焦元件（四極透鏡、螺線管透鏡），也有用電聚焦的（RFQ） 為保證粒子束在加速電極的中心軸線上飛行,采用兩種方法來達(dá)到徑向聚焦