直线感应加速器的发展

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1、直线感应加速器的发展 直线感应加速器的发展 一、概述 一、概述 直线感应加速器（LIA）是 20 世纪 60 年代发展起来的一种新型加速器，其独特的能力是可产生非常强束流、非常高峰功率及高束品质的脉冲粒子束（电子束或离子束） 。普通的直线加速器以射频频率产生长的束脉冲串，其平均束流通常小于 1A；与此相反，直线感应加速器产生的束脉冲重复频率低得多，但束流却高得多（例如可大于 10kA） ，直线感应加速器是世界上现有功率最强大的加速器之一。由于具备这些独特的优越性能，直线感应加速器在科学研究、国防及国民经济领域有广泛而重要的应用，它的发展受到许多国家的重视。至今，全世界共建成各类直线感应加速器

2、100 多台。 世界上第一台直线感应加速器 ASTRON-I, 由 N. Christofilos 发明，并于1963 年在美国劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL）建成。该加速器可提供束流350A、能量 4MeV、脉宽 300ns 及重复率 100Hz 的脉冲电子束，用于约束等离子体，并在后续实验中用于研究电子束通过大气传输的可行性，远期目标是创造粒子束武器。之后，美国又陆续研制了用于加速质子的 ERA 加速器（4MeV、 1kA、 45ns） ； 用于自由电子激光 （FEL） 研究的 ETA 加速器 （5MeV、10kA、60ns、1kHz 猝发） 、ATA 加速器（50MeV、10kA、70n

3、s、1kHz 猝发）和高平均功率的 ETA-II 加速器（6MeV、2kA、70ns、5kHz 准连续） ，同时，ETA 和 ATA 加速器还用于带电粒子束通过大气传输的研究。1982 年，劳伦斯利弗莫尔实验室研制了用于核武器流体动力学试验闪光X光照相的FXR加速器（20MeV、24kA、60ns） ，这是直线感应加速器首次用于闪光 X 光照相。1990 年代，随着全面禁核试时代的到来，为了在全面禁核试后继续保持核武器研究和发展能力，各核国家纷纷花大力气提高自已的闪光 X 光照相能力。美国能源部决定建造双轴闪光 X 光照相流体动力学试验设施（DARHT） ，并计划建造先进流体动力学试验设施 （

4、AHF） 。 DARHT 装置由两台轴线互成 90的 20MeV 直线感应加速器 DARHT-I 和 DARHT-II 组成，前者是一台脉宽为60ns 的短脉冲加速器，一次只能获得某一时刻的 X 光照片；后者则是一台脉宽为 2s 的长脉冲加速器， 通过踢束器能产生 4 个脉宽为 （2060） ns 的脉冲，一次能获得 4 个不同时刻的 X 光照片。AHF 是一台具有多角度、多时刻闪光X 光照相能力的直线感应加速器。 DARHT-I 加速器已于 1999 年在洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）建成。DARHT-II 加速器因技术问题完成时间推迟，仍在建造之中。除大力发展加速电子的直线感应加速器外，从

5、 1970 年代起，美国开始陆续建造加速重离子的小型实验加速器，用于研究直线感应加速器驱动的重离子聚变。 前苏联发展直线感应加速器起步比美国稍晚。1967 年在实验物理研究院（VNIIEF）建成第一台无铁芯的直线感应加速器（2MeV、2kA、40ns） ，之后利用径向线加速原理分别于 1977 年和 1989 年建造了 LIU-10 加速器（14MeV、50kA、20ns）和 LIU-30 加速器（40MeV、100kA、20ns） ，用于模拟核爆的强轫致辐射源和强中子源。另外，汤姆斯克理工大学于 1981 年研制成功重复频率的直线感应加速器 LIU 2/3（2MeV、3kA、70ns、10H

6、z） ，用于自由电子激光研究。此后又陆续研制了一批用于高功率微波研究的重复频率直线感应加速器。 法国原子能委员会核武器研究中心，从 1988 年开始直线感应加速器研究发展计划。 首先建成了用于自由电子激光研究的 LELIA 加速器 （2.5MeV、 1kA、50ns） ，之后又研制了 PIVAIR 加速器（8MeV、3.5kA、60ns） 。全面禁核试后，法国亦斥巨资研制与 DARHT-I 基本相同的直线感应加速器 AIRIX（注入器从美国购买） ，以全面提高闪光 X 光照相能力，该加速器已于 1999 年底建成。 英国原子武器机构（AWE）计划建造 3 台 14MV 感应叠加型的直线感应加速

7、器，以构成多角度闪光 X 光照相，预计 2010 年运行 1990 年代，日本原子能研究所（JAERI） 、高能物理所（KEK）及大坂大学激光工程研究所先后建成用于自由电子激光研究的直线感应加速器。1996年， 日本长岗技术大学建造了直线感应加速器 ETIGO-III （8MeV、 5kA、 30ns） ，用于 X 光、高功率微波和烟气脱硫等研究。 德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心在美国的帮助下，于 1993 年建造了基于感应叠加的直线感应加速器 KALIF-HELIA（6MeV、360kA、50ns） ，用于强流轻离子束与物质相互作用、X 光激光泵浦和惯性约束聚变等研究。 我国的直线感应加速器研

8、究始于 1982 年，走自主创新的发展道路，取得了一系列的成果。1989 年研制成功我国首台 1.5MeV 直线感应加速器；1991年建成 3.3MeV 加速器（3.3MeV、2kA、60ns） ，用于曙光一号自由电子激光研究，最大输出功率达 140MW，为当时亚洲同类实验的最好结果；1993 年建成我国首台用于闪光 X 光照相的 10MeV 直线感应加速器（10MeV、2.3kA、60ns） ， 1995 年该机升级为 12MeV； 几年前自主研制成功“神龙一号”直线感应加速器（1820MeV、2.5kA、60ns） ，“神龙一号”加速器总体性能达到国际先进水平。 二、直线感应加速器的工作原

9、理及基本组成 二、直线感应加速器的工作原理及基本组成 直线感应加速器利用经典的电磁感应原理工作，即利用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子。用随时间变化的磁场产生的电场加速带电粒子的思想早在上世纪 20 年代就已提出，并在 1941 年研制成功第一台圆形轨道加速器，即现在人们熟知的电子感应加速器（Betatron） 。在这种加速器中，电子是被随时间变化的磁场在与其垂直的平面内感生的圆形涡旋电场加速的，故运动轨道为圆形。直线感应加速器与电子感应加速器不同，带电粒子沿直线被加速，为此直线感应加速器采用了如图 1 所示的感应组元（或加速组元）结构。感应组元可以简单地看成为一个 1:1 的脉冲变压

10、器。由图可见，环绕圆环状磁芯有两个回路，其中与脉冲发生器相连的回路是初级，而包含粒子束流和加速间隙的回路是次级。当脉冲发生器产生的脉冲电压输入初级回路时，使磁芯产生磁通量的变化，因而在次级回路的加速间隙上产生感应电压，加速间隙区域形成轴对称的轴向感应电场，当带电粒子此时通过，就能得到沿轴向的加速。设带电粒子电荷量为q，加速间隙的感应电压即加速电压为Vc，则该带电粒子通过加速间隙加速获得的能量为qVc。由电磁感应原理可知，加速电压 dt/dVc= （1） 式中，AdB=是磁芯的磁通量， 积分是对整个磁芯的横截面积 A 进行积分。如果假设磁芯横截面上的磁通密度 B 是均匀的，则可求得 ()t dd

11、BAVc= （2） 即 =BAdtVc （3） 上式中，量 AB 通常简单地称为磁芯的伏秒数，而B称为磁芯的通量增量。 图图 1 有磁芯感应组元示意图有磁芯感应组元示意图 另一种产生加速电压的方法是采用无磁芯的感应组元。这种组元工作时，虽然磁通密度 B 不变化， 但 B 所占的面积发生变化， 同样导致磁通量的变化，因而感应产生加速电压。无磁芯感应组元基本上是一个径向传输线或轴向传输线。径向传输线无铁芯感应组元如图 2 所示。 图图 2 无磁芯感应组元示意图无磁芯感应组元示意图 直线感应加速器由一个感应组元或多个感应组元轴向串接组成，这种“积木式”结构不仅使直线感应加速器结构简单，且便于粒子束能

12、量的调整及粒子束的注入与引出。通常，由有磁芯感应组元构成的加速器称为芯型直线感应加速器，而由无磁芯感应组元构成的则称为线型直线感应加速器。 感应组元本身是一个感应电压源，当用金属导体代替粒子束流将 N 个感应组元轴向串联起来时， 可将这 N 个组元的电压感应叠加形成 N 倍高的电压，称为感应电压叠加器（IVA） ，如图 3 所示。感应电压叠加器产生的高电压可用于产生粒子束或提供给负载，它本身就是一台加速器，也常作为直线感应加速器的前级（注入器） ，为其提供粒子束源。通常，感应电压叠加器也看成是一种直线感应加速器。 图图 3 感应电压叠加器示意图感应电压叠加器示意图 直线感应加速器主要由注入器、

13、加速组元系统、脉冲功率系统、束输运系统、测控系统及辅助系统（包括真空、绝缘油、绝缘气体及去离子水等）组成。其中，注入器是加速器的前级，作用是产生高品质强流粒子束并注入由加速组元串接构成的加速段加速。脉冲功率系统是加速器的脉冲发生器，它按设定时序给每一个加速组元输入高电压脉冲，在加速间隙上形成加速电压。束输运系统的作用是保证强流粒子束从产生到加速直至输出的整个过程不致发散，使束流损失、束截面大小等参数及束不稳定性控制在设定范围内。直线感应加速器的束输运系统最显著的特征是具有输运强流粒子束的能力，通常采用连续的螺线管输运磁场或四极子输运场（磁的或电的） ，具体选择何种输运场取决于输运粒子种类（电子

14、、轻离子或重离子） 、粒子能量及粒子束流强度。当采用螺线管输运磁场时，通常将螺线管线圈放在加速组元内。测控系统的作用是使加速器各部件按正常的时序和参数可靠的工作，并监测相关工作参数以判断加速器是否正常工作。 三、直线感应加速器技术的主要发展 三、直线感应加速器技术的主要发展 直线感应加速器 40 余年的发展进程中，应用需求始终推动着直线感应加速器技术不断发展和创新。前 20 年，主要侧重发展强流和高峰功率技术；上世纪 80 年代开始，发展高平均功率技术和束品质控制技术；90 年代以后，主要发展 MHz 重复频率能力的固体开关调制器技术和高频磁芯材料技术，以及高梯度绝缘体技术，并促进了概念创新，

15、出现了环形直线感应加速器、感应同步加速器和介质壁加速器等新概念直线感应加速器。下面分别进行介绍。 1. 强流和高峰功率技术强流和高峰功率技术 提高流强和峰功率涉及高功率脉冲功率技术、加速组元、强流束输运、强粒子束源等众多技术的提高和创新。主要经过前 20 年的发展，流强和峰功率得到了大幅的提升。例如，美国 ATA 加速器的电子束流强达 10kA ，峰功率达 500GW，平均功率也达 1MW，满足了当时自由电子激光研究和带电粒子束在大气中传输研究的需要。又如，前苏联的径向传输线型 LIU-30 加速器的电子束流强高达 100kA，峰功率高达 4TW，用于核武器效应模拟。还有，美国的感应叠加器型

16、HERMES-III 加速器（19MeV、700kA、28ns）的电子束流强高达 700kA，峰功率高达 13TW，是世界上功率最强大的短脉冲射线模拟源，用于模拟核爆瞬时辐射对电子学和完整军事系统的效应。以上三台加速器对直线感应加速器强流和高峰功率技术的发展具有里程碑意义。 2. 高平均功率技术高平均功率技术 直线感应加速器发展初期，平均重复率通常在大约 100Hz 以下，这主要是由于脉冲功率系统所用的充气火花隙开关工作频率的限制。上世纪 80 年代发展的磁开关技术是高平均功率技术的重大进展，它使直线感应加速器的重复频率从大约 100Hz 一下跃升至几 kHz。采用磁开关技术建成的 ETA-II 加速器输出的电子束不仅平均功率高达 3MW，而且具有高峰功率（12GW）和好的束品质，用于产生高平均功率自由电子激光和微波的研究，以及后来的许多科学研究。 3. 束品质控