加速器原理 直线加速器课件.ppt
,粒子获得的能量与加速长度成正比。动能的增长量为：,定义：直线加速器是利用高频电场加速沿直线运动粒子的谐振加速装置。,直线加速器的优点：,1、粒子的注入和引出都比较容易，效率高，可以获得较强的粒子流；,3、可以分期建造，逐节加长，逐步提高最终加速能量，灵活性较大。,2、粒子束是直线运动，辐射损失极微弱；,对于直线加速器辐射功率损失:,对于回旋加速器辐射功率损失:,直线加速器的缺点,1、设备庞大,加速器总长度可达几千米,几十千米2、需要昂贵的高频、微波功率源.,直线加速器,实景,示意,1924年瑞典的伊思英（G.Ising）首先提出直线加速器的设想和图样：用漂浮管进行加速 维德罗埃(E.Wideroe)于1928年发明了用漂移管上加高频电压原理建成的第一台直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV。,一、发展概述,维德罗埃直线加速器Wideroe Linac,谐振加速器的产生:1934年斯劳恩和柯思特斯将直线加速器的漂浮管继续增加到36个来加速粒子，加速器不要太长，就需要使用较高的频率，即劳伦斯提出谐振加速器。,1933年比姆斯（J.W.Beams）等建造 第一台电子直线加速器将15kV的行波脉冲电压加到15个漂浮管上，将电子能量由28keV提高到90keV 1935年电子直线加速器已发展到用54kV脉冲电压加到6个漂浮管上，将电子加速到2.5MeV的能量。直到第二次世界大战中雷达技术的迅速发展，解决了一直限制着直线加速器的射频技术和大功率源的难题。直线加速器进入快速发展时期。,在二战后，大约10个小组独立地开始发明和研制射频电子直线加速器。其中有两个小组工作是领先的。一个是英国TRE(Telecommunications Research Establishment)研究所D.D.Fry领导的小组。一个是美国W.W.Hansen领导的斯坦福大学的一个小组。Fry小组在1946年11月建成第一台现代电子直线加速器，束流能量为0.5MeV。Hansen小组于1947年初建成1.7MeV电子直线加速器。自此之后各种电子直线加速器得到迅速的发展。,1944-1945年,在成熟理论和技术支持下,现代直线加速器进入迅速发展时期。1945年，阿尔瓦列兹在伯克利实验室，利用战后剩余的功率源，于年建成ev的质子直线加速器,从1947年到1953年在美国斯坦福连续建造了Mark I到Mark III三台电子直线加速器。1958年时Mark III将电子能量加速到900MeV，霍夫斯塔特在这台加速器上完成了有重要意义的质子和中子形状因子的测量，因而获得了1961年的诺贝尔物理奖。,从1956年开始斯坦福直线加速器中心建造了著名的3km长的20Gev的电子直线加速器，并于1966年首次运转。,1960年美国BNL首次将交变梯度强聚焦原理应用于阿尔瓦列兹型加速器的径向聚焦上，以磁四极透镜对代替先前的金属网，使脉冲流强达到数十mA，比先前又提高了103倍。,1972年德国卡士鲁核研究中心和法兰克福大学合作，建成了第一个超导离子加速腔柱状螺线腔，用以加速质子，能量达到0.42MeV。,1972年美国洛丝阿拉莫斯国家实验室建成的800MeV质子直线加速器。,1974年德国建成了一台全粒子直线加速器（UNILAC），它由维德罗埃腔，阿尔瓦列兹腔和单隙腔组成，可将周期表上从氢到铀的任何元素的离子加速。,现代很多高能及超高能加速器中，直线加速器都是不可缺少的一个部分。如SPS，SLC,维德罗埃直线加速器工作原理,二加速原理,谐振加速条件:,设Ln是第n个漂移管的有效长度,它非常接近于两个相邻间隙中心之间的有效长度,由,可得,Vn为粒子通过n+1个漂移管的速度,设入射粒子能量为E0,经过n个间隙后,粒子在第n+1个漂移管中的能量为En,由此得,或,当粒子入射能量很小时,即,开始加速时,粒子动能增量也很小,即,为非相对论情形,即,则,由,每个漂移管的长度依次?为使加速器总长度尽量减小,应该?,由,为提高粒子能量应采取的措施?,下面估算直线加速器的总长度,设,对于相对论,得,相位在,区间内离子都是加速的,一般离子并不正好在零相位加速,而是在某一相位,离子一次加速的能量增益,首先将加速电场幅值,展开为富氏级数:,(1),(2),(1),(2),代入,如沿x轴正方向传播的平面简谐波，其表达式为,波的叠加?相速度?群速度?,式中（wt-kx）称为波相，当（wt-kx）一定时，则 值一定。当t增大时，x必须增大，才能保持（wt-kx）不变。这意味着用（wt-kx）描述的振动状态随着时间的推移向x的正方向传播。,相速度即波相传播的速度，等于x对t的变化率，令wt-kx常量,将上式两边微分，经整理可得,实验和理论证明，相速度的大小还与波的频率有关。光的色散现象就是波速与频率有关的明显例证。通常把相速度与频率无关的媒质称为无色散媒质；把相速度随频率而变的媒质称为色散媒质。,w=2pv,在无色散媒质中，只要用相速度描述波的传播即可，但是在色散媒质中，要描述任意一种波的传播只有相速度就不够了，需要引入群速度的概念。,以两个频率相近的等振幅简谐波的合成波的传播为例说明群速度的概念,合成波为,设,t时刻的波形,而 表示图中一个个小的波形。,上式中,或,或,k2,所以,变化缓慢,如图中虚线所示的包络线,令,则上式可改写为,在波传播过程中，一个个小的波形在向前传播的同时，整个波形即包络也在向前移动，二者移动速度可如下求得：,常量,等式两边微分,可求得小波形移动的速度为,同样可求得包络移动的速度或称波群移动的速度为,在无色散媒质中，相速度与频率无关，由w=uk可求得,=u,在色散媒质中，相速度与频率有关。在w=uk中u是频率的函数,这样,图的上半部表示t1时刻、和 的波形曲线。此时 的一个波峰（用标记）和 的一个波峰（用标记）恰好重合，重合处应是合成波的最大值即波形包迹(即包络)的最高点。,图的下半部表示在另一时刻t2的波形曲线。与t1时刻比较，、和都沿x正方向传播了一段距离。适当选择t2t1，使得带标记的波峰之后的一对波峰在t2时刻重合，这样包迹的最高点恰好移到新的重合处。,第n次,正向行波,第n次,反向行波,驻波电场满足,时,其中相速度最高的是n=1的波,我们称它为基波,而且有:,基波正向波:与离子速度相同,离子像骑在基波的正向波上,二者一起前进,只要粒子在正向波加速相位上,就能持续地得到加速,粒子越靠近行波正的峰值受加速作用越强.,基波反向波:虽有与离子相同的速率,但行进方向与粒子相反,粒子频繁受到加速与减速,最终几乎不对粒子能量产生作用.,离子加速,v越来越大,漂移管长度做得逐渐增大,直线加速器行波加速与驻波加速的区别,无论是行波直线加速器,还是驻波直线加速器,为了实现 粒子在其中的加速,都必须确保两个过程:谐振的实现；聚焦的实现,谐振的实现,vph为波的相速1）行波加速持续加速，终端负载吸收剩余功率,2）驻波加速可视为两列行波迭加，起加速作用的是正向基波（最高）故行波加速和驻波加速可统一处理。,聚焦的实现可以加速粒子的射频场在横向是散焦的，多数情况下要外加磁聚焦元件（四极透镜、螺线管透镜），也有用电聚焦的（RFQ）,为保证粒子束在加速电极的中心轴线上飞行,采用两种方法来达到径向聚焦的目的:1在每个漂移管的入口处,装一个金属栅,这样两极空隙间的电场分布如下图所示,使得加速电压处于任何相位,粒子总能得到径向聚焦2在每个漂移管内安装磁四极透镜,以达到径向聚焦的目的,1径向聚焦,2相位聚焦与稳定,1,粒子在漂移管间隙的加速电压处于上升阶段AB段.相位聚散?,2,粒子在漂移管间隙的加速电压处于下降阶段FG段,相位聚散?,
