直線加速器物理-Part2課件

電子直線加速器應(yīng)用廣泛：作為同步加速器、同步輻射光源和正負(fù)電子對撞機(jī)的注入器；放射性治療用加速器；正負(fù)電子直線對撞機(jī)。所有這些電子直線加速器在開始部分都有一段預(yù)注入器作為整個直線加速器的起始，預(yù)注入器雖然因機(jī)器的不同而有所不同，但結(jié)構(gòu)和功能都基本相同，通常是由電子槍和聚束系統(tǒng)組成。預(yù)注入器示意圖2.6電子直線加速器的預(yù)注入器電子槍分類：直流電子槍，脈沖電子槍（脈沖長度從1ns到幾s

）強(qiáng)流電子槍（安培量級），弱流電子強(qiáng)（毫安量級）傳統(tǒng)電子槍，新型電子槍（熱陰極微波電子槍，光陰極微波電子槍，極化束電子槍等）BEPC電子槍：峰值流強(qiáng)4A，脈沖寬度2.5ns，重復(fù)頻率12.5Hz。BEPCII電子槍：峰值流強(qiáng)10A，脈沖寬度1ns，重復(fù)頻率50Hz。強(qiáng)流電子槍示意圖一般要求電子槍能夠提供有一定聚束的，小發(fā)射度的，大流強(qiáng)的束流?？墒褂肊GUN程序模擬計算進(jìn)行設(shè)計。電子槍基本原理一般都是加熱陰極，使其發(fā)射電子，然后電子在極間高壓的作用下加速，通過陽極上的小孔射出?，F(xiàn)在一般比較常用的常規(guī)電子槍是柵控電子槍。在離陰極很近的地方安裝一個柵極，改變柵極調(diào)制電壓可以很方便的調(diào)節(jié)槍電流，從而獲得陡峭的電流脈沖。200kVHVsupply

GunE-GunforBEPCII-Linac

(highcurrentandsmallemittance)

ParametersUnitBEPCIICathodeEIMACY796BeamcurrentPulselengthAns101(FWHM)Emittance(norm.)μm14AcceleratingvoltagekV150200Pulse/3μsHeatervolt./currentV/A68/57.5GridvoltageV0~250RepetitionRateHz50電子槍出口縱向束流分布（150KeV）ItemsUnitsSpecificationsTypeTriodeBeamCurrent（max）A2AnodeVoltagekV~120FilamentVoltageV6.4FilamentCurrentA5.5GridBiasV50500Bunchlengths3.0RepetitionRate(max)Hz625NSCKIPT100MeV100kW電子直線加速器電子槍參數(shù)能量回收型直線加速器（ERL）對電子槍的要求：（1）高平均電流在俄羅斯的低頻常溫裝置BINP上，得到20mA的電子束流，在美國JLAB的1.3GHz光陰極、超導(dǎo)ERL設(shè)備上已經(jīng)得到9.1mA的束流。高平均電流，就要求加速器必須工作在CW（ContinuousWave）模式，或者長脈沖模式。100mA的平均流強(qiáng)成為當(dāng)前研制ERL的目標(biāo)。（2）短脈沖、低發(fā)射度的電子槍與儲存環(huán)同步輻射光源相比，ERL能夠產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束流，即脈沖長度短至ps、亞ps量級，歸一化發(fā)射度可小于2mmmrad。現(xiàn)在已經(jīng)運行的BINP－ERL裝置和JAERI－ERL裝置采用的是熱陰極直流高壓槍，束流發(fā)射度在30mmmrad左右，JLAB－ERL裝置采用的光陰極高壓直流注入系統(tǒng)，束流品質(zhì)得到極大提高，束流發(fā)射度減小到10mmmrad以下。正在設(shè)計中的ERL裝置，束流發(fā)射度的設(shè)計目標(biāo)均在1mmmrad左右。BINP：BudkerInstitute

ofNuclearPhysics，RussiaJAERI：JapanAtomicEnergyResearchInstituteERL:EnergyRecoveryLinac高壓直流型電子槍，技術(shù)相對成熟，電子槍本身結(jié)構(gòu)簡單，可以獲得非常好的真空，GaAs陰極在此真空環(huán)境下可以有相對較長的壽命。但是加速梯度低（<7MV/m）、場致發(fā)射、槍內(nèi)打火、隔離陶瓷擊穿、離子反轟陰極一直是高壓直流型電子槍待解決的問題。同時，因為加速梯度低，為減小空間電荷效應(yīng)引起的發(fā)射度增長，槍內(nèi)電子脈沖必須足夠長，這就需要在電子槍后加聚束器壓縮束團(tuán)，而且需要利用加速組元進(jìn)一步提高束團(tuán)能量。JLAB高壓直流型電子槍JLAB:ThomasJeffersonNationalAcceleratorFacility(JeffersonLab)低頻率（幾百MHz）的常溫微波槍，與超導(dǎo)微波槍相比，結(jié)構(gòu)相對簡單，造價低，有諸多S波段和L波段高頻微波槍運行。因為頻率低，微波周期長，驅(qū)動激光可以長達(dá)幾十個ps，幾十個ps的電子束團(tuán)感受到近似直流高壓的加速，可以極大的減小空間電荷效應(yīng)的影響。同時與高壓直流槍相比，加速場梯度大，槍后不需要加速組元進(jìn)一步加速。但是常溫微波電子槍需要在連續(xù)模式下運行，腔體的散熱問題和高真空如何實現(xiàn)、能否保持是此類電子槍的最大問題。聚束系統(tǒng)原理從電子槍出來的電子速度：v<c

（如～0.5c

（79keV））首先通過高頻腔或波導(dǎo)的高頻場，對束團(tuán)中的電子進(jìn)行速度調(diào)制，再經(jīng)過一段漂移節(jié)后，束團(tuán)的縱向長度可以得到壓縮。束團(tuán)前后電子由于所處高頻相位的不同，受力情況也有所不同，前面的電子受到減速作用，速度減小，能量降低；后面的電子受到加速作用，速度提高，能量增加。在經(jīng)過一段漂移節(jié)后，后面速度快的電子趕上前面速度慢的電子，從而實現(xiàn)縱向聚束。聚束可以把多數(shù)電子聚集在大約10o高頻相位范圍內(nèi)。聚束過程通常第一步采用駐波單腔結(jié)構(gòu)的預(yù)聚束器進(jìn)行預(yù)聚束；然后使用行波腔進(jìn)行進(jìn)一步聚束，在聚束器的前幾個腔，相速vp<c，以滿足和束流的同步要求。粒子經(jīng)過加速間隙時所“看”到的軸上的駐波場可以寫成是粒子在z處的時間，t=0的粒子初始位置可以是間隙中的任意位置，相應(yīng)的相位為。其中zEz0可以把能量增益改寫成如下形式：其中渡越時間因子Panofsky方程假設(shè)初始束流為連續(xù)束流，能量為W0，速度為0，在經(jīng)過聚束器后束流的能量被調(diào)制，能量增益為：假設(shè)加速間隙長度為Lb考慮到E(z)的對稱性，和粒子速度變化不大的情況，有于是渡越時間因子簡化為：把電場改寫成sin形式，則經(jīng)過聚束器后相位為的粒子與相位為0的粒子相比，速度的變化為選擇合適的聚束器與加速器之間的漂移長度Ld，使即在Ld位置處，得：電子槍出口縱向束流分布（150KeV）A0加速管出口束流縱向分布（～40MeV）

聚束器和加速管（上海，2998MHz)BEPCII-LinacSHB1SHB2未經(jīng)過次諧波聚束器聚束經(jīng)過次諧波聚束器聚束使用A0加速管出口BPM03電極測量得到的束流信號2.7高頻功率源和脈沖壓縮器●

高能直線加速器的高頻功率源速調(diào)管（klystrons）和高壓調(diào)制器（modulators）兩部分?！穹逯倒β矢撸?0-80MW），占空比低（例如：重復(fù)頻率～100Hz，脈沖長度～幾s）BEPCII-LinacNewRFPowerSource

Newmodulatorswithhighpower320kV×360A.

Highvoltagestability≤±0.15%高頻脈沖壓縮器為增加峰值功率以提高加速梯度，一些直線加速器采用了脈沖壓縮器，如SLED（SLACEnergyDevelopment）高頻脈沖壓縮器：把低功率的長脈沖，壓縮為高功率的短脈沖。Twomajorcomponents:1)a-phaseshifter;2)twohigh-QcavitiesoperatedatTE015-modeandconnectedtoa3-dbcoupler.高頻脈沖壓縮器SLED:

(SLACEnergyDevelopment).SLEDforBEPCII-Linac

2.8縱向運動對于電子和質(zhì)子加速器，縱向運動的原理基本一樣。但是電子和質(zhì)子的質(zhì)量相差較大（電子的靜止能量為0.511MeV，質(zhì)子為938MeV），因此二者在加速器中的速度通常也有所差別：質(zhì)子：=v/c<1（20MeV時，=0.203）電子：＝1（2MeV時，=0.978）于是電子和質(zhì)子的縱向運動也有所差別。在各種加速器中，帶電粒子（參考粒子）要穩(wěn)定的獲取持續(xù)的加速，必須滿足各自相應(yīng)的同步加速條件。在行波直線加速器中，要求加速場的相速與電子的速度同步，即也可以使用另外一種表述方式。例如盤荷波導(dǎo)工作于/2模時，要求電子渡越一個腔的距離（Lc）時，射頻場變化了1/4周期（90o），即同步加速條件為同樣，工作于2/3模時，同步加速條件是2.8.1穩(wěn)定的同步加速相位在電子直線加速器中，電子能量較低時，穩(wěn)定的同步加速相位應(yīng)選擇在電場隨時間變化的上升階段（自動穩(wěn)相）。當(dāng)電子能量較高，即＝1時，束團(tuán)中電子速度都是光速，因此相對于參考粒子，不再有縱向相位改變。這時可以選擇加速電場的峰做為加速相位，以獲取最大的能量增益。然而，當(dāng)電子束團(tuán)電荷量很高（如>1nC）、束團(tuán)長度很短時，縱向尾場將會引起束團(tuán)的能散的增加，通過選擇合適的加速相位，可以在一定程度上抑制尾場效應(yīng)。2.8.2縱向運動方程經(jīng)過一個加速單元后，同步粒子和非同步粒子的能量增益分別為：其中T是渡越時間因子(對于行波加速結(jié)構(gòu)T=1，駐波加速結(jié)構(gòu)T<1)于是有其中另外，相位變化和速度變化（0模）有：縱向運動方程：縱向運動方程描述了非同步粒子在（W，）相空間的運動。2.8.3縱向運動的穩(wěn)定性假設(shè)加速梯度足夠小，可以忽略掉阻尼項縱向運動方程可以簡化為或利用對方程兩側(cè)進(jìn)行積分，并利用其中方程左側(cè)的第一項是“動能”項；第二項是“勢能”項；H是積分常數(shù)項，也就是哈密頓量。方程反映的是運動能量的守恒。劉維定理（Liouville’stheorem）：能夠使用哈密頓量描述的運動系統(tǒng)，相軌跡包圍的面積為常數(shù)。當(dāng)同步相位s在（-/2，0）之間時，存在勢阱，勢阱中的粒子圍繞同步粒子（s，Ws）做振蕩，能夠被穩(wěn)定的加速。穩(wěn)定區(qū)的范圍是其中，2是H(2)=H(-s)的解。對于小角度振蕩，穩(wěn)定區(qū)的寬度約為3|s|。因此有|s|

↑

→

穩(wěn)定區(qū)增大，但是能量增益dW/dz↓勢阱、相跡和相穩(wěn)定區(qū)相穩(wěn)定區(qū)的邊界被稱為Separatrix、fish或者bucket。H可以取＝-s

和wk＝0用下面的方程求得：?。絪，并利用上式，可以求得相穩(wěn)定區(qū)的能量范圍：2.8.4加速效率前面的分析中忽略了阻尼項當(dāng)考慮了阻尼項后，相軌跡有所變化，但相面積仍然保持恒定。對于低速粒子（小粒子）的加速，當(dāng)經(jīng)過加速后，同步粒子的速度和能量有較大變化，以至于不能忽略時，相穩(wěn)定區(qū)將有所增大，因而加速器的接收范圍有所增