電子直線加速器

電子直線加速器帶電粒子加速器01發(fā)展歷史性能與特點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理目錄0302基本信息電子直線加速器，電子直線加速器是帶電粒子加速器的一種，它是利用高微波功率在行波、駐波加速結(jié)構(gòu)中建立縱向電場對電子束進(jìn)行加速的一種諧振式加速器。根據(jù)微波的類型可分為行波和駐波型電子直線加速器，其電子能量一般都較高（大于5MeV），輸出功率在幾kW到幾十kW，在輻射加工安全許可范圍內(nèi)，高能（大于5MeV）電子對被照射物具有最深的有效穿透，因而得到廣泛利用。發(fā)展歷史第一個人工核反應(yīng)回旋加速器直線加速器正式問世發(fā)展歷史第一個人工核反應(yīng)帶電粒子直線加速器是伴隨著核科學(xué)以及微波高哦拼技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，1932年Cockcroft和Walton研制成功700kV高壓倍加器，開用400keV的質(zhì)子加速器實(shí)現(xiàn)了世界上第一個人工核反應(yīng)，他們也因此成功于1951年獲得物理學(xué)諾貝爾獎

。回旋加速器這一核反應(yīng)實(shí)現(xiàn)后，核物理學(xué)家對帶電粒子加速器產(chǎn)生了濃厚的興趣并提出了更高的要求，這推動了加速器的發(fā)展，誕生了回旋加速器（cyclotron）等類型的加速器。但人們企圖進(jìn)一步提高回旋加速器的能量時遇到了很大的困難。為克服回旋加速器的限制，沿直線軌道利用交變電場加速帶電粒子的方案（即直線加速器的方案）被提出

。直線加速器第一個高頻直線加速器的概念是瑞典的Ising在1924年提出來的，他建議利用火花隙振蕩器和傳輸線將射頻場加到加速電極上，這個建議在當(dāng)時并未付諸實(shí)施。第一個運(yùn)行的這類加速器是德國的Wideroe于1928年報道的，該裝置由三個圓簡電極組成，高頻電場加在三個電極的兩個間隙上。之后，美國加州大學(xué)伯克利分校的一個學(xué)生Sloan提出將Wideroe的方案擴(kuò)展到10個電極和更多電極，并在1931年和Lawrence一起把汞離子加速到1.25MeV，1934年加速到2.85MeV。這樣低的重離子能量是不大可能引起核反應(yīng)的，而當(dāng)時的高頻功率源水平還不能支持這類加速器進(jìn)一步提高能量，因此該類加速器沒有被發(fā)展起來。不管怎樣，直線加速器的原理已被證實(shí)，只要有適當(dāng)?shù)墓β试纯捎?，直線加速器必將成為加速器中的重要成員

。正式問世微波功率源是電子直線加速器得以建造成功的關(guān)鍵。英國在第二次世界大戰(zhàn)期間用于雷達(dá)的兆瓦級磁控管已研制成功，因此英國物理學(xué)家得天獨(dú)厚地?fù)碛?0cm波長的功率源，英國原子能研究所建造了世界上第一臺電子直線加速器，其長度為40cm，槍電壓為45kV，以1MW、3000MHz的磁控管作為功率源，得到36mA、0.54MeV的電子束。1948年他們建立了反饋式行波電子直線加速器，以1.4MW的功率，得到4.5MeV的電子束。MarkⅢ直線加速器基本參數(shù)表在第二次世界大戰(zhàn)末期，斯坦福大學(xué)的Hashen同Ginzton和Woodyard審視了過去有關(guān)直線加速器可行性的結(jié)論，他們意識到戰(zhàn)爭期間研發(fā)的磁控管可以用來建造幾個兆電子伏特的電子直線加速器。此后他們陸續(xù)建成了MarkⅠ、MarkⅡ、MarkⅢ。20世紀(jì)50年代不少國家開始了電子直線加速器的設(shè)計(jì)和建造，包括法國和巴黎。60年代中期，醫(yī)用電子直線加速器已在醫(yī)院應(yīng)用，為減少加速器尺寸，開始研制駐波結(jié)構(gòu)電子直線加速器。80年代，自由電子激光及正負(fù)電子對撞機(jī)的不同方案問世，其關(guān)鍵技術(shù)就是高性能電子直線加速器，因此更高頻段的直線加速器，高流強(qiáng)﹑低發(fā)射度、低能散的加速器得到發(fā)展并已取得不少成果。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)直線加速器也問世了，近幾年（截止2013年）能量回收直線加速器方案已在預(yù)研中，并在美國Jefferson實(shí)驗(yàn)室研究成功。結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理電子直線加速器基本結(jié)構(gòu)：電子直線加速器可根據(jù)輻照工藝的要求作成立式或臥式。加速器電子槍工作在脈沖狀態(tài)，根據(jù)需要設(shè)計(jì)注入加速管的電子束能量、脈沖流強(qiáng)、束流直徑和發(fā)散角等。一般采用皮爾斯型電子槍，并采用在較低溫度下電子發(fā)射電流密度較大的六硼化鑭作陰極材料。加速管由聚束段和加速段兩部分組成。加速管采用恒溫水冷卻措施，使溫度變化不大于1度，以確保電子束運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定。聚焦線圈根據(jù)理論計(jì)算中的束包絡(luò)聚焦要求設(shè)置。微波功率源，可以采用磁控管或速調(diào)管，根據(jù)需要，對電子進(jìn)行加速，提供能量。磁控管或速調(diào)管所需的脈沖高壓由脈沖調(diào)制器供給。脈沖調(diào)制器一般采用軟管線性脈沖調(diào)制器，由直流高壓電源向充電變壓器、脈沖形成線的電容器進(jìn)行諧振充電。高功率脈沖閘流管為放電開關(guān)，脈沖形成線經(jīng)閘流管、脈沖變壓器初級繞組組成放電回路，在脈沖變壓器初級形成高壓，在變壓器次級輸出脈沖電高壓。在電壓穩(wěn)定度要求較高時，調(diào)制器需采用脈沖電壓穩(wěn)定裝置。磁控管或速調(diào)管輸出的微波功率經(jīng)波導(dǎo)、定向耦合器、環(huán)流器等組成的微波傳輸系統(tǒng)，通過陶瓷窗進(jìn)入加速管，對于系統(tǒng)中的剩余功率，由另配的吸收負(fù)載所吸收。性能與特點(diǎn)性能與特點(diǎn)電子直線加速器的最高電子能量已超過幾萬MeV，但由于工業(yè)輻射安全的限制，工業(yè)輻照電子直線加速器的最高能量定為10MeV。此外，直線加速器的注入和引出效率都很高；束流強(qiáng)度取決于注入器的入射強(qiáng)度和高頻電源的荷載能力。一般受高頻源的制約只能脈沖工作，脈沖電流可達(dá)幾百mA，平均流強(qiáng)為1mA至十幾m