带电粒子直线加速器是伴随着
核科学以及微波高哦拼技术的发展而发展的,1932年Cockcroft 和 Walton研制成功700kV
高压倍加器,开用400keV的质子加速器实现了世界上第一个人工
核反应,他们也因此成功于1951年获得物理学
诺贝尔奖。
这一核反应实现后,核
物理学家对带电
粒子加速器产生了浓厚的兴趣并提出了更高的要求,这推动了加速器的发展,诞生了
回旋加速器(cyclotron)等类型的加速器。但人们企图进一步提高回旋加速器的能量时遇到了很大的困难。
第一个
高频直线加速器的概念是
瑞典的Ising在1924年提出来的,他建议利用火花隙振荡器和
传输线将射频场加到加速电极上,这个建议在当时并未付诸实施。
第一个运行的这类加速器是德国的Wideroe于1928年报道的,该装置由三个圆简电极组成,高频电场加在三个电极的两个间隙上。之后,
美国加州大学伯克利
分校的一个学生Sloan提出将Wideroe的方案扩展到10个电极和更多电极,并在1931年和Lawrence一起把汞
离子加速到1.25MeV,1934年加速到2.85MeV。
这样低的
重离子能量是不大可能引起核反应的,而当时的高频功率源水平还不能支持这类加速器进一步提高能量,因此该类加速器没有被发展起来。
微波功率源是电子直线加速器得以建造成功的关键。英国在
第二次世界大战期间用于雷达的兆瓦级
磁控管已研制成功,因此英国物理学家得天独厚地拥有10cm波长的功率源,英国
原子能研究所建造了世界上第一台电子直线加速器,其长度为40cm,枪电压为45kV,以1MW、3000MHz的磁控管作为功率源,得到36mA、0.54MeV的电子束。1948年他们建立了反馈式
行波电子直线加速器,以1.4MW的功率,得到4.5MeV的电子束。
在第二次世界大战末期,
斯坦福大学的Hashen同Ginzton和 Woodyard审视了过去有关直线加速器可行性的结论,他们意识到战争期间研发的磁控管可以用来建造几个兆
电子伏特的电子直线加速器。此后他们陆续建成了Mark Ⅰ、Mark Ⅱ、Mark Ⅲ。
20世纪50年代不少国家开始了电子直线加速器的设计和建造,包括法国和
巴黎。
80年代,
自由电子激光及正负电子对撞机的不同方案问世,其
关键技术就是高性能电子直线加速器,因此更高频段的直线加速器,高流强﹑低
发射度、
低能散的加速器得到发展并已取得不少成果。
随着
超导技术的发展,
超导直线加速器也问世了,近几年(截止2013年)
能量回收直线加速器方案已在预研中,并在美国Jefferson
实验室研究成功。
电子直线加速器
基本结构:电子直线加速器可根据辐照工艺的要求作成立式或卧式。
加速器
电子枪工作在脉冲状态,根据需要设计注入
加速管的
电子束能量、脉冲流强、束流直径和
发散角等。一般采用皮尔斯型电子枪,并采用在较低温度下
电子发射电流密度较大的
六硼化镧作阴极材料。加速管由聚束段和加速段两部分组成。加速管采用恒温水冷却措施,使温度变化不大于1度,以确保电子束运行参数稳定。
聚焦线圈根据理论计算中的束包络聚焦要求设置。微波功率源,可以采用磁控管或
速调管,根据需要,对电子进行加速,提供能量。磁控管或速调管所需的脉冲高压由
脉冲调制器供给。脉冲
调制器一般采用软管线性脉冲调制器,由
直流高压电源向充电变压器、
脉冲形成线的电容器进行
谐振充电。高功率脉冲
闸流管为放电开关,脉冲形成线经闸流管、
脉冲变压器初级绕组组成放电回路,在脉冲变压器初级形成高压,在变压器次级输出
脉冲电高压。在
电压稳定度要求较高时,调制器需采用
脉冲电压稳定装置。磁控管或速调管输出的微波功率经波导、
定向耦合器、环流器等组成的微波
传输系统,通过陶瓷窗进入加速管,对于系统中的剩余功率,由另配的
吸收负载所吸收。
电子
直线加速器的最高电子能量已超过几万MeV,但由于工业辐射安全的限制,工业辐照电子直线加速器的最高能量定为10MeV。此外,直线加速器的注入和引出效率都很高;
束流强度取决于
注入器的
入射强度和
高频电源的荷载能力。一般受高频源的制约只能脉冲工作,
脉冲电流可达几百mA,平均流强为1mA至十几mA,即束流功率为1kW到十几kW。
因
电子束在电子直线加速器中是沿
直线运动的,无
同步辐射损失,所以被加速的电子束的能量不受原理性的限制,可以获得很高的能量,是建立超高能正负
电子加速器(
正负电子对撞机)的首选方案。