直線(xiàn)加速器（利用高頻電磁場(chǎng)加速粒子的機器）
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直線(xiàn)加速器
利用高頻電磁場(chǎng)加速粒子的機器
直線(xiàn)加速器通常是指利用高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行加速，同時(shí)被加速粒子的運動(dòng)軌跡為直線(xiàn)的加速器。高頻直線(xiàn)加速器（high-frequency linear accelerator）簡(jiǎn)稱(chēng)直線(xiàn)加速器，是指用沿直線(xiàn)軌道分布的高頻電場(chǎng)加速帶電粒子的裝置。按被加速粒子的種類(lèi)，可分為電子直線(xiàn)加速器、質(zhì)子直線(xiàn)加速器、重離子直線(xiàn)加速器和超導直線(xiàn)加速器等。
基本信息
| 中文名 | 高頻直線(xiàn)加速器 |
| 外文名 | high-frequency linear accelerator |
| 作用 | 加速帶電粒子 |
| 原理 | 利用高頻電磁場(chǎng) |
| 簡(jiǎn)稱(chēng) | 直線(xiàn)加速器 |
歷史
直線(xiàn)加速器的雛形概念最早是由英國科學(xué)家G.Ising在1924年提出，1924年他在一篇名為《產(chǎn)生高壓極隧射線(xiàn)方法原理》的文章中提出了一個(gè)直線(xiàn)加速器的設計圖樣。根據G.Ising的文章，直線(xiàn)加速器由一個(gè)直的真空管道和一系列的帶孔的金屬漂移管組成。粒子的加速是通過(guò)相鄰的漂移管之間的脈沖電場(chǎng)完成的，電場(chǎng)和粒子的同步是由電壓源和相應的漂移管之間的傳輸線(xiàn)長(cháng)度的時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現。同時(shí)他在文章中寫(xiě)道：“現在來(lái)深入討論實(shí)現這一想法的細節問(wèn)題和可能遇到的困難為時(shí)尚早，我希望不久能做一個(gè)實(shí)驗。”這個(gè)建議在當時(shí)由于電磁技術(shù)的水平所限制的確難以實(shí)現。但是這個(gè)概念相當重要，對直線(xiàn)加速器的發(fā)展產(chǎn)生了里程碑式的影響。到了 1928年，直線(xiàn)加速器的概念正式被德國科學(xué)家RolfWideroe提出，他完成了世界上第一臺直線(xiàn)加速器。R.Wideroe在《產(chǎn)生高電壓的新原理》一文中描述了這臺加速器的原理，同G.Ising的理念不同，加速器的漂移管是交替的接高頻電源和接地。移管的長(cháng)度隨著(zhù)粒子速度的增加而變長(cháng)，保證粒子每次可以在正確的時(shí)間到達間隙從而被加速。在該加速器中，束流首先形成束團，然后進(jìn)行高效率的加速。束流在加速時(shí)間內處于加速間隙感受加速電場(chǎng)，當電場(chǎng)反向的時(shí)候，束團處于漂移管中，這時(shí)漂移管屏蔽了減速電場(chǎng)，從而使整個(gè)過(guò)程是一個(gè)加速過(guò)程。
1928年E.維德羅提出加速原理。早期利用頻率不太高的交變電場(chǎng)加速帶電粒子，1946年后利
用射頻微波來(lái)加速帶電粒子。在柱形金屬空管（波導）內輸入微波，可激勵各種模式的電磁波，其中一種模式沿軸線(xiàn)方向的電場(chǎng)有較大分量，可用來(lái)加速帶電粒子。為了使沿軸線(xiàn)運行的帶電粒子始終處于加速狀態(tài)，要求電磁波在波導中的相速降低到與被加速粒子運動(dòng)同步，這可以通過(guò)在波導中按一定間隔安置帶圓孔的膜片或漂移管來(lái)實(shí)現。電子的質(zhì)量很小，僅幾兆電子伏。
原理
加速器是由三根用絕緣材料制成的高柱和在它們中間的加速器管組成。加速器靠真空泵
保持真空。外表流線(xiàn)型，不僅為了美觀(guān)，而且為了防止從任何棱角或突出部分形成意外的放電。
主要特點(diǎn)
行駐波加速
荷電粒子在高頻直線(xiàn)加速器中是用高頻（或微波）電場(chǎng)的軸向分量進(jìn)行加速。按采用的加速波分類(lèi)，有行波與駐波兩類(lèi)。前者用圓柱波導作為加速結構，在其內沿軸周期性地設置圓盤(pán)負載，使波導中傳播的相速小于或等于光速，以利同步地加速粒子，其加速場(chǎng)的模式為類(lèi)－TM，它在近軸區提供最大的軸向電場(chǎng)分量。后者采用圓柱形諧振腔，也沿軸周期性地設置電極（或稱(chēng)漂移管）負載，以提高有效加速電場(chǎng)強度，其加速場(chǎng)的模式為類(lèi)－TM，同樣在近軸區提供最大的軸向電場(chǎng)分量。衡量加速結構性能的主要參數有兩類(lèi)：一是與加速效率有關(guān)的參量，特別是有效分路阻抗。它表示給定高頻功率損耗，結構能建立多高的加速電場(chǎng)。分路阻抗的高低決定于選用的頻率、結構的幾何尺寸與形狀及相鄰加速單元間高頻相位的變化量（工作模式）。通常頻率越高，結構尺寸越小，分路阻抗和加速效率越高。二是加速結構的穩定性，它表征由于結構的誤差和鄰近非加速模式對束流的影響。對駐波加速結構，實(shí)現穩定性的主要途徑是采用所謂的雙周期結構，即除了由負載形成的周期性加速單元外，還引進(jìn)周期性的耦合單元，調節耦合單元的位置和尺寸，便可提高結構的抗干擾性。
分類(lèi)
電直線(xiàn)加速器
可采用行波或駐波加速粒子。當采用行波加速時(shí)，可使結構設計成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一種均勻的加速結構，即結構的各尺寸沿軸不變，便于設計和制造，缺點(diǎn)是微波功率在結構中的損耗不均勻，對較長(cháng)的直線(xiàn)加速器來(lái)說(shuō)，沿軸的結構溫控較不容易。等梯度型加速結構避免了這個(gè)缺點(diǎn)，代價(jià)是沿軸的結構尺寸有慢變化，使設計和制造較復雜些。
質(zhì)直線(xiàn)加速器
質(zhì)子的靜止質(zhì)量是電子的1,800多倍，在其很長(cháng)的加速范圍內，速度遠小于或小于光速，因而采用駐波加速結構，以獲得較高的有效分路阻抗和加速效率。質(zhì)子的動(dòng)能由1兆電子伏到1,000兆電子伏，其速度由光速的4.6%到87.5%。為使結構在不同能區均有較高的加速效率，需采用不同的結構。如：①質(zhì)子的動(dòng)能由小于1兆伏加速到幾兆伏，可采用高頻四極型加速結構（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）。在一圓柱腔的中心部位，方位角對稱(chēng)地設置四個(gè)軸向高頻電極，在它們所圍的近軸區，產(chǎn)生四極聚焦電場(chǎng)，以徑向聚焦束流；沿軸可周期性地調變每個(gè)電極的徑向尺寸，以得到在軸向群聚和加速束流的軸向電場(chǎng)。它兼具聚束、聚焦和加速幾種作用，是20世紀70年代興起的加速結構，選用頻率為200—400兆赫。②質(zhì)子動(dòng)能要由幾兆電子伏加速到150兆電子伏左右，可采用漂移管型結構（又稱(chēng)阿爾瓦雷茨結構），是20世紀40年代末由L.阿爾瓦雷茨首先提出和建造的。在圓柱形腔內，沿軸周期性地設置長(cháng)度隨能量漸增的電極。當高頻電場(chǎng)處在正半周時(shí)，質(zhì)子束團在電極間被加速；當處在負半周時(shí)，質(zhì)子束團躲在電極內不受負半周減速場(chǎng)的影響而漂移前進(jìn)，故又稱(chēng)電極為漂移管。在漂移管內安放四極磁鐵，可徑向聚焦束流，選用的頻率為200—400兆赫。③當質(zhì)子動(dòng)能要由150兆電子伏加速到更高能量，通常采用耦合腔加速結構。在該能區內對質(zhì)子束的徑向聚焦已較容易，可將四極磁鐵移到加速腔外，使頻率提高到800—1,300兆赫，以提高加速效率。這種結構也可用于加速電子，工作頻率通常為1,300—3,000兆赫。
重離直加速器
較接近于質(zhì)子直線(xiàn)加速器，只是在同樣動(dòng)能下，粒子運動(dòng)速度更低，因而工作頻率也更低，一般在27—150兆赫左右。早期的這類(lèi)加速器，采用維德羅加速結構。現代的這類(lèi)加速器按能區可采用高頻四極型或阿瓦萊茲型。現今發(fā)展的重離子加速結構，如柱形和平面螺旋線(xiàn)結構、分離環(huán)諧振腔結構等，它們的特點(diǎn)是徑向尺寸較小、公差要求較松、可做成許多短腔組合成整臺加速器，既便于采用超導技術(shù)，又利于展寬重離子的范圍和能量連續可變的需求。
超直加速器
利用超導材料做成的結構，其功耗幾乎可略去不計，因而可用較小微波功率建立較高的加速電場(chǎng)。這類(lèi)加速腔大多采用內表面涂有氧化保護層的純鈮材料制成，置于液氮和液氦逐級冷卻的低溫容器中，可冷卻至4.2K或更低。加速電場(chǎng)可達幾兆伏/米至20兆伏/米以上。將超導腔用于高能直線(xiàn)加速器，優(yōu)勢更顯著(zhù)。如用于強流質(zhì)子直線(xiàn)加速器的高能段（約150—1,000兆電子伏），由于功耗可略去不計，可選用束通道孔徑較大的結構，可有效避免高能強流束沿途損失造成嚴重的放射性污染。此外，還有利于提高加速場(chǎng)強，減小設備規模和運行費用等。提議中的超導正負電子直線(xiàn)對撞機（TESLA），選用比其他同類(lèi)對撞機方案（5,700—11,400兆赫）低得多的頻率（1,300兆赫）和較大的束孔徑，除仍有較高的加速電場(chǎng)（約25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾場(chǎng)相對很小，較易確保束流的高品質(zhì)（發(fā)射度小、能散小等）。
醫學(xué)應用
產(chǎn)品特點(diǎn)
①能量分檔多，能量范圍寬。
設計有完善的多級安全聯(lián)鎖，確保人員和設備的安全。
②全數字化的設計，整機采用計算機控制，操作軟件采用圖形界面，操作更簡(jiǎn)便。自動(dòng)頻率控制（AFC）、自動(dòng)束流控制（AIC）、劑量監視和自動(dòng)均整度控制（ADC）等控制系統全部采用微處理器控制，劑量更穩定。
④加速管采用行波反饋系統，具有能量范圍寬、能量穩定性高、束流能譜好，快速瞬態(tài)反應等的特點(diǎn)。配合大功率的微波反饋系統，最高微波能量高達6MW。
⑤限束裝置的上下光闌可分別獨立運動(dòng)，適應不同治療種類(lèi)的需要。中心精度高。可配外置的X刀、多葉光柵等適形治療系統。具有遠程故障診斷功能，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)助用戶(hù)進(jìn)行維護，維修更簡(jiǎn)便。
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