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电子直线加速器的发展史

2021-10-09 11:23     来源:艾崴安检     直线加速器
电子直线加速器按采用的加速波分类,有行波与驻波两类。前者用圆柱波导作为加速结构,在其内沿轴周期性地设置圆盘负载,使波导中传播的相速小于或等于光速,以利同步地加速粒子,其加速场的模式为类-TM01,它在近轴区提供最大的轴向电场分量。后者采用圆柱形谐振腔,也沿轴周期性地设置电极(或称漂移管)负载,以提高有效加速电场强度,其加速场的模式为类-TM010,同样在近轴区提供最大的轴向电场分量。衡量加速结构性能的主要参数有两类:一是与加速效率有关的参量,特别是有效分路阻抗。二是加速结构的稳定性,它表征由于结构的误差和邻近非加速模式对束流的影响。


 

直线加速器的雏形概念最早是由英国科学家G.Ising在1924年提出,1924年他在一篇名为《产生高压极隧射线方法原理》的文章中提出了一个直线加速器的设计图样。根据G.Ising的文章,直线加速器由一个直的真空管道和一系列的带孔的金属漂移管组成。粒子的加速是通过相邻的漂移管之间的脉冲电场完成的,电场和粒子的同步是由电压源和相应的漂移管之间的传输线长度的时间延迟来实现。同时他在文章中写道:“现在来深入讨论实现这一想法的细节问题和可能遇到的困难为时尚早,我希望不久能做一个实验。”这个建议在当时由于电磁技术的水平所限制的确难以实现。但是这个概念相当重要,对直线加速器的发展产生了里程碑式的影响。到了 1928年,直线加速器的概念正式被德国科学家RolfWideroe提出,他完成了世界上第一台直线加速器。

1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失,电子感应加速器的能量提高受到了限制,极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量,可以允许更大的辐射损失,极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失,使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV,这不是理论的限度,而是造价过高的限制。

自世界上建造第一台加速器以来,七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级,同时每单位能量的造价降低了约4个数量级,如此惊人的发展速度在所有的科学领域都是少见的。随着加速器能量的不断提高,人类对微观物质世界的认识逐步深入,粒子物理研究取得了巨大的成就。

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