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直线感应加速器 发表评论(0) 编辑词条

(图)直线感应加速器
直线感应加速器

直线感应加速器(LIA)是20世纪60年代发展起来的一种新型加速器,其独特的能力是可产生非常强束流、非常高 峰功率及高束品质的脉冲粒子束(电子束或离子束)。普通的直线加速器以射频频率产生长的束脉冲串,其平均束流通常小于1A;与此相反,直线感应加速器产生的束脉冲重复频率低得多,但束流却高得多(例如可大于10kA)。直线感应加速器是世界上功率最强大的加速器之一。由于具备这些独特的优越性能,直线感应加速器在科学研究、国防及国民经济领域有广泛而重要的应用,它的发展受到许多国家的重视。全世界共建成各类直线感应加速器有100多台。

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发展历程编辑本段回目录

(图)直线感应加速器
直线感应加速器

世界上第一台直线感应加速器ASTRON-I由N.Christofilos发明,并于1963年在美国劳伦斯利 弗莫尔实验室(LLNL)建成。该加速器可提供束流350A、能量4MeV、脉宽300ns及重复率100Hz的脉冲电子束,用于约束等离子体,并在后续实验中用于研究电子束通过大气传输的可行性,远期目标是创造粒子束武器。之后,美国又陆续研制了用于加速质子的ERA加速器(4MeV、1kA、45ns);用于自由电子激光(FEL)研究的ETA加速器(5MeV、10kA、60ns、1kHz猝发)、ATA加速器(50MeV、10kA、70ns、1kHz猝发)和高平均功率的ETA-II加速器(6MeV、2kA、70ns、5kHz准连续),同时,ETA和ATA加速器还用于带电粒子束通过大气传输的研究。

1982年,劳伦斯利弗莫尔实验室研制了用于核武器流体动力学试验闪光X光照相的FXR加速器(20MeV、2~4kA、60ns),这是直线感应加速器首次用于闪光X光照相。1990年代,随着全面禁核试时代的到来,为了在全面禁核试后继续保持核武器研究和发展能力,各核国家纷纷花大力气提高自已的闪光X光照相能力。美国能源部决定建造双轴闪光X光照相流体动力学试验设施(DARHT),并计划建造先进流体动力学试验设施(AHF)。DARHT装置由两台轴线互成90°的20MeV直线感应加速器DARHT-I和DARHT-II组成,前者是一台脉宽为60ns的短脉冲加速器,一次只能获得某一时刻的X光照片;后者则是一台脉宽为2μs的长脉冲加速器,通过踢束器能产生4个脉宽为(20~60)ns的脉冲,一次能获得4个不同时刻的X光照片。AHF是一台具有多角度、多时刻闪光光照相能力的直线感应加速器。DARHT-I加速器已于1999年在洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)建成。DARHT-II加速器因技术问题完成时间推迟,仍在建造之中。除大力发展加速电子的直线感应加速器外,从1970年代起,美国开始陆续建造加速重离子的小型实验加速器,用于研究直线感应加速器驱动的重离子聚变。

苏联发展直线感应加速器起步比美国稍晚。1967年在实验物理研究院(VNIIEF)建成

(图)直线感应加速器
直线感应加速器
第一台无铁芯的直线感应 加速器(2MeV、2kA、40ns),之后利用径向线加速原理分别于1977年和1989年建造了LIU-10加速器(14MeV、50kA、20ns)和LIU-30加速器(40MeV、100kA、20ns),用于模拟核爆的强轫致辐射源和强中子源。另外,汤姆斯克理工大学于1981年研制成功重复频率的直线感应加速器LIU2/3(2MeV、3kA、70ns、10Hz),用于自由电子激光研究。此后又陆续研制了一批用于高功率微波研究的重复频率直线感应加速器。

法国原子能委员会核武器研究中心,从1988年开始直线感应加速器研究发展计划。首先建成了用于自由电子激光研究的LELIA加速器(2.5MeV、1kA、50ns),之后又研制了PIVAIR加速器(8MeV、3.5kA、60ns)。全面禁核试后,法国亦斥巨资研制与DARHT-I基本相同的直线感应加速器AIRIX(注入器从美国购买),以全面提高闪光X光照相能力,该加速器已于1999年底建成。

英国原子武器机构(AWE)计划建造3台14MV感应叠加型的直线感应加速器,以构成多角度闪光X光照相,预计2010年运行。

1990年,日本原子能研究所(JAERI)、高能物理所(KEK)及大坂大学激光工程研究所先后建成用于自由电子激光研究的直线感应加速器。1996年,日本长岗技术大学建造了直线感应加速器ETIGO-III(8MeV、5kA、30ns),用于X光、高功率微波和烟气脱硫等研究。

德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心在美国的帮助下,于1993年建造了基于感应叠加的直线感应加速器KALIF-HELIA(6MeV、360kA、50ns),用于强流轻离子束与物质相互作用、X光激光泵浦和惯

(图)直线感应加速器
直线感应加速器
性约束聚变等研究。直线感应

中国的直线感应加速器研究始于1982年,走自主创新的发展道路,取得了一系列的成果。1989年研制成功中国首台1.5MeV直线感应加速器;1991年建成3.3MeV加速器(3.3MeV、2kA、60ns),用于曙光一号自由电子激光研究,最大输出功率达140MW,为当时亚洲同类实验的最好结果;1993年建成中国首台用于闪光X光照相的10MeV直线感应加速器(10MeV、2.3kA、60ns),1995年该机升级为12MeV;几年前自主研制成功“神龙一号”直线感应加速器(18~20MeV、2.5kA、60ns),“神龙一号”加速器总体性能达到国际先进水平。

工作原理编辑本段回目录

(图)直线感应加速器
直线感应加速器工作原理图

直线感应加速器主要由注入器、加速组元系统、脉冲功率系统、束输运系统、测控系统及辅助系统(包括真空、 绝缘油、绝缘气体及去离子水等)组成。其中,注入器是加速器的前级,作用是产生高品质强流粒子束并注入由加速组元串接构成的加速段加速。脉冲功率系统是加速器的脉冲发生器,它按设定时序给每一个加速组元输入高电压脉冲,在加速间隙上形成加速电压。束输运系统的作用是保证强流粒子束从产生到加速直至输出的整个过程不致发散,使束流损失、束截面大小等参数及束不稳定性控制在设定范围内。直线感应加速器的束输运系统最显著的特征是具有输运强流粒子束的能力,通常采用连续的螺线管输运磁场或四极子输运场(的或电的),具体选择何种输运场取决于输运粒子种类(电子、轻离子或重离子)、粒子能量及粒子束流强度。当采用螺线管输运磁场时,通常将螺线管线圈放在加速组元内。测控系统的作用是使加速器各部件按正常的时序和参数可靠的工作,并监测相关工作参数以判断加速器是否正常工作。直线感应加速器利用经典的电磁感应原理工作,即利用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子。用随时间变化的磁场产生的电场加速带电粒子的思想早在上世纪20年代就已提出,并在1941年研制成功第一台圆形轨道加速器,即现在人们熟知的电子感应加速器(Betatron)。在这种加速器中,电子是被随时间变化的磁场在与其垂直的平面内感生的圆形涡旋电场加速的,故运动轨道为圆形。直线感应加速器与电子感应加速器不同,带电粒子沿直线被加速,为此直线感应加速器采用了感应组元(或加速组元)结构。感应组元可以简单地看成为一个1:1的脉冲变压器。环绕圆环状磁芯有两个回路,其中与脉冲发生器相连的回路是初级,而包含粒子束流和加速间隙的回路是次级。当脉冲发生器产生的脉冲电压输入初级回路时,使磁芯产生磁通量的变化,因而在次级回路的加速间隙上产生感应电压,加速间隙区域形成轴对称的轴向感应电场,当带电粒子此时通过,就能得到沿轴向的加速。设带电粒子电荷量为q,加速间隙的感应电压即加速电压为Vc,则该带电粒子通过加速间隙加速获得的能量为qVc。

另一种产生加速电压的方法是采用无磁芯的感应组元。这种组元工作时,虽然磁通密度B不变化,但B所占的面积发生变化,同样导致磁通量的变化,因而感应产生加速电压。无磁芯感应组元基本上是一个径向传输线或轴向传输线。

直线感应加速器由一个感应组元或多个感应组元轴向串接组成,这种“积木式”结构不仅使直线感应加速器结构简单,且便于粒子束能量的调整及粒子束的注入与引出。通常,由

(图)直线感应加速器
直线感应加速器工作原理图
有磁芯感应组元构成的加速器称为芯型直线感应加速器,而由无磁芯感应组元构成的则称为线型直线感应加速器。

感应组元本身是一个感应电压源,当用金属导体代替粒子束流将N个感应组元轴向串联起来时,可将这N个组元的电压感应叠加形成N倍高的电压,称为感应电压叠加器(IVA)。感应电压叠加器产生的高电压可用于产生粒子束或提供给负载,它本身就是一台加速器,也常作为直线感应加速器的前级(注入器),为其提供粒子束源。通常,感应电压叠加器也看成是一种直线感应加速器。

主要技术编辑本段回目录

直线感应加速器40余年的发展进程中,应用需求始终推动着直线感应加速器技术不断发展和创新。前20年,主要侧重发展强流和高峰功率技术;20世纪80年代开始,发展高平均功率技术和束品质控制技术;90年代以后,主
要发展MHz重复频率能力的固体开关调制器技术和高频磁芯材料技术,以及高梯度绝缘体技术,并促进了概念创新,出现了环形直线感应加速器、感应同步加速器和介质壁加速器等新概念直线感应加速器。下面分别进行介绍。

(图)直线感应加速器
直线感应加速器技术图
1、强流和高峰功率技术 提高流强和峰功率涉及高功率脉冲功率技术、加速组元、强流束输运、强粒子束源等众多技术的提高和创新。主要经过前20年的发展,流强和峰功率得到了大幅的提升。例如,美国ATA加速器的电子束流强达10kA,峰功率达500GW,平均功率也达1MW,满足了当时自由电子激光研究和带电粒子束在大气中传输研究的需要。又如,前苏联的径向传输线型LIU-30加速器的电子束流强高达100kA,峰功率高达4TW,用于核武器效应模拟。还有,美国的感应叠加器型HERMES-III加速器(19MeV、700kA、28ns)的电子束流强高达700kA,峰功率高达13TW,是世界上功率最强大的短脉冲γ射线模拟源,用于模拟爆瞬时辐射对电子学和完整军事系统的效应。以上三台加速器对直线感应加速器强流和高峰功率技术的发展具有里程碑意义。

2、高平均功率技术

直线感应加速器发展初期,平均重复率通常在大约100Hz以下,这主要是由于脉冲功率系统所用的充气火花隙开关工作频率的限制。上世纪80年代发展的磁开关技术是高平均功率技术的重大进展,它使直线感应加速器的重复频率从大约100Hz一下跃升至几kHz。采用磁开关技术建成的ETA-II加速器输出的电子束不仅平均功率高达3MW,而且具有高峰功率(12GW)和好的束品质,用于产生高平均功率自由电子激光和微波的研究,以及后来的许多科学研究。

3、束品质控制技术

直线感应加速器的许多应用如闪光X光照相、高功率微波、自由电子激光、重离子聚变等,不仅要求强流和高功率,而且要求高的束品质,以满足束聚焦、提高转换效率等不同的要求。弱流情况下,没有空间电荷的影响,实现高束品质相对容易;但在强流高功率情况下,空间电荷非线性力的影响及不稳定性影响严重,经过长距离加速、输运后仍要保持高的束品质难度极大。束品质主要用束能散度,束发射度及束的稳定性来表征。束品质控制技术要解决的问题是如何实现要求的低能散度、低束发射度及抑制各种束不稳定性,这涉及解决一系列相关的物理和技术问题。大体从20世纪80年代后期开始,通过在高品质束源技术、宽平顶高电压产生技术、低横向耦合阻抗加速组元技术、低横向场分量螺线管线圈技术、高精度磁轴准直技术、束心智能调谐技术、束不稳定性抑制技术等关键技术上的相继突破,对强流电子束品质的控制技术逐渐走向成熟,取得明显效果。例如,1999年建成的DARHT-I加速器采用了一系列束品质控制技术,束品质显著提高,使X光焦斑直径(50%MTF)减小到约2mm,这是同类加速器此前从未达到过的。但对重离子束品质的控制还很不成熟,由于重离子束始终是空间电荷占优的束,许多问题尚待解决。

4、固体开关调制器技术

固体开关调制器是使用固体开关的脉冲发生器。常用的半导体固体开关有场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。固体开关调制器的主要特点,首先是高重复频率,可达几MHz;其次是产生的脉冲格式(包括脉冲数量、极性、组合方式、形状、幅度等)适应性强且精度高。目前已有不少固体开关调制器投入应用和研究工作,其中ARM-II是有代表性的一种,它可以2MHz的重复率输出45kV、4.8kA的脉冲,且脉冲格式可以变化。

5、高频磁芯材料技术

(图)直线感应加速器
直线感应加速器技术图

加速组元能在几MHz的高重复频率下工作的关键是磁芯材料具有优良的高频特性,即要求磁芯材料在几MHz的高重复频率下仍有足够高的通量增量ΔB和每个脉冲激励期间较为固定的导磁率μ,且损耗又足够低。研究表明,微晶合金(Nanocrystallinealloy,商品名Finemet)和非晶金属玻璃在MHz下仍具有优良的特性,满足MHz重复频率加速组元的要求,已在实际中应用。

6、高梯度绝缘体(HGI)技术

高梯度绝缘体由多层薄绝缘体和薄导体交替紧密叠压构成,因此,高梯度绝缘体技术又称为微叠层绝缘技术。这种微叠层结构沿面有利于抑制发射电子的雪崩过程,因而具有比普通绝缘体优异的击穿特性,这已被实验证实。微叠层导体间隔距离即绝缘层厚度对击穿特性有显著影响,实验研究表明,随绝缘层厚度减小,击穿场强增加。图5的结果表明,高梯度绝缘体的表面击穿场强比普通绝缘体显著提高,在脉宽2ns到10μs范围,比普通绝缘体大致提高5~6倍;当脉宽为100ns时,高梯度绝缘体表面击穿场强约为350kV/cm(35MV/m),而普通绝缘体仅约为60kV/cm(6MV/m)。

应用范围编辑本段回目录

直线感应加速器已广泛应用于科学研究、国防领域和国民经济领域,这里介绍几种主要的应用,包括闪光X光照相、高功率微波和自由电子激光、重离子聚变,以及在高能物理和能源科学的可能应用。

1、闪光X光照相

(图)直线感应加速器
闪光X光照相
闪光X光照相是直线感应加速器的一种主要应用。闪光X光照相是利用强的脉冲X光对高速运动物体某一时刻的运动状态进行透视照相,如果X光的脉冲宽很短,则可以获得高速运动物体该时刻的准静态X光透视图像,与人体X光透视的原理完全一样。闪光X光照相作为最重要的诊断手段用于核武器初级的流体动力学试验始于美国的曼哈顿计划,即第一颗原子弹研制期间。所谓流体动力学试验就是使用裂变替代材料(如)的核武器初级模型的内爆试验,由于在高能炸药产生的高温和高压下,金属和其他材料象流体一样流动,故称之为流体动力学试验。利用这种试验可以研究核武器初级从内爆压缩到裂变反应临界点之前的全过程的物理学现象,校验模拟计算程序,以及评估材料的老化效应和新制造的部件等。加速器按指定时刻输出的电子束脉冲经聚焦透镜聚焦到高原子序数靶(钽或钨)上,通过韧致辐射产生脉冲X光对内爆中的模型进行透视,透射出的X光最终在图像探测器上成像,从而获得该时刻模型的内爆图像。为了防止加速器和图像探测器被模型内爆产物破坏,可采取保护措施或在爆炸容器内进行试验。

实现高分辨率照相,要求X光焦斑直径(50%MTF)小到2mm左右。实现这种小X光焦斑要求直线感应加速器输出的2~3kA的强流电子束具有极好的束品质和优良的聚焦系统,这是十分困难的。从1963年投入使用的新一代闪光X光机PHERMEX(射频直线驻波加速器)算起,到1999年建成DARHT-I(直线感应加速器),美国经过了36年才实现了大型闪光X光机X光焦斑直径(50%MTF)2mm的要求。

2、重离子聚变

(图)直线感应加速器
直线感应加速器

重离子聚变的最终目标是要在10ns内将能量为几MJ且动能为几GeV的重离子束聚焦到靶上,以实现靶的聚变点火。美国的重离子聚变计划选择多束直线感应加速器作为重离子聚变的驱动器,有代表性的驱动器主线设计,如图10所示。注入器产生大约100束约200amu(原子质量单位)的重子离束,然后输入一台约3GeV的多束直线感应加速器被同时并行加速(每一束都有自己的交变梯度四极子聚焦通道);出加速器后,这些束在漂移压缩段被纵向压缩,再经末级聚焦和中性化进入靶腔,在其内传输到靶。近两年,又提出了一种新的积木式驱动器概念。用大约20台螺线管线圈聚焦的能量较低(约200MeV)的直线感应加速器代替多束直线感应加速器作为驱动器,其设想如图11所示。该方案采用最终能量200MeV、束流约170kA(每束)的氖离子(Ne+,20amu)。多年来,对驱动器开展了大量的研究,在多束强流重离子源和注入器、强流重离子束的加速和传输,以及重离子束的中性化漂移压缩和聚焦等方面取得了重要进展。研究表明,采用中性化漂移压缩和聚焦技术,积木式驱动器能满足靶的聚焦要求,其造价具有竞争力,并提供一条有吸引力的发展惯性聚变能的途径;多束直线感应加速器驱动器的加速器能量、长度和造价也能降低。目前和今后的一个新研究重点是探索中性化束压缩和聚焦到极高强度的物理学,已计划一系列3个实验:10倍纵向压缩(2006年);100倍压缩和1eV靶能力(2009年);10eV靶能力(2014年)。美国政府已强调增加重离子束对高能密度物理研究的近期应用,计划目标是在5年内用MeV级的重离子束将等体积的靶加热到大于1eV。在分解实验的基础上,已经计划了集成束实验(IBX)和集成研究实验(IRE)。集成束实验可能是相当低能(约6~10MeV)的单束实验,其设计可能包括和试验两种驱动器的部件。而集成研究实验会将驱动器规模束加速到几百MeV,该实验建设之前会对这两种驱动器作出选择。

3、高功率微波和自由电子激光

(图)直线感应加速器

直线感应加速器产生微波的一个重要应用是设想作为高能正负电子直线对撞机的功率源,即相对论束调管双束加速器(RK-TBA)方案。这种方案用直线感应加速器加速强流、低能量的驱动束,并在大部分束线维持10MeV能量。同时采用类似速调管的结构从驱动束引出频率为11.4GHz的射频功率,然后送到对撞机的高梯度加速结构上去加速另一束低电流束达到高能量,据估算,一台加速梯度50~200MeV/m(工作频率11.4MHz~30MHz)、能量1~5TeV的直线对撞机对驱动束的要求是:束流约1kA,加速梯度0.3MeV/m,脉宽50—200ns,始终维持束能量10MeV,以及重复频率约180Hz。
这些指标对直线感应加速器来说非常普通。这种方案的主要技术挑战是强流束的长距离传输。经过多年的理论和实验工作,已取得重要结果,对该方案的基础技术层面的论证已完成。

4.在高能物理和能源科学的可能应用

(1)超级束团强子对撞机

(图)直线感应加速器
对撞机

这是具有超级束团能力的感应同步加速器典型的应用。在超级束团强子对撞机中,超级质子束团在对撞机环上的占空比可高达20%-30%,而普通强子对撞机仅3%-4%,因此,超级束团强子对撞机的亮度可比普通强子对撞机提高大约20倍,亮度达到约。据估算,一台设计能量2×31TeV、亮度的超级束团强子对撞机,要求感应加速组元产生总电压约3MV、脉宽0.5μs、重复频率90kHz的加速电压;用于纵向脉冲约束的感应组元需要产生约100kV短电压脉冲。这是直线感应加速器技术可以实现的。

(2)中微子工厂/μ介子对撞机

基本概念是用直线感应加速器对纳秒质子束脉冲击靶产生的π介子/μ介子进行“相空间旋转”以降低其能量散度。主要物理和技术问题是:高加速梯度结构(2MV/m),高猝发重复频率(大约3.3MHz),可靠性、功率消耗量。

(3)散裂中子

用直线感应加速器产生下一代散裂中子源要求的质子脉冲(约1GeV、1μs、50Hz、100A),与直线感应加速器技术非常匹配。这种想法是DenisKeefe20多年前提出的,我国的王淦昌院士在1993年也曾提出过类似设想。

(4)次临界反应堆

用固定场交变梯度环形感应加速器(CIAFFAG)产生的散裂中子源,驱动次临界的核废物嬗变反堆。

相关词条编辑本段回目录

参考资料编辑本段回目录

[1]  HumphriesStanley Jr. PrinciplesofChargedParticleAcceleration,AWiley-Interscience,Publication.
[2]  黄子平 硕士论文 中物院 2002
[3]  KirbieH,CaporasoG,GoerzDetal,MHzRepetitionRateSolid-StateDriverforHighCurrentInductionAccelerators,PAC99,1999,625-627
[4]  CaporasoGJ,ProgressinInductionLinacs,Linac00,2000,658-662
[5]  KirbieH,HickmanB,LeeB,etal,AnAllSolidStatePulsePowerSourceforHighPRFInductionAccelerators,UCRL-JC130691(1998)
[6]  DowningJ,CarlsonR,MeltonJ,andFocklerJ,AFouklerJ,AFour-PulseDriveSystemforgheBeamInductionCellsandInjectorforDARHTAxis2,12thIEEEInternationalPulsedPowerConference,Monterey,CAUSA,1997(also:LAUR-99-3383)
[7]  FocklerJ,NishimotoH,AFour-PulseDriveSystemfortheBeamInductionCellsandInjectorofDARHT,FinalReport,PSI-FR-1762/3761,July,1996

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