加速器技術和原理的發展
正文
帶電粒子加速器自1930年前後問世以來，主要是朝更高能量的方向發展。在這個過程中，任何一種加速器都經歷了發生、發展和加速能力或經濟效益受到限制的三個階段。在第三個階段中，總會出現新技術或新原理突破困難，從而建造出新類型的加速器，使能最進一步提高，或使建造更高能量加速器在經濟上成為可行。例如，在質子加速器方面：直流加速器受擊穿電壓限制因而出現了回旋加速器；回旋加速器有相對論性質量增加的限制，因而出現了同步回旋加速器；後者又因受到體積龐大的限制，而又出現了同步加速器；在同步加速器中,弱聚焦因磁鐵截面過大而讓位於強聚焦;常規磁鐵因耗電過多而將讓位於超導磁體。在電子加速器方面：電子感應加速器因磁鐵龐大和加速能力不高而讓位於電子同步加速器；同步加速器因輻射損失而讓位於直線加速器。從另一個角度看，上述所有打靜止靶的加速器又都存在有效碰撞能量隨加速器能量增長緩慢的問題，而對撞機則大大提高了有效碰撞能量。從圖1中，可以清楚地看出加速器和對撞機能量隨年代提高的歷史進程。
加速器技術和原理的發展加速器技術的發展 70年代發展起來的新技術主要有如下幾方面：超導磁體、永磁聚焦、超導加速腔、穩定加速結構、高頻四極矩、電子冷卻、隨機冷卻、線型對撞機、加速極化束等。
超導磁體 1961年發現了能用於高場強的第二類超導合金材料，從而為發展現代超導磁體奠定了基礎。現在繞制超導磁體，都是使用多絲複合體，按照需要的磁場空間分布安插其位置，製成磁體的繞組，1971年開始套用這種工藝，1972年又開始使用鐵軛,以禁止散磁,並提高場強。
在加速器領域中，超導磁體可分為直流磁體和脈衝磁體。前者已經用於回旋加速器和高能加速器的束流輸運線上，比較成熟；後者在70年代主要是處於研製階段，80年代則可說是投入建器使用階段。
超導磁體除了可以提供超過常規磁體幾倍的場強外，在節約能源上也有重大的意義。大型超導磁鐵的用電量僅為等效常規磁鐵的1/10。它的初始投資雖然較高，約為等效常規磁鐵的 3.5倍。但超過常規磁鐵的那部分投資，大約在設備運轉三四年後就可以收回。超導磁體的研究方向是高工作溫度和更高場強。(見第二類超導體)。
永磁聚焦 加速器工作者很早就構想用永久磁鐵代替電磁鐵對粒子進行偏轉和聚焦,以簡化設備,節約能源。在質子直線加速器的漂移管中，四極電磁鐵的功率耗損常構成對磁場梯度的限制,使用永磁聚焦優點明顯。1955年J.布魯韋特等人曾用空心圓柱形磁性材料研製四極聚焦永久磁鐵。因受材料性能的限制，當時得到的磁場梯度,還不能達到實用要求。1966年發現稀土－鈷(REC)磁性材料在一定的結晶方向(易軸)可以極強地磁化，剩磁場可接近1T，這就又進一步引起對永磁聚焦研究的興趣。70年代末期它已在美國洛斯阿拉莫斯國家研究所和新英格蘭核子公司 (NEN)的直線加速器中得到套用。另外還考慮將它使用到束流輸運系統中。
圖2給出一個由16塊5種易軸方向的REC組成的四極永磁的結構示意圖。這類REC四極矩在極面場強為1T時，外徑只是7cm左右。這種結構用於質子直線加速器的漂移管中，漂移管外徑可比使用常規電磁鐵時縮小一半以上，從而提高了腔體的並聯阻抗，降低了對漂移管長度公差的要求，永久磁鐵既不耗電，又無冷卻問題，而對小孔徑四極矩而言，還可以提供高於任何其他方法產生的磁場梯度。永磁聚焦的主要缺點是費用很大。
加速器技術和原理的發展
加速器技術和原理的發展根據超導理論，超導高頻腔的交流耗損應隨溫度而呈指數下降。實驗結果在1.5K以上與理論相符,但在1.5K以下，則存在一常值的剩餘電阻,如圖3所示，這個現象尚無確切的理論解釋。表面狀態可能是產生剩餘電阻的重要因素，因而又稱之為表面電阻。
剩餘電阻的存在說明在深度低溫下超導腔的品質因數Q將趨於一個定值（一般在1010～1011）。根據電磁場理論，對加速腔所用的TM
模式而言，腔內表面的峰值電場E（以MV/m為單位）和峰值磁場 H（以T為單位）的表示式為 E＝2.30f(PQ×10-3)┩，
H＝3.75f(PQ×10-8)┩,
穩定加速結構 用高頻場加速帶電粒子的最簡單的結構是單個的駐波諧振腔,但需要很大的能量增益時,就要使用由多個加速腔組成的腔列。這種結構已用於直線加速器和某些同步加速器、對撞機中。腔列有行波和駐波兩種工作方式：後者在π模（兩相鄰腔相位差為π）工作時將高頻功率轉化為加速電場的能力最大（即有效並聯阻抗最高）。不過，由於π模附近模式間隔很小,群速很低,因此使用π模時有對尺寸公差要求很高和對束流負載敏感的缺點,故稱為不穩定的模式。π/2模的模式間隔和群速都大，可以克服 π模的上述缺點，是穩定的模式。但是在由同一種加速腔組成的腔列中,π/2模每隔一腔才有加速場存在,故加速效率較低。為了既保持π模的高加速效率,又兼有π/2模的穩定性，70年代研究成功並普遍採用了雙周期穩定加速結構。它破壞了單周期腔列的幾何周期性，而保持了電的周期性。這種駐波雙周期加速結構，在質子直線加速器上表現為桿耦合和邊耦合腔；在電子直線加速器上表現為邊耦合和環耦合腔；在超導電子直線加速器上表現為雙周期盤荷波導。一種雙周期結構的變種已做到40MV/m的梯度，這是當前梯度最高的加速結構。
高頻四極矩 粒子運動速度與光速之比 β＜0.04時，質子直線加速器常用的阿耳瓦雷茨結構受到了聚焦透鏡梯度、束流孔徑、渡越時間因子等的限制。為突破這些限制，以便加速並聚焦注入能量很低的粒子，研究成功了高頻四極矩(RFQ)。
為了產生高頻四極矩電場，可在四條沿一圓周放置並相隔90°的導體上，依次激發正負極性，使得在垂直導體的平面內出現四極矩場。如果在縱向對導體的幾何形狀作適當的周期性調製（改變尺寸），系統中就會出現縱向電場,也就有可能同時對粒子加速和聚焦。圖4給出一種RFQ的結構示意圖。
加速器技術和原理的發展電子冷卻 “冷卻”是指對儲存環中的某些重離子迴旋束流（如質子、反質子等，以下簡稱質子）的熱騷動(橫向的自由振盪和縱向的動量分散)加以阻尼。電子冷卻是利用能散很小的與質子束平行運動的電子束，通過庫侖作用“冷卻”質子束。這相當於兩種起始溫度不同的全電離電漿的熱弛豫過程。當電子平均速度與質子平均速度近似相等時（如質子熱運動溫度較高，電子熱運動溫度較低），質子會把熱運動能量逐步轉移給電子，達到能量均分，使兩者溫度相等。由理論分析可知，為了快速冷卻，應該在質子能量較小的情況下進行電子冷卻。
具體裝置是在儲存環的一段內，使質子束與電子束（由電子槍產生經螺鏇管節磁場偏轉而出作用區）相混，共同運動一段距離。電子槍的電壓應調節到使電子與質子的運動速度相等。圖5給出了電子冷卻裝置的示意圖。
加速器技術和原理的發展
加速器技術和原理的發展從理論分析得知，為了得到快速冷卻，在保證電子學系統性能的限制下，對被冷卻粒子數目不是很大的情況，隨機冷卻是更為適用的。實驗證明，隨機冷卻可在三維同時生效，束流截面和動量分散都可得到改進。
由於冷卻技術的出現，已經可以獲取高密度的反質子束。這樣，質子－反質子對撞機的亮度就能達到可用的程度。目前，歐洲核子中心和美國費密國家加速器實驗室都正在大力推進這種對撞機的建造。冷卻的方案很可能同時採用電子冷卻和隨機冷卻，以便互相補充，相得益彰。
線型對撞機 環型對撞機的造價隨能量上升很快增加，因此有人提出了使用直線加速器產生的束流直接對撞的線型對撞機的概念。
高能的線型對撞機每單位能量的造價比較低,圖7示意地給出環型與線型對撞機的造價與能量的關係。圖中曲線表示環型對撞機的造價隨能量二次方增長，而線型對撞機的造價隨能量線性增長，因此，兩曲線將在某一能量交叉。在此能量之上，線型對撞機將較為經濟。這啟示了向更高碰撞能量發展的途徑。
加速器技術和原理的發展加速極化束 極化粒子的自鏇方向如與所處的磁場的方向不同，則當自鏇進動頻率與磁場擾動力的頻率有諧波關係時，就會產生共振，導致去極化，稱為去極化共振。加速極化束的主要問題，就是在加速過程中如何通過去極化共振而保持束流原來的極化狀態。
加速器磁場對自鏇作用有兩種方式。一種是在假定為理想的加速器磁場中的固有共振。在強聚焦加速器中四極矩對作垂直自由振盪的粒子產生水平的去極化磁場，粒子受到的水平場頻率為kp±v，k為整數（0,±1,±2，…)，p為加速器超周期數,v為垂直自由振盪頻率與粒子迴旋頻率之比。此外,自鏇進動頻率為γG，γ為粒子總能量與靜止能量之比，G對質子言是1.793。當上面兩個頻率相等時，即得固有共振的條件是
在固定的聚焦結構和束流發射度下，以上兩種共振，都可用一個激發強度參數ε表征,設通過共振的前、後束流極化率分別為P0和P，並以α表示與通過共振的速率有關的參數，則由理論分析可得
加速器原理的發展 迄今為止，自然界的四種作用力（強作用、電磁作用、弱作用和引力作用）中，只有電磁作用可用於加速粒子。因此，新的加速原理都著眼於更強的電磁場的獲得和套用。表中給出各種電磁場的強度的量級，這對探討新的加速途徑是有參考意義的。
上表說明：點陣場最強，但它是靜止的，不適於供加速粒子之用，最近正在研究用它來偏轉高能粒子。高頻加速場是當前高能加速器中使用的場。集團場和雷射場的場強都較高頻場大得多，因此，新加速原理的探討集中在集團加速和雷射加速這兩個方面。
加速器技術和原理的發展實現集團加速的具體方法是使用數目很大的電子的集團自場來加速少數的離子。最初的概念是在50年代初期由H.阿爾文等人提出，後經Β.И.韋克斯勒等人發展。迄今已經提出了幾十種集團加速方案。但主要研究工作是在兩個方面展開。一是在電子圈中俘獲並加速離子數方案,即所謂電子圈加速器(ERA)；另一是各式各樣的在強流線型電子束中俘獲並加速離子的方案。
以上兩種方案,都要使用強流相對論性電子束(IREB)提供集團場。IREB是由脈衝倍壓發生器、傳輸線和二極體組成的能量為兆電子伏量級的加速器產生的。流強為1kA～1mA，脈衝寬度為10～100ns，束徑為1～10cm,束流能量為101～106J，電子數密度一般可達1011～1013cm-3。
① 電子圈加速器(ERA)。它的工作原理如圖8所示。由圖可見,首先將未中和的IREB注入到一個有輕度聚焦作用的縱向磁場中形成電子圈。爾後，磁場強度隨時間上升，以便使圈的長、短半徑都得到壓縮，並將圈中的電子能量進一步提高。此時，由於電子與剩餘氣體分子碰撞，產生了大量離子，這些離子被圈中的勢壘所俘獲，一方面中和了電子的空間電荷力，使圈保持形狀；另一方面也提供了被加速的離子。
加速器技術和原理的發展② 線型束加速器。1968年美國研究工作者發現將IREB注入到中性氣體中。即可得到能量大於電子束能量的離子團。這顯然是由於電子集團場產生的自然加速現象，它的機制和潛力，當即引起人們的注意和興趣。目前已經了解到線型IREB可以有下列幾種加速離子的機制，即空間電荷場、感應場、線性波和非線性波、隨機加速、碰撞和拖動加速等。其中空間電荷場和線性波兩種是已知的可按比例推算的機制。
空間電荷場加速是利用IREB通過不同程度的電離區使束流中出現不同程度的中和，由此產生極強的軸向電場1～100MV/m供加速離子之用。一個典型的實驗結果是：使用能量為1MeV、流強為30kA的IREB注入到氣壓為0.1～0.3Torr的氫氣中，可產生的加速離子的能量為3～5MeV、流強為100～200A、 脈衝寬度為3～5ns。1979年已能將質子加速到IREB能量的10倍。一般認為如果質子能量能再提高一個量級，則這種結構簡單，離子流很強的加速器，將可套用於實際。
線性波加速是利用IREB體系中可能存在的具有軸向電場的不穩定性（線性波動），控制波動的相速沿軸增加，並使其俘獲離子，以達加速的目的。這種波動的模式必須是負能量波，即束流能量可以轉換為波動振幅的增長,這樣，在加速過程中，軸向電場不但不會衰減,反而會增強。一種使用負能量迴旋波，並以縱向磁場控制相速的線性波加速裝置名為自共振加速器(ARA)。圖9表示這種加速器的工作原理。
加速器技術和原理的發展雷射加速 現代大功率雷射具有極強的電場。這個特點一直吸引著科學工作者考慮使用它來加速帶電粒子，並提出了各種構想。大致可分為兩類：一是雷射在氣體中或電漿中傳播並加速粒子；另一是在真空中傳播並加速粒子。前者可以說是集團加速的一種形式，下面只討論後一種。
雷射是電磁波，它的電場矢量與光的傳播方向垂直。這樣的場如何能與速度小於光速的帶電粒子連續地、同步地發生作用，是研究雷射加速的關鍵問題，目前提出的有下列三種方案。
① 慢電磁波。電場和傳播方向都與帶電粒子運動方向相同的相對相速βw≤1的電磁波,可存在於某種結構的附近。這種結構可以是利用內部全反射產生表面衰減波的介質；也可以是具有無窮多的空間諧波的周期載入結構。理論分析表明：這種結構提供的慢電磁波（加速場）只能存在於結構表面附近，一般說來在與表面距離為波長的量級時，加速場強即衰減為表面值的e-1。因此，加速粒子必須沿結構表面運動，這樣加速器的接收度就變得很小。另一方面最高場強在結構表面。因此，可用於加速的場強就受到結構的擊穿的限制，不能很大。這兩方面是慢電磁波方案的根本弱點。
② 快電磁波移相。為了擺脫慢電磁波方案中結構的限制，提出了圖10所示的安排。雷射從各個方向以與粒子運動軸線成θ的角度射入，在軸線上合成加速場Ez。由於圓柱波導的幾何聚焦作用,場強隨離軸距離增大而減小,軸線場強Ez就可以遠比波導材料所能承受的場強E0為高。
加速器技術和原理的發展有人認為快波經過周期性調相，即等效於一系列的空間諧波行波分量，而其中只有與粒子運動速度同步的行波項（慢波）能和粒子有能量交換。因此，本質上這種波還是具有表面波的特徵；加速管壁不能離軸線很遠，可用場強仍將受到管壁材料擊穿的限制。
③ 參量放大作用。在圖11中設沿z軸運動的電子束通過一橫向波長為 λm的交替磁場區By,則電子將在xz平面以vz/λm的頻率振動。設同時還有波長為 λw、頻率為c／λw的平面偏振光沿z軸傳播。如光波電場矢量Ex阻尼電子的振盪，則電子將能量轉給雷射，使它得到放大。可以證明，為了得到持續的能量轉化,要求在電子振動一個周期λm/vg的時間,光波傳播距離為λm+λw。這就叫做共振條件。
加速器技術和原理的發展總括說來,雷射加速的巨大潛力是十分吸引人的,但要實現加速，必須設法克服接收度小、材料擊穿和大量的具體技術問題。
