感應直線加速器

感應直線加速器

感應直線加速器,是一種加速電場是由電磁感應產生的,很多個加速組元感生的加速電場排成直線,粒子在加速過程中沿直線運動的加速器。

發展歷史

美國LLNL(Lawrence LivermoreNational Laboratory)1963 年建成了第一台感應直線加速器Astron-1,它能給出能量為3.7 MeV,脈衝流強為350 A 的電子束。

1968 年研製了束能量為6 MeV、脈衝流強為800 A 的Astron-II。

在這台加速器的基礎上,1979 年電子束能量為4.5MeV,脈衝流強為10 kA 的ETA 實驗性加速器調試成功。

1982 年用於閃光照相的FXR 問世,這台加速器的束能量為18 MeV、脈衝流強3 kA。

同時1983 年還為研究射束武器問題建造了束能量為50 MeV,脈衝流強10kA 的ATA 感應直線加速器。

我國研製感應直線加速器的計畫始於1983 年。

1988 年建成了束能量為1.5 MeV、脈衝流強為2.7-3 kA 的第一台感應直線加速器,它將用作計畫在1991 年建成的束能量為10 MeV、脈衝流強為2-3 kA 的感應直線加速器的注入器。

原理

感應直線加速器 感應直線加速器

感應直線加速器由很多個加速組元所組成,每個組元可看成一個用磁感應原理製成的特殊變壓器。用由變壓器原理產生的加速電場來加速粒子,可以得到功率很大的粒子束流。

每個感應加速組元的磁芯由良好的導磁材料製成。圍繞著磁芯是由銅板製成的初級繞組。銅板與磁芯之間是絕緣的。當給初級繞組通入脈衝電流時,就在磁芯中感生出脈衝的環流磁通,並產生了軸向的感應電場。

電場與磁通變化量之間的關係式:

感應直線加速器 感應直線加速器

沿軸線運動的粒子流相當於變壓器的次級繞組,這些電子將受到軸向感應電場的加速。每個感應加速組元感生的平均電場強度約為數kv/cm,能使電子能量提高數十keV。一台感應直線加速器由N 個加速組元組成,因此粒子得到的總能量為數十keV x N。由絕緣體製成的加速管放在感應加速組元中心軸的空心處,並保持一定的真空度。感應加速組元之間有短螺旋線,用磁場約束電子,使電子在加速過程中不因發散而丟失,並有導向器控制電子的運動方向。

感應直線加速器的種類很多。加速間隙處電場的形態也不相同。

結構

我國工程物理研究院於1988 年建成了一台電子束能量為1.5 MeV 的感應直線加速器。它由主體部分、脈衝電源系統、束流輸運系統、監測控制系統以及真空、油、水、氣輔助系統構成。

感應直線加速器 感應直線加速器

1、加速器主體

它由6 個加速組元、1 個二極體以及測試區組成。加速組元的磁芯都採用國產的環形鐵氧體,每個組元感生的脈衝電壓為250kV,前4 個組元由一根直徑為94 mm 的中空不鏽鋼陰極桿貫穿,構成二極體的陰極,為二極體提供1MV 的脈衝電壓。另外兩個組元用作後加速,它們之間為過渡區。在兩個後加速組元內徑處裝有聚焦線圈。

二極體是冷陰極平面場發射型。陰極裝在陰極桿上,陽極與加速器外殼直接相連。陰極中心是一塊直徑為60 mm 的圓形天鵝絨布發射體,四周是聚焦電極。陽極頭由不鏽鋼製成,中心有直徑為70 mm 的圓孔,此孔用中心部分刻成網的鎢膜遮蔽,鎢網直徑為40 mm。緊貼鎢網後面的是一個孔徑為4 0 mm 的鋁準直器。軸向移動陰極桿可調節陰陽極間隙。二極體產生的電子束在長約70 cm 的過渡區內經軸向磁場調製後送到後加速部分加速,加速器出口後面是束參數測試區。

2、脈衝電源系統

感應直線加速器 感應直線加速器

該系統的作用是定時地給每個加速組元提供高功率高壓脈衝。為此,必須將220V,50 Hz的市電變成高功率高壓脈衝系列,並按要求的時間,給到每個加速組元上去。脈衝電源系統包括脈衝調製和觸發兩部分。脈衝調製部分由高壓直流電源、主Marx 發生器、脈衝形成線和它的主開關組成。觸發部分的作用是將觸發指令脈衝放大成符合要求的觸發脈衝,按預定

時間將它們分送到主Marx 發生器和主開關,實現高精度定時輸出。主Marx 發生器輸出分六路經脈衝形成線送到六個加速組元。一台大型的感應直線加速器如美國的ATA加速器長度為85 m,共有190 個加速組元,能把電子加速到50 MeV。為每個加速組元提供脈衝電壓的時間必須與電子束的位置同步,換言之,只有當電子束通過某個加速組元時,才對這個加速組元提供脈衝電壓。一旦失去同步,電子的能量就會大大降低。

3、束流輸運系統

束流輸運系統的作用是使二極體產生的電子束保質、保量地到達加速器出口。1.5 MeVLIA 束流輸運系統由七個螺線管線圈(陰極外圍的反向線圈、過渡區三個螺線管、兩個加速組元內的主聚焦線圈和輸出段螺線管)、線圈電源以及束流管道構成。

線圈的布置和束流管道的結構,束流管道內徑由陽極入口處的40 mm 逐步過渡到146 mm,全長2m 多。七個線圈中的S2 可軸向移動,束流管道軸上的軸向磁場可達0.1 T 以上,旁軸3cm以內軸向磁場是均勻的,陰極表面軸向磁場接近於零。線圈都用中空的方銅線繞制,必要時可通水冷卻。由六台8 kW,300 A 和一台14 kW, 500 A 的直流穩流電源供電,其電流穩定度和紋波都小於0.1%。單次工作時,線圈每次通電時間為5s,不加水冷線圈亦無明顯溫升。

4、束流監測系統

1.5 MeV LIA 全機裝有32 個電壓探測器,2 個電流和束流探測器。電壓探測器採用嚴格標定過的硫酸銅水阻分壓器和電容性探測器。發射電流用無感電阻測量。束流監測器實質上也是無感電阻,但要考慮束流偏軸時探測器內電流分布不均勻造成的波形畸變。所有脈衝電信號都用高速示波器記錄。

脈衝電壓到達各加速組元的時間間隔用一台32 路高精度時間間隔測量儀測量。在陰極桿尾部和加速器電子束出口處裝有電阻杯,分別測量陰極發射電流和輸出束流。電子束出口距螺線管端部25cm 處裝有束流發射度測量器。電子束打靶的X 光斑用X 光小孔照相測量。X 光照射量用氟化鋰(LiF)熱釋光劑量片測量。採用兩台450 L/s 和一台1500 L/s 渦輪分子泵使加速器工作真空度保持在(2-4)10-3Pa。

特點和套用

現今感應直線加速器不僅能加速電子,還能加速輕離子或重離子。我國1.5 MeV 感應直線加速器已達到下列性能指標:

電子束能量:1.5-1.6 MeV

脈衝流強: 2.7-3 kA

束流脈寬: 90 ns

束斑半徑:≤2 mm

束髮射度:70 cm ·mrad

感應直線加速器給出的束流功率很大,脈衝流強可達數kA,甚至50 kA,而且束流品質好。多用於粒子束聚變、射束武器、閃光X 光照相、自由電子雷射和輻照效應等研究領域。

相關詞條

熱門詞條

聯絡我們