超導加速器
正文
用超導性的加速腔或超導性的主磁體建成的加速器。如超導直線加速器、超導回旋加速器、超導同步加速器等。這是20世紀60年代以來隨著超導技術的發展逐漸成熟起來的一類有前途的新型加速器。利用超導加速腔可以在很小的微波功率下產生很強的加速電場；利用超導磁體（見第二類超導體）則可以在很小的激磁功率下產生強大的約束磁場,二者都可大大縮減加速器的尺寸,降低加速器的功率消耗，使超導加速器在經濟上和技術上具有巨大的優越性。超導直線加速器的加速腔大都用表面覆有氧化保護層的純鈮材料製成,也有的用塗鉛的銅質腔體製成,它們安裝在由液氮和液氦逐級冷卻的低溫罐中。工作時，腔體冷卻至4.2K,進入超導狀態，同時腔內抽氣，達到10-8Torr(1Torr＝133.332Pa)的高真空。在此條件下,腔的品質因數高達108～109，只要用幾瓦的射頻功率便可建立2～4MV/m的加速電場,儘管超導腔的材料比較貴,工藝技術也比常溫加速腔複雜，還要附加各項低溫設備等，但因總的尺寸減小，電效率提高，加速器的總固定投資據估計仍同室溫下的普通直線加速器相當，而其運行費用則僅為後者的三分之一至四分之一。此外，超導直線加速器是在連續狀態下工作的，其束流品質優於通常在脈衝狀態下工作的常溫直線加速器。
典型的超導直線加速器如美國史丹福大學的電子直線加速器，它的加速場強為3.8MV/m,加速電子到6.6MeV，流強50µA，腔的功率損耗為4W。又如聯邦德國卡爾斯魯厄核研究中心的超導螺鏇波導質子直線加速器，它的平均加速電場約2.3MV/m，流強100µA，腔耗不到5W。美國阿貢國家實驗室的分離環型超導重離子直線加速器是規模較大的一台超導加速器，它由24個超導加速腔節組成，加速場強3MV/m，總的加速電壓達25MV左右,可加速質量由7Li到64Ni的各種重離子分別至每核子6～15MeV,射頻設備總功率為2.8kW。
超導回旋加速器採用超導體作主磁鐵的激磁繞組，這樣的繞組不但功率消耗小，而且產生的磁場可高達5T，比普通的回旋加速器上的磁場高出3倍,這就使超導回旋加速器的尺寸減為常溫型的三分之一。據此，超導回旋加速器的投資為能量相應的常溫型等時性回旋加速器的二分之一，分離扇回旋加速器的三分之一左右。
超導回旋加速器的主繞組用鈮鈦和銅的合金材料製成，繞組沿徑向各層間開有槽路，以使液氦流經導體表面，將其冷卻。整個激磁繞組包容在一個大的磁軛之內，軛上開有一些孔道以備註入，引出束流或插入磁場調節棒和探測靶等之用。工作時,除超導繞組之外,加速器的其他部件仍處於室溫狀態。超導繞組的工作溫度約4.2K，繞組導體中的電流高達34000A；上下繞組間的磁作用力約高達106kgf，可見超導激磁繞組必須有很好的熱絕緣性能和機械強度。
高能的超導同步加速器需用能夠產生脈衝磁場的超導磁體。這種磁體的繞組採用由多股直徑為7～35µm的鈮鈦合金絲絞合成的導線製作，在低溫下，繞組產生的脈衝磁場峰值可達 4～6T（美國布魯克黑文國家實驗室達到5.35T）。上升時間約數秒至數十秒,對於孔徑8～10cm的脈衝超導磁體，其功率消耗約為1.5W/m。近來美國費密國家實驗室用了一千多個超導磁體建成了當今世界上能量最高的1000GeV的質子同步加速器。
