直线加速器物理-Pa
直线加速器物理-Part2
Ez
是粒子在z处的时间， t=0的粒子初始位置可 以是间隙中的任意位 2 置，相应的相位为。
0
2
z
选择
E z 0 z
的位置作为粒子的起始位置，
即令间隙的电中心处 z = 0。
假设初始束流为连续束流，能量为W0，速度为0，在 经过聚束器后束流的能量被调制，能量增益为：
T
Lb / 2
Lb / 2
E (0, z ) cost ( z )dz
Lb / 2 Lb / 2
E (0, z )dz
把电场改写成sin形式，则经过聚束器后相位为的粒 子与相位为0的粒子相比，速度的变化为
W 0 3 m0c 2 0 0
qE0TLb max 2 3 m0c 0 0
A kV V A V s Hz
Triode 2 ~120 6.4 5.5 50 500 3.0 625
能量回收型直线加速器（ERL） 对电子枪的要求： （1）高平均电流 在俄罗斯的低频常温装置BINP上，得到20mA的电子束流，在美国 JLAB的1.3GHz光阴极、超导ERL设备上已经得到9.1mA的束流。高 平均电流，就要求加速器必须工作在CW（Continuous Wave）模式， 或者长脉冲模式。100mA的平均流强成为当前研制ERL的目标。 （2）短脉冲、低发射度的电子枪 与储存环同步辐射光源相比，ERL能够产生高品质的电子束流，即脉 冲长度短至ps、亚ps量级，归一化发射度可小于2 mmmrad。现在已 经运行的BINP－ERL装置和JAERI－ERL装置采用的是热阴极直流高 压枪，束流发射度在30 mmmrad左右，JLAB－ERL装置采用的光阴 极高压直流注入系统，束流品质得到极大提高，束流发射度减小到10 mmmrad以下。正在设计中的ERL装置，束流发射度的设计目标均在 1 mmmrad左右。 ERL: Energy Recovery Linac
加速器原理-第6章
（3）加速腔 这是直线加速器的主体， 它将由高频功率源输入的能 量有效地转换成适宜于离子 加速的高额电场。根据加速离子的种类、能量范围等 的不同要求，发展了各种适用的加速器。 加速腔腔筒通常由低碳钢或不锈钢的钢—铜复合 板做成，也可通过在钢板内壁上镀以较其趋肤深度厚 得多的紫铜，以减少高频功率的损耗。腔筒及加速结 构均用水冷却。腔筒又是一个真空容器，它使加速结 构及离子束都处在高真空中。加速腔中还有频率调谐 装置、高频功率馈送装置及高频信号提取等装置。
mc
2
m0 c
而粒子运动速率的变化规律为
vs c c 1 ( 0 ) 2
1
2
0
1 2
1/ 2
随着能量的增加vs逐步趋于光速。
0 2 c 1 ( ) 0 W
1/ 2
为了实现行波电场对粒子的同步加速，就要求行 波的轴向行进速度vz随时与被加速的同步粒子速度vs保 持相等。即
要将微波功率传输到加速波导还要求有微波传输系 统。它包括隔离器、精合器、真空窗、吸收负载等微波 元件。这些部件应能承受额定功和驻波比小。 （5）真空系统 它一般由钛离子泵机组及真空检测、控制等装置组 成。以建立和维持加速波导、束流输运管道及部件中的 高真空，加速波导中真空度一般应忧于1.3×10-3Pa～ 6.7×10-5Pa 。 （6）聚焦系统 它包括建立纵向磁场的螺线管、磁四极透镜组，及 其电源与稳定、调节系统，以提供电子束所需的横向聚 焦。
（8）束流检测系统 它安装在束流输运管道各处，以测员束流的流强、 剖面、发射度、能散等。为调机和保证加速器的正确工 作状态提队根据。 （9）控制系统 它管理和控制加速器运行的各个步骤及保护装置， 并对以上加速器的各系统参量进行监测、显示及调整。 控制系统的中枢是控制台，大多是计算机化的系统。 （10）束流输出系统 它的任务是将从加速腔出来的束流输运到实验工作 区。主要由输运管道，偏转、分析磁铁、开关磁铁及聚 焦、束测部件组成。
第十讲直线加速器
L/ 4 Ezmdz
L
/4
cosd
/4
L/2
L/4
2 sin /4
/ 4
L
0.9
相运动特点
Ea
eVa cos eVs s
s
T Ts
横向散焦问题： 当非同步粒子加速相位（速度相位）为负时，即它们 进入加速电场时，受时间散焦区的影响，产生横向散 焦作用
解决方法： 1 阿尔法瑞兹法，用钨网膜放置于漂移管入口，改变 电场分布，有利于聚焦； 2 漂移管中放置四极透镜
能量调频方式
盘荷尺寸(a和b)虽然一般固定不变，但当增 大微波频率时，对该盘荷来说，皱褶深度相 对增大，导致相速度减小。故一般采用微波 调频的方式来改变相速度，从而调节最终粒 子加速能量
相运动特点
Ea
rf ,t
eVa cos eVs s
s
T Ts
Ea
z
s
s
非同步粒子能自动稳相之条件：
rf ,z s
对于光滑波导，满足
rf ,z
c
cos
p rf ,z c
c 1 ( kc )2
k
为了慢波以加速电子，则有
p rf ,z
c c 1 ( kc )2
k
kc为虚数，令kc＝iKc
Ez Ez0 J0 (iKcr) cos(rf t kz z)
零阶虚贝赛尔函数
2.28
1
1.266
J0 ( x)
fc 2 k 2 b
c
2
2.405 b
fc
c
g
慢波原理
如输电线路过长，可将线路视为负载。 如50Hz交流电的波长达6000km
线间距
线半径
直线加速器物理Part(精品)
力学行为。以这三个广义坐标和三个广义动量作为坐标轴，且相 互垂直，这样构成的抽象空间称为六维束流相空间，粒子在某一 时刻的运动状态可由相空间中的一点（相点）来表示，随着时间 的推移，相点在相空间中描绘出的曲线称为相轨迹。
含有N个粒子的束流的运动状况，可由相空间中与之对应的分布 于某一区域的N个相点代表，该区域的图形称为束流相图，该区 域边界包围的体积称为束流相体积。
1
L f
L f2
L2 f2
2L L2
f
1 L f
BEPC直线加速器连接储存环的输运线公共段FODO结构 CSNS储存环连接靶站输运线的FODO结构
周期结构的稳定条件
假设一个周期的传输矩阵为M。经过n个周期的传输后，粒子的
坐标变为
xx'end
M
n
x x'
in
设V1和V2是M的本征向量，1和2为相应的本征值，则
Bn
cos(t
2n
Lc
z
0 )
上式表示Ez场由一系列波数和相速各不相同的空间谐波分量组成，波
数和相速分别为
kn
2n
Lc
v pn
kn
取出谐波数n＝1的空间谐波，相速Vp1与粒子速度相同，
Ez (0, z,t)
B1 cos(t
2
Lc
z 0)
（d）
对于0模、基波加速情况，相速vp1与粒子速度v同步，忽略在一 个周期中粒子速度的变化，有
dpx dz
dz dt
vz
dpx dz
vz
d( pz x') dz
vz ( pz x'' pz ' x')
直线加速器物理-Part4
因此Zeff比Zs更能表述驻波加速结构的效率。
对质子直线加速器，加速效率与加速间隙的几何尺 寸和质子速度相关，因此从低能加速到高能，需要 在不同的能量段采用不同的加速结构，以提高加速 效率。
sin(g ) T g
质子直线加速器常用的加速结构
Energy
0.045 -- 3.0 MeV 3.0 -- 100 MeV 100 -- 1000 MeV
原10MeV段 9.68 60 50-100 1,2,5,12.5 7.27 1.55-2.08 -35 ~ -30 0.6 1.13 6-8
< ±0.6%
35MeV整机 35.51 60 50-100 1,2,5,12.5 21.83 1.65-2.18 -40 ~ -25 2.8 4.89 6-8
可以得到每个模的群速：
d vg 0 dk d vg a kc Lc / 2 dk
0模和模
/2模
因此/2模的群速最大，能量传递也最快，这对于克服强流加速器中 的束流负载效应及瞬态微扰都是有利的。 /2模所有反向谐波的相速与粒子运动速度相反，对粒子的能量增益 没有贡献，全部损耗在腔壁上，分路阻抗最小，只相当于行波结构 的一半； 模处在通带的边缘，正向谐波和反向谐波的相速相同，对粒子的加 速均有贡献，与行波结构的分路阻抗相当，具有最大的分路阻抗；
• 结构紧凑、体积小、使用方便
• 正负离子均可加速，应用广泛
DESY – RFQ-1
四杆型（Four – Rod） RFQ
Four – Vane RFQ at IHEP ( 3.5 MeV )
漂移管型直线加速器（DTL－Drift Tube Linac）
束流在经过间隙时加速（Ez>0），当Ez<0时在束流进入漂移管内。周期 长度为
直线加速器原理 高中动画物理
直线加速器原理高中动画物理直线加速器是一种利用电磁场加速带电粒子的装置。
其原理是利用电场和磁场对粒子进行引导和加速，使其在直线轨道上获得高能量。
直线加速器的基本组成包括加速器腔体、高频电源、加速电极、聚束磁铁和检测装置等。
当粒子进入加速器腔体后，先通过高频电源产生的电场加速，再通过聚束磁铁的磁场进行聚束，最后在加速电极的作用下获得更高的能量。
具体而言，直线加速器的工作过程如下：1.加速器腔体：加速器腔体是一个真空密封的金属管道，用于提供稳定的工作环境。
粒子在其中运动，避免与空气分子碰撞而损失能量。
2.高频电源：高频电源主要用于产生电场，为粒子提供初始的动能。
电源产生的交变电场会使粒子在电场作用下加速。
电场的大小和方向会根据粒子的电荷性质和运动轨迹进行调整，以便精确控制粒子的加速过程。
3.加速电极：加速电极是直线加速器中的关键部分，由多个金属楔型电极组成。
当粒子通过时，电极施加的电场将加速粒子，使其获得更高的能量。
电场的强度和极性会随着粒子的位置和速度变化，以保证粒子能够稳定地在直线轨道上加速。
4.聚束磁铁：聚束磁铁主要用于控制粒子的轨道，使其保持在直线加速器的中心线上。
磁铁的磁场可以通过粒子的静电荷或者电流对其施加洛伦兹力从而改变粒子的运动轨迹。
通过合理调整磁场的强度和方向，可以实现粒子的聚束和稳定加速。
5.检测装置：检测装置用于监测粒子的能量、速度和位置等参数。
常用的检测方法包括电子学闪烁计数器、微菲涅尔荧光屏、能谱仪等。
检测装置记录和分析粒子的运动信息，以验证加速器的正常运行和精确控制。
直线加速器的加速原理可以通过牛顿力学和电磁学理论来解释。
粒子在电场和磁场的作用下受力，根据牛顿第二定律F=ma可以得出加速度与受力之间的关系。
在直线加速器中，电场和磁场的分布和强度可以通过数学方法进行优化，以达到粒子加速和聚束的目的。
直线加速器的应用十分广泛。
在科学研究领域，直线加速器可用于研究粒子物理学、原子核物理学、高能物理学等领域的问题。
直线加速器
直线加速器案例：医用直线加速器是当代医学界中的一类高精度设备,涉及机械、电子及高能物理等学科的知识,仪器的复杂程度很高.该设备是一放射治疗设备,是目前有效治疗肿瘤的手段之一,所以对设备的工作、运行条件要求很高。
相关章节：1-1 质点运动的描述；3-6 功能原理机械能守恒定律；14-3 狭义相对论的时空观；相关知识点：参考系质点；机械能守恒定律；长度的收缩；原理：（1）图为直线加速器的意图。
（2）如图所示，金属圆管为加速管（又称漂移管），总共有N+1个。
每个漂移管的长度依次递增，排列在奇数或偶数位置的漂移管分别与高频振荡器的两端相连。
带电粒子（重离子或电子）只是处在两管之间的间隙中时才受到电场的加速作用。
在漂移管中，由于为等电势区，电场强度为零，带电粒子在其中作匀速直线运动。
为使粒子在两管的间隙中能得到不断的加速，漂移管长度的设计有严格的要求。
（3）问题1：已知f为振荡频率，V n是粒子通过第n+1个漂移管的速度，则第L n+1个漂移管的长度是多少？答：L n+1=V n t=V n/2f（4）问题2：设入射离子的能量是E0,，经过n个间隙的加速后离子在第n+1个漂移管的能量是多少？（离子质量为m0，速度为V n）答：根据能量守恒定律E n=E0+neZV0=m0c2/√1-(V n/c)2（5）问题3：若该装置为初速度为0 的匀直线加速器，则漂移管之间长度之比应为多少？答：1:3:5.....(2n+1)（6）问题4：若离子的初始速率为v0，给间隙添加一个大小为U的电场，则离子进入第二个漂移管的速率是多少？答：根据能量守恒可得mv02/2=mv2/2+eUv=√v02-2qU/m（7）问题5：静止时看离子直线加速器的长为L，经直线加速器加速后的电子相对其静止的惯性系看直线加速器的总长L，是多少？答：根据洛伦兹变换式可得L，=L√1-β2。
直线加速器
Precise全数字直线加速器双模式的数字化加速器，提供宽范围的X线和电子线能量，充分满足放射治疗外照射的临床需要。
具有如下详述的特征和配置：1.0射线束能量Precise数字化加速器具有无可匹敌的多能量可定制性：2档X射线能量（4~15MV）和9档电子线能量（4~22MeV）2.0 Precise全数字直线加速器主机系统包含如下特性：独特设计的滚筒式机架直线加速器-由强劲的刚性结构带来的高度可靠性和稳定性-开放的机架结构，便于维修，需维护的重要部件均分布在易于接近的位置-最低的等中心高度（124cm），具有最优的临床可用性-最大的等中心到治疗头的净空间距离45cm高效能的行波加速管-行波加速管二十年无条件保用-允许较低的电压梯度，对行波加速管的真空要求低，使电子枪等部件可快速拆卸并易于更换大功率FasTraQ磁控管：-专门的紧凑型微波功率源，5MW功率输出，具有快速调谐的能力-快速的束流切换特性<0.1秒-提供24个月的保用期独有的滑雪式偏转系统：-完全的消色散系统，并维持射束的对称性-伺服控制的三极磁偏转系统-精确的靶点聚焦，极佳的半影可单独拆卸更换灯丝的电子枪-电子枪伺服系统反应快速，确保束流能量的精度-易于更换，维护费用低六通道开放式结构的电离室-最新型超薄壁陶瓷材料电离室-自动校正KTP（温度、湿度、气压），监测射线的剂量、对称性和平坦度-具有长期的高灵敏和高稳定性，适合精确的伺服控制射线束流-重复精度：+/-0.5%-线性精度：+/-1%-2-10MU时的线性精度对保证IMRT的放疗精度尤其重要-旋转（运动束流）投照时的稳定性：±1%-分辨率：0.1MU运动系统-用于操纵治疗头、机架及病人床的运动-手控盒可操纵加速器的所有动作-治疗头上有四个控制钮，可操纵治疗头的所有运动-治疗床两边各有一个控制板，可操纵床的所有运动-所有运动都是无线调速安全连锁系统-通过硬件限位和软件防碰撞二种方式，确保病人和操作人员的安全真空系统-维持加速管和电子枪的真空状态-在加速器中有效使用离子泵，有助于减少能源消耗，保护环境，并维持高的开机率水冷系统（内循环）-保证加速器的频率稳定，进而保证能量的稳定-用于加速器的热交换3.0 直线加速器控制系统Desktop Pro核心控制系统特点如下：-全新的第三代全集成、全数字控制系统，用于Elekta的全数字直线加速器-确保更为平顺的流程工作方式，有效地提高治疗病人的周转率-基于Windows平台的图形用户界面，易学习和使用-模块化软件结构，配置安装各种功能模块，满足不同的临床治疗模式的需要-便利的系统可升级能力。
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Unit
BEPCII
EIMAC Y796
A
10
ns
1 (FWHM)
µm
14
Gun
kV
150200
Pulse / 3μs
V/A 6 8 / 5 7.5
V
0~250
Hz
50
200 kV
HV supply
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5
电子枪出口纵向束流分布 （150 KeV）
（2）短脉冲、低发射度的电子枪
与储存环同步辐射光源相比，ERL能够产生高品质的电子束流，即脉 冲长度短至ps、亚ps量级，归一化发射度可小于2 mmmrad。现在已 经运行的BINP－ERL装置和JAERI－ERL装置采用的是热阴极直流高 压枪，束流发射度在30 mmmrad左右，JLAB－ERL装置采用的光阴 极高压直流注入系统，束流品质得到极大提高，束流发射度减小到10 mmmrad以下。正在设计中的ERL装置，束流发射度的设计目标均在 1 mmmrad左右。
结构，在枪出口直接得到几个MeV的能量。不需要聚束器，不需要加速
组元进一步提高能量。但是系统复杂，造价高。非超导的阴极材料置于
超导枪内，超导部分与非超导部分需要严格隔离，阴极材料是否对超导
腔造成污染，提高流强就需要提高馈入的激光能量，是否会引起失超等
等一直是人们担心的问题。
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12
低频率（几百MHz）的常温微波枪，与超导微波枪相比，结构相对简 单，造价低，有诸多S波段和 L波段高频微波枪运行。因为频率低，微 波周期长，驱动激光可以长达几十个ps，几十个ps的电子束团感受到 近似直流高压的加速，可以极大的减小空间电荷效应的影响。同时与 高压直流枪相比，加速场梯度大，枪后不需要加速组元进一步加速。 但是常温微波电子枪需要在连续模式下运行，腔体的散热问题和高真 空如何实现、能否保持是此类电子枪的最大问题。
2.6 电子直线加速器的预注入器
电子直线加速器应用广泛： 作为同步加速器、同步辐射光源和正负电子对撞机的注入器； 放射性治疗用加速器； 正负电子直线对撞机。 所有这些电子直线加速器在开始部分都有一段预注入器作为整个直 线加速器的起始，预注入器虽然因机器的不同而有所不同，但结构 和功能都基本相同，通常是由电子枪和聚束系统组成。
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4
E-Gun for BEPCII-Linac
(high current and small emittance )
Parameters Cathode
Beam current Pulse length Emittance (norm.)
Accelerating voltage Heater volt. /current
JLAB: Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab)
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11
超导微波电子枪以德国的Rossendorf超导微波电子枪为代表。因为腔体
置于低温环境，可以保持高真空度。枪内加速梯度峰值已经实现20MV/m，
有利于对空间电荷效应的抑制，Rossendorf超导微波电子枪采用3.5cell
Units Specifications
Triode
A
2
kV
~120
V
6.4
A
5.5
V
50 500
s
3.0
Hz
625
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9
能量回收型直线加速器（ERL） 对电子枪的要求：
（1）高平均电流
在俄罗斯的低频常温装置BINP上，得到20mA的电子束流，在美国 JLAB的1.3GHz光阴极、超导ERL设备上已经得到9.1mA的束流。高 平均电流，就要求加速器必须工作在CW（Continuous Wave）模式， 或者长脉冲模式。100mA的平均流强成为当前研制ERL的目标。
ERL: EnergP：Budker Institute of Nuclear Physics，Russia
JAERI：Japan Atomic Energy Research Institute
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10
JLAB高压直流型电子枪
高压直流型电子枪，技术相对成熟，电子枪本身结构简单，可以获得非 常好的真空，GaAs阴极在此真空环境下可以有相对较长的寿命。但是加 速梯度低（<7MV/m）、场致发射、枪内打火、隔离陶瓷击穿、离子反轰 阴极一直是高压直流型电子枪待解决的问题。同时，因为加速梯度低， 为减小空间电荷效应引起的发射度增长，枪内电子脉冲必须足够长，这 就需要在电子枪后加聚束器压缩束团，而且需要利用加速组元进一步提 高束团能量。
预注入编辑器课件示意图
1
电子枪分类： 直流电子枪，脉冲电子枪（脉冲长度从1ns到几s ） 强流电子枪（安培量级），弱流电子强（毫安量级） 传统电子枪，新型电子枪（热阴极微波电子枪，光阴极微波电子枪， 极化束电子枪等）
BEPC电子枪：峰值流强4A，脉冲宽度2.5ns，重复频率12.5Hz。 BEPCII电子枪：峰值流强10A，脉冲宽度1ns，重复频率50Hz。
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2
电子枪基本原理一般都是加热阴极，使其发射电子，然后电子 在极间高压的作用下加速，通过阳极上的小孔射出。现在一般 比较常用的常规电子枪是栅控电子枪。在离阴极很近的地方安 装一个栅极，改变栅极调制电压可以很方便的调节枪电流，从 而获得陡峭的电流脉冲。
一般要求电子枪能够提供有一定聚束的，小发射度的，大流强的 束流。可使用EGUN程序模拟计算进行设计。
强流电子枪示意图
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3
导流系数Cp：
Cp
I V 3/2
其中I是电子注电流，V是注电压。
当电极形状一定时，在一般情况下，导流系数是一个常数，与 温度无关，导流系数的大小表示电子枪发射电子的能力强弱， 也反映了电子束空间电荷效应程度以及电子枪的结构和尺寸。
单位：P（泊，朴），P
强流：Cp>0.1 P 弱流：Cp0.1 P
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6
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7
BEPCII-Linac
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8
NSC KIPT 100MeV 100kW 电子直线加速器电子枪参数
Items
Type Beam Current（max） Anode Voltage Filament Voltage Filament Current Grid Bias Bunch length Repetition Rate (max)