关于加速技术和原理的发展介绍

[拼音]：jiasuqi jishu he yuanli de fazhan

[外文]：development of accelerator technique and principle

带电粒子加速自1930年前后问世以来，主要是朝更高能量的方向发展。在这个过程中，任何一种加速都经历了发生、发展和加速能力或经济效益受到限制的三个阶段。在第三个阶段中，总会出现新技术或新原理突破困难，从而建造出新类型的加速，使能最进一步提高，或使建造更高能量加速在经济上成为可行。例如，在质子加速方面：直流加速受击穿电压限制因而出现了回旋加速；回旋加速有相对论性质量增加的限制，因而出现了同步回旋加速；后者又因受到体积庞大的限制，而又出现了同步加速；在同步加速中，弱聚焦因磁铁截面过大而让位于强聚焦;常规磁铁因耗电过多而将让位于超导磁体。在电子加速方面：电子感应加速因磁铁庞大和加速能力不高而让位于电子同步加速；同步加速因辐射损失而让位于直线加速。从另一个角度看，上述所有打静止靶的加速又都存在有效碰撞能量随加速能量增长缓慢的问题，而对撞机则大大提高了有效碰撞能量。从图1中，可以清楚地看出加速和对撞机能量随年代提高的历史进程。

可以断言，任何已知的加速方法，都不能使加速向更高能量无限地推进，而新技术、新原理才是加速向更高能区、更强束流、更好性能和更低造价等方面推进的动力。

加速技术的发展

70年代发展起来的新技术主要有如下几方面：超导磁体、永磁聚焦、超导加速腔、稳定加速结构、高频四极矩、电子冷却、随机冷却、线型对撞机、加速极化束等。

1961年发现了能用于高场强的第二类超导合金材料，从而为发展现代超导磁体奠定了基础。现在绕制超导磁体，都是使用多丝复合体，按照需要的磁场空间分布安插其位置，制成磁体的绕组，1971年开始应用这种工艺，1972年又开始使用铁轭，以屏蔽散磁，并提高场强。

在加速领域中，超导磁体可分为直流磁体和脉冲磁体。前者已经用于回旋加速和高能加速的束流输运线上，比较成熟；后者在70年代主要是处于研制阶段，80年代则可说是投入建器使用阶段。

超导磁体除了可以提供超过常规磁体几倍的场强外，在节约能源上也有重大的意义。大型超导磁铁的用电量仅为等效常规磁铁的1/10。它的初始投资虽然较高，约为等效常规磁铁的 3.5倍。但超过常规磁铁的那部分投资，大约在设备运转三四年后就可以收回。超导磁体的研究方向是高工作温度和更高场强。(见第二类超导体)。

加速工作者很早就设想用永久磁铁代替电磁铁对粒子进行偏转和聚焦，以简化设备，节约能源。在质子直线加速的漂移管中，四极电磁铁的功率耗损常构成对磁场梯度的限制，使用永磁聚焦优点明显。1955年J.布鲁韦特等人曾用空心圆柱形磁性材料研制四极聚焦永久磁铁。因受材料性能的限制，当时得到的磁场梯度，还不能达到实用要求。1966年发现稀土－钴(REC)磁性材料在一定的结晶方向(易轴)可以极强地磁化，剩磁场可接近1T，这就又进一步引起对永磁聚焦研究的兴趣。70年代末期它已在美国洛斯阿拉莫斯国家研究所和新英格兰核子公司 (NEN)的直线加速中得到应用。另外还考虑将它使用到束流输运系统中。

图2给出一个由16块5种易轴方向的REC组成的四极永磁的结构示意图。这类REC四极矩在极面场强为1T时，外径只是7cm左右。这种结构用于质子直线加速的漂移管中，漂移管外径可比使用常规电磁铁时缩小一半以上，从而提高了腔体的并联阻抗，降低了对漂移管长度公差的要求，永久磁铁既不耗电，又无冷却问题，而对小孔径四极矩而言，还可以提供高于任何其他方法产生的磁场梯度。永磁聚焦的主要缺点是费用很大。

使用超导体制造高频加速腔，可以极大程度（5～6个数量级）地减少建立一定电场所需的高频功率。这样不但降低了设备的运行费用，还可以使原来由于高频功耗过大而必须以脉冲形式工作的加速能够连续工作。

根据超导理论，超导高频腔的交流耗损应随温度而呈指数下降。实验结果在1.5K以上与理论相符，但在1.5K以下，则存在一常值的剩余电阻，如图3所示，这个现象尚无确切的理论解释。表面状态可能是产生剩余电阻的重要因素，因而又称之为表面电阻。

剩余电阻的存在说明在深度低温下超导腔的品质因数Q将趋于一个定值（一般在1010～1011）。根据电磁场理论，对加速腔所用的TM模式而言，腔内表面的峰值电场E（以MV/m为单位）和峰值磁场 H（以T为单位）的表示式为

E＝2.30f(PQ×10-3)┩，

H＝3.75f(PQ×10-8)┩，

式中f是工作效率，以GHz为单位;P是高频激励功率，以MW为单位。由式可见，只需很小的功率即可在腔内建立很强的电磁场。不过，在实际情况下，当电场或磁场增加到一定程度，就会引起磁破坏或电破坏，破坏了腔的超导态，限制电磁场的进一步提高。

用高频场加速带电粒子的最简单的结构是单个的驻波谐振腔，但需要很大的能量增益时，就要使用由多个加速腔组成的腔列。这种结构已用于直线加速和某些同步加速、对撞机中。腔列有行波和驻波两种工作方式：后者在π模（两相邻腔相位差为π）工作时将高频功率转化为加速电场的能力最大（即有效并联阻抗最高）。不过，由于π模附近模式间隔很小，群速很低，因此使用π模时有对尺寸公差要求很高和对束流负载敏感的缺点，故称为不稳定的模式。π/2模的模式间隔和群速都大，可以克服 π模的上述缺点，是稳定的模式。但是在由同一种加速腔组成的腔列中，π/2模每隔一腔才有加速场存在，故加速效率较低。为了既保持π模的高加速效率，又兼有π/2模的稳定性，70年代研究成功并普遍采用了双周期稳定加速结构。它破坏了单周期腔列的几何周期性，而保持了电的周期性。这种驻波双周期加速结构，在质子直线加速上表现为杆耦合和边耦合腔；在电子直线加速上表现为边耦合和环耦合腔；在超导电子直线加速上表现为双周期盘荷波导。一种双周期结构的变种已做到40MV/m的梯度，这是当前梯度最高的加速结构。

粒子运动速度与光速之比 β＜0.04时，质子直线加速常用的阿耳瓦雷茨结构受到了聚焦透镜梯度、束流孔径、渡越时间因子等的限制。为突破这些限制，以便加速并聚焦注入能量很低的粒子，研究成功了高频四极矩(RFQ)。

为了产生高频四极矩电场，可在四条沿一圆周放置并相隔90°的导体上，依次激发正负极性，使得在垂直导体的平面内出现四极矩场。如果在纵向对导体的几何形状作适当的周期性调制（改变尺寸），系统中就会出现纵向电场，也就有可能同时对粒子加速和聚焦。图4给出一种RFQ的结构示意图。

RFQ不是利用磁场聚焦，故对低能粒子聚焦十分有效，束流焦点很小，纵向群聚性能也十分优越，可俘获注入粒子总数的90％。它的加速效率不比其他结构逊色，而制造工艺则较为简单。

“冷却”是指对储存环中的某些重离子回旋束流（如质子、反质子等，以下简称质子）的热骚动(横向的自由振荡和纵向的动量分散)加以阻尼。电子冷却是利用能散很小的与质子束平行运动的电子束，通过库仑作用“冷却”质子束。这相当于两种起始温度不同的全电离等离子体的热弛豫过程。当电子平均速度与质子平均速度近似相等时（如质子热运动温度较高，电子热运动温度较低），质子会把热运动能量逐步转移给电子，达到能量均分，使两者温度相等。由理论分析可知，为了快速冷却，应该在质子能量较小的情况下进行电子冷却。

具体装置是在储存环的一段内，使质子束与电子束（由电子q产生经螺旋管节磁场偏转而出作用区）相混，共同运动一段距离。电子q的电压应调节到使电子与质子的运动速度相等。图5给出了电子冷却装置的示意图。

当质子或反质子束沿储存环闭合轨道附近运动时，在任一时刻切开束流，截面上都有一横向密度分布。如果使用感应电极提取横向分布质心位置的信号，并将此信号放大，而后加在位于下游的冲击电极上，产生校正作用力，使大多数粒子（即密度分布）的“质心”向闭轨移动，经过多次校正，即可将粒子横向振荡振幅减小。同样，如果使用感应电极提取纵向密度分布的信号，将信号放大后加在一个谐振腔的间隙上，产生加速或减速作用来代替横向校正力，经过反复作用，也可使粒子束的能散度得到改善。随机冷却装置的具体安排，如图6所示。

从理论分析得知，为了得到快速冷却，在保证电子学系统性能的限制下，对被冷却粒子数目不是很大的情况，随机冷却是更为适用的。实验证明，随机冷却可在三维同时生效，束流截面和动量分散都可得到改进。

由于冷却技术的出现，已经可以获取高密度的反质子束。这样，质子－反质子对撞机的亮度就能达到可用的程度。目前，欧洲核子中心和美国费密国家加速实验室都正在大力推进这种对撞机的建造。冷却的方案很可能同时采用电子冷却和随机冷却，以便互相补充，相得益彰。

环型对撞机的造价随能量上升很快增加，因此有人提出了使用直线加速产生的束流直接对撞的线型对撞机的概念。

高能的线型对撞机每单位能量的造价比较低，图7示意地给出环型与线型对撞机的造价与能量的关系。图中曲线表示环型对撞机的造价随能量二次方增长，而线型对撞机的造价随能量线性增长，因此，两曲线将在某一能量交叉。在此能量之上，线型对撞机将较为经济。这启示了向更高碰撞能量发展的途径。

在环型对撞机中，粒子束彼此多次重复碰撞；而在线型对撞机中，粒子束只能对撞一次。这样，关键的问题是后者能够有多大的亮度。分析结果表明，线型对撞机的亮度可以做到与环型对撞机的相近。

极化粒子的自旋方向如与所处的磁场的方向不同，则当自旋进动频率与磁场扰动力的频率有谐波关系时，就会产生共振，导致去极化，称为去极化共振。加速极化束的主要问题，就是在加速过程中如何通过去极化共振而保持束流原来的极化状态。

加速磁场对自旋作用有两种方式。一种是在假定为理想的加速磁场中的固有共振。在强聚焦加速中四极矩对作垂直自由振荡的粒子产生水平的去极化磁场，粒子受到的水平场频率为kp±v，k为整数（0，±1，±2，…)，p为加速超周期数，v为垂直自由振荡频率与粒子回旋频率之比。此外，自旋进动频率为γG，γ为粒子总能量与静止能量之比，G对质子言是1.793。当上面两个频率相等时，即得固有共振的条件是

另一种是由于实际加速不是理想的，而产生的频率为n（整数）的水平不完善磁场，n与自旋进动频率相等时，γG＝n产生不完善共振，相对而言，这种共振是比较次要的。

在固定的聚焦结构和束流发射度下，以上两种共振，都可用一个激发强度参数ε表征，设通过共振的前、后束流极化率分别为P0和P，并以α表示与通过共振的速率有关的参数，则由理论分析可得

由此可见，|ε|2/α愈小愈为有利。ε与闭轨畸变有关，因此，加速极化束对闭轨有较高的要求。另外，α的存在说明通过共振的速度愈大愈好。这就是使用γ跳跃技术的道理。

加速原理的发展

迄今为止，自然界的四种作用力（强作用、电磁作用、弱作用和引力作用）中，只有电磁作用可用于加速粒子。因此，新的加速原理都着眼于更强的电磁场的获得和应用。表中给出各种电磁场的强度的量级，这对探讨新的加速途径是有参考意义的。

上表说明：点阵场最强，但它是静止的，不适于供加速粒子之用，最近正在研究用它来偏转高能粒子。高频加速场是当前高能加速中使用的场。集团场和激光场的场强都较高频场大得多，因此，新加速原理的探讨集中在集团加速和激光加速这两个方面。

一般加速中的带电粒子都是在墷×B＝0、墷·E＝0的空间运动，由外界电场加速，外界磁场偏转和聚焦。这样，加速作用就会受到金属电极表面击穿场强的限制，偏转和聚焦作用就会受到铁磁材料饱和及超导磁体临界电流的限制。集团加速完全摆脱了这些限制。使单粒子与一个包含许多粒子组成的“集团”发生多次d性碰撞，最后单粒子的平均能量就可能接近多粒子系统所具有的庞大能量，也就是得到了很大的加速。

实现集团加速的具体方法是使用数目很大的电子的集团自场来加速少数的离子。最初的概念是在50年代初期由H.阿尔文等人提出，后经Β.И.韦克斯勒等人发展。迄今已经提出了几十种集团加速方案。但主要研究工作是在两个方面展开。一是在电子圈中俘获并加速离子数方案，即所谓电子圈加速(ERA)；另一是各式各样的在强流线型电子束中俘获并加速离子的方案。

以上两种方案，都要使用强流相对论性电子束(IREB)提供集团场。IREB是由脉冲倍压发生器、传输线和二极管组成的能量为兆电子伏量级的加速产生的。流强为1kA～1mA，脉冲宽度为10～100ns，束径为1～10cm，束流能量为101～106J，电子数密度一般可达1011～1013cm-3。

（1）电子圈加速(ERA)。它的工作原理如图8所示。由图可见，首先将未中和的IREB注入到一个有轻度聚焦作用的纵向磁场中形成电子圈。尔后，磁场强度随时间上升，以便使圈的长、短半径都得到压缩，并将圈中的电子能量进一步提高。此时，由于电子与剩余气体分子碰撞，产生了大量离子，这些离子被圈中的势垒所俘获，一方面中和了电子的空间电荷力，使圈保持形状；另一方面也提供了被加速的离子。

然后就需要将电子圈和它俘获的离子同时加速。加速有两种方式，一是使用加速腔产出沿磁力线方向的电场，一是使用沿纵向距离逐渐减弱的磁场径向分量的洛伦兹力。显然，能够以多大的加速率进行加速，受到由最大电场决定的使离子保持在电子圈内的保持能力所限制，当前研究工作的主要方向就是提高保持能力。

（2）线型束加速。1968年美国研究工作者发现将IREB注入到中性气体中。即可得到能量大于电子束能量的离子团。这显然是由于电子集团场产生的自然加速现象，它的机制和潜力，当即引起人们的注意和兴趣。目前已经了解到线型IREB可以有下列几种加速离子的机制，即空间电荷场、感应场、线性波和非线性波、随机加速、碰撞和拖动加速等。其中空间电荷场和线性波两种是已知的可按比例推算的机制。

空间电荷场加速是利用IREB通过不同程度的电离区使束流中出现不同程度的中和，由此产生极强的轴向电场1～100MV/m供加速离子之用。一个典型的实验结果是：使用能量为1MeV、流强为30kA的IREB注入到气压为0.1～0.3Torr的氢气中，可产生的加速离子的能量为3～5MeV、流强为100～200A、 脉冲宽度为3～5ns。1979年已能将质子加速到IREB能量的10倍。一般认为如果质子能量能再提高一个量级，则这种结构简单，离子流很强的加速，将可应用于实际。

线性波加速是利用IREB体系中可能存在的具有轴向电场的不稳定性（线性波动），控制波动的相速沿轴增加，并使其俘获离子，以达加速的目的。这种波动的模式必须是负能量波，即束流能量可以转换为波动振幅的增长，这样，在加速过程中，轴向电场不但不会衰减，反而会增强。一种使用负能量回旋波，并以纵向磁场控制相速的线性波加速装置名为自共振加速(ARA)。图9表示这种加速的工作原理。

由于自共振加速结构比较简单，加速效率大而流强高，可能提供高能强流质子束，有多种可能的用途（如束流武器等）。故最近颇引人注意。但关键问题是这种加速必须在单一波动模式下工作，而其他模式是很难避免激发的。因此，它能否成功地加速离子，尚有待实践的证明。

现代大功率激光具有极强的电场。这个特点一直吸引着科学工作者考虑使用它来加速带电粒子，并提出了各种设想。大致可分为两类：一是激光在气体中或等离子体中传播并加速粒子；另一是在真空中传播并加速粒子。前者可以说是集团加速的一种形式，下面只讨论后一种。

激光是电磁波，它的电场矢量与光的传播方向垂直。这样的场如何能与速度小于光速的带电粒子连续地、同步地发生作用，是研究激光加速的关键问题，目前提出的有下列三种方案。

（1）慢电磁波。电场和传播方向都与带电粒子运动方向相同的相对相速βw≤1的电磁波，可存在于某种结构的附近。这种结构可以是利用内部全反射产生表面衰减波的介质；也可以是具有无穷多的空间谐波的周期加载结构。理论分析表明：这种结构提供的慢电磁波（加速场）只能存在于结构表面附近，一般说来在与表面距离为波长的量级时，加速场强即衰减为表面值的e-1。因此，加速粒子必须沿结构表面运动，这样加速的接收度就变得很小。另一方面最高场强在结构表面。因此，可用于加速的场强就受到结构的击穿的限制，不能很大。这两方面是慢电磁波方案的根本弱点。

（2）快电磁波移相。为了摆脱慢电磁波方案中结构的限制，提出了图10所示的安排。激光从各个方向以与粒子运动轴线成θ的角度射入，在轴线上合成加速场Ez。由于圆柱波导的几何聚焦作用，场强随离轴距离增大而减小，轴线场强Ez就可以远比波导材料所能承受的场强E0为高。

不过，快电磁波相对相速βw＞1，而带电粒子相对相速βe＜1，在两者共同向前运动时，粒子相对于波的相位必将逐渐滑动，脱离稳定加速区，不可能得到持续的加速。但是，在粒子每次滑出稳定加速区之前，如果能周期地将入射激光的初相位加以调整，即相对于加速粒子移动加速场的相位，使粒子永远能处于稳定加速区，则快波滑相的问题就可能得到解决。

有人认为快波经过周期性调相，即等效于一系列的空间谐波行波分量，而其中只有与粒子运动速度同步的行波项（慢波）能和粒子有能量交换。因此，本质上这种波还是具有表面波的特征；加速管壁不能离轴线很远，可用场强仍将受到管壁材料击穿的限制。

（3）参量放大作用。在图11中设沿z轴运动的电子束通过一横向波长为 λm的交替磁场区By，则电子将在xz平面以vz/λm的频率振动。设同时还有波长为 λw、频率为c／λw的平面偏振光沿z轴传播。如光波电场矢量Ex阻尼电子的振荡，则电子将能量转给激光，使它得到放大。可以证明，为了得到持续的能量转化，要求在电子振动一个周期λm/vg的时间，光波传播距离为λm+λw。这就叫做共振条件。

反过来说，如果相位关系是光波电场矢量Ex与电子的横向运动速度同向，则光波将使电子横向运动速度vx增加，而同时电子也将受到纵向作用力evxBy，即得到与激光传播方向同向的加速。这就是简化了的参量放大加速原理。这种加速机制没有束流必须靠近加速管壁的限制，接收度可以很大；激光场强也不受管壁材料击穿的限制。不过，纵向加速只是横向激光场的二级效应，加速效率显然很低，这就丧失了激光加速的主要优越性。

总括说来，激光加速的巨大潜力是十分吸引人的，但要实现加速，必须设法克服接收度小、材料击穿和大量的具体技术问题。