[科普中國]-重離子直線加速器

簡介

重離子加速器的加速原理和結(jié)構(gòu)基本上與質(zhì)子加速器相同。但是，對于加速器來說，重離子與質(zhì)子等輕離子的最大差別是它們的荷質(zhì)比(Q/A)不同，這里Q是離子的電荷態(tài)，A是它的原子質(zhì)量數(shù)。一般，重離子的荷質(zhì)比遠小于1(質(zhì)子的荷質(zhì)比=1)。

重離子直線加速器是獲得具有增加的電荷質(zhì)量比的元素的高能粒子的方法和裝置。 包括以下步驟：將元素的原子電離，將所得離子加速至基本上等于每個核子1Mev的能量，使離子通過橫向于該路徑設(shè)置的元素蒸汽簾幕，從加速離子中剝離軌道電子的離子以提供第二電荷質(zhì)量比，并且最終將得到的剝離離子加速至每個核子至少10Mev的最終能量3。

直線諧振式加速器重離子直線加速器是直線諧振式加速器的一種。

這類加速器中，粒子的運動和加速電壓隨時間的變化必須保持一定的諧振加速關(guān)系 (或叫同步加速關(guān)系)，因而這類加速方法叫諧振加速方法或同步加速方法。采用諧振加速方法的加速器叫諧振加速器。其中粒子運動軌道為直線的，叫直線諧振式加速器；粒子運動軌道為圓弧的，叫回旋諧振式加速器。直線諧振式加速器按所采用的電磁場型式可以分成兩種。一種是利用諧振腔中的駐波電磁場來加速的，通常采用帶漂移管的諧振腔或螺旋線諧振腔加速結(jié)構(gòu)，它既可以加速離子，也能用來加速電子。另外一種是利用波導(dǎo)中的行波電磁場來加速粒子的，采用所謂金屬盤荷波導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)，主要用來加速電子。

直線諧振式加速器有許多獨特的優(yōu)點。在加速過程中帶電粒子基本上沿直線軌道運動，所以粒子的注入和引出都比較容易，傳輸效率高，加速粒子的束流強度高、品質(zhì)好。在直流高壓式加速器中，粒子的最終能量由加速器最高加速電壓決定。而在直線諧振式加速器里，粒子的最終能量并不由高頻加速電壓決定，可以根據(jù)需要，通過逐節(jié)加長加速器的長度提高它的最終能量。這樣利用較低的加速電壓便能把粒子加速到極高能量，且靈活性也比較大。特別是加速電子時，因輻射損失小，成為目前把電子加速到高能的最合適的加速器類型。直線加速器的不足之處是高頻運行功率消耗大，設(shè)備投資及維護費用比其他類型的加速器高。一些近代的直線加速器，采用超導(dǎo)等新技術(shù)已使運轉(zhuǎn)費用大大降低1。

世界上第一臺重離子直線加速器從1974年起，花了20多億日元的科研用重離子直線加速器，已于1980年3月在日本理化研究所落成，并于4月初投入試運行，已獲得成功。

這臺加速器可加速比氖重的所有重離子。調(diào)頻范圍在17至45兆赫之間。這臺調(diào)頻重離子直線加速器，在日本屬首創(chuàng)，在世界上也是第一臺。這臺加速器不僅可用于研究原子物理，而且重離子照射治癌和雜質(zhì)微量分析等方面的研究，也是一種有用的工具4。

不同類型重離子加速器比較在各類重離子加速器中，靜電加速器的特點是直流工作，能提供斑點小，能量精度高的各種重離子束流。
直線加速器束流強度大，粒子種類很少限制，因此第一臺能加速周期表上全部元素的離子的全離子加速器就是直線型的加速器，這類加速器也是高能重離子裝置中主加速器──同步加速器的理想的注入器。但離子在加速器的加速結(jié)構(gòu)中只能一次加速，不能反復(fù)加速，電效率較低。目前，很多實驗室正致力于更有效的直線加速器的研究。在高頻功率方面，回旋加速器是很經(jīng)濟的，因為離子只需反復(fù)通過同一加速結(jié)構(gòu)就能不斷地增加能量，它的最大費用是由磁鐵的尺寸決定。當要求離子能量高，種類和能量可變時，由于相對論質(zhì)量增加所引起的磁場變化就需要相當精湛的磁場成形技術(shù)。
同步加速器在高頻和磁鐵建造方面是比較經(jīng)濟的。是獲得高能重離子的理想的加速器。
超導(dǎo)加速器用作重離子加速器，由于它在經(jīng)濟上和技術(shù)上的巨大優(yōu)越性，近年來得到廣泛的重視。它可以在很低的微波功率下產(chǎn)生高加速電場，或者在很低的激磁功率下產(chǎn)生高的約束磁場。這些都將減小加速器尺寸，降低功率消耗和運行費用，是一種很有前途的重離子加速器。

現(xiàn)在世界上多數(shù)新建和改建的重離子加速器是等時性回旋加速器（即扇形聚焦回旋加速器）。其次是串列靜電加速器。為了得到較高能量，很多新建的裝置采用兩臺或兩臺以上加速器串聯(lián)起來。構(gòu)成重離子加速器系統(tǒng)，一些是串列靜電加速器注入到回旋加速器或直線加速器，另一些是兩臺回旋加速器串聯(lián)。