電子直線加速器

帶電粒子直線加速器是伴隨着核科學以及微波高哦拼技術的發展而發展的，1932年Cockcroft 和 Walton研製成功700kV高壓倍加器，開用400keV的質子加速器實現了世界上第一個人工核反應，他們也因此成功於1951年獲得物理學諾貝爾獎 ^[2]  。

這一核反應實現後，核物理學家對帶電粒子加速器產生了濃厚的興趣並提出了更高的要求，這推動了加速器的發展，誕生了迴旋加速器（cyclotron）等類型的加速器。但人們企圖進一步提高迴旋加速器的能量時遇到了很大的困難。

為克服迴旋加速器的限制，沿直線軌道利用交變電場加速帶電粒子的方案（即直線加速器的方案）被提出 ^[2]  。

第一個高頻直線加速器的概念是瑞典的Ising在1924年提出來的，他建議利用火花隙振盪器和傳輸線將射頻場加到加速電極上，這個建議在當時並未付諸實施。

第一個運行的這類加速器是德國的Wideroe於1928年報道的，該裝置由三個圓簡電極組成，高頻電場加在三個電極的兩個間隙上。之後，美國加州大學伯克利分校的一個學生Sloan提出將Wideroe的方案擴展到10個電極和更多電極，並在1931年和Lawrence一起把汞離子加速到1.25MeV，1934年加速到2.85MeV。

這樣低的重離子能量是不大可能引起核反應的，而當時的高頻功率源水平還不能支持這類加速器進一步提高能量，因此該類加速器沒有被髮展起來。

不管怎樣，直線加速器的原理已被證實，只要有適當的功率源可用，直線加速器必將成為加速器中的重要成員 ^[2]  。

微波功率源是電子直線加速器得以建造成功的關鍵。英國在第二次世界大戰期間用於雷達的兆瓦級磁控管已研製成功，因此英國物理學家得天獨厚地擁有10cm波長的功率源，英國原子能研究所建造了世界上第一台電子直線加速器，其長度為40cm，槍電壓為45kV，以1MW、3000MHz的磁控管作為功率源，得到36mA、0.54MeV的電子束。1948年他們建立了反饋式行波電子直線加速器，以1.4MW的功率，得到4.5MeV的電子束。

在第二次世界大戰末期，斯坦福大學的Hashen同Ginzton和 Woodyard審視了過去有關直線加速器可行性的結論，他們意識到戰爭期間研發的磁控管可以用來建造幾個兆電子伏特的電子直線加速器。此後他們陸續建成了Mark Ⅰ、Mark Ⅱ、Mark Ⅲ。

20世紀50年代不少國家開始了電子直線加速器的設計和建造，包括法國和巴黎。

60年代中期，醫用電子直線加速器已在醫院應用，為減少加速器尺寸，開始研製駐波結構電子直線加速器。

80年代，自由電子激光及正負電子對撞機的不同方案問世，其關鍵技術就是高性能電子直線加速器，因此更高頻段的直線加速器，高流強﹑低發射度、低能散的加速器得到發展並已取得不少成果。

隨着超導技術的發展，超導直線加速器也問世了，近幾年（截止2013年）能量回收直線加速器方案已在預研中，並在美國Jefferson實驗室研究成功。

近幾年（截止2013年）用於產生太赫茲（THz）輻射的FEL計劃不斷問世。

電子直線加速器基本結構：電子直線加速器可根據輻照工藝的要求作成立式或卧式。

加速器電子槍工作在脈衝狀態，根據需要設計注入加速管的電子束能量、脈衝流強、束流直徑和發散角等。一般採用皮爾斯型電子槍，並採用在較低温度下電子發射電流密度較大的六硼化鑭作陰極材料。加速管由聚束段和加速段兩部分組成。加速管採用恆温水冷卻措施，使温度變化不大於1度，以確保電子束運行參數穩定。聚焦線圈根據理論計算中的束包絡聚焦要求設置。微波功率源，可以採用磁控管或速調管，根據需要，對電子進行加速，提供能量。磁控管或速調管所需的脈衝高壓由脈衝調製器供給。脈衝調製器一般採用軟管線性脈衝調製器，由直流高壓電源向充電變壓器、脈衝形成線的電容器進行諧振充電。高功率脈衝閘流管為放電開關，脈衝形成線經閘流管、脈衝變壓器初級繞組組成放電迴路，在脈衝變壓器初級形成高壓，在變壓器次級輸出脈衝電高壓。在電壓穩定度要求較高時，調製器需採用脈衝電壓穩定裝置。磁控管或速調管輸出的微波功率經波導、定向耦合器、環流器等組成的微波傳輸系統，通過陶瓷窗進入加速管，對於系統中的剩餘功率，由另配的吸收負載所吸收。

電子直線加速器的最高電子能量已超過幾萬MeV，但由於工業輻射安全的限制，工業輻照電子直線加速器的最高能量定為10MeV。此外，直線加速器的注入和引出效率都很高；束流強度取決於注入器的入射強度和高頻電源的荷載能力。一般受高頻源的制約只能脈衝工作，脈衝電流可達幾百mA，平均流強為1mA至十幾mA，即束流功率為1kW到十幾kW。

因電子束在電子直線加速器中是沿直線運動的，無同步輻射損失，所以被加速的電子束的能量不受原理性的限制，可以獲得很高的能量，是建立超高能正負電子加速器（正負電子對撞機）的首選方案。 ^[1]