更新时间：2023-05-27 17:53
高频直线加速器，是用沿直线轨道分布的高频电场加速带电粒子的装置。
主要特点
束流的注入和引出很方便，束流强、传输效率高、束品质较好，可由前至后分段设计、制造和调试。由于加速器不存在偏转束的同步辐射限制，可将电子束加速到很高能量，是下一代超高能对撞机的唯一候选者（见对撞机）。为使加速器有适当的长度，轴上加速电场强度一般在5～25兆伏/米，需很大的微波功率源，因此单位束流功率所需造价和运行费较高。近期提出的超导加速器可有效地降低运行费用。
行波与驻波加速 荷电粒子在高频直线加速器中是用高频（或微波）电场的轴向分量进行加速。按采用的加速波分类，有行波与驻波两类。
前者用圆柱波导作为加速结构，在其内沿轴周期性地设置圆盘负载（图1），使波导中传播的相速小于或等于光速，以利同步地加速粒子，其加速场的模式为类–TM01，它在近轴区提供最大的轴向电场分量。后者采用圆柱形谐振腔，也沿轴周期性地设置电极（或称漂移管）负载（图2），以提高有效加速电场强度，其加速场的模式为类–TM010，同样在近轴区提供最大的轴向电场分量。衡量加速结构性能的主要参数有两类：一是与加速效率有关的参量，特别是有效分路阻抗。它表示给定高频功率损耗，结构能建立多高的加速电场。分路阻抗的高低决定于选用的频率、结构的几何尺寸与形状及相邻加速单元间高频相位的变化量（工作模式）。通常频率越高，结构尺寸越小，分路阻抗和加速效率越高。二是加速结构的稳定性，它表征由于结构的误差和邻近非加速模式对束流的影响。对驻波加速结构，实现稳定性的主要途径是采用所谓的双周期结构，即除了由负载形成的周期性加速单元外，还引进周期性的耦合单元，调节耦合单元的位置和尺寸，便可提高结构的抗干扰性。分类 按被加速粒子的种类，可分为电子、质子和重离子直线加速器。电子直线加速器 可采用行波或驻波加速粒子。
当采用行波加速时，可使结构设计成等阻抗或等梯度型。等阻抗型是一种均匀的加速结构，即结构的各尺寸沿轴不变，便于设计和制造，缺点是微波功率在结构中的损耗不均匀，对较长的直线加速器来说，沿轴的结构温控较不容易。等梯度型加速结构避免了这个缺点，代价是沿轴的结构尺寸有慢变化，使设计和制造较复杂些（图3）。质子直线加速器 质子的静止质量是电子的1 800多倍，在其很长的加速范围内，速度远小于或小于光速，因而采用驻波加速结构，以获得较高的有效分路阻抗和加速效率（图4）。质子的动能由1兆电子伏到1 000兆电子伏，其速度由光速的4.6%到87.5%。为使结构在不同能区均有较高的加速效率，需采用不同的结构。
如：①质子的动能由小于1兆伏加速到几兆伏，可采用高频四极型加速结构(RadioFrequencyQuadrupole,RFQ,图5)。在一圆柱腔的中心部位，方位角对称地设置四个轴向高频电极，在它们所围的近轴区，产生四极聚焦电场，以径向聚焦束流；沿轴可周期性地调变每个电极的径向尺寸，以得到在轴向群聚和加速束流的轴向电场。它兼具聚束、聚焦和加速几种作用，是20世纪70年代兴起的加速结构，选用频率为200～400兆赫。
②质子动能要由几兆电子伏加速到150兆电子伏左右，可采用漂移管型结构（又称阿尔瓦雷茨结构，图2），是20世纪40年代末由L.W.阿尔瓦雷茨首先提出和建造的。在圆柱形腔内，沿轴周期性地设置长度随能量渐增的电极。当高频电场处在正半周时，质子束团在电极间被加速；当处在负半周时，质子束团躲在电极内不受负半周减速场的影响而漂移前进，故又称电极为漂移管。在漂移管内安放四极磁铁，可径向聚焦束流，选用的频率为200～400兆赫。③当质子动能要由150兆电子伏加速到更高能量，通常采用耦合腔加速结构。在该能区内对质子束的径向聚焦已较容易，可将四极磁铁移到加速腔外，使频率提高到800～1 300兆赫，以提高加速效率。这种结构也可用于加速电子，工作频率通常为1 300～3 000兆赫。
重离子直线加速器
它较接近于质子直线加速器，只是在同样动能下，粒子运动速度更低，因而工作频率也更低，一般在27～150兆赫左右。早期的这类加速器，采用维德罗加速结构，它是由R.维德罗于20世纪20年代提出和建造的。现代的这类加速器按能区可采用高频四极型或阿瓦莱兹型。近期发展的重离子加速结构，如柱形和平面螺旋线结构、分离环谐振腔结构等，它们的特点是径向尺寸较小、公差要求较松、可做成许多短腔组合成整台加速器，既便于采用超导技术，又利于展宽重离子的范围和能量连续可变的需求。超导直线加速器 利用超导材料做成的结构，其功耗几乎可略去不计，因而可用较小微波功率建立较高的加速电场。这类加速腔大多采用内表面涂有氧化保护层的纯铌材料制成，置于液氮和液氦逐级冷却的低温容器中，可冷却至4.2K或更低。加速电场可达几兆伏/米至20兆伏/米以上。将超导腔用于高能直线加速器，优势更显著。
如用于强流质子直线加速器的高能段（约150～1 000兆电子伏），由于功耗可略去不计，可选用束通道孔径较大的结构，可有效避免高能强流束沿途损失造成严重的放射性污染。
此外，还有利于提高加速场强，减小设备规模和运行费等。提议中的超导正负电子直线对撞机(TESLA)，选用比其他同类对撞机方案(5 700～11 400兆赫)低得多的频率(1 300兆赫)和较大的束孔径，除仍有较高的加速电场（约25兆伏/米）外，束流在腔壁上感生的尾场相对很小，较易确保束流的高品质（发射度小、能散小等）。直线加速器是各类加速器中被最广泛应用的加速器类型（见粒子加速器）。