電子直線(xiàn)加速器應(yīng)用廣泛：作為同步加速器、同步輻射光源和正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的注入器；放射性治療用加速器；正負(fù)電子直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)。所有這些電子直線(xiàn)加速器在開(kāi)始部分都有一段預(yù)注入器作為整個(gè)直線(xiàn)加速器的起始，預(yù)注入器雖然因機(jī)器的不同而有所不同，但結(jié)構(gòu)和功能都基本相同，通常是由電子槍和聚束系統(tǒng)組成。預(yù)注入器示意圖2.6電子直線(xiàn)加速器的預(yù)注入器電子槍分類(lèi)：直流電子槍?zhuān)}沖電子槍?zhuān)}沖長(zhǎng)度從1ns到幾s

）強(qiáng)流電子槍?zhuān)ò才嗔考?jí)），弱流電子強(qiáng)（毫安量級(jí)）傳統(tǒng)電子槍?zhuān)滦碗娮訕專(zhuān)彡帢O微波電子槍?zhuān)怅帢O微波電子槍?zhuān)瑯O化束電子槍等）BEPC電子槍?zhuān)悍逯盗鲝?qiáng)4A，脈沖寬度2.5ns，重復(fù)頻率12.5Hz。BEPCII電子槍?zhuān)悍逯盗鲝?qiáng)10A，脈沖寬度1ns，重復(fù)頻率50Hz。強(qiáng)流電子槍示意圖一般要求電子槍能夠提供有一定聚束的，小發(fā)射度的，大流強(qiáng)的束流?？墒褂肊GUN程序模擬計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)。電子槍基本原理一般都是加熱陰極，使其發(fā)射電子，然后電子在極間高壓的作用下加速，通過(guò)陽(yáng)極上的小孔射出。現(xiàn)在一般比較常用的常規(guī)電子槍是柵控電子槍。在離陰極很近的地方安裝一個(gè)柵極，改變柵極調(diào)制電壓可以很方便的調(diào)節(jié)槍電流，從而獲得陡峭的電流脈沖。200kVHVsupply

GunE-GunforBEPCII-Linac

(highcurrentandsmallemittance)

ParametersUnitBEPCIICathodeEIMACY796BeamcurrentPulselengthAns101(FWHM)Emittance(norm.)μm14AcceleratingvoltagekV150200Pulse/3μsHeatervolt./currentV/A68/57.5GridvoltageV0~250RepetitionRateHz50電子槍出口縱向束流分布（150KeV）ItemsUnitsSpecificationsTypeTriodeBeamCurrent（max）A2AnodeVoltagekV~120FilamentVoltageV6.4FilamentCurrentA5.5GridBiasV50500Bunchlengths3.0RepetitionRate(max)Hz625NSCKIPT100MeV100kW電子直線(xiàn)加速器電子槍參數(shù)能量回收型直線(xiàn)加速器（ERL）對(duì)電子槍的要求：（1）高平均電流在俄羅斯的低頻常溫裝置BINP上，得到20mA的電子束流，在美國(guó)JLAB的1.3GHz光陰極、超導(dǎo)ERL設(shè)備上已經(jīng)得到9.1mA的束流。高平均電流，就要求加速器必須工作在CW（ContinuousWave）模式，或者長(zhǎng)脈沖模式。100mA的平均流強(qiáng)成為當(dāng)前研制ERL的目標(biāo)。（2）短脈沖、低發(fā)射度的電子槍與儲(chǔ)存環(huán)同步輻射光源相比，ERL能夠產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束流，即脈沖長(zhǎng)度短至ps、亞ps量級(jí)，歸一化發(fā)射度可小于2mmmrad?，F(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行的BINP－ERL裝置和JAERI－ERL裝置采用的是熱陰極直流高壓槍?zhuān)靼l(fā)射度在30mmmrad左右，JLAB－ERL裝置采用的光陰極高壓直流注入系統(tǒng)，束流品質(zhì)得到極大提高，束流發(fā)射度減小到10mmmrad以下。正在設(shè)計(jì)中的ERL裝置，束流發(fā)射度的設(shè)計(jì)目標(biāo)均在1mmmrad左右。BINP：BudkerInstitute

ofNuclearPhysics，RussiaJAERI：JapanAtomicEnergyResearchInstituteERL:EnergyRecoveryLinac高壓直流型電子槍?zhuān)夹g(shù)相對(duì)成熟，電子槍本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以獲得非常好的真空，GaAs陰極在此真空環(huán)境下可以有相對(duì)較長(zhǎng)的壽命。但是加速梯度低（<7MV/m）、場(chǎng)致發(fā)射、槍內(nèi)打火、隔離陶瓷擊穿、離子反轟陰極一直是高壓直流型電子槍待解決的問(wèn)題。同時(shí)，因?yàn)榧铀偬荻鹊?，為減小空間電荷效應(yīng)引起的發(fā)射度增長(zhǎng)，槍內(nèi)電子脈沖必須足夠長(zhǎng)，這就需要在電子槍后加聚束器壓縮束團(tuán)，而且需要利用加速組元進(jìn)一步提高束團(tuán)能量。JLAB高壓直流型電子槍JLAB:ThomasJeffersonNationalAcceleratorFacility(JeffersonLab)低頻率（幾百M(fèi)Hz）的常溫微波槍?zhuān)c超導(dǎo)微波槍相比，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，有諸多S波段和L波段高頻微波槍運(yùn)行。因?yàn)轭l率低，微波周期長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)激光可以長(zhǎng)達(dá)幾十個(gè)ps，幾十個(gè)ps的電子束團(tuán)感受到近似直流高壓的加速，可以極大的減小空間電荷效應(yīng)的影響。同時(shí)與高壓直流槍相比，加速場(chǎng)梯度大，槍后不需要加速組元進(jìn)一步加速。但是常溫微波電子槍需要在連續(xù)模式下運(yùn)行，腔體的散熱問(wèn)題和高真空如何實(shí)現(xiàn)、能否保持是此類(lèi)電子槍的最大問(wèn)題。聚束系統(tǒng)原理從電子槍出來(lái)的電子速度：v<c

（如～0.5c

（79keV））首先通過(guò)高頻腔或波導(dǎo)的高頻場(chǎng)，對(duì)束團(tuán)中的電子進(jìn)行速度調(diào)制，再經(jīng)過(guò)一段漂移節(jié)后，束團(tuán)的縱向長(zhǎng)度可以得到壓縮。束團(tuán)前后電子由于所處高頻相位的不同，受力情況也有所不同，前面的電子受到減速作用，速度減小，能量降低；后面的電子受到加速作用，速度提高，能量增加。在經(jīng)過(guò)一段漂移節(jié)后，后面速度快的電子趕上前面速度慢的電子，從而實(shí)現(xiàn)縱向聚束。聚束可以把多數(shù)電子聚集在大約10o高頻相位范圍內(nèi)。聚束過(guò)程通常第一步采用駐波單腔結(jié)構(gòu)的預(yù)聚束器進(jìn)行預(yù)聚束；然后使用行波腔進(jìn)行進(jìn)一步聚束，在聚束器的前幾個(gè)腔，相速vp<c，以滿(mǎn)足和束流的同步要求。粒子經(jīng)過(guò)加速間隙時(shí)所“看”到的軸上的駐波場(chǎng)可以寫(xiě)成是粒子在z處的時(shí)間，t=0的粒子初始位置可以是間隙中的任意位置，相應(yīng)的相位為。其中zEz0可以把能量增益改寫(xiě)成如下形式：其中渡越時(shí)間因子Panofsky方程假設(shè)初始束流為連續(xù)束流，能量為W0，速度為0，在經(jīng)過(guò)聚束器后束流的能量被調(diào)制，能量增益為：假設(shè)加速間隙長(zhǎng)度為L(zhǎng)b考慮到E(z)的對(duì)稱(chēng)性，和粒子速度變化不大的情況，有于是渡越時(shí)間因子簡(jiǎn)化為：把電場(chǎng)改寫(xiě)成sin形式，則經(jīng)過(guò)聚束器后相位為的粒子與相位為0的粒子相比，速度的變化為選擇合適的聚束器與加速器之間的漂移長(zhǎng)度Ld，使即在Ld位置處，得：電子槍出口縱向束流分布（150KeV）A0加速管出口束流縱向分布（～40MeV）

聚束器和加速管（上海，2998MHz)BEPCII-LinacSHB1SHB2未經(jīng)過(guò)次諧波聚束器聚束經(jīng)過(guò)次諧波聚束器聚束使用A0加速管出口BPM03電極測(cè)量得到的束流信號(hào)2.7高頻功率源和脈沖壓縮器●

高能直線(xiàn)加速器的高頻功率源速調(diào)管（klystrons）和高壓調(diào)制器（modulators）兩部分?！穹逯倒β矢撸?0-80MW），占空比低（例如：重復(fù)頻率～100Hz，脈沖長(zhǎng)度～幾s）BEPCII-LinacNewRFPowerSource

Newmodulatorswithhighpower320kV×360A.

Highvoltagestability≤±0.15%高頻脈沖壓縮器為增加峰值功率以提高加速梯度，一些直線(xiàn)加速器采用了脈沖壓縮器，如SLED（SLACEnergyDevelopment）高頻脈沖壓縮器：把低功率的長(zhǎng)脈沖，壓縮為高功率的短脈沖。Twomajorcomponents:1)a-phaseshifter;2)twohigh-QcavitiesoperatedatTE015-modeandconnectedtoa3-dbcoupler.高頻脈沖壓縮器SLED:

(SLACEnergyDevelopment).SLEDforBEPCII-Linac

2.8縱向運(yùn)動(dòng)對(duì)于電子和質(zhì)子加速器，縱向運(yùn)動(dòng)的原理基本一樣。但是電子和質(zhì)子的質(zhì)量相差較大（電子的靜止能量為0.511MeV，質(zhì)子為938MeV），因此二者在加速器中的速度通常也有所差別：質(zhì)子：=v/c<1（20MeV時(shí)，=0.203）電子：＝1（2MeV時(shí)，=0.978）于是電子和質(zhì)子的縱向運(yùn)動(dòng)也有所差別。在各種加速器中，帶電粒子（參考粒子）要穩(wěn)定的獲取持續(xù)的加速，必須滿(mǎn)足各自相應(yīng)的同步加速條件。在行波直線(xiàn)加速器中，要求加速場(chǎng)的相速與電子的速度同步，即也可以使用另外一種表述方式。例如盤(pán)荷波導(dǎo)工作于/2模時(shí)，要求電子渡越一個(gè)腔的距離（Lc）時(shí)，射頻場(chǎng)變化了1/4周期（90o），即同步加速條件為同樣，工作于2/3模時(shí)，同步加速條件是2.8.1穩(wěn)定的同步加速相位在電子直線(xiàn)加速器中，電子能量較低時(shí)，穩(wěn)定的同步加速相位應(yīng)選擇在電場(chǎng)隨時(shí)間變化的上升階段（自動(dòng)穩(wěn)相）。當(dāng)電子能量較高，即＝1時(shí)，束團(tuán)中電子速度都是光速，因此相對(duì)于參考粒子，不再有縱向相位改變。這時(shí)可以選擇加速電場(chǎng)的峰做為加速相位，以獲取最大的能量增益。然而，當(dāng)電子束團(tuán)電荷量很高（如>1nC）、束團(tuán)長(zhǎng)度很短時(shí)，縱向尾場(chǎng)將會(huì)引起束團(tuán)的能散的增加，通過(guò)選擇合適的加速相位，可以在一定程度上抑制尾場(chǎng)效應(yīng)。2.8.2縱向運(yùn)動(dòng)方程經(jīng)過(guò)一個(gè)加速單元后，同步粒子和非同步粒子的能量增益分別為：其中T是渡越時(shí)間因子(對(duì)于行波加速結(jié)構(gòu)T=1，駐波加速結(jié)構(gòu)T<1)于是有其中另外，相位變化和速度變化（0模）有：縱向運(yùn)動(dòng)方程：縱向運(yùn)動(dòng)方程描述了非同步粒子在（W，）相空間的運(yùn)動(dòng)。2.8.3縱向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性假設(shè)加速梯度足夠小，可以忽略掉阻尼項(xiàng)縱向運(yùn)動(dòng)方程可以簡(jiǎn)化為或利用對(duì)方程兩側(cè)進(jìn)行積分，并利用其中方程左側(cè)的第一項(xiàng)是“動(dòng)能”項(xiàng)；第二項(xiàng)是“勢(shì)能”項(xiàng)；H是積分常數(shù)項(xiàng)，也就是哈密頓量。方程反映的是運(yùn)動(dòng)能量的守恒。劉維定理（Liouville’stheorem）：能夠使用哈密頓量描述的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，相軌跡包圍的面積為常數(shù)。當(dāng)同步相位s在（-/2，0）之間時(shí)，存在勢(shì)阱，勢(shì)阱中的粒子圍繞同步粒子（s，Ws）做振蕩，能夠被穩(wěn)定的加速。穩(wěn)定區(qū)的范圍是其中，2是H(2)=H(-s)的解。對(duì)于小角度振蕩，穩(wěn)定區(qū)的寬度約為3|s|。因此有|s|

↑

→

穩(wěn)定區(qū)增大，但是能量增益dW/dz↓勢(shì)阱、相跡和相穩(wěn)定區(qū)相穩(wěn)定區(qū)的邊界被稱(chēng)為Separatrix、fish或者bucket。H可以?。?s

和wk＝0用下面的方程求得：取＝s，并利用上式，可以求得相穩(wěn)定區(qū)的能量范圍：2.8.4加速效率前面的分析中忽略了阻尼項(xiàng)當(dāng)考慮了阻尼項(xiàng)后，相軌跡有所變化，但相面積仍然保持恒定。對(duì)于低速粒子（小粒子）的加速，當(dāng)經(jīng)過(guò)加速后，同步粒子的速度和能量有較大變化，以至于不能忽略時(shí)，相穩(wěn)定區(qū)將有所增大，因而加速器的接收范圍有所增