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第一章 绪论 1

1.1 加速器及其发展概况 1

1.2 加速器作为辐射源的特点及其用途 4

1.2.1 加速器作为辐射源的特点 5

1.2.2 加速器的应用 5

1.3 加速器的分类 7

1.4 加速粒子的动力学特性参量 8

1.4.1 速度和相对速度 8

1.4.2 质量、能量和束流功率 8

1.4.3 动量P和磁刚度G 10

第一章习题 11

第二章 高压加速器 12

2.1 高压加速器基本组成及原理 12

2.1.1 高压加速器的组成机构及其作用 12

2.1.1.1 加速粒子的产生和发射机构——离子源或电子枪 13

2.1.1.2 粒子运动空间——含真空加速室的真空系统 13

2.1.1.3 粒子加速机构——高压电极、电场系统 14

2.1.1.4 粒子加速后的引用机构 15

2.1.1.5 束流测量及反馈控制系统 15

2.1.2 提高主体耐压的措施 15

2.1.2.1 设置高压球壳 15

2.1.2.2 采用高压气体——密封钢筒式结构 16

2.1.2.3 采用均压措施 18

2.1.2.4 加速管内部放电、击穿问题的进一步解决 21

2.1.3 加速粒子横向稳定性 23

2.1.4 粒子源 26

2.1.4.1 基本要求 27

2.1.4.2 电子枪 28

2.1.4.3 离子源 30

2.1.5 加速粒子的引用机构——电、磁偏转装置及靶室 32

2.1.5.1 磁分析器 32

2.1.5.2 静电分析器 33

2.1.5.3 靶 33

2.2 倍压加速器 34

2.2.1 高压倍加器的倍压原理 35

2.2.2 载荷状态下的电压波动及降落 37

2.2.2.1 电压波动及降落的原理 37

2.2.2.2 充放电循环过程分析 37

2.2.2.3 电压波动及降落值的计算 38

2.2.3 减少电压波动和降落的途径 41

2.2.4.1 加速粒子种类 43

2.2.4.2 能量特性 43

2.2.4 倍压加速器性能特点 43

2.2.4.3 流强特性和功率输出 44

2.2.5 结构特点 44

2.2.6 应用和发展现状 44

2.2.7 其他倍压型高压发生器 45

2.2.7.1 绝缘芯变压器 45

2.2.7.2 高频高压发生器 45

2.2.7.3 脉冲高压发生器 47

2.3.1 静电高压发生器的工作原理 48

2.3 静电加速器 48

2.3.1.1 充电原理 50

2.3.1.2 最大充电电流 51

2.3.1.3 输电系统的改进 52

2.3.2 静电加速器的性能特点 53

2.3.2.1 加速粒子种类 53

2.3.2.2 能量特性 53

2.3.2.3 束流强度特性 54

2.3.3 静电加速器结构特点 54

2.3.4 发展现状和展望 54

2.3.5 串列式静电加速器 54

2.3.5.1 工作原理与发展概况 54

2.3.5.2 负离子源和电子剥离器 56

第二章习题 57

第三章 感应加速器 58

3.1 带电粒子在电磁场中的运动方程 58

3.2 感应加速器工作原理 59

3.3 电子在恒定轨道上加速的条件 61

3.4 粒子的横向运动稳定性 63

3.4.1 轴向运动稳定条件 63

3.4.2 径向运动稳定条件 64

3.4.3 横向振荡方程的解 66

3.4.4 横向振荡的振荡能及振幅比 66

3.4.5 加速过程中横向振荡的衰减 67

3.4.6 磁场分布辐向不均匀时“封闭轨道”的畸变 70

3.4.7 横向运动中的共振现象 71

3.5 感应加速器中电子的入射和俘获过程 72

3.5.1 动量差异引起“封闭轨道”的分散 73

3.5.2 非平衡电子的“封闭轨道”的变化 73

3.5.3 三种典型的入射俘获过程 75

3.5.4 俘获电子束的极限强度 75

3.6 电子的辐射效应对感应加速运动的影响 77

3.8 感应加速器的结构特点 78

3.7.3 流强特性 78

3.8.1 磁极和磁轭 78

3.7.1 加速粒子种类 78

3.7.2 能量特性 78

3.7 感应加速器的性能特点 78

3.8.2 环形加速匣(室) 80

3.8.3 电子枪 80

3.8.4 束流偏移和引出装置 81

3.9 现状和发展 81

第三章习题 81

第四章 回旋加速器 83

4.1 经典回旋加速器 83

4.1.1 发展由来——回旋共振加速方法的提出 83

4.1.2 回旋加速器的工作原理 84

4.1.2.1 回旋加速器的基础——拉摩定律 85

4.1.2.2 共振加速条件 86

4.1.2.3 加速粒子的能量 86

4.1.2.4 加速粒子的轨道形状 87

4.1.3.1 轴向电聚焦力 88

4.1.3 横向电磁聚焦作用 88

4.1.3.2 轴向磁聚焦力 91

4.1.3.3 电磁总聚焦效应 91

4.1.4 回旋加速器中的相移现象 92

4.1.4.1 加速相位的定义 92

4.1.4.2 中心区加速时的相聚现象 93

4.1.4.3 回旋加速过程相移产生的原因 93

4.1.4.5 相移公式 94

4.1.4.4 保持常频回旋加速要求的准确共振磁场 94

4.1.4.6 极限能量和阈电压 96

4.1.5 结构特点 98

4.1.5.1 磁铁系统 98

4.1.5.2 D形电极和真空室 99

4.1.5.3 偏转电极 101

4.1.7 发展现状 102

4.1.6.3 束流强度 102

4.1.6.1 加速粒子种类 102

4.1.6.2 能量特性 102

4.1.6 性能特点 102

4.2 等时性回旋加速器 103

4.2.1 等时性条件 104

4.2.2 径向扇型(托马斯型)回旋加速器 105

4.2.2.1 磁场分布形式 105

4.2.2.2 粒子的轨道形状和聚焦 106

4.2.2.3 加速粒子能量的限制 108

4.2.3 螺旋扇型回旋加速器 109

4.2.3.1 磁场分布形式 109

4.2.3.2 粒子轨道形状和聚焦 110

4.2.3.3 粒子能量的限制 112

4.2.4 分离扇型回旋加速器 112

4.2.5 不同中心张角的D型电极在等时性回旋加速器中的应用 114

4.2.6 发展现状 117

第四章习题 118

第五章 自动稳相式准共振加速器 119

5.1 准共振加速条件及实现准共振加速的途径 120

5.1.1 自动稳相式准共振加速器的共同特点 120

5.1.2 准共振加速条件 121

5.1.3 实现同步加速的不同途径 122

5.2 自动稳相原理 126

5.2.1 自动稳相基本原理及典型的相运动过程 126

5.2.2 相振荡方程及相振荡规律 129

第五章习题 133

第六章 回旋型准共振加速器 134

6.1 稳相加速器——频率调变法准共振加速器 134

6.1.1 工作原理及调频规律 134

6.1.2 相运动特点及最佳平衡相位 136

6.1.2.1 入射相位 136

6.1.2.2 稳定平衡相位为+？，在0°到90°之间 136

6.1.2.3 存在最佳平衡相位？° 136

6.1.3 结构特点 138

6.1.4 性能特点 142

6.1.5 现状和发展趋向 143

6.2 电子回旋加速器——倍频系数调变法共振加速器 144

6.2.1 工作原理 144

6.2.2 共振加速条件及基本参数的选择 145

6.2.3 相运动的特点 147

6.2.4 结构特点 148

6.2.4.1 电磁铁和真空室 148

6.2.4.2 谐振腔和注入机构 149

6.2.4.3 引出机构 149

6.2.5 性能特点 150

6.2.5.1 加速粒子种类 150

6.2.5.2 能量特性 150

6.2.5.3 束流强度特性 150

6.2.6 发展概况 150

7.1 同步加速器——磁场调变法准共振加速器 153

7.1.1 工作原理及同步加速条件 153

第七章 环型准共振加速器 153

7.1.2 磁场、频率调节规律 155

7.1.2.1 调磁规律 155

7.1.2.2 调频规律 156

7.1.3 相运动的特点 157

7.1.3.1 稳定平衡相位落在0°—90°之间 157

7.1.3.2 最佳平衡相位？° 157

7.1.3.3 辐射损失对相运动的影响 157

7.1.4.1 电子同步加速器的起动 158

7.1.4 同步加速器的起动(或预加速)问题 158

7.1.4.2 质子同步加速器的起动 159

7.1.5 结构特点 159

7.1.5.1 电磁铁 159

7.1.5.2 加速系统 160

7.1.5.3 粒子束的引用系统 161

7.1.7.1 电子同步加速器 162

7.1.7 发展概况和实例 162

7.1.6.3 束流强度特性 162

7.1.6.2 能量特性 162

7.1.6.1 加速粒子种类 162

7.1.6 性能特点 162

7.1.7.2 质子同步加速器 163

7.2 强聚焦原理及其在环型加速器中的应用 165

7.2.1 强聚焦原理及光学模型 165

7.2.2 强聚焦四极透镜系统 168

7.2.3 强聚焦同步加速器 171

7.2.3.1 粒子在交变梯度磁场中的运动方程及其转换矩阵 172

7.2.3.2 交变梯度聚焦运动方程的两个独立的周期性解 174

7.2.3.3 周期聚焦系统的稳定性条件和稳定区图 175

7.2.3.4 强聚焦环型加速器中的共振现象 176

7.2.3.5 强聚焦环型加速器中的跳相现象及临界能量 178

7.2.3.6 强聚焦同步加速器的结构特点和性能特点 181

7.2.3.7 发展概况 183

7.2.4 增强器 185

7.2.5 储存环 187

7.2.6 同步辐射光源 189

7.2.7 对撞机 192

7.2.7.1 对撞原理 193

7.2.7.2 对撞机的实施方案 194

7.2.7.3 对撞亮度 195

7.2.7.4 发展现状和实例 196

第七章习题 201

第八章 直线型准共振加速器 202

8.1 驻波直线共振加速器 204

8.1.1 漂移管式驻波直线加速器结构及基本原理 204

8.1.2 共振加速条件及漂移管长度的变化规律 205

8.1.3 相运动的特点及其与束流聚焦的矛盾 206

8.1.4 均匀单周期加速结构 206

8.1.4.1 单周期结构的色散关系 207

8.1.4.2 单周期加速结构内在的效率和稳定性之间的矛盾 208

8.1.5 第二代驻波加速结构——双周期结构 209

8.1.5.1 轴耦合结构 210

8.1.5.2 边耦合结构 211

8.1.5.3 环耦合结构 211

8.1.5.4 盘圈加速结构 212

8.1.5.5 驻波加速腔腔形的优化 213

8.1.6 双周期驻波加速器相运动特点及纵向动力学计算 215

8.1.7 双周期驻波加速器粒子束的聚焦及横向动力学计算 217

8.1.8 交插式高梯度边耦合结构 218

8.1.9 驻波直线加速器的性能特点 219

8.1.10 发展概况和实例 220

8.2 行波直线加速器 222

8.2.1 行波加速原理 223

8.2.2 同步加速条件 224

8.2.3 电磁波在自由空间及光滑波导中的传播 225

8.2.3.1 电磁波在无限自由空间中的传播 225

8.2.3.2 电磁波在光滑波导中的传播 226

8.2.4.1 盘荷波导基本结构和作用 228

8.2.4.2 延迟线和盘荷波导的类比 228

8.2.4 盘荷波导慢波结构 228

8.2.4.3 传播慢波的边界条件及在盘荷波导中的体现 230

8.2.4.4 盘荷波导加速管的某些高频特性 232

8.2.5 相运动的特点及对聚束段的要求 233

8.2.5.1 稳定平衡相位落在波前侧 233

8.2.5.2 随着粒子速度趋近光速相运动趋于停滞 233

8.2.5.3 相会聚任务的提出及聚束段的作用 234

8.2.6.1 相稳定性和聚焦的矛盾 236

8.2.6 径向运动——横向稳定性和聚束问题的解决 236

8.2.6.2 各种径向力的分析 237

8.2.6.3 外加纵向磁场的聚焦作用及临界磁场强度 240

8.2.7 性能特点 242

8.2.7.1 加速粒子种类 242

8.2.7.2 能量特性 242

8.2.7.3 束流强度 243

8.2.8 发展概况和实例 243

8.2.9 螺旋线波导慢波结构——离子行波直线加速器 245

8.3 射频四极场加速器(RFQ) 246

第九章 粒子加速技术发展的回顾和展望 248

9.1 由加速器发展的回顾看不同加速器的内在联系 248

9.2 当前国际上加速器发展的趋势 250

9.3 尚在探索中的新型加速器原理 251

9.4 一项崭新的加速器高科技的崛起——自由电子激光器FEL 252

9.5 国内加速器发展的展望 254

附录 256

Ⅰ.回旋加速器和稳相加速器中粒子在中心区域的运动方程 256

Ⅱ.粒子加速周期和能量间关系的推导 258

Ⅲ.相迹方程？(？)的推导 260

Ⅳ.电子回旋加速器的相运动方程的推导 261

Ⅴ.周期聚焦系统参数μ的表示式 263

Ⅵ.非平衡粒子封闭轨道系数aL的计算 265

Ⅶ.相对运动粒子间有效作用能的推导 269

Ⅷ.幅向运动方程与磁场的面平均值？x关系式的推导 270

本书主要符号一览表 272

参考文献 274