第1章粒子加速器真空系统概述
带电粒子加速器（Charged Particle Accelerator）是一种通过人工方法产生高速带电粒子的装置，俗称“粒子加速器”或“加速器”，它使带电粒子在高真空场中受到磁场力的控制而改变运动轨迹和电场力的加速而获得高能量。粒子加速器可以将电子、质子、重离子等带电粒子加速到极高速度，甚至接近光速，还可以利用这些加速的高能带电粒子束产生的核反应和轫致辐射效应，间接获得中子束或X射线。在20世纪物理学的舞台上，粒子加速器扮演了重要的角色，是科学家探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在物理化学、材料科学、生命科学、农学、光刻和超微细加工等众多基础研究与应用研究领域具有重要而广泛的应用，大大推动了国民经济和科学研究的发展。经过近一个世纪的发展，人们对微观物质结构的探索不断深入，对新一代粒子加速器提出了更高的要求。
在21世纪的前十年里，我国主要的高能粒子加速器装置包括北京正负电子对撞机（Beijing Electron Positron Collider，BEPC）、兰州重离子研究装置（Heavy Ion Research Facility of Lanzhou，HIRFL）、合肥光源（Hefei Light Source，HLS）和上海同步辐射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）等。2018年，中国科学院高能物理研究所发布了环形正负电子对撞机（Circular Electron Positron Collider，CEPC）的预研报告。加速器驱动次临界洁净核能系统（Accelerator Driven Subcritical System，ADS）、强流重离子加速器装置（High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility，HIAF）和中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）等大科学装置表明我国的粒子加速器研究迎来了发展的加速期。相比于欧洲核子研究组织（European Organization for Nuclear Research）已经建设完成的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）和位于美国斯坦福直线加速器中心的斯坦福直线对撞机（Stanford Linear Collider，SLC）等国际超级加速器，我国粒子加速器起步较晚，粒子能量偏低。
真空系统作为粒子加速器的重要组成部分，需要获得和维持合理的真空度，在减少束流粒子损失的同时保证束流的稳定运行。因此，在设计粒子加速器真空系统时，必须考虑束流运行时所要求的真空度，以便满足束流寿命和其他一些电真空器件的需求。随着新一代高能量、高流强、高亮度和长寿命粒子加速器的发展，对真空系统的要求也从超高真空跨越到了极高真空。
本章主要参考国内外具有代表性的粒子加速器，较为系统地介绍一些主要粒子加速器的原理、结构、性能和发展状况。结合粒子加速器真空系统的基本组成和真空物理的基础知识，对粒子加速器真空系统的发展现状、研究思路和技术瓶颈等进行简单阐述，汇集在粒子加速器真空系统设计和优化过程中需要讨论和研究的主要因素，并对其中一些问题提出可能的解决方案。
1.1粒子加速器简介
粒子加速器*初是为满足原子核物理研究的需要发展起来的。1919年，英国物理学家卢瑟福利用天然放射源实现了历史上*次人工核反应，但靠放射源提供的入射粒子研究核反应存在粒子种类有限、粒子强度弱、能量低且不可调节等缺点，为此物理学家提出了建造人工加速带电粒子装置的设想。20世纪30年代初，**批粒子加速器的诞生显示了由人工加速方法产生粒子束的优越性。随着新原理的提出和新技术的发展，出现了各种不同类型的粒子加速器，如Cockcroft-Walton加速器、静电加速器、回旋加速器、感应加速器、电子和质子直线加速器、同步加速器和对撞机等，粒子加速器也逐渐经历了从低能到高能、从弱聚焦到强聚焦、从打静止靶到对撞机的发展历程。
1.1.1粒子加速器的基本构成
粒子加速器是由一系列高精度的设备和精密控制系统组成，主要包括粒子源、真空加速结构、束流输运和分析系统及导引和聚焦系统，此外还设有各种束流检测与诊断装置、电磁场的稳定控制装置、真空设备及供电与操作设备等若干辅助系统，如图1-1所示。
其中，粒子源用以提供所需加速的粒子，如电子、正电子、质子及重离子等；真空加速结构中有加速电场，整个系统需要在具有高真空度的真空室内运行，用以降低残余气体对被加速粒子的散射影响，如各种类型的加速管、射频加速腔等；导引和聚焦系统用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速，如环形加速器的主导磁场和四极透镜场等；束流输运和分析系统主要由电磁场透镜、电磁场分析器和偏转磁铁等器件构成，主要起到在粒子源到加速器之间或加速器到靶之间的粒子束运输作用，并可对带电粒子束进行分析。
1.1.2粒子加速器的分类
粒子加速器的种类繁多，不同类型的粒子加速器有着各自不同的结构和性能特点，还有着不同的适用范围。如表1-1所示，可根据不同特征将粒子加速器进行分类。根据加速粒子种类分类，有电子加速器、轻离子加速器、重离子加速器等；根据粒子运动轨道分类，有直线加速器、回旋加速器和环形加速器等；根据加速电场种类分类，有高压加速器、感应加速器和高频共振加速器等。此外，还可以根据聚焦方式强弱差异、加速粒子能量的高低范围、束流强度的大小等方式进行分类。
根据加速电场和粒子轨道可将传统粒子加速器分为高压加速器、感应加速器、直线加速器、回旋加速器及同步加速器等，它们分别适用于不同的能量范围，加速不同粒子。而许多大型粒子加速设备往往由多种不同类型的加速器互相组合而成。
1．高压加速器高压加速器（HighVoltage Accelerator）是指通过一个高压电源在真空加速管电极之间提供直流静电场来加速带电粒子的一类加速器。它起始于19世纪30年代，是*早问世、
*基本的一类加速器。当一个电荷数为q的粒子通过一个电位差U时，在没有能量损失的情况下，其所增加的动能为
（1-1）
式中，ΔW的单位为eV。式（1-1）表明，高压加速器通过提高电压和采用多电荷离子来提高加速粒子的能量。高压加速器主要包括静电加速器和倍压加速器两大类。前者包括单级和串列静电加速器，后者按电源电路的结构又可分为串激倍压加速器（Cockcroft-Walton型）、并激高频倍压（Dynamitron，“地那米”型）加速器、绝缘芯变压器型（Insulated Core Transformer，ICT）加速器、强脉冲二极管（Pulsed Diode）加速器等。此外，静电加速器通过机械方式传递电荷，又分为van de Graaff静电加速器和Felici静电加速器。其他高压加速器则是由不同种类的电路产生高压。
高压加速器加速粒子时，高压电极只被利用一次，这样的高压加速器是单级加速器，它们的离子源或电子枪装在高压电极里，如图1-2（a）所示。如果能够让带电粒子多次通过加速电场，就有可能得到更高的能量。为此人们设计了串列静电加速器，如图1-2（b）所示。
在这种加速器中，高压电极具有正电压，位于低电位的离子源产生负离子，负离子被电场加速到高压电极，经过固体薄膜或低压气体后，被剥除掉若干个电子而转变为正离子。正离子可再次被同一电场加速。负离子的稳定电荷数通常为1，若正离子的电荷数为q，高压电极的端电压为V，则粒子经过串列静电加速器加速而增加的动能为
（1-2）
显然，串列静电加速器只能加速离子，不能加速电子。如果想要缩短加速器的长度，可以采用图1-2（c）所示的两个加速管并排放置的结构，即将已被剥离的正离子用180°偏转磁铁将其折回到另一个加速管中，随后加速到接地端。
高压加速器采用单次加速技术，其特点是高压源需要提供一个较高的电压给加速管，一般情况下，加速管的高压电极只被利用一次，带电粒子在真空加速管中被高压电场一次性加速。虽然串列静电加速器能够巧妙地利用离子电荷符号的改变对离子束进行有限的多次加速，但这不具有普遍的多次累积加速意义。高压加速器的加速电压直接受高压电源及加速管中的介质击穿的限制，因此加速器的能量不高，一般不超过50MeV。高压加速器除了具有因高压技术限制导致能量很难有效地进一步提高这一缺点外，还有一个缺点就是系统处于高电压状态，存在高压隐患，感应电荷的存在也会对仪器的运行造成影响。
2．感应加速器
由于高压加速器受加速能量的限制，要进一步提高带电粒子的能量，必须采用累积加速或直接连续加速的方式。要有效地实现累积加速，需要利用变化的电磁场，因此电磁感应加速器（Magnetic Induction Accelerator）随之产生。感应加速器的基本原理是利用随时间变化的磁通量产生的涡旋电场来加速带电粒子。常见的感应加速器主要有回旋式电子感应加速器（Betatron）和直线感应加速器（Linear Induction Accelerator，LIA）两大类。
1）回旋式电子感应加速器
回旋式电子感应加速器只能用来加速电子（β粒子），因而又称为“Betatron”。如图1-3所示，在回旋式电子感应加速器中，通常采用随时间变化的轴向对称磁场，因此产生的涡旋电场形状是封闭圆；用于使电子偏转的轨道上磁场的磁感应强度B（t）随时间增加，以使电子的轨道半径rc为一封闭圆。为了保证电子的轨道半径恒定，磁场的分布需满足以下条件。
（1）中心磁通的平均磁感应强度（Bav）和轨道上主导磁场的磁感应强度（Bg）满足2∶1条件。
（2）中心磁通和轨道上的磁感应强度必须随时间增大。
满足上述条件的轨道称为“平衡轨道”，电子可在此平衡轨道上循环连续地获得加速，经过多次的积累能得到较高的能量。
回旋式电子感应加速器不能用来加速质子和重离子，因为能量和磁通变化量一定时，质子（或重离子）的轨道半径比电子大很多，而速度小很多，对磁通的利用率太低。大型回旋式电子感应加速器由于电子的能量高、轨道半径大，在电子能量增值相同的情况下，磁通变化量要比小型加速器高。所以回旋式电子感应加速器的电子加速能量一般为数十兆电子伏。
2）直线感应加速器
直线感应加速器是20世纪60年代发展起来的一种强流加速器。这类加速器的加速电场由电磁感应产生，很多个加速单元感生的加速电场排成直线，粒子在加速过程中沿直线运动。
直线感应加速器的每个加速单元可看作一个用磁感应原理制成的特殊变压器。所有相同的加速单元的外壳接地，由脉冲发生器产生的大电流高压脉冲馈入到感应腔间隙处，形成两个回路，其中一路环绕磁芯形成高阻回路以防止高压电源短路，另一路直接加在加速间隙上。由精确控制时序的脉冲发生器产生的脉冲电压在加速间隙处可以维持并用于加速带电粒子。由于所有加速腔的金属外壳始终处于低电位，因此多个腔可连接在一起，不存在电压源的电位叠加升高问题；在加速间隙外的束流管道区域，电场被金属管道屏蔽，束流不会被减速，这就实现了带电粒子的多级累积加速。装载在加速腔中的螺线管线圈产生的磁场用来约束束流的径向扩散。这种用变压器原理产生的加速电场来加速粒子，可以得到功率很大的离子束流。
3．直线加速器
直线加速器是一种利用高频电场加速沿直线轨道运动的各种带电粒子的谐振加速装置，加速结构是满足一定条件的波导和谐振腔。它的快速发展与高频、微波技术的发展及自动稳相原理的发现分不开。这类加速器的主要优点是粒子的注入、引出方便及束流的强度高，能量可逐步增高不受限制。但大功率射频源的价格较贵，电功率消耗大，使直线加速器的费用较高。随着超导材料的应用和超导直线加速器的发展，这些缺点得到改善，并且束流品质得到进一步提高。
1）典型射频加速结构
直线加速器加速粒子采用
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