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superconducting accelerator

  用超导性的加速腔或超导性的主磁体建成的加速器。如超导直线加速器、超导回旋加速器、超导同步加速器等。这是20世纪60年代以来随着超导技术的发展逐渐成熟起来的一类有前途的新型加速器。利用超导加速腔可以在很小的微波功率下产生很强的加速电场;利用超导磁体(见第二类超导体)则可以在很小的激磁功率下产生强大的约束磁场,二者都可大大缩减加速器的尺寸,降低加速器的功率消耗,使超导加速器在经济上和技术上具有巨大的优越性。

  超导直线加速器的加速腔大都用表面覆有氧化保护层的纯铌材料制成,也有的用涂铅的铜质腔体制成,它们安装在由液氮和液氦逐级冷却的低温罐中。工作时,腔体冷却至4.2K,进入超导状态,同时腔内抽气,达到10-8Torr(1Torr=133.332Pa)的高真空。在此条件下,腔的品质因数高达108~109,只要用几瓦的射频功率便可建立2~4MV/m的加速电场,尽管超导腔的材料比较贵,工艺技术也比常温加速腔复杂,还要附加各项低温设备等,但因总的尺寸减小,电效率提高,加速器的总固定投资据估计仍同室温下的普通直线加速器相当,而其运行费用则仅为后者的三分之一至四分之一。此外,超导直线加速器是在连续状态下工作的,其束流品质优于通常在脉冲状态下工作的常温直线加速器。

  典型的超导直线加速器如美国斯坦福大学的电子直线加速器,它的加速场强为3.8MV/m,加速电子到6.6MeV,流强50µA,腔的功率损耗为4W。又如联邦德国卡尔斯鲁厄核研究中心的超导螺旋波导质子直线加速器,它的平均加速电场约2.3MV/m,流强100µA,腔耗不到5W。美国阿贡国家实验室的分离环型超导重离子直线加速器是规模较大的一台超导加速器,它由24个超导加速腔节组成,加速场强3MV/m,总的加速电压达25MV左右,可加速质量由7Li到64Ni的各种重离子分别至每核子6~15MeV,射频设备总功率为2.8kW。

  超导回旋加速器采用超导体作主磁铁的激磁绕组,这样的绕组不但功率消耗小,而且产生的磁场可高达5T,比普通的回旋加速器上的磁场高出3倍,这就使超导回旋加速器的尺寸减为常温型的三分之一。据此,超导回旋加速器的投资为能量相应的常温型等时性回旋加速器的二分之一,分离扇回旋加速器的三分之一左右。

  超导回旋加速器的主绕组用铌钛和铜的合金材料制成,绕组沿径向各层间开有槽路,以使液氦流经导体表面,将其冷却。整个激磁绕组包容在一个大的磁轭之内,轭上开有一些孔道以备注入,引出束流或插入磁场调节棒和探测靶等之用。工作时,除超导绕组之外,加速器的其他部件仍处于室温状态。超导绕组的工作温度约4.2K,绕组导体中的电流高达34000A;上下绕组间的磁作用力约高达106kgf,可见超导激磁绕组必须有很好的热绝缘性能和机械强度。

  高能的超导同步加速器需用能够产生脉冲磁场的超导磁体。这种磁体的绕组采用由多股直径为7~35µm的铌钛合金丝绞合成的导线制作,在低温下,绕组产生的脉冲磁场峰值可达 4~6T(美国布鲁克黑文国家实验室达到5.35T)。上升时间约数秒至数十秒,对于孔径8~10cm的脉冲超导磁体,其功率消耗约为1.5W/m。近来美国费密国家实验室用了一千多个超导磁体建成了当今世界上能量最高的1000GeV的质子同步加速器。

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