直线感应加速器（LIA）是20世纪60年代发展起来的一种新型加速器，其独特的能力是可产生非常强束流、非常高峰功率及高束品质的脉冲粒子束（电子束或离子束）。普通的直线加速器以射频频率产生长的束脉冲串，其平均束流通常小于1A；与此相反，直线感应加速器产生的束脉冲重复频率低得多，但束流却高得多。直线感应加速器是世界上功率最强大的加速器之一。由于具备这些独特的优越性能，直线感应加速器在科学研究、国防及国民经济领域有广泛而重要的应用，它的发展受到许多国家的重视。全世界共建成各类直线感应加速器有100多台。

发展历程

世界上第一台直线感应加速器ASTRON-I由N.Christofilos发明，并于1963年在美国劳伦斯利 弗莫尔实验室（LLNL）建成。该加速器可提供束流350A、能量4MeV、脉宽300ns及重复率100Hz的脉冲电子束，用于约束等离子体，并在后续实验中用于研究电子束通过大气传输的可行性，远期目标是创造粒子束武器。

之后，美国又陆续研制了用于加速质子的ERA加速器（4MeV、1kA、45ns）；用于自由电子激光（FEL）研究的ETA加速器（5MeV、10kA、60ns、1kHz猝发）、ATA加速器（50MeV、10kA、70ns、1kHz猝发）和高平均功率的ETA-II加速器（6MeV、2kA、70ns、5kHz准连续），同时，ETA和ATA加速器还用于带电粒子束通过大气传输的研究。

1982年，劳伦斯利弗莫尔实验室研制了用于核武器流体动力学试验闪光X光照相的FXR加速器（20MeV、2~4kA、60ns），这是直线感应加速器首次用于闪光X光照相。1990年代，随着全面禁核试时代的到来，为了在全面禁核试后继续保持核武器研究和发展能力，各核国家纷纷花大力气提高自已的闪光X光照相能力。美国能源部决定建造双轴闪光X光照相流体动力学试验设施（DARHT），并计划建造先进流体动力学试验设施（AHF）。DARHT装置由两台轴线互成90°的20MeV直线感应加速器DARHT-I和DARHT-II组成，前者是一台脉宽为60ns的短脉冲加速器，一次只能获得某一时刻的X光照片；后者则是一台脉宽为2μs的长脉冲加速器，通过踢束器能产生4个脉宽为（20~60）ns的脉冲，一次能获得4个不同时刻的X光照片。AHF是一台具有多角度、多时刻闪光光照相能力的直线感应加速器。DARHT-I加速器已于1999年在洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）建成。DARHT-II加速器因技术问题完成时间推迟，仍在建造之中。除大力发展加速电子的直线感应加速器外，从1970年代起，美国开始陆续建造加速重离子的小型实验加速器，用于研究直线感应加速器驱动的重离子聚变。

前苏联发展直线感应加速器起步比美国稍晚。1967年在实验物理研究院（VNIIEF）建成第一台无铁芯的直线感应 加速器（2MeV、2kA、40ns），之后利用径向线加速原理分别于1977年和1989年建造了LIU-10加速器（14MeV、50kA、20ns）和LIU-30加速器（40MeV、100kA、20ns），用于模拟核爆的强轫致辐射源和强中子源。另外，汤姆斯克理工大学于1981年研制成功重复频率的直线感应加速器LIU2/3（2MeV、3kA、70ns、10Hz），用于自由电子激光研究。此后又陆续研制了一批用于高功率微波研究的重复频率直线感应加速器。

法国原子能委员会核武器研究中心，从1988年开始直线感应加速器研究发展计划。首先建成了用于自由电子激光研究的LELIA加速器（2.5MeV、1kA、50ns），之后又研制了PIVAIR加速器（8MeV、3.5kA、60ns）。全面禁核试后，法国亦斥巨资研制与DARHT-I基本相同的直线感应加速器AIRIX（注入器从美国购买），以全面提高闪光X光照相能力，该加速器已于1999年底建成。

英国原子武器机构（AWE）计划建造3台14MV感应叠加型的直线感应加速器，以构成多角度闪光X光照相，预计2010年运行。

1990年，日本原子能研究所（JAERI）、高能物理所（KEK）及大坂大学激光工程研究所先后建成用于自由电子激光研究的直线感应加速器。1996年，日本长岗技术大学建造了直线感应加速器ETIGO-III（8MeV、5kA、30ns），用于X光、高功率微波和烟气脱硫等研究。

德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心在美国的帮助下，于1993年建造了基于感应叠加的直线感应加速器KALIF-HELIA（6MeV、360kA、50ns），用于强流轻离子束与物质相互作用、X光激光泵浦和惯性约束聚变等研究。

中国的直线感应加速器研究始于1982年，走自主创新的发展道路，取得了一系列的成果。1989年研制成功中国首台1.5MeV直线感应加速器；1991年建成3.3MeV加速器（3.3MeV、2kA、60ns），用于曙光一号自由电子激光研究，最大输出功率达140MW，为当时亚洲同类实验的最好结果；1993年建成中国首台用于闪光X光照相的10MeV直线感应加速器（10MeV、2.3kA、60ns），1995年该机升级为12MeV；几年前自主研制成功“神龙一号”直线感应加速器（18~20MeV、2.5kA、60ns），“神龙一号”加速器总体性能达到国际先进水平。

工作原理

直线感应加速器主要由注入器、加速组元系统、脉冲功率系统、束输运系统、测控系统及辅助系统（包括真空、 绝缘油、绝缘气体及去离子水等）组成。其中，注入器是加速器的前级，作用是产生高品质强流粒子束并注入由加速组元串接构成的加速段加速。脉冲功率系统是加速器的脉冲发生器，它按设定时序给每一个加速组元输入高电压脉冲，在加速间隙上形成加速电压。束输运系统的作用是保证强流粒子束从产生到加速直至输出的整个过程不致发散，使束流损失、束截面大小等参数及束不稳定性控制在设定范围内。直线感应加速器的束输运系统最显著的特征是具有输运强流粒子束的能力，通常采用连续的螺线管输运磁场或四极子输运场（磁的或电的），具体选择何种输运场取决于输运粒子种类（电子、轻离子或重离子）、粒子能量及粒子束流强度。当采用螺线管输运磁场时，通常将螺线管线圈放在加速组元内。测控系统的作用是使加速器各部件按正常的时序和参数可靠的工作，并监测相关工作参数以判断加速器是否正常工作。直线感应加速器利用经典的电磁感应原理工作，即利用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子。用随时间变化的磁场产生的电场加速带电粒子的思想早在上世纪20年代就已提出，并在1941年研制成功第一台圆形轨道加速器，即现在人们熟知的电子感应加速器（Betatron）。在这种加速器中，电子是被随时间变化的磁场在与其垂直的平面内感生的圆形涡旋电场加速的，故运动轨道为圆形。直线感应加速器与电子感应加速器不同，带电粒子沿直线被加速，为此直线感应加速器采用了感应组元（或加速组元）结构。感应组元可以简单地看成为一个1:1的脉冲变压器。环绕圆环状磁芯有两个回路，其中与脉冲发生器相连的回路是初级，而包含粒子束流和加速间隙的回路是次级。当脉冲发生器产生的脉冲电压输入初级回路时，使磁芯产生磁通量的变化，因而在次级回路的加速间隙上产生感应电压，加速间隙区域形成轴对称的轴向感应电场，当带电粒子此时通过，就能得到沿轴向的加速。设带电粒子电荷量为q，加速间隙的感应电压即加速电压为Vc，则该带电粒子通过加速间隙加速获得的能量为qVc。

另一种产生加速电压的方法是采用无磁芯的感应组元。这种组元工作时，虽然磁通密度B不变化，但B所占的面积发生变化，同样导致磁通量的变化，因而感应产生加速电压。无磁芯感应组元基本上是一个径向传输线或轴向传输线。

直线感应加速器由一个感应组元或多个感应组元轴向串接组成，这种“积木式”结构不仅使直线感应加速器结构简单，且便于粒子束能量的调整及粒子束的注入与引出。通常，由有磁芯感应组元构成的加速器称为芯型直线感应加速器，而由无磁芯感应组元构成的则称为线型直线感应加速器。

感应组元本身是一个感应电压源，当用金属导体代替粒子束流将N个感应组元轴向串联起来时，可将这N个组元的电压感应叠加形成N倍高的电压，称为感应电压叠加器（IVA）。感应电压叠加器产生的高电压可用于产生粒子束或提供给负载，它本身就是一台加速器，也常作为直线感应加速器的前级（注入器），为其提供粒子束源。通常，感应电压叠加器也看成是一种直线感应加速器。