应用范围

直线感应加速器已广泛应用于科学研究、国防领域和国民经济领域，这里介绍几种主要的应用，包括闪光X光照相、高功率微波和自由电子激光、重离子聚变，以及在高能物理和能源科学的可能应用。

1、闪光X光照相

闪光X光照相是直线感应加速器的一种主要应用。闪光X光照相是利用强的脉冲X光对高速运动物体某一时刻的运动状态进行透视照相，如果X光的脉冲宽很短，则可以获得高速运动物体该时刻的准静态X光透视图像，与人体X光透视的原理完全一样。闪光X光照相作为最重要的诊断手段用于核武器初级的流体动力学试验始于美国的曼哈顿计划，即第一颗原子弹研制期间。所谓流体动力学试验就是使用裂变替代材料（如钨）的核武器初级模型的内爆试验，由于在高能炸药产生的高温和高压下，金属和其他材料象流体一样流动，故称之为流体动力学试验。利用这种试验可以研究核武器初级从内爆压缩到裂变反应临界点之前的全过程的物理学现象，校验模拟计算程序，以及评估材料的老化效应和新制造的部件等。加速器按指定时刻输出的电子束脉冲经聚焦透镜聚焦到高原子序数靶（钽或钨）上，通过韧致辐射产生脉冲X光对内爆中的模型进行透视，透射出的X光最终在图像探测器上成像，从而获得该时刻模型的内爆图像。为了防止加速器和图像探测器被模型内爆产物破坏，可采取保护措施或在爆炸容器内进行试验。实现高分辨率照相，要求X光焦斑直径（50%MTF）小到2mm左右。实现这种小X光焦斑要求直线感应加速器输出的2~3kA的强流电子束具有极好的束品质和优良的聚焦系统，这是十分困难的。从1963年投入使用的新一代闪光X光机PHERMEX（射频直线驻波加速器）算起，到1999年建成DARHT-I（直线感应加速器），美国经过了36年才实现了大型闪光X光机X光焦斑直径（50%MTF）2mm的要求。

2、重离子聚变

重离子聚变的最终目标是要在10ns内将能量为几MJ且动能为几GeV的重离子束聚焦到靶上，以实现靶的聚变点火。美国的重离子聚变计划选择多束直线感应加速器作为重离子聚变的驱动器，有代表性的驱动器主线设计，如图10所示。注入器产生大约100束约200amu（原子质量单位）的重子离束，然后输入一台约3GeV的多束直线感应加速器被同时并行加速（每一束都有自己的交变梯度四极子聚焦通道）；出加速器后，这些束在漂移压缩段被纵向压缩，再经末级聚焦和中性化进入靶腔，在其内传输到靶。近两年，又提出了一种新的积木式驱动器概念。用大约20台螺线管线圈聚焦的能量较低（约200MeV）的直线感应加速器代替多束直线感应加速器作为驱动器，其设想如图11所示。该方案采用最终能量200MeV、束流约170kA（每束）的氖离子（Ne+，20amu）。多年来，对驱动器开展了大量的研究,在多束强流重离子源和注入器、强流重离子束的加速和传输，以及重离子束的中性化漂移压缩和聚焦等方面取得了重要进展。研究表明，采用中性化漂移压缩和聚焦技术,积木式驱动器能满足靶的聚焦要求，其造价具有竞争力，并提供一条有吸引力的发展惯性聚变能的途径;多束直线感应加速器驱动器的加速器能量、长度和造价也能降低。目前和今后的一个新研究重点是探索中性化束压缩和聚焦到极高强度的物理学,已计划一系列3个实验：10倍纵向压缩（2006年）；100倍压缩和1eV靶能力（2009年）；10eV靶能力（2014年）。美国政府已强调增加重离子束对高能密度物理研究的近期应用，计划目标是在5年内用MeV级的重离子束将等体积的靶加热到大于1eV。在分解实验的基础上，已经计划了集成束实验（IBX）和集成研究实验（IRE）。集成束实验可能是相当低能（约6~10MeV）的单束实验，其设计可能包括和试验两种驱动器的部件。而集成研究实验会将驱动器规模束加速到几百MeV,该实验建设之前会对这两种驱动器作出选择。

3、高功率微波和自由电子激光

直线感应加速器产生微波的一个重要应用是设想作为高能正负电子直线对撞机的功率源，即相对论束调管双束加速器（RK-TBA）方案。这种方案用直线感应加速器加速强流、低能量的驱动束,并在大部分束线维持10MeV能量。同时采用类似速调管的结构从驱动束引出频率为11.4GHz的射频功率，然后送到对撞机的高梯度加速结构上去加速另一束低电流束达到高能量，据估算，一台加速梯度50~200MeV/m（工作频率11.4MHz~30MHz）、能量1~5TeV的直线对撞机对驱动束的要求是：束流约1kA，加速梯度0.3MeV/m，脉宽50—200ns，始终维持束能量10MeV，以及重复频率约180Hz。

这些指标对直线感应加速器来说非常普通。这种方案的主要技术挑战是强流束的长距离传输。经过多年的理论和实验工作，已取得重要结果，对该方案的基础技术层面的论证已完成。

4.在高能物理和能源科学的可能应用

（1）超级束团强子对撞机

这是具有超级束团能力的感应同步加速器典型的应用。在超级束团强子对撞机中，超级质子束团在对撞机环上的占空比可高达20%-30%，而普通强子对撞机仅3%-4%，因此，超级束团强子对撞机的亮度可比普通强子对撞机提高大约20倍，亮度达到约。据估算，一台设计能量2×31TeV、亮度的超级束团强子对撞机，要求感应加速组元产生总电压约3MV、脉宽0.5μs、重复频率90kHz的加速电压；用于纵向脉冲约束的感应组元需要产生约100kV短电压脉冲。这是直线感应加速器技术可以实现的。

（2）中微子工厂/μ介子对撞机

基本概念是用直线感应加速器对纳秒质子束脉冲击靶产生的π介子/μ介子进行“相空间旋转”以降低其能量散度。主要物理和技术问题是：高加速梯度结构（2MV/m），高猝发重复频率（大约3.3MHz），可靠性、功率消耗量。

（3）散裂中子源

用直线感应加速器产生下一代散裂中子源要求的质子脉冲（约1GeV、1μs、50Hz、100A），与直线感应加速器技术非常匹配。这种想法是DenisKeefe20多年前提出的，我国的王淦昌院士在1993年也曾提出过类似设想。

（4）次临界反应堆

用固定场交变梯度环形感应加速器（CIAFFAG）产生的散裂中子源，驱动次临界的核废物嬗变反堆。

重大意义

至今，全世界共建成各类直线感应加速器100多台，已广泛应用于科学研究、国防领域和国民经济领域，包括闪光X光照相、高功率微波和自由电子激光、重离子聚变，以及在高能物理和能源科学的应用。

“神龙一号”加速器的研制，除被加速电子的能量提高到20MeV外，关键技术指标是将X光焦斑直径（FWHM）减小到1.5mm以下，以提高闪光X光照相分辨率。

“神龙一号”直线感应加速器位于四川绵阳中国工程物理研究院，主要用于核武器流体动力学试验闪光X光照相，是中国自行研制的核武器模拟试验关键设备。有了这种设备，就可以在实验室进行模拟核弹头初级模型的内爆试验、校验巨型计算机的数值模拟计算程序，也就是采用实验室模拟 + 数值模拟，可以解决核弹头从原理设计到武器化、工程化的一系列问题，不用进行地下核试验就能进行新弹头的设计、评估核材料的老化效应以确保核武器的可靠性和安全性。另外直线感应加速器还用来进行高功率微波和自由电子激光、重离子聚变研究。

神龙二号是世界上首台以猝发方式工作的兆赫兹重复率强流多脉冲直线感应加速器，它由中国工程物理研究院流体物理研究所独创设计，历时近十年研制而成，并于2014年全面达到设计指标。 2015年1月，由十四名院士组成的鉴定委员会一致认为："该项目系统复杂，研制难度很大，有重大创新，总体技术处于国际先进水平，部分重要指标国际领先"。神龙二号研制成功是直线感应加速器和我国核武器闪光照相技术发展中的一个重要里程碑。