[科普]固態(tài)微波功率系統(tǒng)在粒子加速器應(yīng)用中的重要性研究
固態(tài)微波功率系統(tǒng)在粒子加速器應(yīng)用中的重要性研究
粒子加速器（particle accelerator）全名為“荷電粒子加速器”,帶電粒子在電場中會(huì)受力而得到加速、提高能量，因此，粒子加速器被定義為利用電磁場加速帶電粒子的裝置，它是人為地給予各種高能粒子束或輻射線的現(xiàn)代化裝備。
粒子加速器應(yīng)用極廣，科研用途上高能物理實(shí)驗(yàn)比如對撞機(jī)、成像，比如自由電子激光、同步輻射光源、散裂中子源、電鏡什么的都離不開加速器；醫(yī)療方面的如光子放療、質(zhì)子放療；工業(yè)方面如工業(yè)輻照的、集裝箱檢測等，甚至如曾經(jīng)的電視機(jī)的顯像管就是個(gè)小型加速器。
粒子加速器從形式上（原理上也有所不同）可以分為直線型和環(huán)形兩種。環(huán)形粒子加速器其實(shí)就是直線型粒子加速器的變種。
粒子加速器誕生最初為直線型，直線型加速器原理很簡單，就是利用盤荷波導(dǎo)內(nèi)的微波電場來加速帶電粒子，微波工作在行波狀態(tài)，理論上說這種結(jié)構(gòu)是可以無限提高粒子能量的，只要不停地級聯(lián)相同的加速單元。
環(huán)形加速器就是帶電粒子的運(yùn)行軌道在一個(gè)封閉的環(huán)內(nèi)，這樣可以減少加速器的體積，且粒子可以在環(huán)里被逐漸積累，所以通常這個(gè)環(huán)叫作儲存環(huán)。其工作原理簡單地講就是粒子在儲存環(huán)里一圈一圈的轉(zhuǎn)，但每轉(zhuǎn)一圈就經(jīng)過一次高頻腔（相當(dāng)于一個(gè)微波諧振腔），控制腔內(nèi)電磁場使每次粒子到達(dá)時(shí)都恰好為前向軸向電場，這樣粒子就相當(dāng)于每次經(jīng)過高頻腔就被向前“踢”了一腳，也即被電場加速了一下
不過粒子的環(huán)形運(yùn)動(dòng)必然帶來同步輻射（Synchrotron Radiation），這對于以最大效率加速粒子為目的的實(shí)驗(yàn)而言則是不小的災(zāi)難，因?yàn)闀?huì)有大量的不可抑制的能量損失。而對于同步輻射光源來講便是需要這種光束質(zhì)量優(yōu)秀的輻射來探測物質(zhì)組成成分，直線加速器幾乎不存在同步輻射現(xiàn)象，所以現(xiàn)在的同步輻射裝置都采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。
總而言之，直線加速器靠微波來加速粒子，微波由微波功率源系統(tǒng)取得并由波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)輸入到加速腔中，粒子經(jīng)初步加速后注入到環(huán)形加速器中進(jìn)一步加速?；蛘唔樌@得級聯(lián)加速管，不采用環(huán)形加速器，直接加速到需要的能量點(diǎn)。
微波功率系統(tǒng)是直線加速器的重要組成部分,電子加速所需的能量依靠微波功率系統(tǒng)給予,其穩(wěn)定性關(guān)系到電子束的束流品質(zhì),并最終影響太赫茲輻射的波長以及輸出功率。
為順應(yīng)科技和市場需求的開展，專門針對粒子加速器領(lǐng)域研發(fā)了粒子加速器專用固態(tài)微波功率源（固態(tài)微波功率放大器）。
現(xiàn)在市場上的微波功率放大器件主要分為電真空功率器件和半導(dǎo)體功率器件，而固態(tài)微波放大器為半導(dǎo)體功率器件。
在粒子加速器應(yīng)用領(lǐng)域，全固態(tài)微波功率放大器相比傳統(tǒng)電真空功率器件的優(yōu)點(diǎn)如下：
高可靠性 ——全固態(tài)微波功率放大器采用低壓供電，多模塊并聯(lián)合成，因此個(gè)別模塊的損壞對整體性能影響較小，從使用的可靠性來說明顯高于電真空放大器。
高穩(wěn)定性 ——全固態(tài)微波功率放大器的幅度、相位在放大器工作狀態(tài)確定后主要受溫度的影響較大，電源波動(dòng)的抑制較高，受電源波動(dòng)的影響較小，而溫度變化是慢變化過程，低電平控制系統(tǒng)可有效地控制；
維護(hù)成本低 ——全固態(tài)微波功率放大器模塊價(jià)格較低，損壞時(shí)修復(fù)成本低，且無高壓、可在線更換，另外無壽命器件，不需備份價(jià)格昂貴的電真空管。
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