Лине́йный ускори́тель, устройство, в котором заряженные частицы ускоряются электрическим полем, однократно проходя ускоряющие промежутки, в которых это поле сосредоточено. Траектория движения ускоряемого пучка представляет собой прямую линию или отрезки прямой, соединённые участками поворота пучка. Линейный ускоритель применим для ускорения заряженных частиц любого типа.

По своей структуре линейный ускоритель проще, чем циклический ускоритель, так как для него не требуется специальных устройств ввода и вывода пучка. В простейшем случае линейный ускоритель включает в себя источник частиц с устройствами формирования пучка и собственно ускоряющую структуру.

По способу создания ускоряющего электрического поля линейные ускорители делятся на 4 класса.

В ускорителях прямого действия (или высоковольтных ускорителях) электрическое поле имеет практически постоянную величину в течение всего процесса ускорения. Ускоряющая структура таких ускорителей состоит из источника высокого напряжения и ускорительной трубки. По принципу действия источника высокого напряжения они подразделяются на несколько типов, основными из которых являются: ускорители трансформаторного типа с выпрямлением вторичного напряжения, каскадные ускорители, электростатические ускорители. Основным ограничением энергии частиц в ускорителях прямого действия является пробой газа, окружающего высоковольтные электроды. Для повышения энергии используется метод перезарядного, или тандемного, ускорения.

В линейных индукционных ускорителях (ЛИУ или линейных бетатронах) используется вихревое электрическое поле (эдс индукции), возникающее при изменении магнитного потока. Ускоряющая структура линейного индукционного ускорителя представляет собой последовательность индукторов, состоящих из тороидального ферромагнитного сердечника и обмотки возбуждения, питаемых от источника импульсного напряжения. По принципу действия ускоряющая система ЛИУ представляет собой импульсный трансформатор. Основная задача, решаемая при конструировании таких ускорителей, заключается в передаче без искажения прямоугольного импульса напряжения, приложенного к первичной обмотке, пучку, являющемуся вторичной обмоткой.

В высокочастотных резонансных ускорителях частицы ускоряет электрическая компонента поля электромагнитной волны. В качестве ускоряющей структуры используется последовательность трубок дрейфа, связанные или не связанные между собой резонаторы, диафрагмированные волноводы и т. д. Питание в систему подаёт генератор высокочастотной мощности. Выделяют ускоряющие структуры со стоячей волной и с бегущей волной. По сорту ускоряемых частиц высокочастотные резонансные ускорители делятся на ускорители электронов и ускорители протонов (ионов).

В некоторых ускорителях тяжёлых частиц (протонов, ионов) применяются коллективные методы: ускорение одних частиц с помощью электрических полей, создаваемых другими заряженными частицами. По механизму ускорения коллективные методы подразделяются на ускорение волнами в плазме, электростатическое коллективное ускорение тяжёлых ионов, ускорение сильноточными пучками релятивистских электронов, ускорение электронными кольцами и лазерное ускорение заряженных частиц.

История развития линейных ускорителей

Возникновение линейных ускорителей связано с развитием техники получения высоких напряжений, необходимых для разгона заряженных частиц. Первое устройство, позволявшее получать напряжения в несколько мегавольт, – резонансный трансформатор – был создан и запатентован Н. Теслой в 1891 г. В 1919 г. Г. Грейнахер построил первый каскадный генератор, работавший по схеме умножения напряжения, в которой набор электрических конденсаторов заряжался через систему диодов от источника переменного тока. В 1931 г. Р. Ван де Грааф создал первый электростатический генератор, позволявший получать напряжение свыше 1 МВ (генератор Ван де Граафа). В современных устройствах такого типа достигается напряжение на ускоряющем зазоре до 20 МВ. Для ускорения частиц до бóльших энергий используются принципы резонансного и индукционного ускорения. Активная разработка ускорителей такого типа началась после Второй мировой войны 1939–1945 гг. в связи с бурным развитием техники генерации СВЧ-колебаний для целей радиолокации. В середине 1960-х гг. развитие высоковольтной импульсной техники привело к возникновению нового направления в ускорительной технике – генерации пучков заряженных частиц с током до нескольких мегаампер, т. е. к созданию сильноточных ускорителей. Коллективные методы ускорения, предложенные в середине 1950-х гг. в качестве альтернативы классическим методам, в теории позволяли резко увеличить темп ускорения (энергию, набираемую за единицу пути) и интенсивность пучков, но пока к созданию действующих установок не привели. В конце 20-го в. началось широкое использование ускоряющих систем, включающих сверхпроводящие резонаторы. Такие системы позволяют уменьшить потери мощности, расходуемой на нагрев резонаторов, и обеспечить непрерывный режим ускорения, сочетаемый с высокой мощностью ускоренного пучка.

Применение линейных ускорителей

Пучки ускоренных электронов и тормозное излучение, получаемые в линейных ускорителях прямого действия, применяют в различных технологических процессах, в том числе в промышленных ускорителях электронов.

ЛИУ использовались в качестве инжекторов для формирования электронных колец при коллективном ускорении ионов. Направляя пучок, получаемый в ЛИУ, на специальные мишени, можно воспроизводить некоторые характеристики излучения, возникающего при ядерном взрыве, для исследования его воздействия на материалы и оборудование. В последнее время ЛИУ активно используются для протонной радиографии.

Высокочастотные линейные ускорители электронов применяются в промышленности так же, как и ускорители прямого действия. Этот тип ускорителей, наряду с бетатронами, является наиболее распространённым в клинических условиях для радиационной терапии онкологических заболеваний.

Одной из важнейших областей применения высокочастотных ускорителей является генерация когерентного электромагнитного излучения в лазерах на свободных электронах. В этих устройствах последовательность ускоренных сгустков электронов направляется в вигглер – устройство со знакопеременным поперечным магнитным полем. Длина волны когерентного излучения определяется энергией электронов и длиной периода изменения поля в вигглере. Линейный ускоритель электронов на основе сверхпроводящих резонаторов является основой Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах, эксплуатируемого в лаборатории DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Германия).

Линейные ускорители ионов используются для производства устройств микроэлектроники методом ионной имплантации.

Линейные ускорители протонов с высокой мощностью ускоренного пучка планируется использовать для электроядерного способа производства электроэнергии.

При ускорении электронов (позитронов) до энергии пучка в несколько десятков гигаэлектронвольт и выше линейный ускоритель становится эффективнее циклического ускорителя, поскольку в нём отсутствуют потери энергии на синхротронное излучение. На основе линейных ускорителей разрабатываются проекты линейного коллайдера с энергией пучков до 1 ТэВ и выше.