射频电磁波是行波模式，所以称为行波直线加速器。行波直线加速器一般用来加速电子，也可以用来加速质子。

行波直线加速器主要包括微波功率源、聚焦系统、波导、吸收负载等部分。微波功率源采用几到几十吉赫兹速调管，频率高，加速结构短，功率一般为几十兆瓦。聚焦系统采用强聚焦结构，保证粒子束团发射度小。波导是慢波结构，使在其中传播的电磁波相速度小于或者等于光速，与运动粒子速度保持一致，保持加速相位同步。通常慢波结构使用盘荷波导结构。吸收负载能够防止电磁波反射，保持波导中电磁波是行波状态。

1924年G.伊辛首先提出利用射频技术加速带电粒子的想法。1927年德国科学家R.维德罗第一次用实验验证了射频直线加速理论，并把K离子加速到50千电子伏。1931年D.H.斯隆和E.O.劳伦斯在美国加州大学伯克利分校建成第一台维德罗型直线加速器并将汞（Hg）离子加速到1.26兆电子伏。因受制于高频高功率脉冲技术，直到第二次世界大战后由于雷达的发展，射频直线加速器又得到重视。L.W.阿尔瓦雷茨于1947年建成第一台质子谐振腔型漂移管直线加速器，采用了强聚焦原理，质子加速到32兆电子伏。1972年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室E.科纳普等人提出边耦合腔型加速结构（CCL），质子能量加速到800兆电子伏。1947～1961年，美国斯坦福大学MarK1-MarK4直线加速器，通过功率源和加速模式等改良，将电子加速到730兆电子伏。1966年美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）建立了一台3050米长超导电子直线加速器，将电子加速到22吉电子伏，1979年该中心完成了高功率微波系统SLED，脉冲功率达65兆瓦，利用S波段微波已经可以将电子加速到50吉电子伏。

美国斯坦福直线加速器中心和日本高能加速器研究所提出了新一代直线对撞机（NLC），采用X波段微波加速，加速梯度达到50兆伏/米，速调管峰值功率为50兆瓦。

最初的射频直线加速器都利用漂移管加速粒子。射频高压加在正负电极形成交变场，粒子在交变场中加速，然后粒子进入无场漂移空间等待下一个加速间隙的加速相位。提高交变电场频率，可以减少粒子在漂移空间的运动时间，从而可以缩短加速管长度。频率变高后，比如几百兆赫兹或者更高，电压方向变化太快，正负极的概念基本失效。此时若采用集中式电容电感元件，电源功率损耗过大，系统Q值太低。于是采用波导管传输微波功率，利用微波在波导管中建立的轴向交变电场加速粒子。

普通圆波导的微波传输相速度大于光速，而粒子运动速度小于光速。为了保证交变电场相速度与粒子运动速度一致，从而保证带电粒子一直踩在电场加速相位上，波导管采用慢波结构。慢波方法有很多，例如结构慢波、介质慢波等。行波直线加速器常用盘荷波导结构慢波，其结构如图1所示。粒子在盘片中心孔通过，微波在整个盘荷波导中传输，保证粒子在盘荷波导中受到电场加速，行波加速器尾部有匹配负载，吸收剩余微波能量不产生反射。

图1 盘荷波导结构

不同频率的微波在盘荷波导结构中产生不同的电场分布，导致不同的加速模式。典型的加速模式有0模、π/2模、2π/3模、π模等。模式表示两个相邻腔之间的电场相位差。如图2所示，π模就是相邻两个腔之间电场相位相差π，每两个腔组成一个周期。通常在行波直线加速器中采用2π/3模加速粒子，因为在这个模式下微波功率在结构中损耗最小。

图2 盘荷波导结构不同模式的电场分布图

所谓行波加速器，是利用微波在波导中各种行波状态或模式加速带电粒子的加速器。每个腔中电场随时在变化，粒子在第1个腔中处在加速电场相位，当粒子向前运动到达第2个腔时，腔中的电场相位也恰好变化到加速相位，粒子依然得到加速。整个加速器只要保证电场相位变化速度与粒子运动速度相同，粒子在各个腔中都得到加速。行波直线加速器中电子在电场中的加速相位变化如图3所示。假设波导管工作在2π/3模式，粒子在时刻处于第1个加速腔中，并且位于设定好的加速相位上。经过一个工作模式周期后，在时粒子已经运动到第4个加速腔，此时第4个腔中的电场相位正好变化到使粒子加速的相位。在行波直线加速器中，粒子一直踩在固定相位上随着微波电场一同向前运动而不断受到加速。

总是在加速相位上的粒子是参考粒子，束团中不同能量不同位置的粒子由于加速器自动稳相的作用，它们时而在固定相位左侧，时而在固定相位右侧来回振荡，所有束团都加速到指定能量。

图3 行波直线加速器中电子在电场中的加速相位变化示意图

粒子的横向聚焦采用强聚焦结构。因为不存在同步辐射的问题，直线加速器中粒子束团的发射度很小，随着能量增加，几何发射度减小，粒子束团尺寸变得越来越小。

行波直线加速器可以提供发射度很小的电子束团，满足自由电子激光（FEL）对电子束团的要求。行波直线加速器加速自由电子激光可以把激光亮度提高7个量级，波长在远红外到x射线波段。这样高亮度的光源在生命科学中的生物大分子结构测量、工业探测、医学应用等诸多领域有广泛的应用前景。例如医疗上，行波直线加速器可以用于放射性治疗和医用同位素生产等。

行波直线加速器也可以作为同步辐射光源、对撞机等的前级注入器。电子枪产生的电子首先通过直线加速器加速到一定能量并降低发射度，然后注入同步加速器加速到更高的能量。同步加速器的束流还可以再注入储存环或者更高能量的直线加速器。

电子对撞机必须通过直线加速器将电子加速到合适的能量，以满足对撞能量的要求。1989年开始运行的大型电子对撞机（LEP），通过直线加速器，才能将电子能量加速到100吉伏。

提高加速电场梯度可以缩短行波直线加速器长度，出现了许多提高加速电场梯度的新技术。德国TESLA直线正负电子对撞机采用超导加速结构，达到25兆伏/米的高梯度，加速器的微波频率为1.3吉赫兹。欧洲核子研究中心（CERN）直线正负电子对撞机CLIC采用双束加速方法。主加速管的加速梯度高达100兆伏/米，工作频率30吉赫兹。平行于主加速管的是3吉电子伏的电子强流直线加速器，电子束通过特殊的减速结构产生30吉赫兹的微波馈入主加速器加速电子，解决了功率源的问题。此外，还提出了诸如激光等离子体加速和尾场加速等新型加速技术。俄罗斯新西伯利亚核子研究所筹建中的等离子体尾场加速器，计算梯度可达0.5吉伏/米；日本大阪大学等离子体激光尾场加速装置的理论加速梯度为6×10²¹伏/米。