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1、加速器原理The Principles of Accelerators成都理工大学成都理工大学2013年年9月月12月月讲授内容讲授内容第一章：第一章：绪论第二章：高第二章：高压加速器加速器第三章：感第三章：感应加速器加速器第四章：回旋加速器第四章：回旋加速器第五章：自第五章：自动稳相原理相原理第六章：第六章：环形准共振加速器形准共振加速器第二章第二章 高压加速器高压加速器2.1、概述、概述2.2、高、高压加速器的耐加速器的耐压措施措施2.3、静、静电加速器加速器2.4、倍、倍压加速器加速器2.1、概述、概述1、高、高压加速器加速器利用利用直流高直流高压电场来加速来加速带电粒子的加速器。粒子的
2、加速器。高压加速器一高压加速器一般由高压电源、般由高压电源、加速管、离子加速管、离子源或电子枪、源或电子枪、高压电极、绝高压电极、绝缘支柱等设备缘支柱等设备组成。组成。2、两种典型的高、两种典型的高压型加速器型加速器高高压倍倍压加速器加速器 高高压静静电加速器加速器倍压加速器的发展历史倍压加速器的发展历史1931年，柯克洛夫特年，柯克洛夫特华尔顿华尔顿首次建成了高压倍加速器，首次建成了高压倍加速器，1932年第一次应用此加速器产年第一次应用此加速器产生了生了700KeV的质子束，实现的质子束，实现了第一次人工加速器粒子束引了第一次人工加速器粒子束引起的核反应。起的核反应。高压倍加速器在核物理研
3、究的高压倍加速器在核物理研究的初期，发挥了重要作用。初期，发挥了重要作用。由于其结构简单，能加速强流由于其结构简单，能加速强流束，至今仍被广泛使用。束，至今仍被广泛使用。静电加速器的发展历史静电加速器的发展历史1931年，范德格拉夫发明了带型年，范德格拉夫发明了带型静电起电机。静电起电机。1933年，一台年，一台1.2MeV质子静电加质子静电加速器建成，首先在这台静电加速速器建成，首先在这台静电加速器上观察到了共振核反应器上观察到了共振核反应 441.2KeV（共振峰）（共振峰）872.5KeV（共振峰）（共振峰）现应用这两个共振峰来校准加速现应用这两个共振峰来校准加速器的能量。器的能量。19
4、55年开始，发展串列式静电加年开始，发展串列式静电加速器速器2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施1、设置高置高压球壳球壳球间任意半径r处场强Rr0r孤立球：孤立球：2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施1、设置高置高压球壳球壳设置球壳后球表面处场强Rr0r2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施2、采用高、采用高压气体气体密封密封钢筒式筒式结构构2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施2、采用高、采用高压气体气体密封密封钢筒式筒式结构构2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施3、设中中间高高压电极极2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器
5、的耐压措施3、设中中间高高压电极极 在内筒与外筒壁间设置多级高压电极，使空间电场均匀分布，从而提高击穿电压各电极外表面电场强度：2.2、静电加速器、静电加速器 静静电加速器是高加速器是高压加速加速器的一种，具有束流品器的一种，具有束流品质优良、能量良、能量连续可可调、单色性好等色性好等优点，是低点，是低能核物理及能核物理及带电粒子与粒子与物物质相互作用研究的一相互作用研究的一个重要工具。个重要工具。静电加速器主要由以下几静电加速器主要由以下几部分组成：部分组成：静电起电机静电起电机（喷电电源、喷电针、输喷电电源、喷电针、输电带、刮电设备（针）、电带、刮电设备（针）、高压电极）；高压电极）；离子
6、源；加离子源；加速系统；束流后传输系统速系统；束流后传输系统2.2、静电加速器、静电加速器1、静、静电起起电机机静电起电机是一种利用输电静电起电机是一种利用输电系统将电荷传送到高压电极系统将电荷传送到高压电极的装置。的装置。组成成：喷电电源、喷电针、输喷电电源、喷电针、输电带、刮电设备（针）、高压电极。电带、刮电设备（针）、高压电极。工作原理：工作原理：#喷电过程喷电过程:喷针电附近产生强电喷针电附近产生强电场场 气体电晕放电气体电晕放电负离子向喷负离子向喷电针电针 正离子被推向输电带，附正离子被推向输电带，附着在输电带上，与输电带一起向着在输电带上，与输电带一起向上运动。上运动。#刮电过程：
7、刮电过程：在刮电针排附近也形在刮电针排附近也形成强电场气体电离正离子流向向成强电场气体电离正离子流向向针排，负离子流向皮带，中和带针排，负离子流向皮带，中和带上的正电荷。上的正电荷。充充电电压和和输电电流流 若高若高压电极极对地地电容容为，积累的累的电荷荷为，则高高压极极对地地电压V：为起起电机有效充机有效充电电流流 当当 时，即，即则 即即 高高压电极极对地地电压达到达到稳定定值。1、静、静电起起电机机输电电流的限制和提高流的限制和提高 加速器要求加速器要求输电系系统传输足足够强的的稳定定电流和足流和足够高的高的电压，这些要求受些要求受输电系系统性能性能和周和周围绝缘介介质性能性能的限制。的
8、限制。一般一般输电带能能输送的最大送的最大电流流为：其中：其中：为带上最大面上最大面电荷密度，荷密度，b为带宽，v为带速度。速度。b为有限有限值，v不可不可过大，以免引起大，以免引起带的震的震动而影响而影响电流的流的稳定性。定性。与与输电带周周围介介质气体的介气体的介电常数常数 及及输电带表面表面附近的附近的击穿穿电场Eb有下关有下关系：系：1、静、静电起起电机机电压的限制和提高的限制和提高 起起电机所能达到的机所能达到的最高最高电压与很与很多因素有关。有以下方程：多因素有关。有以下方程：此此时电压达到最大达到最大稳定定值Vm。Vm一般有下列一般有下列经验公式：公式：其中，其中，Vc为临界界电
9、压（电晕放放电和和电子子负载）；）；d为比例系数比例系数（与（与诸多因素有关）多因素有关）。可可见，要提高，要提高Vm，必，必须提高提高加速器系加速器系统的的Vc和和Im，减小，减小I漏漏，而而这些都与些都与绝缘介介质的的绝缘性能性能有关。有关。充气充气和和均均压是解决是解决问题的有效的有效途径途径1、静、静电起起电机机1、静、静电起起电机机2、静电加速器的加速管、静电加速器的加速管一般采用平板式一般采用平板式电极极结构的均匀构的均匀场加速管。加速管。加速管耐加速管耐压的几个的几个问 题绝缘环表面爬表面爬电 *高高压电瓷（瓷（75瓷）瓷）约3kV/cm）；）；*95瓷，瓷，约5kV/cm间隙的
10、完全隙的完全击穿穿*均均压以防局部放以防局部放电 *加速加速电场梯度取梯度取值要合要合适，一般真空适，一般真空击穿穿电场：100kV/cm 2.3、静电加速器、静电加速器不完全不完全击穿穿“全全电压效效应”加速管加到一定的加速管加到一定的电压阈值，管内，管内突然出突然出现大量反向大量反向电子流，并伴随有子流，并伴随有X射射线，电子流很快超子流很快超过加速器最大加速器最大负载电流，流，电压急急剧下降，造成不完全下降，造成不完全击穿，称穿，称为“全全电压效效应”或或电子子负载现象。象。解决解决办法：抑制法：抑制电子子负载。办法一：小孔加速管，抑制法一：小孔加速管，抑制电子倍增子倍增办法二：采用斜法
11、二：采用斜场加速管加速管办法三：磁抑制加速管法三：磁抑制加速管办法四：加速管两端加抑制法四：加速管两端加抑制电极极 2、静电加速器的加速管、静电加速器的加速管加速管的聚焦作用加速管的聚焦作用2、静电加速、静电加速器的加速管器的加速管3、串列式静电加速器串列式静电加速器 静静电高高压加速器所能加速的离子的最高能量，受到静加速器所能加速的离子的最高能量，受到静电起起电机所能达到的机所能达到的最高最高电压及加速管耐及加速管耐压的限制。（的限制。（68MeV:P）为了了进一步提高加速粒子的能量，一步提高加速粒子的能量，发展了展了串列式静串列式静电加速器加速器。又称又称多多级静静电加速器加速器。其中最基
12、本的。其中最基本的为两两级串列加速器串列加速器，两两级以上以上如三如三级和四和四级串列加速器，不串列加速器，不过是由两台两是由两台两级串列加速器（或由一串列加速器（或由一台两台两级串列加速器和一台串列加速器和一台单级静静电加速器）加速器）组合而成的加速系合而成的加速系统。这种提高静种提高静电加速能量的方法，早在加速能量的方法，早在 20世世纪 30年代就已提出，年代就已提出，直到直到负离子源和原子的剥离离子源和原子的剥离技技术取得成功之后，才于取得成功之后，才于1958年建成了年建成了世界上第一台加速世界上第一台加速质子能量子能量为13.4兆兆电子伏串列加速器。子伏串列加速器。由于由于这种加速
13、器保持了静种加速器保持了静电加速器的原有特点，又提高了能量，加速器的原有特点，又提高了能量，离子源装在加速器地离子源装在加速器地电势处,调节、更、更换零件都方便零件都方便,又便于加速多又便于加速多种粒子，所以种粒子，所以发展得很快，展得很快，60年代达到了它的全盛年代达到了它的全盛时期。到期。到1986年年时,运行中的串列加速器端运行中的串列加速器端电压达达5兆伏以上的兆伏以上的约有有70台。台。3、串列式静电加速器、串列式静电加速器基本基本结构构#充气充气钢筒及筒及绝缘气体循气体循环处理系理系统；#负离子源；离子源；#加速管；加速管；#电子剥离器；子剥离器；#起起电机；机；#分析磁分析磁铁及
14、束流后及束流后传输系系统#真空系真空系统3、串列式静电加速器、串列式静电加速器工作原理工作原理 从从负离子源离子源产生生负离子束，离子束，经过预加速、分析磁加速、分析磁铁注入串列加速注入串列加速器的一根加速管，由于加速器的高器的一根加速管，由于加速器的高压电极极为正高正高压，粒子朝高，粒子朝高压电极方向被加速一次。当极方向被加速一次。当负离子离子进到高到高压电极内部极内部时,经过电荷剥荷剥离器离器转变为带有有N个个电荷荷单位的正离子（位的正离子（N一般称粒子的一般称粒子的电荷）。荷）。而后而后,正离子正离子进入第二根加速管中，又受到正高入第二根加速管中，又受到正高压的排斥力，第二的排斥力，第二
15、次被加速，次被加速，经过两次加速，粒子两次加速，粒子获得的得的总能量能量为：E2qV3、串列式静电加速器、串列式静电加速器如如图为折叠式两极串列折叠式两极串列加速器。它的加速器。它的结构像一构像一个倒置的字母个倒置的字母U。从下。从下面注入的离子面注入的离子经一次加一次加速在高速在高压电极内被一个极内被一个大的偏大的偏转磁磁铁偏置偏置180后后,进入另一根加速管第入另一根加速管第二次加速。二次加速。4、静电加速器的性能特点、静电加速器的性能特点能量特点能量特点 束流能量高、能散度小、能量能精确束流能量高、能散度小、能量能精确调整。整。单极：极：6MeV（质子）子）串列：串列：1240MeV（质
16、子）子）在在20%100%之之间可可调。能散度：能散度：0.02%左右（最好），一般可达到左右（最好），一般可达到0.1%束流束流强度特性度特性 束流束流强度：度：单极，数百极，数百uA；串列，；串列，10uA。束流的聚焦性能束流的聚焦性能 可聚焦到毫米量可聚焦到毫米量级（一般）；微米量（一般）；微米量级（微束）（微束）加速离子种加速离子种类 单极：可加速任何极：可加速任何类型的型的带电粒子粒子 串列：只能加速能形成串列：只能加速能形成负离子的元素和化合物。离子的元素和化合物。是低能核物理及核分析、注入等的理想工具，同是低能核物理及核分析、注入等的理想工具，同时可作可作为大大型加速器的注入器。型加速器的注入器。5、静电加速器应用、静电加速器应用核物理研究；核物理研究；粒子束与物粒子束与物质的相互作用；的相互作用；粒子束分析（前散射、背散射分析）；粒子束分析（前散射、背散射分析）；加速器加速器质谱（AMS-AMS-accelerator mass spectrometer）。）。西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS西安西安3MV AMS设备总体布局体布局