第二章-高压加速器1

3、串列式静电加速器
如图为折叠式两极串列 加速器。它的结构像一 个倒置的字母U。从下 面注入的离子经一次加 速在高压电极内被一个 大的偏转磁铁偏置 180°后,进入另一根加 速管第二次加速。
4、静电加速器的性能特点
能量特点
束流能量高、能散度小、能量能精确调整。 单极： 6MeV（质子） 串列： 12～40MeV（质子） 在20%～100%之间可调。 能散度：0.02%左右（最好），一般可达到0.1% 束流强度特性 束流强度：单极，数百uA；串列， <10uA。 束流的聚焦性能 可聚焦到毫米量级（一般）；微米量级（微束） 加速离子种类 单极：可加速任何类型的带电粒子 串列：只能加速能形成负离子的元素和化合物。
3、设中间高压电极
1 1 没有中间电极时： V E ( r0 )r0 ( ) r0 R 有中间电极时：
' 0 2
2 1 1 1 1 2 1 2 1 V0 E ( r0 ) r2 ( ) r1 ( ) r0 ( ) r1 r2 r0 r1 r2 R
r0 1 r1 r2 取 , 0.67, 0.84 R 2 R R V0 1.58 ' V0
可见，要提高Vm，必须提高 加速器系统的Vc和Im，减小I漏， 而这些都与绝缘介质的绝缘性能 有关。 充气和均压是解决问题的有效 途径
此时电压达到最大稳定值Vm。
1、静电起电机
2.3、静电加速器
2、静电加速器的加速管
一般采用平板式电极结构的均匀场加速管。 加速管耐压的几个 问题 绝缘环表面爬电
* 高压电瓷（75瓷） 约3kV/cm）； * 95瓷， 约5kV/cm 间隙的完全击穿 * 均压以防局部放电 * 加速电场梯度取值要 合适，一般真空击穿 电场：100kV/cm
2、静电加速器的加速管
不完全击穿→“全电压效应”
加速管加到一定的电压阈值，管内 突然出现大量反向电子流，并伴随有X 射线，电子流很快超过加速器最大负 载电流，电压急剧下降，造成不完全 击穿，称为“全电压效应”或电子负 载现象。 解决办法：抑制电子负载。 办法一：小孔加速管，抑制电子倍增 办法二：采用斜场加速管 办法三：磁抑制加速管 办法四：加速管两端加抑制电极
静电加速器主要由以下几 部分组成：静电起电机 （喷电电源、喷电针、输 电带、刮电设备（针）、 高压电极）；离子源；加 速系统；束流后传输系统
2.2、静电加速器
1、静电起电机
静电起电机是一种利用输电 系统将电荷传送到高压电极 的装置。 • 组成：喷电电源、喷电针、输
• 工作原理：
电带、刮电设备（针）、高压电极。
r / Hale Waihona Puke Baidu0
R
2.2、高压加速器的耐压措施
1、设置高压球壳
设置球壳后球表面处场强
V E ( r0 ) 1 2 1 r0 ( ) r0 R
V 有球壳时，当 r0 R / 2时， E ( r0 ) min R/4 1 ' ' E ( r0 ) min E击穿，V Vmax E击穿 r0 2

是低能核物理及核分析、注入等的理想工具，同时可作为大 型加速器的注入器。
5、静电加速器应用

核物理研究； 粒子束与物质的相互作用； 粒子束分析（前散射、背散射分析）； 加速器质谱（AMS- accelerator mass spectrometer ）。
西安3MV加速器质谱仪-AMS
# 喷电过程 : 喷针电附近产生强电 场→ 气体电晕放电→负离子向喷 电针→ 正离子被推向输电带，附 着在输电带上，与输电带一起向 上运动。 # 刮电过程：在刮电针排附近也 形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 带上的正电荷。
1、静电起电机
充电电压和输电电流
若高压电极对地电容为Ｃ，积累的电荷为Ｑ，则高压极 对地电压V ：
加速器原理
The Principles of
Accelerators
成都理工大学 2013年9月—12月
讲授内容
第一章：绪论 第二章：高压加速器 第三章：感应加速器 第四章：回旋加速器 第五章：自动稳相原理 第六章：环形准共振加速器
第二章 高压加速器
2.1、概述 2.2、高压加速器的耐压措施 2.3、静电加速器 2.4、倍压加速器
2.1、概述
1、高压加速器
利用直流高压电场来加速带电粒子的加速器。W ZeU 高压加速器一 般由高压电源、 加速管、离子 源或电子枪、 高压电极、绝 缘支柱等设备 组成。
2、两种典型的高压型加速器 高压倍压加速器 高压静电加速器
倍压加速器的发展历史
1931年，柯克洛夫特—华尔顿 首次建成了高压倍加速器， 1932年第一次应用此加速器产 生了700KeV的质子束，实现 了第一次人工加速器粒子束引 起的核反应。 高压倍加速器在核物理研究的 初期，发挥了重要作用。 由于其结构简单，能加速强流 束，至今仍被广泛使用。
1 q R V E ( r )筒 dr dr ln 2 r0 r 2 r0 r0
R
D
q
R
E ( r )筒
V R r ln r0
r0处，E ( r0 )筒
V R r0 ln r0
2.2、高压加速器的耐压措施
2、采用高压气体—密封钢筒式结构
圆球部分： V球.击穿 1 1 E击穿 r0 ( ) r0 R
2
圆筒部分： V筒.击穿 R E击穿 r0 ln r0
1 r0 时， R 球 2 R V球.击穿最大，为E击穿 4
1 r0 一般取 接近于 2 R
1 r0 时， R 筒 e R V筒.击穿最大，为E击穿 e
2.2、高压加速器的耐压措施
Q V C dV 1 dQ dt C dt
i有效 为起电机有效充电电流
i有效 i充 i总负载 i充 (i束负载 i漏 i电晕 )
当 i充 i总负载 时，即
i有效 0
则
dV 0 即 dt
V 常数
高压电极对地电压达到稳定值。
1、静电起电机
输电电流的限制和提高
2.2、高压加速器的耐压措施
3、设中间高压电极
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： V0 V1
V2 E ( r2 ) 1 2 1 r2 ( ) r2 R V1 V2 E ( r1 ) 1 2 1 r1 ( ) r1 r2 E ( r0 ) 1 1 r0 ( ) r0 r1
3、串列式静电加速器
基本结构
# 充气钢筒及绝缘气体循 环处理系统； # 负离子源； # 加速管； # 电子剥离器； # 起电机；
# 分析磁铁及束流后传输系统 # 真空系统
3、串列式静电加速器
工作原理
从负离子源产生负离子束，经过预加速、分析磁铁注入串列加速
器的一根加速管，由于加速器的高压电极为正高压，粒子朝高压 电极方向被加速一次。当负离子进到高压电极内部时,经过电荷 剥离器转变为带有N个电荷单位的正离子（N一般称粒子的电 荷）。而后,正离子进入第二根加速管中，又受到正高压的排斥 力，第二次被加速，经过两次加速，粒子获得的总能量为： E＝ 2qV
静电加速器的发展历史
1931年，范德格拉夫发明了带型 静电起电机。 1933年，一台1.2MeV质子静电 加速器建成，首先在这台静电加 速器上观察到了共振核反应 7 Li( p, ) 8Be 441.2KeV（共振峰） 19 F ( p, ) 16O 872.5KeV （共振峰） 现应用这两个共振峰来校准加速 器的能量。 1955年开始，发展串列式静电加 速器
加速器要求输电系统传输足够强的稳定电流和足够高的电 压，这些要求受输电系统性能和周围绝缘介质性能的限制。 一般输电带能输送的最大电流为： I bv
m m
其中： m 为带上最大面电荷密度，b为带宽，v为带速度。 b为有限值，v不可过大，以免引起带的震动而影响电流的 m 稳定性。 与输电带周围介质气体的介电常数 及输电带 表面附近的击穿电场Eb有下关 系： 2 E

m
b
1、静电起电机
电压的限制和提高
起电机所能达到的最高电压与很 多因素有关。有以下方程：
Vm一般有下列经验公式：
Vm Vc (
I m I 束负载 I 漏 d
)
dV 1 dQ 1 i有效 其中，Vc为临界电压（电晕放 dt C dt C i有效 i充 i总负载 i充 (i束负载 i漏 i电晕 ) 电和电子负载）；d为比例系数 （与诸多因素有关）。
西安3MV AMS设备总体布局
r0
r
R
孤立球： E(r0 ) E击穿，V Vmax E击穿 r0
2.2、高压加速器的耐压措施
2、采用高压气体—密封钢筒式结构
V 圆球部分：E ( r0 )球 1 2 1 r0 ( ) r0 R 圆筒部分：单位长度上 电荷量为q
ql q E ( r )筒 2rl 2r
加速管的聚焦作用
2、静电加速 器的加速管
3、 串列式静电加速器
静电高压加速器所能加速的离子的最高能量，受到静电起电 机所能达到的最高电压及加速管耐压的限制。（6～8MeV:P） 为了进一步提高加速粒子的能量，发展了串列式静电加速器。 又称多级静电加速器。其中最基本的为两级串列加速器，两级以上 如三级和四级串列加速器，不过是由两台两级串列加速器（或由一 台两级串列加速器和一台单级静电加速器）组合而成的加速系统。 这种提高静电加速能量的方法，早在 20世纪 30年代就已提出， 直到负离子源和原子的剥离技术取得成功之后，才于1958年建成了 世界上第一台加速质子能量为13.4兆电子伏串列加速器。 由于这种加速器保持了静电加速器的原有特点，又提高了能量， 离子源装在加速器地电势处, 调节、更换零件都方便,又便于加速多 种粒子，所以发展得很快，60年代达到了它的全盛时期。到1986年 时,运行中的串列加速器端电压达5兆伏以上的约有70台。
2.2、高压加速器的耐压措施
1、设置高压球壳
Q E (r) 4r 2
R
球间任意半径r处场强
D
r0
r
R
Q V E ( r )dr 4 r0
V E (r) 1 2 1 r ( ) r0 R
1 Q 1 1 dr ( ) 2 r 4 r0 R r0
孤立球：R 时，E ( r ) 2V
2
使E ( r2 ) E ( r1 ) E ( r0 ) 2 1 1 1 1 2 1 2 1 V0 E ( r0 ) r2 ( ) r1 ( ) r0 ( ) r1 r2 r0 r1 r2 R
2.2、静电加速器
静电加速器是高压加速 器的一种，具有束流品 质优良、能量连续可调、 单色性好等优点，是低 能核物理及带电粒子与 物质相互作用研究的一 个重要工具。