北京大学6MV串列静电加速器的运行及其应用
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[doc]HI—13串列加速器的改进
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HI—13串列加速器的改进
7年通过国家验收.加速
器运行状态良好.运行水平逐年提高.已累积供束约13000h.
为确保加速器安全稳定运行.为改善加速器性能及扩大使用范围,从加速器投入运行起,
就开始考虑加速器的改进和发展工作,但由于加速器运行任务重,资
金不充足等原因.近期 难以开展非常重大的改进项目,因此首先开展了投资少见效快的加
速器改进和部件国产化的 工作.现简l介如下:
一
,注入器系统 nHI一13串列加速器的注入器为1410型注入器.其能量为
0—150keV.双聚焦磁铁分辨率 L为1/80,配备有834型溅射负离子源.725型双等离子体负离子
源.710型锂电荷交换负离
子源.已获20余种负离子. L部件改进及国产化
725型负双等离子源原设计的中间电极,阳极及吸极之间间隙小,固
定不可调.电极间
经常发生打火,造成柬漉不稳定.现对原结构进行改进,将中间电极一
阳极间隙由0.2mm 增到08mm’阳极一吸极间晾由1mE增到2mE.之后,再无打火现象发
生.并保持了啄 有的束流强度和发射度.834型溅射源的钨离子器是易损而又关键的
部件,如从美国购买,
不仅价格昂贵+且订贷周期长,因此用自制的钨离子器,其性能良好,寿命达上千h.在
834溅射源上采用反射束型靶锥.较大地增加了那些产额较低的负离
子的流强.例如用反射
Si靶锥获6ASi一.注入器真空系统中15.24cm和10.16cm扩散泵的
工作液为Vatian公司 的聚苯醚,现改用国产高真空硅油代之,工作正常,性能良好.注入器
15okV平台E的离
子谭和某些设备由去离子水和氟里昂113来冷却.如工作环境相对
湿度大于50%.冷却塑料
管t会凝结水珠.再加上塑料管上附着灰尘,致使处于150kV和地电位之问的冷却塑料管爬
电或打火,造成注入器难于正常工作.设计一个移动式干燥罐,把冷却塑料管放其内,罐内
充有稍大于一个气压的干燥氨气,氮气可流动,问题得到圆满解决.
加速器质谱技术检测细胞中DNA加合物的方法体系的建立及其应用
【捕要】 拳研究采用加速器质谱技求 对体外培养细胞进行化学致癌牺一～苯并 芘厦杀无萄酯的ＤＮＡ加合枷的 Ｃ的标记 示赡研究，建立了ＤＮＡ加合枷的剂量效 应关系．并柳步探讨了化学致癌物与细胞 作用时１日１与ＤＮＡ加合物开ｊ戍关系．建立 的谤细胞模型可为细胞水平的化学致墙的 机理的探讨提供有力酌手段、 【Ａｂｓｔｒａｃｔ ｌ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ ｍ￣．ｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＡＭＳ１ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｍｄｙ ＤＮＡ ａｄｄｕｃｔｓ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃａｒｃｉｎｏｇｅｎｓ————ｂｅｎｚｏ （ａ）ｐｙｒｅｎｅ ａｎｄ ｓｕｍｉｃｉｄｉｎ ｂｙ ｌａ Ｃ ｔｒａｃ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｃｅｌｌ ｃａ［ｔｕｎ＝ｍｏｄｅｌ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｈｅ，ｖｅｉｎ ａｄｄｕｃｌｓ ａｎｄ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｗｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ ａｄｄｕｃｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｔｉｍｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ Ｔｈｉｓ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｌｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｕｍｏｒｉｇｅｎｅｓｉｓ ｃａｒｃｉｎｏｇｅｎｓ ｏｆｔ ｃｇｌｌ ｌｅｖｅｌ Ｅ关键词ｌ 加速器质谱（ＡＭＳ） ＤＮＡ加合物 苯井芘 杀灭菊醇 细 胞培养 ＫＫｅｙ ｗｏｒｄｓ￣ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ ｍａｓｓ ｓｐｃｃｔｒｏｍ￣－ ‘ （ＡＭｓ）ＤＮＡ ａｄｄｕｃｔ Ｂｅｎｚｏ（ａ）ｐｙｒｅｎｅ ＳＵｍｉｃｉｄｉｎ ｃｅｌＩ ｃｕｌｔｕｒｅ 中囤法丹娄号 Ｏ２－３３ 目前已知的大多数化学致癌物．进Ａ 体内经过代谢活化后、可形成亲电性的终 致痞物．与体内的ＤＮＡ分子共价结合． 彤成ＤＮＡ加合物（ａｄｄｕｃ１）、从而引起 ＤＮＡ分子的损伤．启动化学致癌过程。多 阶段的化学致癌事件中．ＤＮＡ Ⅱ合物的形 成是一个早期．可检测到的关键步骤。 ＤＮＡ加合物的测定广泛用于评价机体致瘟 危险度与化学致癌的致突变．致瘟的麓 力 Ｖｏｇｅｌ和Ｔｕｒ￣ｌｔａｕｂ ２０世纪９０年代 首先耨加速嚣质谱擅术（ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＡＭＳ）血甩于生物医学领域 中．进行ＤＮＡ】］。台蜘的 Ｃ标记示踪涮 量。成功实现了ＡＭＳ擅术与生物医学的结 合．产生了新的研究分支Ｂｉｏ—ＡＭ 研究表明ＤＮＡ加合物的ＡＭＳ的测定是目 前灵敏度最高，较为快速．稳定的方法。 本文建立了离体细胞体系中ＤＮＡ加合物的 ＡＭＳ的检－删方法．在体外培养的人肝Ｌ０２ 细胞中建立了致癌物及其ＤＮＡ加台物的剂 量效应关系．可为在细胞水平的化学致癌 的机理的探讨提供有力的手段。 １材料和方法 ＩＪ１ 主要试剂．材抖与仪嚣 Ｃ一苯并芘ｂｅｎ￣ｏ（ａ１ ｐｙｒｅｎｅ ７ 一 ｃ（）９９％），比活度９．８４×ｌ０ Ｂｑ／ ｍｍｏ１．为Ｓｉｇｍａ公司产品。 Ｃ一杀灭萄 酯（。℃Ｎ）．比活度２ ２２×】０ Ｂｑ／ｍｇ，舸 于中科院上海原子核所。人肝Ｌ０２细胞由 中科院上海细胞所提Ｉ井。蛋白酶Ｋ为
串列加速器电离性束流截面探测器设计
第２４卷第７期 ２０１２年７月 强 激 光 与 粒 子 束 ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ Ｖｏ１．２４。ＮＯ．７ Ｊｕ１．，２０１２
文章编号：１００１—４３２２（２０１２）０７－１５８９—０６
串列加速器电离性束流截面探测器设计
张耀锋
（北京师范大学核科学与技术学院，射线束技术与材料改性教育部重点实验室，北京１００８７５）
摘 要： 基于ＧＩＣ ４１１７串列加速器束流引出线束流测量需求，开展了电离型束流截面探测器设计工作， 主要包括系统收集信号强度的计算，采用有限元软件进行电场系统、磁场系统优化设计，给出了电场系统与磁 场系统设计参数。通过引入辅助磁场，测量系统能够实现束流轨道的自动校正，系统对柬流的影响可以忽略。 对影响测量精度的电离电子横向位置偏移进行了分析，并对电离电子进行轨迹跟踪。跟踪结果表明：电离电子 在横向位置的运动偏移可以控制在０．３ ｍｍ以内，与理论分析一致。 关键词： 串列加速器； 电离性束流截面探测器； 磁场设计； 轨道跟踪 ‘ 中图分类号：ＴＬ５０６ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０ｌ２２４０７．１５８９
电离性束流截面探测器（ＩＰＭ）具有响应时间快、测量束团截面范围大、能实现对束团的非拦截性测量以及 适用能量范围广等特点，广泛应用于质子与重离子加速器装置，为加速器的束流调试、正常运行监控、加速器束
流性能测量与研究提供重要的测量手段。国外许多质子、重离子加速器以及相应束流传输线均设计、安装了 ＩＰＭ装置，用于束流截面信息测量口 ］。国内用于质子或重离子加速器上的ＩＰＭ装置研究处于起步阶段，如中
国散裂中子源项目开展了用于质子快循环同步加速器上的ＩＰＭ装置设计 ］。北京师范大学分析测试中心 ＧＩＣ４１１７型２×１．７ ＭＶ串列加速器，能够加速质子、碳、硅等多种离子束流。目前建有４条束流线，分别用于 质子荧光内外束测试以及离子柬注人实验［７］。现有的串列加速器装置缺少必要的束流性能测试设备，ＩＰＭ装
完整word版,例谈几种常见加速器的工作原理
例谈几种常见加速器的工作原理
浙江奉化中学 王军明
加速器的全称是“带电粒子加速器”,顾名思义，它是利用电磁场加速带电粒子的装置。带电粒子包括电子、质子、粒子和各种离子。加速器将电磁能量转移给带电粒子,使带电粒子速度加快,能量增高。自1931年首台静电加速器问世以来，这种作为探索原子核结构而发展起来的粒子加速器得到迅速的发展。加速器类型已增加到20多种。数量已达五千多台。按粒子在加速过程中的轨迹和加速原理相结合的分类方法：可分为高压加速器、感应加速器、直线加速器和回旋加速器。04年高考又把“回旋加速器”列入考试大纲，所以本文结合例题简单谈谈这几类加速器的工作原理。
一、高压加速器
高压加速器是利用直流电场加速带电粒子的加速器。这类加速器结构简单，造价低廉。
例1、串列加速器是用来产生高能离子的装置。如图（一）中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部b处有很高的正电势U,a、c两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负一价碳离子从a端输入，当离子到达b处时，可被设在b处的特殊装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速度大小，这些正n价碳离子从c端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感应强度为B匀强磁场中，在磁场中做半径为R的圆周运动，已知碳离子的质量kgm26100.2，vU5105.7，,2,50.0nTB基元电荷ce19106.1,，求R.
解析：设碳离子到达b处时的速度为1v,从c端射出时的速度为2v，由能量关系得eUmv2121……①，neUmvmv21212221……②，进入磁场后，碳离子做圆周运动，可得RvmBnev222……③ ， 由以上三式可得 enmUnBR)1(21……④ ， 由④式及题给数值可得R=0.75m
二、感应加速器
例2，电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场加速电子的。在圆形磁铁两极之间有一环形真空管，用交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从而在环形室内产生很强的电场，使电子加速。被加速的电子同时在洛仑兹力的作用下沿圆形轨道运动。在10-1ms内电子已经能获得很高的能量了。最后把电子引入靶室，进行实验工作。北京正负电子对撞机的环行周长为=240m,加速后电子在环中做匀速圆周运动的速率接近光速，其等效电流大小I=8mA,则环中约有多少个电子在运行？
核技术及其应用的发展
核技术及其应用的发展
0 引言
1896 年贝克勒尔发现铀的天然放射性，从此诞生了一门新的科学：原子核科学技术。1919 年卢瑟福利用天然α 射线轰击各种原子，确立了原子的核结构，随后又首次用人工方法实现了核反应。但是用天然射线源能够研究的核反应很有限，人们开始寻找一种可以产生具有不同能量的各种粒子束的装置，于是粒子加速器应运而生。同时，为了探测各种射线和核反应的产物，还需要有辨别粒子种类和能量的探测器及相应的电子学设备。在研究核物理的过程中人们发现，放射性一方面可能造成人体的伤害，另一方面它也可以在医学、工农业和其它方面有许多应用。于是相应地，辐射防护技术与射线应用技术也发展起来。此外，核物理的研究还导致了许多放射性核素的发现。它们的半衰期长至数千万年，短至不足1 秒。在不同场合下选择适当的放射性核素，可以做示踪剂、测年工具或药物使用。这就是放射性核素技术（或称为同位素技术）。上述粒子加速器技术、核探测技术与核电子学、射线和粒子束技术、放射性核素技术等，通常统称为核技术[1]。概括而言，核技术就是利用放射性现象、物质（包括荷能粒子）和规律探索自然、造福人类的一门学科，其主要内容是研究射线、荷能粒子束和放射性核素的产生、与物质相互作用、探测和各种应用的技术。在我国现行的研究生培养体系中“核技术及应用”属于一级学科“核科学与技术”之下的一个二级学科。核技术还包括核武器技术与核动力技术（或称为核能技术）。核动力技术的核心是反应堆技术，反应堆可用来发电、供热、驱动运载工具等。反应堆还可以产生大量中子，故在有些核技术应用中亦可利用反应堆作为中子源，或利用反应堆中子做活化分析、生产放射性核素等。“核能工程与技术”和“辐射防护与环境保护”也是“核科学与技术”之下的二级学科。
实际上核技术与核物理是密不可分的，这两个学科在发展过程中始终是互相依托、互相渗透的。同时，作为核探测技术和射线应用技术的基础，研究各种射线和荷能粒子束与物质的相互作用是十分重要的。其相互作用既可以产生物理的变化，也可以产生化学的变化，还可以产生生物学的变化。相应的研究构成了辐射物理学、辐射化学和辐射生物学的主要内容。在核技术的应用中还经常要对放射性核素进行分离，或用放射性核素标记化合物，这属于放射化学的范畴。因此，核技术及应用这一学科与核物理学、辐射物理学、辐射化学、放射化学等学科有密切的联系，其中辐射物理往往也被纳入核技术的范畴内。近年来核技术在医学中的应用得到迅速发展，相应地又产生了医学物理、核医学等学科。另一方面，核技术的研究经常涉及大型仪器设备的研制，其本身又是物理、机械、真空技术、电子学、射频技术、计算机技术、控制技术、成像技术等多种学科和技术的综合。故此核技术充分体现了多种学科的交叉这一特点，是现代科学技术的重要组成部分，也是当代重要的高技术之一。第二次世界大战之后核技术开始大规模地应用到国民经济之中，形成了许多新兴的产业，如辐射加工、无损检测、核医学诊断设备与放射治疗设备、同位素和放射性药物生产等。据统计，美国和日本的国民经济总产值（GDP）中核技术的贡献约占3%~4%。美国核技术产生的年产值约为3500 亿美元，其中非核能部分约占80%[2]。
加速器原理总结123
1、加速器的分类：1) 按加速粒子的种类分: ①电子加速器;②离子加速器;③全粒子加速器.
2) 按粒子运动轨道形状分:①直线加速器;②回旋加速器;③环形加速器.
3) 按加速电场的种类分①高压;②感应;③高频共振加速器;
2、加速器束流品质（1）粒子的品种（电子、离子、全粒子）（2）束流能量及可调范围;
（3）束流的能散度：EE（5）束流的发射度：'(,)Srr ()mmmrad
（4）束流强度及时间特性：I，直流束或脉冲束。
3、粒子运动参数的相对论表达式 相对速度：vc 粒子质量：01mm粒子能量：20mc2202211mcmc0021(1)1W
20()wPmvmcmccc由：22002211mcmc12220()
1112222200001122000111()[()()][()]11[(2)][(2)]Pwcccwwwcc
第二章 带电粒子的产生→电子枪和离子源
（1）热发散电子枪的结构及工作原理 发射极、聚焦极和引出极；
阴极一般由低逸出功的材料制成，由电源加热，发射出热电子。 要求阴极材料的电子逸出功要低、熔点要高、蒸发率要小、不易中毒。栅极的主要功能是对阴极发射的电子起聚焦作用，也称为聚焦极 。引出极将电子束引出到后加速器系统中。 原理：阴极通过加热发射热电子，栅极聚焦电子束，最后又引出极将电子束引出到加速器系统中。
（2）场致式电子枪的结构及工作原理 在场致发射式阴极上加适当高电压，在阴极表面附近形成大于106V/cm的强电场，依靠强电场发射电子。其他的同热发散式电子枪。
（1）高频离子源的工作原理; 高频离子源是一种电子振荡式离子源，利用高频电磁场和轴向稳衡磁场，使放电室中的 自由电子作往复振荡运动，从而使气体得以充分游离而形成等离子体，阳极和吸极之间加一定电压，形成轴向引出电场，使正离子通过吸极上的孔道引出。
二次离子质谱进展
第３０卷第３期 ２０１１年９月 中南民族大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ－Ｃｅｎｔｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０ｌ＿３０ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１１ 二次离子质谱进展 祝兆文，侯 杰，郑 涛 ，马宏骥，聂 锐，丁富荣 （北京大学物理学院核科学与核技术国家重点实验室，北京１００８７１） 摘要指出了二次离子质谱技术在材料表面分析方面有着广泛的应用，随着探测方法的改进，此技术也得到了 迅速发展．在北京大学２ Ｘ １．７ＭＶ串列静电加速器实验室，利用加速器飞行时问二次离子质谱装置对碳基材料进 行了分析，通过实验观察到碳纳米管材料对氢具有很强的吸附能力，证实了理论上对此材料储氢能力的预言． 关键词加速器；飞行时间；二次离子质谱；材料表面分析；碳基材料 中图分类号ＴＬＳｌ７ ．８，０５７１．３３文献标识码Ａ文章编号１６７２－４３２１（２０１１）０３－００６７－０４ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ Ｚｈｕ Ｚｈａｏｗｅｎ，Ｈｏｕ Ｊｉｅ，Ｚｈｅｎｇ Ｔａｏ，Ｍａ Ｈｏｎｇｊｉ，］Ｖｉｅ Ｒｕｉ，Ｄｉｎｇ Ｆｕｒｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｌａｂ ｏｆ ２×１．７ＭＶ ｔａｎｄｅｍ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ ｉｎ Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ－ｂａｓｅｄ ｔｉｍｅ—ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｕｐｇｒａｄｅｄ． Ａｆｔｅｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ—ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｃｈ ａｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ，ｗｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｔｕｂｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｕｌｄ ａｂｓｏｒｂ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔｒｏｎｇｌｙ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｈ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｔｕｂｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ－ｂａｓｅｄ；ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃａｒｂｏｎ— ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ 荷能粒子进入靶物质以后，会与靶物质中的原子 发生弹性散射、电离、二次离子发射等过程，通过对靶 物质中二次离子发射产物的分析，可以获得靶物质性 质的重要信息．２０世纪初，Ｔｈｏｍｓｏｎ ＪＪ观察到用荷能 离子轰击金属板表面时，会引起样品上粒子溅出，其 中大部分为电中性，一小部分带有正电．随着２０世纪 ４０年代真空技术的进一步发展，Ｈｅｒｚｏｇ和Ｖｉｅｈｂ０ｃｋ 首次将二次离子与质谱分析结合起来，标志着二次离 子质谱（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＳＩＭＳ）方法 的诞生．二次离子质谱技术真正被用于材料分析始于 ２０世纪６０年代一个美国航空航天局的项目．Ｌｉｅｂｅｌ 和Ｈｅｒｚｏｇ及其研究小组发展了一套二次离子质谱分 析设备用来研究月球岩石样品，以得到样品中从氢到 铀所有元素的空间分布．与此同时，法国巴黎十一大 学的Ｃａｓｔａｉｎｇ Ｒ和Ｓｌｏｄｚｉａｎ Ｇ提出了关于利用发射的 二次离子进行显微分析的设想．他们用氩作为初级离 子束，用双聚焦扇形磁场质谱仪来分析二次离子．而 Ｂｅｓｋｅ和Ｗｅｍｅｒ等人则开始尝试把这种方法用于半 导体和薄膜的表面分析．到１９７０年代，Ｗｉｔｔｍａｃｋ Ｋ和 Ｍａｇｅｅ Ｃ发展了四极矩质谱仪．同时，Ｂｅｎｎｉｎｇｈｏｖｅｎ Ａ 提出了静态二次离子质谱的方法，使得初级束的流强 大为降低，从而只需要样品最表层原子的很小一部分 （约ｌ％）就可以完成分析 ． 从２０世纪６０年代第一台商用二次离子质谱设 备诞生至今，这项分析技术被广泛地应用于微电子、 半导体、材料学、地质学、生物、医学、天体物理等各个 领域，随着探测方法的改进，二次离子质谱技术不断 得到发展． １ 二次离子质谱的基本原理 从离子源引出的带电离子如Ｃｓ一、Ｓｉ 或Ｇａ 等 被加速至ｋｅＶ～ＭｅＶ能量，被聚焦后轰击样品表面． 收稿日期２０１１－０６－０１ 通讯作者郑涛（１９７０一），男，博士，教授，研究方向：核物理与核技术；Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｚｈｅｎｇ＠ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 作者简介祝兆文（１９８５－），男，硕士，研究方向：实验核物理；Ｅ．ｍａｉｌ：ｚｈｕｚｈｗ＠１２６．ｃｏｎ 基金项目 国家自然科学基金资助项目（１０９７５０１０）；国家基础科学人才培养基金资助项目（Ｊ０７３０３１６）
粒子加速器2
二、击碎原子核的“大炮”
棗几种加速器的单原理
1．静电加速器
在很久以前，人们就注意到静电现象。大约在二千年前，我国学者王充（公元27～97年）在《论衡》中就记载了“顿牟掇芥”，顿牟就是琥珀，掇芥就是吸引轻小物体的意思。琥珀是非常好的绝缘体，当它受摩擦之后就产生静电效应，能吸小小的纸屑等东西。在日常生活中我们也许都有这样一种经验，如果从手中向泥地落下一块石头，会把泥地面撞得凹进去一点，如果石头从几层楼上落下去，那将会把泥地砸得更深，离地面越高，就相当于获得的势能越大，势能就转变成动能与泥地相撞。所以人们就设想让一个带电的粒子相对于零电位获得较高的静电势能，它也就可以从一个高电位向低电位加速地跑去，直到撞到被阻挡的靶原子核上。这就是人们用静电起电的办法，造成一个高电位差，从而让它加速带电粒子去轰击原子核的办法。
图5-2 静电加速器原理
左面是静电加速器的示意图。B是输电带，用绝缘的材料如橡胶、丝绸、亚麻布做成。P1、P2是带动输电带的滑轮，P1是由电动机带动， P2在球电极里面。 A是电源与喷电的排针。S是金属薄壳球形电极，它通过用玻璃、有机玻璃、聚氟乙烯、塑料王等做的绝缘支柱支持起来。当高压喷电电源向P1喷电时，由于输电带高速地向上移动，电荷就由绝缘带携带到上端，通过电晕放电，由一排金属针尖做刷子，吸取输电带上电荷并传递到金属球S上。当金属球壳上电荷不断增加时，它的电势就不断增高，直到周围的气体和支持这高压球极的绝缘支柱被击穿为止。当然，通常是控制在这击穿电压以下工作。早期的静电加速器整个装置暴露在空气之中，这样受到周围环境如潮湿等的影响很大，容易击穿，电压不能升到很高，后来改进为把整个装置外面套了一个大钢桶，里面充有惰性气体。一般充几个大气压的氮气或者氟里昂（CCl2F2）气体，这样可以提高击穿电压。
在形成高电压之后，就要进一步考虑怎样让带电粒子在这高电压下均匀地加速。所以在这装置里有一个加速管G，它是由很多段陶瓷或玻璃等做成的绝缘圈和一片片金属加速电极相间封接构成。在加速管和输电带的外面均匀地彼此保持有一定间隙排列着一系列的金属制均压环，利用它使高压球极到地的电压均匀分布，使电压不致于在某处过高，以致局部击穿，破坏电压的提高。把加速管的每片加速电极与均压环相联，这样使加速管在它整个长度上的各带电电极间隙之间电压降均等，提高加速管的耐压性能。为了使带电粒子经过每节电极时被均匀地加速，并保持束流不致于散开，金属加速电极除做成圆形中孔平板之外，也有的做成圆形碟形中孔或者做成圆筒状，它除了在两个相邻电极间均匀地存在很高电压降，以加速带电粒子外，还由于电极的各种电场分布形状对被加速的粒子也起一些聚焦作用。这样有了输电带作为形成高压的手段，有了加速管作为加速粒子的机构，再在高压球极的里面、加速管的上端装上一个离子源，利用电离办法产生质子或其他带电粒子，让粒子通过一个引出装置到加速管中，经过一节节的电极加速，直达加速管的下端，去轰击靶原子核。这时带电粒子一般具有的能量，大约是几百万电子伏特到几十个百万电子伏特，这就是质子静电加速器。离子源可以做成发射其他各种离子如氦离子、氧离子和各种不同元素离子态的发射源，这时就对各种离子进行加速，在加速管下端就得到各种不同能量不同品种的离子束。如果在高压球极内安装一个发电机供电给一个发射电子的灯丝，使它不断发出电子，这就是电子枪，打出的电子也同样可以引入加速管内加速，最后打到管下端相联的靶核上，这是电子静电加速器。当然为了使带电粒子在整个被加速过程中不致与空气相撞而损失能量和发散损失，还必须把整个加速管道抽成相当高的真空，一般的要达到10-6毫米汞柱。
范德格拉夫加速器
范 德 格 拉 夫 加 速 器
工作原理
范德格拉夫静电加速器是利用静电原理产生高电压来加速带电粒子的装置，图示是这种加速器的原理示意图．
A是一个近乎封闭的中空金属罩，作为高压电极．它被支在绝缘柱上．两
个转轴C，D之间装上一条由绝缘材料制成的传送带．传送带由电动机带
动．在传送带下端附近近装有一排针尖E，这些针尖与直流电源(电压约几万伏)的正极相连，电源负极和转轴D都接地，这样在针尖和转轴D之间
就有几万伏的电势差，由于尖端放电，正电荷被喷射到传送带上并被传送
带带着向上运动，在金属罩A的内侧也装有一排与A相连的金属针尖(或
电刷)F，当传送带上的正电荷与其靠近时，针尖上就被感生出等量异号电
荷．其中负电荷也由于尖端放电，和传送带上的正电荷中和使传送带失去电荷而针尖带上了正电荷．由干导体带电时电荷只能存在于外表面，所以
针尖上的正电荷又会立即传到金属罩的外表面．这样，由于传送带的运送，
正电荷就不断从下面的直流电源传到金属罩的外表面上使之带电越来越多，从而能在金属罩和地之间产生
高电压．
电极A的电压也不能无限制地提高．因为当电压高到一定数值时，电极就会通过周围空气发生电晕放电(在电极周围的强电场中空气电离引起的一种缓慢放电现象)、局部尖端放电以及沿绝缘支架漏电等现象，使一
部分电荷不断漏掉进入地中．如果在相同时间内由于这些原因漏掉的电荷和传送带送上来的电荷相等，电
极上的电荷就不能再增加，因而它的电压也就不能再升高了．
提高电极电压的方法
１ 提高电极电压的一个方法是制造更大的球形电极．用直径1m的球形电极可以得到0.6 x IO6V的高压，直径增大到2m可得到l.3 x 1O6V的高压。再增大直径并不能有效地提高电压，例如有人建造直径为lm的
电极，只得到4 x 1O6V的电压。所以通过增大球形电极的直径来提高电压是很有限的。
２ 后来人们发现在高气压条件下，气体的击穿强度(即使气体变成良导电体的电压)要比正常气压下高得
加速器类型
粒子加速器：particle accelerator 一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。粒子加速器有三个基本组成部分：粒子源；真空加速系统和导引、聚焦系统。粒子加速器的效能通常以粒子所能达到的能量来表征。粒子能量在100MeV以下的称为低能加速器，能量在0.1～1GeV间的称为中能加速器，能量在1GeV以上的称为高能加速器。按照被加速粒子的种类，加速器可分为电子加速器、质子加速器和重粒子加速器等。按照加速电场和粒子轨道的形态，又可分为四大类：直流高压式加速器、电磁感应式加速器、直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。它们各自都有适于工作的粒子品种、能量范围以及性能特色。近年来，大中型的粒子加速器（如重离子加速器和高能加速器等）往往采用多种加速器的串接组合：例如由直流高压型加速器作预加速器，注入直线谐振式加速器加速至中间能量，再注入回旋谐振式加速器加速至终能量。这样的系统有利于发挥每一类加速器的效率和特色。（撰写：陈佳滠 审订：关遐令）
串列加速器：tandem accelerator 利用一个高压使带电粒子获得两次加速的静电型加速器。串列加速器的直流高压通常由输电系统将电荷从低电位输送到高压电极上而形成。它的工作原理是将由负离子源产生负离子注入到加速器主体中，在高压电极的正电场的作用下，经低能段加速管被第一次加速。当负离子到达高压电极后，通过电子剥离器并被剥掉2个或多个电子，变为正离子。在高压电极作用下，正离子经高能段加速管再次被加速。图为中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器主体外貌。（撰写：秦久昌 审订：关遐令）
高压倍加器：Cockcroft-Walton accelerator 利用倍压整流方法产生直流高压，对离子或电子加速。其倍压整流工作原理如图所示，主要由高压变压器，高压整流器和高压电容器等组成。在无负载时，倍压整流线路输出的高压V随倍压级数n增加而线性增加，可表达为V-2nVa，式中Va为高压变压器T的次级绕组交流电压峰值。当有负载时，随着级数n的增加，线路的电压降和电压波动会严重增加，因此级数n不能太高。一般倍压整流器可输出直流高压从几百千伏（大气中）到兆伏级（高气压下）。高压倍加器由高压倍压整流电源，离子源（或电子枪），加速管、聚焦和传输系统，真空和控制系统组成。高压倍加器的输出功率较大，可以用作较理想的中子源，X光源少离子注入机。（撰写：秦久昌 审订：关遐令）