高壓加速器課件

加速器原理

ThePrinciplesofAccelerators成都理工大學(xué)2013年9月—12月講授內(nèi)容第一章：緒論第二章：高壓加速器第三章：感應(yīng)加速器第四章：回旋加速器第五章：自動穩(wěn)相原理第六章：環(huán)形準(zhǔn)共振加速器第二章高壓加速器2.1、概述2.2、高壓加速器的耐壓措施2.3、靜電加速器2.4、倍壓加速器2.1、概述1、高壓加速器利用直流高壓電場來加速帶電粒子的加速器。高壓加速器一般由高壓電源、加速管、離子源或電子槍、高壓電極、絕緣支柱等設(shè)備組成。2、兩種典型的高壓型加速器高壓倍壓加速器高壓靜電加速器倍壓加速器的發(fā)展歷史1931年，柯克洛夫特—華爾頓首次建成了高壓倍加速器，1932年第一次應(yīng)用此加速器產(chǎn)生了700KeV的質(zhì)子束，實現(xiàn)了第一次人工加速器粒子束引起的核反應(yīng)。高壓倍加速器在核物理研究的初期，發(fā)揮了重要作用。由于其結(jié)構(gòu)簡單，能加速強(qiáng)流束，至今仍被廣泛使用。靜電加速器的發(fā)展歷史1931年，范德格拉夫發(fā)明了帶型靜電起電機(jī)。1933年，一臺1.2MeV質(zhì)子靜電加速器建成，首先在這臺靜電加速器上觀察到了共振核反應(yīng)

441.2KeV（共振峰）

872.5KeV（共振峰）現(xiàn)應(yīng)用這兩個共振峰來校準(zhǔn)加速器的能量。1955年開始，發(fā)展串列式靜電加速器2.2、高壓加速器的耐壓措施1、設(shè)置高壓球殼球間任意半徑r處場強(qiáng)Rr0r孤立球：2.2、高壓加速器的耐壓措施1、設(shè)置高壓球殼設(shè)置球殼后球表面處場強(qiáng)Rr0r2.2、高壓加速器的耐壓措施2、采用高壓氣體—密封鋼筒式結(jié)構(gòu)2.2、高壓加速器的耐壓措施2、采用高壓氣體—密封鋼筒式結(jié)構(gòu)2.2、高壓加速器的耐壓措施3、設(shè)中間高壓電極2.2、高壓加速器的耐壓措施3、設(shè)中間高壓電極在內(nèi)筒與外筒壁間設(shè)置多級高壓電極，使空間電場均勻分布，從而提高擊穿電壓各電極外表面電場強(qiáng)度：2.2、靜電加速器

靜電加速器是高壓加速器的一種，具有束流品質(zhì)優(yōu)良、能量連續(xù)可調(diào)、單色性好等優(yōu)點，是低能核物理及帶電粒子與物質(zhì)相互作用研究的一個重要工具。靜電加速器主要由以下幾部分組成：靜電起電機(jī)（噴電電源、噴電針、輸電帶、刮電設(shè)備（針）、高壓電極）；離子源；加速系統(tǒng)；束流后傳輸系統(tǒng)2.2、靜電加速器1、靜電起電機(jī)靜電起電機(jī)是一種利用輸電系統(tǒng)將電荷傳送到高壓電極的裝置。組成：噴電電源、噴電針、輸電帶、刮電設(shè)備（針）、高壓電極。工作原理：#噴電過程:噴針電附近產(chǎn)生強(qiáng)電場→氣體電暈放電→負(fù)離子向噴電針→正離子被推向輸電帶，附著在輸電帶上，與輸電帶一起向上運(yùn)動。#刮電過程：在刮電針排附近也形成強(qiáng)電場氣體電離正離子流向向針排，負(fù)離子流向皮帶，中和帶上的正電荷。充電電壓和輸電電流

若高壓電極對地電容為Ｃ，積累的電荷為Ｑ，則高壓極對地電壓V：

為起電機(jī)有效充電電流當(dāng)時，即則即

高壓電極對地電壓達(dá)到穩(wěn)定值。

1、靜電起電機(jī)輸電電流的限制和提高加速器要求輸電系統(tǒng)傳輸足夠強(qiáng)的穩(wěn)定電流和足夠高的電壓，這些要求受輸電系統(tǒng)性能和周圍絕緣介質(zhì)性能的限制。一般輸電帶能輸送的最大電流為：

其中：為帶上最大面電荷密度，b為帶寬，v為帶速度。

b為有限值，v不可過大，以免引起帶的震動而影響電流的穩(wěn)定性。與輸電帶周圍介質(zhì)氣體的介電常數(shù)及輸電帶表面附近的擊穿電場Eb有下關(guān)系：1、靜電起電機(jī)電壓的限制和提高起電機(jī)所能達(dá)到的最高電壓與很多因素有關(guān)。有以下方程：此時電壓達(dá)到最大穩(wěn)定值Vm。

Vm一般有下列經(jīng)驗公式：其中，Vc為臨界電壓（電暈放電和電子負(fù)載）；d為比例系數(shù)（與諸多因素有關(guān)）?？梢?，要提高Vm，必須提高加速器系統(tǒng)的Vc和Im，減小I漏，而這些都與絕緣介質(zhì)的絕緣性能有關(guān)。

充氣和均壓是解決問題的有效途徑1、靜電起電機(jī)1、靜電起電機(jī)2、靜電加速器的加速管

一般采用平板式電極結(jié)構(gòu)的均勻場加速管。

加速管耐壓的幾個問題絕緣環(huán)表面爬電*高壓電瓷（75瓷）約3kV/cm）；*95瓷，約5kV/cm間隙的完全擊穿*均壓以防局部放電*加速電場梯度取值要合適，一般真空擊穿電場：100kV/cm

2.3、靜電加速器不完全擊穿→“全電壓效應(yīng)”加速管加到一定的電壓閾值，管內(nèi)突然出現(xiàn)大量反向電子流，并伴隨有X射線，電子流很快超過加速器最大負(fù)載電流，電壓急劇下降，造成不完全擊穿，稱為“全電壓效應(yīng)”或電子負(fù)載現(xiàn)象。

解決辦法：抑制電子負(fù)載。辦法一：小孔加速管，抑制電子倍增辦法二：采用斜場加速管辦法三：磁抑制加速管辦法四：加速管兩端加抑制電極2、靜電加速器的加速管加速管的聚焦作用2、靜電加速器的加速管3、

串列式靜電加速器

靜電高壓加速器所能加速的離子的最高能量，受到靜電起電機(jī)所能達(dá)到的最高電壓及加速管耐壓的限制。（6～8MeV:P）為了進(jìn)一步提高加速粒子的能量，發(fā)展了串列式靜電加速器。又稱多級靜電加速器。其中最基本的為兩級串列加速器，兩級以上如三級和四級串列加速器，不過是由兩臺兩級串列加速器（或由一臺兩級串列加速器和一臺單級靜電加速器）組合而成的加速系統(tǒng)。這種提高靜電加速能量的方法，早在20世紀(jì)30年代就已提出，直到負(fù)離子源和原子的剝離技術(shù)取得成功之后，才于1958年建成了世界上第一臺加速質(zhì)子能量為13.4兆電子伏串列加速器。由于這種加速器保持了靜電加速器的原有特點，又提高了能量，離子源裝在加速器地電勢處,調(diào)節(jié)、更換零件都方便,又便于加速多種粒子，所以發(fā)展得很快，60年代達(dá)到了它的全盛時期。到1986年時,運(yùn)行中的串列加速器端電壓達(dá)5兆伏以上的約有70臺。3、串列式靜電加速器基本結(jié)構(gòu)

#充氣鋼筒及絕緣氣體循環(huán)處理系統(tǒng)；

#

負(fù)離子源；

#加速管；#電子剝離器；

#起電機(jī)；

#

分析磁鐵及束流后傳輸系統(tǒng)

#

真空系統(tǒng)3、串列式靜電加速器工作原理從負(fù)離子源產(chǎn)生負(fù)離子束，經(jīng)過預(yù)加速、分析磁鐵注入串列加速器的一根加速管，由于加速器的高壓電極為正高壓，粒子朝高壓電極方向被加速一次。當(dāng)負(fù)離子進(jìn)到高壓電極內(nèi)部時,經(jīng)過電荷剝離器轉(zhuǎn)變?yōu)閹в蠳個電荷單位的正離子（N一般稱粒子的電荷）。而后,正離子進(jìn)入第二根加速管中，又受到正高壓的排斥力，第二次被加速，經(jīng)過兩次加速，粒子獲得的總能量為：E＝2qV3、串列式靜電加速器如圖為折疊式兩極串列加速器。它的結(jié)構(gòu)像一個倒置的字母U。從下面注入的離子經(jīng)一次加速在高壓電極內(nèi)被一個大的偏轉(zhuǎn)磁鐵偏置180°后,進(jìn)入另一根加速管第二次加速。4、靜電加速器的性能特點能量特點束流能量高、能散度小、能量能精確調(diào)整。單極：6MeV（質(zhì)子）串列：12～40MeV（質(zhì)子）在20%～100%之間可調(diào)。能散度：0.02%左右（最好），一般可達(dá)到0.1%束流強(qiáng)度特性束流強(qiáng)度：單極，數(shù)百uA；串列，<10uA。束流的聚焦性能可聚焦到毫米量級（一般）；微米量級（微束）加速離子種類單極：可加速任何類型的帶電粒子 串列：只能加速能形成負(fù)離子的元