第二章-高压加速器1

1、 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：绪论第一章：绪论 第二章：高压加速器第二章：高压加速器 第三章：感应加速器第三章：感应加速器 第四章：回旋加速器第四章：回旋加速器 第五章：自动稳相原理第五章：自动稳相原理 第六章：环形准共振加速器第六章：环形准共振加速器 第二章第二章 高压加速器高压加速器 2.1、概述、概述 2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施 2.3、静电加速器、静电加速器 2.4、倍压加速器、倍压加速器 2.1、概述、概述 1、高压加速器、高压加速器 利用利用直流高压电场直流高压电场来加速带电粒子的

2、加速器。来加速带电粒子的加速器。 ZeUW 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、两种典型的高压型加速器、两种典型的高压型加速器 高压倍压加速器高压倍压加速器 高压静电加速器高压静电加速器 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

3、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

4、（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。 1955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 78 ( , )Li pBe 1916 ( ,)F pO 2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施 1、设置高压球壳、设置高压球壳 球间任意半径r处场强 R r0 r 2 4 )( r QD rE ) 11 ( 4 1 4 )( 0 2 00 Rr Q dr r Q drrEV R r R r ) 11 ( )( 0 2 Rr r V rE 孤立球：孤立球： 0 2 / )( rr V rER时， 2.2、高压加速器

5、的耐压措施、高压加速器的耐压措施 1、设置高压球壳、设置高压球壳 设置球壳后球表面处场强 R r0 r ) 11 ( )( 0 2 0 0 Rr r V rE 4/ )(2/ min00 R V rERr时，有球壳时，当 0 max min0 2 1 )(rEVVErE 击穿击穿， 0max0) (rEVVErE 击穿击穿， 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 2、采用高压气体、采用高压气体密封钢筒式结构密封钢筒式结构 ) 11 ( )( 0 2 0 0 Rr r V rE 球 圆球部分： r q rl qlD rE q 22 )( 筒 电荷量为圆筒部分：单位长度上

6、0 ln 2 1 2 )( 00 r Rq dr r q drrEV R r R r 筒 0 ln )( r R r V rE 筒 0 0 00 ln )( r R r V rEr 筒 处， 2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施 2、采用高压气体、采用高压气体密封钢筒式结构密封钢筒式结构 ) 11 ( 0 2 0. Rr rEV 击穿击穿球 圆球部分： 0 0. ln r R rEV 击穿击穿筒 圆筒部分： 4 2 1 . 0 R EV R r 击穿击穿球 球 最大，为 时， e R EV eR r 击穿击穿筒 筒 最大，为 时， . 0 1 2 1 0 接近于一般取 R r 2

7、.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施 3、设中间高压电极、设中间高压电极 ) 11 ()( 0 2 00 0 Rr rrEV没有中间电极时： ) 11 () 11 () 11 ()( 10 2 0 21 2 1 2 2 200 rr r rr r Rr rrEV 有中间电极时： 58. 1 84. 0,67. 0, 2 1 0 0 210 V V R r R r R r 取 2.2、高压加速器的耐压措施、高压加速器的耐压措施 3、设中间高压电极、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： ) 11 ( )( 2

8、2 2 2 2 Rr r V rE ) 11 ( )( 10 2 0 10 0 rr r VV rE ) 11 ( )( 21 2 1 21 1 rr r VV rE ) 11 () 11 () 11 ()( )()()( 10 2 0 21 2 1 2 2 200 012 rr r rr r Rr rrEV rErErE使 2.2、静电加速器、静电加速器 静电加速器是高压加速静电加速器是高压加速 器的一种，具有束流品器的一种，具有束流品 质优良、能量连续可调、质优良、能量连续可调、 单色性好等优点，是低单色性好等优点，是低 能核物理及带电粒子与能核物理及带电粒子与 物质相互作用研究的一物质相

9、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、静电起电机、静电起电机 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。 组成组成：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

10、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负离子 向喷电针向喷电针 正离子被推向输正离子被推向输 电带，附着在输电带上，与输电带，附着在输电带上，与输 电带一起向上运动。电带一起向上运动。 # 刮电过程：刮电过程：在刮电针排附近也在刮电针排附近也 形成强电场气体电离正离子流形成强电场气体电离正离子流 向向针排，负离子流向皮带，向向针排，负离子流向皮带， 中和带上的正电荷。中和带上的正电荷。 充电电压和输电电流充电电压和输电电流 若高压电极对地电容为，积累的电荷为，则高压极若高压电极对地电容为，积累的电荷为，

11、则高压极 对地电压对地电压V ： 为起电机有效充电电流为起电机有效充电电流 当当 时，即时，即 则则 即即 高压电极对地电压达到稳定值。高压电极对地电压达到稳定值。 i有效 ()iiiiiii 漏有效充总负载充电晕束负载 0i 有效 0 dV dt V 常数 1、静电起电机、静电起电机 dt dQ Cdt dV C Q V 1 总负载充 ii 输电电流的限制和提高输电电流的限制和提高 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，这些要求受压，这些要求受输电系统性能输电系统性能和周围和周围绝缘介质性能绝缘介质性能的限制。的限制。 一般

12、输电带能输送的最大电流为：一般输电带能输送的最大电流为： 其中：其中： 为带上最大面电荷密度，为带上最大面电荷密度，b为带宽，为带宽，v为带速度。为带速度。 b为有限值，为有限值，v不可过大，以免引起带的震动而影响电流的不可过大，以免引起带的震动而影响电流的 稳定性。稳定性。 与输电带周围介质气体的介电常数与输电带周围介质气体的介电常数 及输电及输电 带表面附近的击穿电场带表面附近的击穿电场Eb有下关有下关 系：系： mbv m I m bm E 2 m 1、静电起电机、静电起电机 电压的限制和提高电压的限制和提高 起电机所能达到的起电机所能达到的最高电压最高电压与很与很 多因素有关。有以下方

13、程：多因素有关。有以下方程： 此时电压达到最大稳定值此时电压达到最大稳定值Vm。 Vm一般有下列经验公式：一般有下列经验公式： 其中，其中，Vc为临界电压（电晕放为临界电压（电晕放 电和电子负载）；电和电子负载）；d为比例系数为比例系数 （与诸多因素有关）（与诸多因素有关）。 可见，要提高可见，要提高Vm，必须提高，必须提高 加速器系统的加速器系统的Vc和和Im，减小，减小I漏 漏， ， 而这些都与绝缘介质的绝缘性能而这些都与绝缘介质的绝缘性能 有关。有关。 充气充气和和均压均压是解决问题的有效是解决问题的有效 途径途径 11 () dVdQ i dtC dtC iiiiiii 有效 漏有效充

14、总负载充电晕束负载 () m mc III VV 漏束负载 d 1 1、静电起电机、静电起电机 1、静电起电机、静电起电机 2、静电加速器的加速管、静电加速器的加速管 一般采用平板式电极结构的均匀场加速管。一般采用平板式电极结构的均匀场加速管。 加速管耐压的几个加速管耐压的几个 问问 题题 绝缘环表面爬电绝缘环表面爬电 * 高压电瓷（高压电瓷（75瓷）瓷） 约约3kV/cm）；）； * 95瓷，瓷， 约约5kV/cm 间隙的完全击穿间隙的完全击穿 * 均压以防局部放电均压以防局部放电 * 加速电场梯度取值要加速电场梯度取值要 合适，一般真空击穿合适，一般真空击穿 电场：电场：100kV/cm

15、2.3、静电加速器、静电加速器 不完全击穿不完全击穿“全电压效应全电压效应” 加速管加到一定的电压阈值，管内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，造成不完全载电流，电压急剧下降，造成不完全 击穿，称为击穿，称为“全电压效应全电压效应”或或电子负电子负 载载现象。现象。 解决办法：抑制电子负载。解决办法：抑制电子负载。 办法一：小孔加速管，抑制电子倍增办法一：小孔加速管，抑制电子倍增 办法二：采用斜场加速管办法二：采用斜场加速管 办法三：磁抑制加速

16、管办法三：磁抑制加速管 办法四：加速管两端加抑制电极办法四：加速管两端加抑制电极 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 静电高压加速器所能加速的离子的最高能量，受到静电起电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 机所能达到的机所能达到的最高电压及加速管耐压最高电压及加速管耐压的限制。（的限制。（68MeV:P） 为了进一步提高加速粒子的能量，发展了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串列式静电加速器。 又称又称多级静电加速器多级静电加速器。

17、其中最基本的为。其中最基本的为两级串列加速器两级串列加速器，两级以两级以 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。系统。 这种提高静电加速能量的方法，早在这种提高静电加速能量的方法，早在 20世纪世纪 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负离子源和原子的剥离技术取得成功之后，才于技术取得成功之后，才于1958年建成年建成 了世界上第一台加速质子能量为了世界上第一台加速质子能量为

18、13.4兆电子伏串列加速器。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，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离子源装在加速器地电势处, 调节、更换零件都方便调节、更换零件都方便,又便于加速又便于加速 多种粒子，所以发展得很快，多种粒子，所以发展得很快，60年代达到了它的全盛时期。到年代达到了它的全盛时期。到 1986年时年时,运行中的串列加速器端电压达运行中的串列加速器端电压达5兆伏以上的约有兆伏以上的约有70台。台。 3、串列式静电加速器、串列式静电加速器 基本结构基本结构 # 充气钢筒及绝缘气体循环充气钢筒及绝

19、缘气体循环 处理系统；处理系统； # 负离子源；负离子源； # 加速管；加速管； # 电子剥离器；电子剥离器； # 起电机；起电机； # 分析磁铁及束流后传输系统分析磁铁及束流后传输系统 # 真空系统真空系统 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 从从负离子源产生负离子束，经过预加速、分析磁铁注入串列加速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,经过电荷经

20、过电荷 剥离器转变为带有剥离器转变为带有N个电荷单位的正离子（个电荷单位的正离子（N一般称粒子的电一般称粒子的电 荷）。而后荷）。而后,正离子进入第二根加速管中，又受到正高压的排斥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：力，第二次被加速，经过两次加速，粒子获得的总能量为： E 2qV 3、串列式静电加速器、串列式静电加速器 如图为如图为折叠式两极串列折叠式两极串列 加速器。它的结构像一加速器。它的结构像一 个倒置的字母个倒置的字母U。从下。从下 面注入的离子经一次加面注入的离子经一次加 速在高压电极内被一个速在高压电极内被一个 大的偏转磁铁偏置大的偏转磁铁偏置 180后后,