第二章-高压加速器2

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 如图所示，倍压加速如图所示，倍压加速器主要有以下几部分器主要有以下几部分组成：组成：直流倍压式高压电源直流倍压式高压电源高压

2、电极高压电极离子源（或电子枪）离子源（或电子枪）加速管加速管隔离供电系统隔离供电系统束流后传输系统束流后传输系统靶室靶室真空机组真空机组2.4、倍压加速器、倍压加速器1、倍压加速器的基本组成、倍压加速器的基本组成2、加速离子的能量、加速离子的能量如果高压电源的电压为如果高压电源的电压为V，被加速的离子的电荷数，被加速的离子的电荷数为：为：Ze则离子被加速到加速管接地端获得的动能为：则离子被加速到加速管接地端获得的动能为： （eV、KeV、MeV） 由于受高压电源、高压放电等原因的限制，高压倍由于受高压电源、高压放电等原因的限制，高压倍加器的能量也受到限制，最高不超过加器的能量也受到限制，最高不

3、超过1.5MeV，大，大多数在多数在0.6MeV以下。以下。原则上讲，高压倍加器能加速任何带电离子。原则上讲，高压倍加器能加速任何带电离子。eWZ V3、倍压电源、倍压电源倍压原理倍压原理 倍压电源由一个升压变压器和多级的倍压电源由一个升压变压器和多级的由高压电容和整流二极管组成的由高压电容和整流二极管组成的多多级倍压线路级倍压线路组成。电路如图所示。组成。电路如图所示。 为主电容（相等）。为主电容（相等）。 为辅助电容（相等）。为辅助电容（相等）。升压变压器将交变电压升压变压器将交变电压升到几十千伏以上。升到几十千伏以上。以单极倍压线路为例以单极倍压线路为例分析倍压原理。分析倍压原理。 多级

4、倍压线路多级倍压线路nCCC21、nCCC21、3、倍压电源、倍压电源倍压原理倍压原理 在理想条件下分析单级倍在理想条件下分析单级倍压原理。压原理。 理想条件理想条件是指：是指：整流二极管正向电阻为整流二极管正向电阻为0，反向电阻为无限大。反向电阻为无限大。电容器不漏电。电容器不漏电。升压变压器容量足够大。升压变压器容量足够大。变压器次级输出为：变压器次级输出为： 理想空载理想空载 电容充放电过程中，电荷的流电容充放电过程中，电荷的流动方向如图所示动方向如图所示tVVsin00，3、倍压电源、倍压电源倍压原理倍压原理第一周期结束：第一周期结束：第二周期结束：第二周期结束：第三周期结束：第三周期

5、结束：第第n周期结束：周期结束：10CV1CVVa112CVVa12CVaVVa421VaVaVC421VaVaVaVC111.242(1)CVaVVaVan1.242(1)cVaVaVaVVann VaVC1VaVC213、倍压电源、倍压电源 对对N级倍压线路，经过级倍压线路，经过 个周期，个周期，主电容柱端（直流柱）最高空载主电容柱端（直流柱）最高空载电压为：电压为： 2NVa辅助电容柱端（交流柱）空载电辅助电容柱端（交流柱）空载电压：压： 2(N-1)Va-Va sin (wt)n 3、倍压电源、倍压电源负载电流对倍压线路输负载电流对倍压线路输出电压的影响出电压的影响 前面已得到空载理想

6、状态下，前面已得到空载理想状态下，主电容柱端可达到主电容柱端可达到2NVa高高压，实际倍压线路总要给压，实际倍压线路总要给加速器供电，即有一定的加速器供电，即有一定的负载负载。 负载包括：粒子流、高压测负载包括：粒子流、高压测量电阻上的电流、绝缘支量电阻上的电流、绝缘支上的漏电流、电晕放电等。上的漏电流、电晕放电等。负载将倍压线路输出电压负载将倍压线路输出电压产生影响。产生影响。 以如图所示带有负载的单倍以如图所示带有负载的单倍压线路为例，定性说明。压线路为例，定性说明。（1）、负载电流引起的电压降）、负载电流引起的电压降当当 充完电后，充完电后， 导通，导通， 开开始给始给 充电，这时总有一

7、部分电荷经充电，这时总有一部分电荷经过负载流走，充给过负载流走，充给 的电荷没有空的电荷没有空载下那么多，故载下那么多，故 端的电压也就达端的电压也就达不到空载下的不到空载下的2Va值，设值，设实际达到实际达到的电的电压值为压值为 ，2Va- = ，称为，称为负载电流引起的电压降。负载电流引起的电压降。1C1k1C1C1C1CmaxVmaxVV3、倍压电源、倍压电源负载电流对倍压线路输出负载电流对倍压线路输出电压的影响电压的影响（2）、负载电流引起的电压波动）、负载电流引起的电压波动 纹波纹波 主电容对负载放电的主电容对负载放电的连续性连续性与辅与辅助电容对主电容充电的助电容对主电容充电的断续

8、性断续性引起主引起主电容端电压的波动。电容端电压的波动。 当变压器次级给当变压器次级给 充电期间，充电期间， 不导通，主电容不导通，主电容 上的电荷流向负载上的电荷流向负载R（给负载供电），（给负载供电）， 上的电荷将减上的电荷将减少，引少，引 起端的电压下降。当起端的电压下降。当 被被充满电，充满电， 导通，导通， 开始给开始给 充充电，电， 的电荷得到补充，的电荷得到补充， 端的电压端的电压开始回升，这样就造成电压波动开始回升，这样就造成电压波动 。 1C1K1C1C1C1C1K1C1C1C1CV3、倍压电源、倍压电源 负载电流引起的电压降和电压波动示意如图所示。负载电流引起的电压降和电压

9、波动示意如图所示。 设设Vmax和和Vmin为实际输出的最高电压和最低电压。为实际输出的最高电压和最低电压。 定义：定义： 则对单极倍压线路则对单极倍压线路 ：minmax2VVVVVaV 2maxVVVaV22min3、倍压电源、倍压电源负载电流对倍压线路输出负载电流对倍压线路输出电压的影响电压的影响3) N极倍压线路带有负载时的电压波动极倍压线路带有负载时的电压波动 和电压降和电压降 电压波动：电压波动： 电压降：电压降： 则主电容端：则主电容端： 平均电压：平均电压： 倍压线路供电源频率，倍压线路供电源频率，C为主电容为主电容柱端的电容，柱端的电容，i 为负载电流为负载电流 .倍压线路的

10、局限性及其倍压线路的局限性及其可能的改进途径可能的改进途径1）倍压线路有负载时输出电压的有限）倍压线路有负载时输出电压的有限性性理想条件下：理想条件下：实际上实际上 ：令：令： 得：得：即就是说倍压极数不能超过即就是说倍压极数不能超过 。VV4) 1(NNCfiVu623223NNNCfiVuVNVaV 2maxVVVaV22minmaxmin1()2VVVufVNVaV 22VNVa理想323NCfiVu2220udViVaNdNf C21maxiCfVaNumaxN3、倍压电源、倍压电源倍压线路的局限性及其可倍压线路的局限性及其可能的改进途径能的改进途径2）电压波动的限制）电压波动的限制

11、由：由： 随着极数随着极数N的增加，的增加， 也越也越来越大，被加速的粒子的能来越大，被加速的粒子的能量分散也越来越大，这对加量分散也越来越大，这对加速器来讲，是致命的。速器来讲，是致命的。3）倍压线路的改进办法）倍压线路的改进办法#不能用减小负载电流不能用减小负载电流 i 的办法来降低的办法来降低 和和 由：由：#提高供电频率，可有效减少提高供电频率，可有效减少 和和 ， 通常用中频供电，例如：通常用中频供电，例如：20KHz 。提高频率，不仅可改善电源性能，而提高频率，不仅可改善电源性能，而且能缩小电源电源体积。且能缩小电源电源体积。#增大电容增大电容C也可以有效减少也可以有效减少 和和

12、但有局限性。增大但有局限性。增大C会增大电容的储会增大电容的储能，能，C一般取一般取0.010.1uF ，另外，高，另外，高压、高容量电容体积很大。压、高容量电容体积很大。4) 1(NNCfiVuVVVCfiVuCfiVuVVVV3、倍压电源、倍压电源倍压线路的局限性及其倍压线路的局限性及其可能的改进途径可能的改进途径3）倍压线路的改进办法）倍压线路的改进办法# 采用双边对称倍压线路采用双边对称倍压线路 单边倍压线路在一个周期内只能单边倍压线路在一个周期内只能给主电容给主电容C冲一次电，对称型倍压线冲一次电，对称型倍压线路在一个周期内可以给主电容路在一个周期内可以给主电容C充两充两次电次电 。

13、 可有效降低电压波动和电压降。可有效降低电压波动和电压降。对双边称式电路：对双边称式电路： 单边：单边：4NCfiVuNNNCfiVu314161234) 1(NNCfiVu623223NNNCfiVu 比较比较4、Cockcroft 倍压加速器的性能特点倍压加速器的性能特点加速离子种类：加速离子种类：可加速任何种类的带电粒子（原则上）。可加速任何种类的带电粒子（原则上）。能量特性能量特性（1）能量范围：）能量范围：1.5MeV400KeV150KeV（P）（2）能量分散度：百分之几（无稳压）能量分散度：百分之几（无稳压）; 0.100.01%（有稳压）。（有稳压）。束流强度束流强度 倍压电源

14、具有很高的负载能力，故倍压加速器一般为强流加倍压电源具有很高的负载能力，故倍压加速器一般为强流加速器，束流强度：几个速器，束流强度：几个mA几十几十mA几百几百mA束流时间特性束流时间特性 直流束；脉冲束。直流束；脉冲束。兰州大学兰州大学3x1012n/s强流中子发生器简介强流中子发生器简介 1高压电源：高压电源：采用双边采用双边Cockroft倍压电源倍压电源1）300kV，50mA,6kw；2) 供电频率：供电频率：2.5kHz2高压头部：高压头部：1）双等离子源，）双等离子源，50mA；2）离子源电源）离子源电源3加速管：加速管： 高梯度加速管：长高梯度加速管：长80cm， 加速区加速区10cm，梯度，梯度30kV/cm。 分压电流：分压电流：1mA。兰州大学兰州大学3x1012n/s强流中子发生器简介强流中子发生器简介4真空系统：真空系统：两组两组1500L/s分子泵系统分子泵系统5三重四极透镜三重四极透镜6强迫水冷高速旋转靶系统：强迫水冷高速旋转靶系统：氚钛靶氚钛靶指标：指标： D+T 4He+n（ 14MeV） 产额：产额： 3.3x1012n/s D+D 3He+n （2.5MeV） 产额：产额： 1010n/s兰州大学兰州大学3x