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加速器。来加速带电粒子的加速器。Z

2、eUW 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

3、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 （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

4、。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 pBe1916( ,)F pO2.2、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Rr0r24)(rQDrE)11(414)(0200RrQdrrQdrrEVRrRr)11()(02RrrVrE孤立球：孤立球：02/)(rrVrER时，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、设置高压球壳设置球壳后球表面处场强Rr0r)11()(0200RrrVrE4/)(2/min00RVrERr时，有球壳时，当0maxmin021)(rE

5、VVErE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()(0200RrrVrE球圆球部分：rqrlqlDrEq22)(筒电荷量为圆筒部分：单位长度上0ln212)(00rRqdrrqdrrEVRrRr筒0ln)(rRrVrE筒0000ln)(rRrVrEr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(020.RrrEV击穿击穿球圆球部分：00.lnrRrEV击穿击穿筒圆筒部分：421.0REV

6、Rr击穿击穿球球最大，为时，eREVeRr击穿击穿筒筒最大，为时，.01210接近于一般取Rr2.2、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()(02000RrrrEV没有中间电极时：)11()11()11()(1020212122200rrrrrrRrrrEV有中间电极时：58. 184. 0,67. 0,2100210VVRrRrRr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()(22222RrrVrE)

7、11()(1020100rrrVVrE)11()(2121211rrrVVrE)11()11()11()()()()(1020212122200012rrrrrrRrrrEVrErErE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

8、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

9、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，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

10、充电晕束负载0i有效0dVdtV 常数1、静电起电机、静电起电机dtdQCdtdVCQV1 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

11、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：mbvmImbmE 2m1、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

12、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()dVdQidtC dtCiiiiiii有效漏有效充总负载充电晕束负载()mmcIIIVV漏束负载d1 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（

13、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 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

14、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

15、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。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

16、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1

17、986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

18、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： E2qV3、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,进入另一根加进入另一根加速管第二次加速。速管第二次加速。 4、静电加速器的性能特