第三章倍压加速器

1、加速器原理加速器原理按加速电场的类型分类高压加速器感应加速器高频共振加速器典型的两种高压型加速器：高压倍压加速器高压静电加速器3.1、概 述1、倍压加速器的基本组成倍压加速器主要有以下几部分组成：（1）直流倍压式高压电源（2）高压电极（3）离子源（或电子枪）（4）加速管（5）隔离供电系统（6）束流后传输系统（7）靶室（8）真空机组3.1、概 述2、加速离子的能量 如果高压电源的电压为 V，被加速的离子的电荷数为：Ze则离子被加速到加速管接地端获得的动能为： 受高压电源、高压放电等原因限制，高压倍加器的能量也受到限制，最高不超过1.5 MeV，大多数在0.6 MeV以下 原则上讲，倍加器能加速任

2、何带电离子eWZ V（eV、KeV、MeV）3.1、概 述l1931年，柯克洛夫特华尔顿（Cockcroft-Walton）首次建成了高压倍加速器，1932年第一次应用此加速器产生了700 keV的质子束，实现了第一次人工加速粒子束引起的核反应l高压倍加速器在核物理研究的初期，发挥了重要作用l由于其结构简单，能加速强流束，至今仍被广泛使用3、倍压加速器的发展历史744322iPLHeHe3.1、概 述 多级倍压线路1、倍压原理 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多级倍压线路组成。电路如图所示。 为主电容（相等） 为辅助电容（相等） 升压变压器将交变电压升到几十千伏以上

3、 以单极倍压线路为例分析倍压原理12nCCC、12nCCC、3.2、倍压电源在理想条件下分析单级倍压原理:1）整流二极管正向电阻为0，反向 电阻为无限大。2）电容器不漏电。3）升压变压器容量足够大。4）变压器次级输出为： 5）理想空载电容充放电过程中，电荷的流动方向如图所示1、倍压原理00sinaVVt 3.2、倍压电源第 n 周期结束：第二周期结束：第三周期结束：第一周期结束：10CV1aCVV112aCVV12aaCVVV124aaCVVV124aaCaVVVV111.242(1)CaaaVVVVn1.242(1)aaacaVVVVVnn1CaVV1 2CaVVV00VC1VC13.2、倍

4、压电源 对 N 级倍压线路，经过 个周期，主电容柱端（直流柱）最高是空载电压为2NVa ：n 3.2、倍压电源辅助电容柱端（交流柱）空载电压： 2(N-1)Va-Va sin (wt) 空载理想状态下，主电容柱端可达到2NVa高压，实际倍压线路总有一定的负载。 负载包括：粒子流、高压测量电阻上的电流、绝缘支上的漏电流、电晕放电等 。2、负载电流对倍压线路输出电压的影响、负载电流对倍压线路输出电压的影响1）、负载电流引起的电压降）、负载电流引起的电压降实际电压值为：Vmax负载电流引起的电压降: 2Va-Vmax=V 3.2、倍压电源主电容对负载放电的连续性与辅助电容对主电容充电的断续性引起主电

5、容端电压的波动 V 。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3.2、倍压电源负载电流引起的电压降和电压波动如图所示, 设 Vmax 和 Vmin 为实际输出的最高电压和最低电压maxmin2 VVVmax2aVVVmin22aVVVV则对单极倍压线路 ：定义：3.2、倍压电源N 极倍压线路带有负载时的电压波动和电压降如下3、倍压线路的局限性及其可能的改、倍压线路的局限性及其可能的改进途径进途径电压降：电压波动： 则主电容端：fu倍压线路供电源频率，C为主电容柱端的电容，i 为负载电流 .(1)4uiN NVf C232326uiNNVNf Cmax2aVNVVmin2

6、2aVNVVVmaxmin1()2VVV1）倍压线路有负载时输出电压的）倍压线路有负载时输出电压的有限性有限性倍压极数不能超过 Nmax理想条件下：2aVNV理想令： 2220audViVNdNf C得：12maxauVfCNi实际上 ：2aVNVV323uiNVf C3.2、倍压电源3）倍压线路的改进办法2）电压波动的限制随极数 N 的增加, V也越大，被加速的粒子的能量分散也越来越大，这加速器来讲，是致命的 由：(1)4uiN NVf C不能用减小负载电流 i 的办法来降低V 和 V提高供电频率，可有效减少 V 和 V但有局限性。增大C会增大电容的储能，C一般取0.010.1uF ，另外，

7、高压、高容量电容体积很大。由：uiVf CuiVf C增大电容 C 也可以有效减少V 和 V3.2、倍压电源 单边：3）倍压线路的改进办法 采用双边对称倍压线路单边倍压线路在一个周期内只能给主电容 C 冲一次电，对称型倍压线路在一个周期内可以给主电容 C 充两次电 ,可有效降低电压波动和电压降。对双边称式电路：(1)4uiN NVf C232326uiNNVNf C4uiNVf C32111643uiVNNNf C 比较3.2 倍压电源 辐照用加速器：对高压稳定性要求不高。 核反应研究或离子注入器：对高压要求很高，就要求加专门的稳压线路。4、倍压电源的稳定性（1）影响稳定的几个因素（2）不同用

8、途的倍压器对电压稳定性 要求各不相同 供电电源的慢变化 端电压的变化： 电压波动 负载的起伏（放电、击穿）00sinaVVt V3.2、倍压电源（1）造成粒子损失能量；（2）造成粒子束发散；（3）散射的粒子打到加速器部件上会产生轫致辐射，造成较大的本底，甚 至损坏部件。 一般要求倍压器的真空度要达到10-610-7mmHg(10-4 Pa)加速粒子必须在高真空环境中传输，在大气压下或低真空下，加速粒子与气体分子的碰撞会产生以下恶果： 3.3 带电粒子的加速和传输1、真空度对加速离子的影响 组成：由绝缘环（陶瓷、玻璃、环氧）、加速电极、均压环、分压电阻等组成。 分类： 按电极形状常分为三种形式：

9、 圆筒电极加速管 （a） 平板电极加速管 （b） 碟形电极加速管 （c）2 2、加速管、加速管 3.3 带电粒子的加速和传输s 为了保证将加速的束流传输到靶上，必须应用电场、磁场或电磁场的组合元件给离子束附加一个径向力，使之聚焦。3.4 离子束传输的聚焦元件 本节讨论常用的一些聚焦元件及其聚焦性能。1、电透镜1）单膜孔透镜 如图是为单膜孔透镜示意图。单膜孔透镜可近似看成短透镜，其焦距可用下式估算：0214VfEE其中， 为膜孔中心点位0V为等位面鞍点处的点位, 为膜片之间的间距。三膜片透镜总是会聚透镜。2 2）三膜孔透镜）三膜孔透镜 如图是为三膜孔透镜示意图。三膜孔透镜可近似看成短透镜。焦距可

10、用下式估算：006.5ccVVfSVV 为等位面鞍点处的点位， 为膜片之间的间距。CV三膜片透镜总是会聚透镜S3.4 离子束传输的聚焦元件2、磁透镜、磁透镜 如图所示，空间的通电线圈就是一螺线管透镜。带电粒子在非均匀磁场中也做螺旋运动，但：R常量3.4 离子束传输的聚焦元件3、四极透镜、四极透镜 四极透镜一般分为电四极透镜和磁四极透镜两种。1）电四极透镜）电四极透镜 由四个双曲面电极加适当的电压组成。 先不考虑边缘效应，则等位面应该是双曲面：根据边界条件： 221( , )()2ex yG xy2002001( ,0)21(0,)2eerG rrG r 202eVGr2220( , )()Vx

11、 yxyr3.4 离子束传输的聚焦元件讨论: 如果 x 方向作用力为聚焦力，则 y方向必为散焦力,单个电四极透镜无法实现双聚焦离子越偏离中心轴，作用力越大，四极透镜具有强聚焦性能 电四极透镜有易引起放电的缺陷电场：作用力：2020( , )2( , )2 xyx yVExxrx yVEyyr 202022 xxyyZeVFZeExrZeVFZeEyr 3.4 离子束传输的聚焦元件2）磁四极透镜# 结构组成 磁四极透镜的结构由四个双曲柱面磁极组成# 标量位 在不考虑轴向的场分布边缘效应的条件下，磁极内切圆范围内，磁场的标量位可用下列函数描述：( , )mx yG x y 称为磁场梯度, 由边界条

12、件决定 mG3.4 离子束传输的聚焦元件#磁感应强度：得：故：00sincos44mGrrIN202mINGr202( , )INx yx yr # 标量位在磁极与内切圆相切的四个点上的标量位大小为：# 沿z轴运动的离子在径向所受的作用力：00200020( , )2( , )2xyx yINByxrx yINBxyr 02002022 xyyxZe V INFZeVBxrZe V INFZeVByr 3.4 离子束传输的聚焦元件# 讨论如果x方向作用力为聚焦力，则y方向必为散焦力，单个磁四极透镜没法实现双聚焦，一般采取三重四极四极透镜来实现双聚焦离子越偏离中心轴，作用力越大，四极透镜具有强聚

13、焦性能 02002022 xyyxZe V INFZeVBxrZe V INFZeVByr 3.4 离子束传输的聚焦元件3.5 离子束传输的偏转元件rpBZrpBZ动量与磁刚度的关系1）磁分析器）磁分析器磁分析器为动量分析器2）静电分析器）静电分析器2ddVmvZeEZerd对于低能范围离子212Wmv2dWdrZeV静电分析器为能量分析器pZeBr4、束流时间特性、束流时间特性 直流束；脉冲束1、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）2、能量特性、能量特性（1）能量范围：1.5 MeV400 keV150 keV（P）（2）能量分散度：百分之几（无稳压）; 0.100.

14、01%（有稳压）3、束流强度、束流强度 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mA 几十 mA 几百mA3.6 Cockcroft 倍压加速器的性能特点一、组成：1、高压电源：采用双边Cockroft倍压电源1）300 kV，50 mA；2) 供电频率：2.5 kHz2、高压头部：1）双等离子源，50 mA；2）离子源电源3、加速管： 高梯度加速管：长80 cm， 加速区10 cm，梯度30 kV/cm。 3.7 兰州大学 31012n/s 强流中子发生器简介 4、真空系统：两组1500 L/s分子泵系统5、三重四极透镜6、强迫水冷高速旋转靶系统3.7 兰州大学 31012n/s 强流中子发生器简介 高压电源：300 kV，双边 4 倍压3.7 兰州大学 31012n/s 强流中子发生器简介 高压头部：离子源，离子源电源3