第二章-高壓加速器1

1、 Accelerators成都理工大學成都理工大學2013年年9月月12月月講授內(nèi)容講授內(nèi)容第一章：緒論第一章：緒論第二章：高壓加速器第二章：高壓加速器第三章：感應加速器第三章：感應加速器第四章：回旋加速器第四章：回旋加速器第五章：自動穩(wěn)相原理第五章：自動穩(wěn)相原理第六章：環(huán)形準共振加速器第六章：環(huán)形準共振加速器第二章第二章 高壓加速器高壓加速器2.1、概述、概述2.2、高壓加速器的耐壓措施、高壓加速器的耐壓措施2.3、靜電加速器、靜電加速器2.4、倍壓加速器、倍壓加速器2.1、概述、概述1、高壓加速器、高壓加速器利用利用直流高壓電場直流高壓電場來加速帶電粒子的加速器。來加速帶電粒子的加速器。Z

2、eUW 高壓加速器一高壓加速器一般由高壓電源、般由高壓電源、加速管、離子加速管、離子源或電子槍、源或電子槍、高壓電極、絕高壓電極、絕緣支柱等設(shè)備緣支柱等設(shè)備組成。組成。2、兩種典型的高壓型加速器、兩種典型的高壓型加速器高壓倍壓加速器高壓倍壓加速器 高壓靜電加速器高壓靜電加速器倍壓加速器的發(fā)展歷史倍壓加速器的發(fā)展歷史1931年，柯克洛夫特年，柯克洛夫特華爾頓華爾頓首次建成了高壓倍加速器，首次建成了高壓倍加速器，1932年第一次應用此加速器產(chǎn)年第一次應用此加速器產(chǎn)生了生了700KeV的質(zhì)子束，實現(xiàn)的質(zhì)子束，實現(xiàn)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應。起的核反應。高壓倍加速器

3、在核物理研究的高壓倍加速器在核物理研究的初期，發(fā)揮了重要作用。初期，發(fā)揮了重要作用。由于其結(jié)構(gòu)簡單，能加速強流由于其結(jié)構(gòu)簡單，能加速強流束，至今仍被廣泛使用。束，至今仍被廣泛使用。靜電加速器的發(fā)展歷史靜電加速器的發(fā)展歷史1931年，范德格拉夫發(fā)明了帶型年，范德格拉夫發(fā)明了帶型靜電起電機。靜電起電機。1933年，一臺年，一臺1.2MeV質(zhì)子靜電加質(zhì)子靜電加速器建成，首先在這臺靜電加速速器建成，首先在這臺靜電加速器上觀察到了共振核反應器上觀察到了共振核反應 441.2KeV（共振峰）（共振峰） 872.5KeV （共振峰）（共振峰） 現(xiàn)應用這兩個共振峰來校準加速現(xiàn)應用這兩個共振峰來校準加速器的能量

4、。器的能量。1955年開始，發(fā)展串列式靜電加年開始，發(fā)展串列式靜電加速器速器78( , )Li pBe1916( ,)F pO2.2、高壓加速器的耐壓措施、高壓加速器的耐壓措施1、設(shè)置高壓球殼、設(shè)置高壓球殼球間任意半徑r處場強Rr0r24)(rQDrE)11(414)(0200RrQdrrQdrrEVRrRr)11()(02RrrVrE孤立球：孤立球：02/)(rrVrER時，2.2、高壓加速器的耐壓措施、高壓加速器的耐壓措施1、設(shè)置高壓球殼、設(shè)置高壓球殼設(shè)置球殼后球表面處場強Rr0r)11()(0200RrrVrE4/)(2/min00RVrERr時，有球殼時，當0maxmin021)(rE

5、VVErE擊穿擊穿，0max0)(rEVVErE擊穿擊穿，孤立球：2.2、高壓加速器的耐壓措施、高壓加速器的耐壓措施2、采用高壓氣體、采用高壓氣體密封鋼筒式結(jié)構(gòu)密封鋼筒式結(jié)構(gòu))11()(0200RrrVrE球圓球部分：rqrlqlDrEq22)(筒電荷量為圓筒部分：單位長度上0ln212)(00rRqdrrqdrrEVRrRr筒0ln)(rRrVrE筒0000ln)(rRrVrEr筒處，2.2、高壓加速器的耐壓措施、高壓加速器的耐壓措施2、采用高壓氣體、采用高壓氣體密封鋼筒式結(jié)構(gòu)密封鋼筒式結(jié)構(gòu))11(020.RrrEV擊穿擊穿球圓球部分：00.lnrRrEV擊穿擊穿筒圓筒部分：421.0REV

6、Rr擊穿擊穿球球最大，為時，eREVeRr擊穿擊穿筒筒最大，為時，.01210接近于一般取Rr2.2、高壓加速器的耐壓措施、高壓加速器的耐壓措施3、設(shè)中間高壓電極、設(shè)中間高壓電極)11()(02000RrrrEV沒有中間電極時：)11()11()11()(1020212122200rrrrrrRrrrEV有中間電極時：58. 184. 0,67. 0,2100210VVRrRrRr取2.2、高壓加速器的耐壓措施、高壓加速器的耐壓措施3、設(shè)中間高壓電極、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度：)11()(22222RrrVrE)

7、11()(1020100rrrVVrE)11()(2121211rrrVVrE)11()11()11()()()()(1020212122200012rrrrrrRrrrEVrErErE使2.2、靜電加速器、靜電加速器 靜電加速器是高壓加速靜電加速器是高壓加速器的一種，具有束流品器的一種，具有束流品質(zhì)優(yōu)良、能量連續(xù)可調(diào)、質(zhì)優(yōu)良、能量連續(xù)可調(diào)、單色性好等優(yōu)點，是低單色性好等優(yōu)點，是低能核物理及帶電粒子與能核物理及帶電粒子與物質(zhì)相互作用研究的一物質(zhì)相互作用研究的一個重要工具。個重要工具。靜電加速器主要由以下幾靜電加速器主要由以下幾部分組成：部分組成：靜電起電機靜電起電機（噴電電源、噴電針、輸噴電電

8、源、噴電針、輸電帶、刮電設(shè)備（針）、電帶、刮電設(shè)備（針）、高壓電極）；高壓電極）；離子源；加離子源；加速系統(tǒng)；束流后傳輸系統(tǒng)速系統(tǒng)；束流后傳輸系統(tǒng)2.2、靜電加速器、靜電加速器1、靜電起電機、靜電起電機靜電起電機是一種利用輸電靜電起電機是一種利用輸電系統(tǒng)將電荷傳送到高壓電極系統(tǒng)將電荷傳送到高壓電極的裝置。的裝置。組成組成：噴電電源、噴電針、輸噴電電源、噴電針、輸電帶、刮電設(shè)備（針）、高壓電極。電帶、刮電設(shè)備（針）、高壓電極。工作原理：工作原理：# 噴電過程噴電過程 : 噴針電附近產(chǎn)生強電噴針電附近產(chǎn)生強電場場 氣體電暈放電氣體電暈放電負離子負離子向噴電針向噴電針 正離子被推向輸正離子被推向輸電

9、帶，附著在輸電帶上，與輸電帶，附著在輸電帶上，與輸電帶一起向上運動。電帶一起向上運動。# 刮電過程：刮電過程：在刮電針排附近也在刮電針排附近也形成強電場氣體電離正離子流形成強電場氣體電離正離子流向向針排，負離子流向皮帶，向向針排，負離子流向皮帶，中和帶上的正電荷。中和帶上的正電荷。 充電電壓和輸電電流充電電壓和輸電電流 若高壓電極對地電容為，積累的電荷為，則高壓極若高壓電極對地電容為，積累的電荷為，則高壓極對地電壓對地電壓V ： 為起電機有效充電電流為起電機有效充電電流 當當 時，即時，即則則 即即 高壓電極對地電壓達到穩(wěn)定值。高壓電極對地電壓達到穩(wěn)定值。i有效()iiiiiii漏有效充總負載

10、充電暈束負載0i有效0dVdtV 常數(shù)1、靜電起電機、靜電起電機dtdQCdtdVCQV1 總負載充ii輸電電流的限制和提高輸電電流的限制和提高 加速器要求輸電系統(tǒng)傳輸足夠強的穩(wěn)定電流和足夠高的電加速器要求輸電系統(tǒng)傳輸足夠強的穩(wěn)定電流和足夠高的電壓，這些要求受壓，這些要求受輸電系統(tǒng)性能輸電系統(tǒng)性能和周圍和周圍絕緣介質(zhì)性能絕緣介質(zhì)性能的限制。的限制。 一般輸電帶能輸送的最大電流為：一般輸電帶能輸送的最大電流為：其中：其中： 為帶上最大面電荷密度，為帶上最大面電荷密度，b為帶寬，為帶寬，v為帶速度。為帶速度。 b為有限值，為有限值，v不可過大，以免引起帶的震動而影響電流的不可過大，以免引起帶的震動

11、而影響電流的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 與輸電帶周圍介質(zhì)氣體的介電常數(shù)與輸電帶周圍介質(zhì)氣體的介電常數(shù) 及輸電及輸電帶表面附近的擊穿電場帶表面附近的擊穿電場Eb有下關(guān)有下關(guān)系：系：mbvmImbmE 2m1、靜電起電機、靜電起電機電壓的限制和提高電壓的限制和提高 起電機所能達到的起電機所能達到的最高電壓最高電壓與很與很多因素有關(guān)。有以下方程：多因素有關(guān)。有以下方程： 此時電壓達到最大穩(wěn)定值此時電壓達到最大穩(wěn)定值Vm。Vm一般有下列經(jīng)驗公式：一般有下列經(jīng)驗公式：其中，其中，Vc為臨界電壓（電暈放為臨界電壓（電暈放電和電子負載）；電和電子負載）；d為比例系數(shù)為比例系數(shù)（與諸多因素有關(guān)）（與諸多因素有關(guān)）。 可

12、見，要提高可見，要提高Vm，必須提高，必須提高加速器系統(tǒng)的加速器系統(tǒng)的Vc和和Im，減小，減小I漏漏，而這些都與絕緣介質(zhì)的絕緣性能而這些都與絕緣介質(zhì)的絕緣性能有關(guān)。有關(guān)。 充氣充氣和和均壓均壓是解決問題的有效是解決問題的有效途徑途徑11()dVdQidtC dtCiiiiiii有效漏有效充總負載充電暈束負載()mmcIIIVV漏束負載d1 1、靜電起電機、靜電起電機1、靜電起電機、靜電起電機2、靜電加速器的加速管、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。一般采用平板式電極結(jié)構(gòu)的均勻場加速管。 加速管耐壓的幾個加速管耐壓的幾個問問 題題絕緣環(huán)表面爬電絕緣環(huán)表面爬電 * 高壓電瓷（

13、高壓電瓷（75瓷）瓷） 約約3kV/cm）；）； * 95瓷，瓷， 約約5kV/cm間隙的完全擊穿間隙的完全擊穿 * 均壓以防局部放電均壓以防局部放電 * 加速電場梯度取值要加速電場梯度取值要合適，一般真空擊穿合適，一般真空擊穿電場：電場：100kV/cm 2.3、靜電加速器、靜電加速器不完全擊穿不完全擊穿“全電壓效應全電壓效應” 加速管加到一定的電壓閾值，管內(nèi)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射線，電子流很快超過加速器最大負載電流，電壓急劇下降，造成不完全載電流，電壓急劇下降，造成不完全擊穿，稱為擊

14、穿，稱為“全電壓效應全電壓效應”或或電子負電子負載載現(xiàn)象?，F(xiàn)象。解決辦法：抑制電子負載。解決辦法：抑制電子負載。辦法一：小孔加速管，抑制電子倍增辦法一：小孔加速管，抑制電子倍增辦法二：采用斜場加速管辦法二：采用斜場加速管辦法三：磁抑制加速管辦法三：磁抑制加速管辦法四：加速管兩端加抑制電極辦法四：加速管兩端加抑制電極 2、靜電加速器的加速管、靜電加速器的加速管加速管的聚焦作用加速管的聚焦作用2、靜電加速、靜電加速器的加速管器的加速管3、 串列式靜電加速器串列式靜電加速器 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，受到靜電起電機所能達到的機所能達到

15、的最高電壓及加速管耐壓最高電壓及加速管耐壓的限制。（的限制。（68MeV:P） 為了進一步提高加速粒子的能量，發(fā)展了為了進一步提高加速粒子的能量，發(fā)展了串列式靜電加速器串列式靜電加速器。又稱又稱多級靜電加速器多級靜電加速器。其中最基本的為。其中最基本的為兩級串列加速器兩級串列加速器，兩級以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)。系統(tǒng)。 這種提高靜電加速能量的方法，早在這種提高靜電加速能量的方法，早在

16、20世紀世紀 30年代就已提出，年代就已提出，直到直到負離子源和原子的剝離負離子源和原子的剝離技術(shù)取得成功之后，才于技術(shù)取得成功之后，才于1958年建成年建成了世界上第一臺加速質(zhì)子能量為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。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，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離子源裝在加速器地電勢處, 調(diào)節(jié)、更換零件都方便調(diào)節(jié)、更換零件都方便,又便于加速又便于加速多種粒子，所以發(fā)展得很快，多種粒子，所以發(fā)展得很快，60年代達到了它的全盛時期。到年代達到了它的全盛時期。到1

17、986年時年時,運行中的串列加速器端電壓達運行中的串列加速器端電壓達5兆伏以上的約有兆伏以上的約有70臺。臺。3、串列式靜電加速器、串列式靜電加速器基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) # 充氣鋼筒及絕緣氣體循環(huán)充氣鋼筒及絕緣氣體循環(huán)處理系統(tǒng)；處理系統(tǒng)； # 負離子源；負離子源； # 加速管；加速管；# 電子剝離器；電子剝離器； # 起電機；起電機； # 分析磁鐵及束流后傳輸系統(tǒng)分析磁鐵及束流后傳輸系統(tǒng) # 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)3、串列式靜電加速器、串列式靜電加速器工作原理工作原理 從從負離子源產(chǎn)生負離子束，經(jīng)過預加速、分析磁鐵注入串列加速負離子源產(chǎn)生負離子束，經(jīng)過預加速、分析磁鐵注入串列加速器的一根加速管，由于加速

18、器的高壓電極為正高壓，粒子朝高壓器的一根加速管，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。當負離子進到高壓電極內(nèi)部時電極方向被加速一次。當負離子進到高壓電極內(nèi)部時,經(jīng)過電荷經(jīng)過電荷剝離器轉(zhuǎn)變?yōu)閹в袆冸x器轉(zhuǎn)變?yōu)閹в蠳個電荷單位的正離子（個電荷單位的正離子（N一般稱粒子的電一般稱粒子的電荷）。而后荷）。而后,正離子進入第二根加速管中，又受到正高壓的排斥正離子進入第二根加速管中，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：力，第二次被加速，經(jīng)過兩次加速，粒子獲得的總能量為： E2qV3、串列式靜電加速器、串列式靜電加速器如圖為如圖為折疊式兩極串列折疊式兩極串列加速器。它的結(jié)構(gòu)像一加速器。它的結(jié)構(gòu)像一個倒置的字母個倒置的字母U。從下。從下面注入的離子經(jīng)一次加面注入的離子經(jīng)一次加速在高壓電極內(nèi)被一個速在高壓電極內(nèi)被一個大的偏轉(zhuǎn)磁鐵偏置大的偏轉(zhuǎn)磁鐵偏置180后后,進入另一根加進入另一根加速管第二次加速。速管第二次加速。 4、靜電加速器的性能特