[科普中国]-离子加速器

离子

离子是指原子由于自身或外界的作用而失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个（氦原子）或没有电子（四中子）的稳定结构。这一过程称为电离。电离过程所需或放出的能量称为电离能。

在化学反应中，金属元素原子失去最外层电子，非金属原子得到电子，从而使参加反应的原子或原子团带上电荷。带电荷的原子叫做离子，带正电荷的原子叫做阳离子，带负电荷的原子叫做阴离子。阴、阳离子由于静电作用而形成不带电性的化合物。

与分子、原子一样，离子也是构成物质的基本粒子。如氯化钠就是由氯离子和钠离子构成的。

离子加速器的应用及特点离子加速器是舰用多种毒剂监测仪检测毒剂的关键部件。舰用多种毒剂监测仪是我国重点型号大驱、048将要装备的仪器，它采用物理检测方法中的闭合型漂移管离子迁移谱法探测蒸气态神经性、糜烂性等多种类型毒剂。

在飘移管的电离区和反应区中，样品气体在放射源的作用下通过化学电离反应，在空气中电离，飘移管中有一个离子光阀，光阀打开极短的时间，使离子云团通过，进入离子加速飘移区，在电场的作用下进入信号区，到达捕获电极，扫描栅极将那些高迁移率的离子挡回，不同类型的离子簇到达捕获电极的飘移时间不同，飘移时间与它们的迁移率有关。计算机根据飘移时间、温度、压力和漂移电场的电压值利用公式计算出比迁移率，确定毒剂离子的类型，而浓度可通过毒剂类型和离子迁移图谱中的特征离子峰的峰面积计算出来。

在常规漂移区设计中，离子加速器由数十个金属传导环和聚四氟绝缘环层迭而成，与高压在分压电阻的配合下形成加速电场，结构复杂，加工装配困难，不利于密封。传导环和绝缘环之间空隙及聚四氟绝缘环本身容易吸附检测样品，解吸困难，其电场均匀性也难以保证。另外，还需要另外设计漂移区加热部件并解决与高压的绝缘问题。

陶瓷管(玻璃管)离子加速器是离子加速漂移区一种新型设计方法，它采用整体陶瓷管或玻璃管作为离子加速器的基材，在陶瓷管或玻璃管内部涂有一层电阻层，与高压配合，形成需要的加速电场。由于电阻层产生连续的电压降，相对于传导环和绝缘环层迭结构，其电场的均匀性要高子后者。因为其采用整体的陶瓷管或玻璃管，其密封性也得到了保证。在陶瓷管或玻璃管的外部，另外涂有一个加热电阻层，简单的解决了离子加速漂移区的加热问题，不需要另外的加热器。

可见陶瓷管(玻璃管)型离子加速器的设计，保证了漂移电场的均匀性，大大简化了离子加速漂移区的结构设计及电路设计，去掉了分压电阻，解决了密封问题，不需要再设计加热部件，对减少体积重量功耗有重大意义，尤其是对便携式仪器意义更大。1

研究现状离子加速器中的加速器装置要求其产生的磁场恒定或按要求的规律进行变化，加速器所用电源根据要求的不同可以分为与两种。其中，脉冲电源可产生的按照给定规律变化的磁场;稳定电源可以生成较为稳定的磁场。作为加速器用磁铁电源，它们分别在输出电流稳定度、电流纹波和电流跟随精度均有较高要求。稳定电源对输出电流的稳定度需高达到 数量级。加速器用磁铁电源的输出功率小至几千瓦，大至几百千瓦，除小功率的电源外，当前电源采用最多的为晶闸管可控整流器。为了减小输出电流的纹波，多采用无源滤波器或者有源滤波装置(工作在线性调整状态)。

离子加速器主要分布在我国的上海、兰州、合肥等物理研究所。离子加速器用到的磁铁电源，目前常采用的是传统不控整流H桥拓扑、直流斩波拓扑、以及多脉波整流的方式以获得稳定的直流电源。与此同时，对这些拓扑进行模块化串并联，可获得更大功率的电源。选取上述一些拓扑结构使当前的加速器电源普遍存在功率因数低，装置体积较大、转换效率低等诸多不足。近年来，随着全控型电力电子器件以及碳化硅开关管的迅猛发展，开关电源的优势口益明显，它有着重量轻、体积小、效率高等优点，输出功率也在不断提高。因此，在离子加速电源中采取开关电源技术是一种完全可行的方案。2

离子加速器准直技术准直技术加速器准直测量技术是加速器建设和维护运行中一项关键的技术，它用于解决各种各样的加速器元件在大尺度空间内精确定位的相关问题，来保证加速器元件如磁铁，诊断元件等在理论位置上的一定误差范围内的准确定位，以满足物理实验的可行性和加速器运行的可靠性。同时也提供一些大尺度的精密测量，以便于物理探测器的精确组装和上线定位安装。

一般的，加速器磁铁都在绝对尺度上和相邻间，都要求在毫米和十分之一毫米的准确度要求，并且要保持稳定在一年以上的时间内，所以几乎是最精确的测量仪器都用在了加速器的准直测量中来，同时也要求了地基稳定性和支撑的机械稳定性。

精密的离子加速器准直技术不仅仅是在于首次的安装，而且要定期的检测加速器元件和探测器在束流运行时的实际位置状态，同时要考虑部件位置在一定时期内稳定性，让加速器元件和探测器在理论位置的公差之内。

特点1，大尺度范围内精确度要求高

重离子加速器装置在粒子加速器中算是中等规模，但是束线上的磁铁元件一般都,非常庞大，动辄几十吨，而且束线上磁元件位置度要求都在亚毫米级，到达0. 1mm级别。

加速器准直测量人员从一开始就是为了实现这一目标进行探索和研究，从坐标系测量仪器，测量方法到分析方法，从测量理论到测量技术，从测量设计到测量实，别统现过程的可能性与最优化。

近年来，以激光跟踪仪，关节测量臂，数字水准仪及在以这些三维测量设备为基础的三维控制测量网等准直技术在加速器准直测量中的广泛应用，物理学家对于磁元件的准直要求越来越苛刻，在磁元件间100微米的位置偏差，己经是一个基本要求，这个己经接近到一般机械加工的水平。某种角度上，加速器准直就是机械加工在大尺度上的拓展，目前准直的绝对精度在亚毫米级，这是一般机械装配件的要求，同时所达到的相对精度，却远远高于一般机械加工的要求。

2，测量基准要素一般是空间的电磁中心

在加速器准直中，主要针对的是磁铁元件的磁场中心的定位要求，有别于一般的机械实体位置，必须在磁铁上设置一下外部参考作为准直的基准，所以，它是一种间接测量模式。磁场中心可以借助于磁场测量的工作找到磁铁中心，并且测量出靶标与磁场中心的位置关系，在安装的时候，反算出磁场的中心位置，来定位磁铁姿态位置。

3，微调装置要求

稳定的支撑结构对磁元件是必不可少，并且在诊断出有位移偏差的时候，能够通过微调实现位置校正。

4，安装后，长期稳定性的要求

加速器安装完成后，在调试及运行过程中，由于温度变化和载重导致的束线轨道地基的伸缩变形和地基不均匀沉降、支撑系统的应力释放等原因，将导致加速器元件偏离原安装的理想位置，特别是垂直段机构的整体偏离，使得元件位置超出其位置要求。这种偏离在加速器调试及运行初期比较明显。例如SSRF(上海同步辐射光源)要求其敏感元件的相对安装精度为士0. 15mm。SSRF储存环隧道基础设计为非均匀沉降每年士0.1mm/10m，全环一年内地基变动量可能超出士1mm。为了保证加速器的正常运行，必须定期对准直测量网进行复测，并对加速器元件进行准直复测。通过测量结果分析，确定调整方案，对各个元件进行位置调整，重新准直，使加速器元件恢复到所要求位置精度，保证高质量束流运行。该复测与调整工作在加速器运行初期将较为频繁，随着整体状态的逐渐稳定，间隔也逐渐拉长。3