[科普中国]-静电加速器

起源与发展

1909 年，卢瑟福( E． Rutherford) 在用镭放出的α粒子轰击原子时发现了α粒子反常的大角度散射现象。在此基础上，他于次年提出了原子的核式结构模型。1919 年，他用天然放射源产出的α粒子轰击氢，实现了人类第一次原子核反应实验。但是，天然放射源产生的“炮弹”粒子强度弱、种类有限、能量不易控制，因此创建人工加速粒子装置成为了核物理研究的必需。1928 年，维德罗( E． Widere) 率先提出了加速带电粒子的加速器方案，但电压不够高而不能用于原子核反应研究。1932 年，卢瑟福领导下的卡文迪许实验室的考克饶夫( J． D．Cockcroft) 和瓦尔顿( T． S． Walton) 合作设计建造了第一台高压倍加器，并用它获得700KeV 的质子束轰击锂靶，实现了人类第一次人工核反应。此后，在高压加速器中发展最快的是利用静电起电机作为高压电源的静电加速器。1929 年，范德格喇夫( R． J． van de Graaf) 提出了静电发生器的结构( 乌戈利莫夫于1925年也曾提出此设想)，1931 年，范德格喇夫建成第一台静电加速器，把质子加速到0. 5MeV。所以，后来把静电加速器也称为范德格喇夫起电机。与高压倍加器相比，静电加速器更容易产生较高的能量，粒子束能量也更均匀，故此发展很快1。

20 世纪40 年代， 4. 5MeV 的质子静电加速器已经建成。50 ～ 70 年代，采用串列结构，静电加速器已经能产生30MeV 的质子流。静电加速器属于直线加速器。同期，非直线加速器也得到了很大发展。1930 年，劳伦斯( E． O． Lawrence) 提出了回旋加速器的原理和设计。同年春，劳伦斯的学生埃德勒夫森( N． E． Edlefsen) 建成了4 吋的回旋加速器模型。1931 年4 月，在劳伦斯领导下，利文斯顿( M． S． Livingston) 建成了直径9 吋的回旋加速器。8 月，他们用这台回旋加速器把质子加速到了1MeV。二战前，回旋加速器尺寸已经达到60 吋，加速器质子能量达到8MeV。二战后，麦克米伦( E． M． Mc － Millan) 于1945 年提出自动稳相原理( 前苏联的韦克斯勒曾于1944 年提出该原理) ，并建成184 吋的电子同步加速器。1947 年， 70MeV 的电子同步加速器建成。此后几年， 300MeV 的电子同步加速器批量出现。质子同步加速器研制也同步进行，到1952年，3GeV 的质子同步加速器建造成功。1953年建成了串列静电加速器。它先将带负电的离子由 地电势向正高压电极加速，再在电极内将负离 子转变为正离子，由高压电极对正离子进行第 二次加速。用这样的方法可使质子的能量提高 一倍。若把高压极性相反的两个串列加速器串 联在一起，能量还可进一步提高，目前已达到 60兆电子伏2。

原理静电加速器是通过输电带将喷电针电晕放电的电荷输送到一个绝缘的空心金属电极内，使之充电至高电压用以加速带电粒子。加速器加速粒子的能量受到所使用绝缘材料击穿电压的限制。为了提高静电加速器的工作电压和束流强度，近代静电加速器安置在钢筒内，钢筒内充有绝缘性能良好的高压气体，以提高静电高压发生器的耐压强度，加速粒子能量可达14兆电子伏特（MeV） 。静电加速器属于低能加速器，主要作各种技术应用。

早期的范德格喇夫静电高压发生器是动带式的，它的基本工作原理如图1所示。金属薄壁的高压电极由绝缘支柱支撑着。绝缘材料制成的输电带在两个转轴间不停地运动。喷电针排连接在喷电电源（电压为数十千伏的直流高压电源）上，通过针尖在气体中的电晕放电，使周围与针尖极性相同的离子在电场作用下从针尖喷向输电带，使输电带充电。随着输电带的运动，带上的电荷进入高压电极。极内刮电针排同高压电极相连和输电带之间所形成的电场，同样使气体电晕放电，从而使电荷转移到高压电极上去。随着不停传送电荷，高压电极的电压很快地升高。假设高压电极对地的电容是C,当它上面积累的电荷是Q时，它对地的电压可由 公式1 来决定。这关系式对时间微分后得

公式2式中Ia是有效充电电流，它等于输电带送到高压电极的电流(输电电流)减去通过各种途径从高压电极漏去的电流（泄漏电流）。当电压上升到某值时，泄漏电流恰好等于输电电流，即Ia=0,此值即为此高压发生器的平衡电压。这种高压发生器，要改变电压极性是很方便的，只要改变喷电电源极性即可实现。如电子静电加速器高压所需的极性同图1所示正好相反。

分类按照加速粒子的不同，静电加速器可分为正离子静电加速器(又称质子静电加 速器)和电子静电加速器两类。前者粒子能量 可以平滑调节，能散度可以做得很小，一直是低 能核物理的主要设备。与此相比，后者的结构 比较简单，所占空间也较小;因作为β辐射源和 γ辐射源使用，对电子束的能量分散度要求不 高，不需配备分析器和稳压装置。

优点60年代中，范德格拉夫静电高压发生器的重要改进是用输电链（或梯）代替输电带。输电链（梯）是利用在链(梯)上产生感应电荷的办法充电并输送电荷的，它的主要优点是：输电不靠电晕放电，电流波动小，发生器的高压自然稳定度高；工作寿命长；内部清洁等。已有不少静电加速器采用这种输电方法。

有了高压发生器再配上离子源、加速管、分析器、电压稳定和控制系统以及真空系统等必要的部件就构成了一台完整的质子静电加速器。图2为质子静电加速器典型的结构简图。为了提高静电加速器的工作电压(即离子束能量)和束流强度，近代静电加速器都是安放在钢筒内。钢筒内充有绝缘性能良好的高压气体,以提高静电高压发生器的耐压强度;绝缘支柱上均装有分压环及分压电阻（或电晕针组件）等部件，以使电场沿绝缘支柱、加速管和输电带（链）尽可能地均匀分布。高压电极内装有发电机、离子源和电子线路。当高压电极处在正的高电势时，在同高压电极和分压电阻相连的加速管内就形成加速电场。正离子从离子源被引出，进入加速管后，就受到加速电场的作用，向加速管的另一端运动加速。钢筒外的分析器（磁或静电分析器）是为了对经过加速的带电粒子进行质量和能量选择而设置的。带电粒子流通过分析器后再经过一段束流输运管道，最后打到靶上，提供物理实验使用。靶束流大小，根据实验要求,一般可在纳(10)安到几十微安范围内调节。质子静电加速器加速粒子能量可以平滑调节，能散度可以做得很小，它一直是低能核物理的主要设备。

同质子静电加速器相比，电子静电加速器的结构比较简单，所占空间也较小。这是由于负极性高压电极的击穿电压比正极性高；电子枪及其所需电源比离子源要简单得多,因此对于相同能量的电子静电加速器来讲,它的高压电极尺寸就比较小，这样钢筒的尺寸也就可相应减小。其次，由于电子静电加速器是作为β辐射源（高速电子流经扫描器后通过薄窗引出）和γ辐射源（高速电子轰击重元素──金、钨等来产生很强的γ射线）使用的，对电子束的能量分散度没有很高的要求，因此它不必配备分析器和稳压装置，用于实验的辐照室就直接安置在离加速管出口不远的地方。图3为上海生产的2兆电子伏电子静电加速器。

国内发展从20 世纪40 年代开始，中国的物理学家们就一直梦想着能拥有自己的核物理研究装置，但是由于种种原因，这些梦想在解放之前并未成为现实。新中国成立之后，国家大力支持科学研究，并制订了《1956—1967 年科学技术远景规划纲要》，其中原子能的和平利用被列为十二项重点发展领域的第一项。在规划颁布之前，诸多相关的研究已经开展并取得阶段性成果。作为核物理研究的主要单位中科院近代物理研究所( 先后改名为物理研究所和原子能研究所) 已经在加速器研制等方面取得了重要进展，先后建造了我国第一、二台静电加速器( 也称为V1 质子静电加速器和V2 质子静电加速器) 。静电加速器技术已有50多年的发展历史，中国是在50年代末开始发展的,1959年建成了中国第一台2.5兆电子伏质子静电加速器,1962年又建成了中国第一台2兆电子伏电子静电加速器。现今世界上约有数百台静电加速器。质子静电加速器除用于基础研究、核技术应用外，还应用于离子注入、放射性剂量仪表校刻等方面，同时它也为分子生物学、表面物理、束－箔光谱学等边缘学科的发展提供了重要的技术设备。电子静电加速器主要用于辐射化学、放射生物学、材料和元件的辐射改性(辐射处理)以及辐射育种、金属探伤和空间辐射模拟等。特别是辐射处理在工业上有广泛用途3。