[科普中国]-倍压加速器

加速器发展史

加速器是用人工方法使带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、 粒子以及其他一些重离子，如氧、碳、氮、氯、以至氙离子，铀离子。利用这些直接加速出来的带电粒子与物质相作用，还可产生多种带电的和不带电的次级粒子，如 粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等。

医学界广泛应用的X射线管可算是最早的一种加速器，到1920年已能把电子加速到100到200千电子伏。1919年卢瑟福利用天然 源进行了第一个原子核反应实验以后，物理学家开始提出建造人工加速粒子装置的要求。

1932年科克劳佛和华尔顿用倍压线路作电源，建成了一台高压加速器，即倍压加速器，获得了能量约为700千电子伏的质子流，用来轰击锂靶，实现了第一个利用人工加速的粒子进行的核反应。

1931年范德格拉夫建成了静电起电机，可以获得1.5兆伏的电势差。1933年人们又先后建成了能把质子加速到0.6兆电子伏和1.2兆电子伏的静电加速器。 从三十年代开始，随着科学研究逐步深入的需要，加速器技术迅速地发展起来。大约到1951年，静电加速器的最高能量已提高到5兆电子伏以上。随着串列加速原理的使用，已经把能量提高到30兆电子伏左右，40兆电子伏或更高能量的串列式静电加速器也在研究之中。

1932年能把质子加速到1.22兆电子伏的回旋加速器开始运行。它和上述两种加速器的工作原理不同，它不用很高的直流电压来加速粒子，而是用一个不大的高频电压多次加速拉子。 大约到1939年，回旋加速器所产生的粒子的最高能量已超过天然放射源及当时其他加速器的能量，当时已能产生约20兆电子伏的氘核和40兆电子伏的粒子。1956年第一台等时性回旋加速器建造成功，以后这种新型回旋加速器发展很快，在一些国家先后建成了从医用小型加速器到能把质子、氘核等离子加速到数十至一百兆电子伏以上的科研用加速器。目前能把质子加速到200甚至到500兆电子伏以上的等时性回旋加速器也正在建造中。

1940年第一台电子感应加速器建造成功，它能把电子加速到2.3兆电子伏.。1942年已经建成20兆电子伏的感应加速器，从而把人工加速电子的能量提高了很多。

四十年代初，在进一步提高加速器能量方面遇到很大困难。直到1944年发现了谐振加速器中的粒子具有自动稳相现象，才从理论上解除了谐振加速器能量的上限，从此一系列能量更高的新型加速器使迅速地发展起来。

1947年70兆电子伏的电子同步加速器建造成功，随后在短短几年中建造了近十台这种加速器，能量在300到500兆电子伏范围内。

1952年交变梯度磁场的强聚焦原理受到重视。采用这种聚焦方案后，l可以使拉子对理想轨道的偏离减小，从而降低加速器造价。1959年日内瓦欧洲原子核研究中心建成的28千兆电子伏质子同步加速器，就采用了这种聚焦方案。1960年布鲁海汶33千兆电子伏的同型加速罢也开始运转。现在利用这种类型加速器已把质于加速到400千兆电子伏。这种聚焦原理也同样应用在电子同步加速器上，能量从1千兆电子伏、6千兆电子伏直到12千兆电子伏的强聚焦电子同步加速器也先后建造成功．

从近四十年加速器的发展情况来看，随着科学研究、工农业生产、医药卫生、国防等方面对加速罢需要的增长，在其他科学校术新成就的基础上，加速器技术也迅速地发展起来。目前加速器种类已超过二十种，人工加速粒子的能量也迅速提高。统计表明，大约每隔6到10年，人工加速拉子的最高能量就提高近十倍。各种加速器的数目也日益增多，有些类型的低能加速器已达数百台。象静电加速器、倍压加速器、绝缘磁芯变压器、高频高压发生器、电子直线加速器、感应加速器等均已投入小批工业生产，而且有了一系列产品。 目前，各国加速器工作者除对已有加速器类型继续进行研究，改善性能，降低造价外，还正在探索和开辟新的加速粒子的原理，希望用较少的投资，获得更强的粒子流和更高的能量2。

倍压加速器组成倍压加速器是直流高压加速器的一种，采用倍压整流电路产生的直流高电压加速带电粒子。倍压加速器同其他直流高压加速器一样，都是由高压发生器、粒子源、加速和聚焦系统、真空系统、分析器、靶室以及控制系统等部分组成，如右图所示。

倍压加速器的主电容器和辅助电容器大多垒成两个电容器柱，整流器在两个电容器柱之间交叉联接，构成倍压线路。整流器多采用高压整流管或半导体整流管。当采用高压整流管时，整流管的灯丝处于高电势，必须采用适当的方法供给灯丝加热功率。例如可以用安放在绝缘支架上的蓄电池或小发电机加热灯丝。蓄电池和发电机要安放在适当形状的金属屏蔽里面，屏蔽和灯丝处在同一电势，以避免发生电晕或火花放电。蓄电池要定期充电，小发电机可以用绝缘带或绝缘轴来拖动发电。另外，也可以利用高频电源来加热灯丝。

倍压加速器的加速管和低压静电加速器的相似，加速管分段比较少，通常等于倍压线路的级数。加速管每段的长度比较大，加速电极是比较长的金属筒。加速电极联在对应的电容器上，以达到分压的目的。右图是一台二级倍压加速器布置示意图。整流管灯丝加热设备在图中没有表示出来。加速管顶端安放有离子源，离子源和它的电源设备都安放在高压电极里面。离子源的电源由高压电极里面的发电机供给，发电机由绝缘带或绝缘轴拖动。当直流高压加到高压电极和加速管中的各个加速电极上时，各电极之间就产生了加速电场。从粒子源中引出的带电粒子，在加速电场的作用下，由高电压端向加速管的另一端（处于低电势）加速，获得能量E=QV（Q是粒子的电荷数，V是加速管两端的电势差），最后轰击到靶上。

为了减少粒子在加速过程中同气体分子碰撞而造成的束流分散和损失，加速管内的真空度约为 Torr（毫米汞柱）。

倍压加速器的电压脉动比较大，整个设备对地的电容又比较大，静电加速器上采用的快速稳压方法在倍压线路上起的作用较小，因此倍压加速器产生的粒子流的能量均匀度比静电加速器所能达到的要小。倍压加速器的电源电流容量比较大，如果采用适当的离子源，能够产生比技强的粒子流。目前倍压加速器被广泛地用作中子发生器，这时它的能量只要数百千电子伏，流强约毫安数量级。

倍压加速器工作原理倍压加速器是用倍压线路作高压电源的—种高压加速路。大约在1920年左右已经有入开始来用倍压线路来产生直流高电压。1932年科克劳拂和华尔顿利用这种线路所产生的直流高压来加速质子，建成了第一台倍压加速器。

倍压加速器按高压发生器的不同，可分为高压倍加器、高频高压倍加器。

高压倍加器

高压倍加器采用串激式倍压电路产生直流高电压。右图是一个三级倍压线路的工作原理图，它由主电容器C1、C2、C3和辅助电容器 、 、 以及整流器和高压变压器组成。高压变压器借助整流器和辅助电容器，使主电容器C1、C2、C3不断的充电。如果没有漏电，最后能使C1、C2、C3上的电压都达到2Va（Va是高压变压器次级电压的幅值），这样我们就在主电容器柱上得到6Va的直流高压。对于倍加级数为N的串激倍加电路，其空载极限直流输出高压等于2NVa。

当高压倍加器运行时，输出的直流高压中会产生电压降落和电压脉动。由于它们随着N的增大而迅速增大，所以在实际工作中，要根据具体的技术和经济条件，选择适宜的电容器级数和供电频率。后来又出现了对称倍加电路和三相倍加电路等。

采用较高的供电频率（从几百赫到几百千赫），或提高倍加级数（从几级到几十级），可以使高压倍加器达到小型化，使高压发生器甚至整个高压倍加器都可以装进一个充以绝缘气体的钢筒中3。

高频高压倍加器

高频高压倍加器又称“地那米”加速器，它采用并激式倍压电路，高频高压倍加器的实体图如右图所示。

高频高压倍加器所采用的的并激式倍压电路原理图如右图所示。由钢筒外的高频振荡管和钢筒内的高频变压器、高频电极及其对钢筒、倍压器芯柱之间形成的分布电容组成一个高频振荡器，它在两个高频电极之间产生高频电压。这一高频电压通过高频并激倍加电路在高压电极上产生负极性直流高压。从高压电极内的电子枪产生的电子束流在此负高压作用下通过束流加速系统得到加速，再通过扫描引出系统穿过钛窗对产品进行辐射加工。

分压环是互相绝缘的两个半环，不但进行分压，而且同高频电极组成耦合电容来耦合高频电压。两个高频电极连在100～300千赫的高频振荡器上。在高频电压作用下，电子从一侧的半圆分压环向另一侧的半圆分压环运动。在图2中整流器的连接的情况下，电子将被逐级输送到高压电极，而获得负高电压。如果将所有整流器反接，就可以获得正高电压。高频高压倍加器安放在密封钢筒内，里面充以高压绝缘气体。

高频高压倍加器输出功率大，可加速较强（10毫安量级）的电子流，然而储能并不多，不需要用大的储能电容器，故在击穿时不会造成严重损坏。但它需要采用高频供电和高频的整流元件，在技术上比较复杂。

倍压加速器的工作电压大约在几十千伏到几兆伏，而粒子流强度大约在几百微安到几百毫安的范围内可以加速电子、轻离子和重离子。由于倍压加速器的输出粒子流强度高，结构比较简单，运行比较可靠，造价低和建造快，因而得到了广泛的应用。

应用高压加速器、高频高压发生器都是输出功率比较大的直流高压加速器。它们也可以用来加速质子或其他重离子，供核物理研究用。早期倍压加速器也曾在核物理研究方面起一定作用，近来它主要用作快中子发生器，200到400千电子伏的倍压加速器，是一个很方便的中子发生器。另外，强流质子倍压加速器可用作质子直线加速器的注入器，布鲁海汶实验室及巴塔维亚用作质子同步加速器注入器的质子直线加速器，都是用倍压加速器作预先加速设备的。

倍压加速器输出电流比较大，也可以用来加速电子，供工农业生产辐照用。

高频高压发生器所能达到的电压目前仅低于静电加速器，利用串列加速原理，能把质子加速到10兆电子伏。既可用来加速重离于供核物理研究、活化分析之用，也可用来加速电子，作工农业生产用的辐照源2。