[科普中国]-串列加速器

起源

1931年美国的范德格拉夫（R.J.Van de Graaff）发明了静电加速器，质子能量达到1.5MeV。串列加速器就是在静电加速器基础上发展起来的、由两段(甚至三段)静电加速器组成的加速器。1

HI-13型结构HVEC的串列加速器全部是横式的，加速器厂房低，使用维修方便是其优点。

（1）负离子注入器

由负离子源，偏转磁铁，预加速管，脉冲系统和真空系统等组成，可产生80-180keV的可变能量低发射度束流。

注入器可以装备多种类型的负离子源，因而原则上可以提供全粒子。

90度双聚焦偏转磁铁的偏转半径R=14’’，质能积为9.6MeV，AMU可以偏转带有单电荷，质量为240，能量为40keV的离子。它的质量分辨率不小于90，这比MP型的好得多，对重离子工作时更为有利。

调节栅网透镜和光栏等光学元件，可以使注入束流的发射度与加速器低能端的接收度相匹配。

毫微秒脉冲系统采用先切割再聚束的方法，可以用于质子及重离子。2

（2）高压发生器

高压发生器的钢桶长25m，最大内径5.5m，它与MP型的不同处是钢桶两边呈圆锥形而无MP型的拐角(“Knee”)结构，而且长度增加2英尺。实验证明“Knee”是MP型电压升高的一个限制因素。钢桶的容量为360立方米，用SFa作为绝缘气体，工作气压7.2个绝对大气压，需要SFa气体约17吨。SFa气体由四川硫酸厂供应。

HI-13的大钢桶由大连机器制造厂承制，分成九段在工厂加工校验好，再运至现场焊成整体，经HVEC技术人员检验质量合乎要求。绝缘支柱用玻璃块和金属片胶结而成。每段长1.8m，在高压电极的两边各有四段，采用桁架结构，一端用弹簧加压力，使总长20余米的绝缘体悬空保持在钢桶的中心线上。高压电极的梯度为129kV/cm，绝缘柱的梯度为18kV/cm。

输电系统采用一条输电梯，输电电流约为400uA。它的优点是使用寿命长，电流稳定度高，能承受高电压击穿，运行时不象输电带那样磨下尘屑，因而高电压性能好。

在XTU型(钢桶中间直径加大到7.6m)上无加速管试验高压时，这套系统电压最高升到过20MV，说明它的轴向绝缘用于13MV是有很大余量的，型有几台高压一也试到过巧。由此可见，HI-13的高压发生器的电庄是能够超过13MV的。2

（3）加速管

加速管外径用不锈钢电极片和派力克斯玻璃环加PVA胶粘结而成，每段72节，长约1.8m，共8段，安装在高压电极两边的绝缘柱内。加速电场为斜场结构，用于抑制电子负载。为了减少高电压发生器击穿时对于加速管的危害，加速管采用独立的电阻分压系统。加速管的真空为10乇，由两台10英寸油扩散泵系统来保证，扩散泵油为聚笨醚。这种加速管1973年HVEC在XTU型试验时于16MV下出过束流。

（4）高压电极内部设备

原型MP高压电极内部只装一条气体剥离管道，设备较简单。随着电压的升高和重离子实验工作的发展，高压电极内部设备也逐渐增多。

为了把电压从10MV提高到13MV，加速管的孔径缩小了好多，气导也因而减小。重离子工作时要求加速管内的真空度比较高，故HI-13的高压电极内装有三个真空泵。剥离气体主要由钦球升华泵播除，剥离器两端各有一个钦吸附泵可以辅助抽加速管的真空。两端的两个球阀在维修剥离器时关闭可使加速管保持真空。

剥离器出口有一个三单元四极静电透镜，可使剥离后的束流适当聚焦。此透镜的电极还可用作束流在垂直方向的导向器。

重离子在通过剥离器后会形成多种电荷态。利用电四极透镜和在加速管内相应的光栏可以对电荷态进行部份选择，使那些具有所需电荷态的离子通过加速管加速出来。

HI-13的注人器有好的质量分辨率，被剥离后的离子又可进行部分电荷态的选择，这使HI-13有较好的重离子工作性能。对于超越铀核库仑势垒的加速离子的质量数可到27左右，对于相近粒子体系的近阈反应，则加速离子的质量数不大于60。2

（5）磁分析器开关磁铁和实验管道

（6）加速器高压分段锻炼装置

大型串列加速器的静电储能很大，高压击穿时形成的冲击波常常打坏各种设备，对20MV的串列加速器，静电储能可达100kWS。为了保证加速器的安全锻炼并诊断问题所在，HI-13上加装了一套高压分段锻炼装置。它是利用径向的短路棒和轴向的煊路绳互相配合，可以任意选择试验任何一段分压柱秘加速管的高电压性能，这将有助于加速器的调试和安全运行2。

性能衡量加速器性能主要看加速粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于100MeV）、中能加速器（能量在100MeV～1GeV）、高能加速器（能量在1GeV～1TeV）和超高能加速器（能量在1TeV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用3。

应用加速器的两种用途：一是进行物质结构的基本研究（包括原子、分子、原子核和基本粒子三个层次）；另外在工业、农业和医学等领域有广泛的应用价值。