章静电加速器详解.ppt

第三章，高压型加速器静电加速器 静电加速器 Van De Graff Accelerator 一种高压型加速器，利用直流高压静电场对带电粒子子进行加速。1933年美国范德格拉夫首先提出一种新的起电原理：一个圆筒形金属高压电极由几根绝缘柱支承。位于底部电晕针排加电压后，电晕放电产生的离子（或电子）,由橡胶带输送到高压电极上。 早期静电加速器工作在大气中，由于气体击穿，限制了高压进一步升高，最高电压为6MV。美国Herb提出建造高气压型静电加速器，即把静电发生器，离子源和加速管等封在钢筒内，充以高压绝缘气体，大大的提高了电场击穿场强。美国HVEC公司曾设计12MV的单级静电加速器。静电加速器结构如图所示。静电加速器较其它加速器有如下特点：被加速离子的能量连续可调；离子的能量单一；可加速多种离子或电子；离子束聚焦良好，离子束靶点小。静电加速器是低能核物理实验的最理想工具，同时还广泛应用于离子注入，材料分析、材料辐照等领域。 串列加速器 Tandem Accelerator 是利用一个高压电极使带电粒子获得两次加速的静电型加速器。串列加速器的直流高压通常是由输电系统将电荷从地电位输送到高压电极上而形成。它的工作原理是将由负离子源产生负离子注入到加速器主体中，在高压电极的正电场的作用下，经低能段加速管被第一次加速。当负离子到达高压电极后，通过电子剥离器并被剥掉2个或多个电子，变为正离子。在高压电极作用下，正离子经高能段加速管再次被加速 HI-13串列加速器 绝缘气体 击穿场强 基本公式 中间电极 中同电极就是在高压电极和钢桶之同插入的附加电极，架设在某一分压片上，因此具有相应的分压片的电势．这种电极可以只用一个，也可以用多个，一般由于实际利益的考虑，不多于两个． 加速器中的气隙处在不均匀电埸中，因此各部分气体介质受到的电埸作用是不一样的．靠近高压电极电埸最大，愈往外愈小． 充分利用绝缘介质就应该使原来承受电埸小的部分也承受较大的电埸，这样就可以提高电压．改变中间电极的尺寸和电势，可以做到使中同电极表面的电埸强度等于气体的Em值，也即等于高压电极表面的电埸强度． 一般说来，中同电极有两方面的作用：1)使原来不均匀的电埸趋向较为均匀；2)高气压气体在短同隙中具有较高的击穿强度． 首先使用中同电极的是赫布和他的同事们，他们取得了极优异的效果． 在加设两个中间电极后，电压从原来的2.2兆伏(7大气压空气)提高到3.6兆伏，约提高60%。目前，5兆伏以上的加速器几乎全都采用1一2个中同电极(串列式加速器例外)． 静电高压发生器 高压电极（高压头部）， 充(输)电系统和 绝缘支柱 静电高压发生器产生高压的过程实质上是一个类似于向电容器充电升压的过程。高压电极是一表面光滑，边缘无棱角的半球状或园柱状金属壳体，可以看成是一个对地的电容。充电系统不断地向高压头部输送电荷，对电容充电，从而使高压头部电位不断升高。设高压电极电压V，对地电容C与积累的电荷Q的关系为： 绝缘支柱用于支撑高压电极。目前，常用的绝缘支柱由金属电极片与玻璃或陶瓷绝缘材料交替粘接或焊接而成。在大气下，由于空气击穿等原因，静电高压发生器难于获得很高的头部高压。 为获得更高的静电高压，用于静电加速器的高压发生器都安装在大钢筒中，并充以几个到二十几十个大气压的绝缘气体（SF6或N2），绝缘支柱外安装均压环，并用分压电阻将高压电极上的高压沿绝缘支柱均匀地分布到地电位。目前，这种高压发生器可获得高达30MV的静电高压。 充电系统 Charging System 用于产生电荷并将电荷不断地输送到加速器高压电极上以建立静电高压的设备。它主要由充电电源和电荷输运设备等组成。静电加速器充电系统按电荷输运设备分为三种：输电带，输电链和输电梯。它们的基本工作原理如图所示。 输电带充电系统主要由充电电源、喷电针排、输电带、刮电针排、上下转轴等组成。输电带价格低，输电能力大，可达数百微安，但易拉伸磨损，在高压环境中产生灰尘，使用寿命一般只有数千小时。输电链由数百个尼龙绝缘子和不锈钢小圆筒交替连接而成。尼龙绝缘子承受加速器全部高压，不锈钢圆筒携带电荷输送到加速器的高压电极。输电链机械和电性能均较好，输电电流稳定。每条输电链输电能力为~100μA，使用寿命可高达30000小时。 大气压下的输电 输电电流的限制:动带型静电加速器输电带带到高压电极上的电流是 - 此处b为输电带宽度，v为输电带线速度，σ为输电带单位面积所带的电荷(以下简称电荷密度)． 以上是当输电带