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串列加速器加速结构优化研究

摘要

随着核物理等学科的发展，国内对串列加速器的需求逐年增长。但是因为国内缺

乏相关技术积累，导致国内产品化的串列加速器始终无法落地，只能依赖进口串列加

速器，对我国相关领域研究造成极大限制。因此，对串列加速器加速结构的研究和优

化设计，可以为国内串列加速器研发提供数据支撑，是该设备未来国产化和降低设备

费用关键性的一步。本文着重从加速结构中的加速管和均压结构两个方面来优化串列

加速器设计方案。

在加速管的优化设计中，首先通过软件分析了不同运行条件下静电单透镜和加速

管内束流的匹配情况，确定了该结构在束流传输上符合串列加速器的使用要求；然后

从理论上分析了目前加速管存在的主要问题是1）绝缘击穿带来的加速梯度降低；2）

电子负载造成的加速管束流传输性能下降。因此，针对加速管内的绝缘击穿，通过分

析加速管内的三相点，改进了处理工艺，采用喷砂方法降低了三相点附近电场畸变情

况，将其最大电场强度从15kV/cm减小到8kV/cm，有效降低了绝缘击穿的概率。同

时，为了克服电子负载带来的“全电压效应”，通过在加速管外部安装永磁铁的方式，

在加速管轴心位置产生了18~35Gs垂直于加速管轴向的磁场，将加速管内电子偏转到

“V”形电极上，将其控制在两个光栅以内，此时电子的最大加速能量不超过400keV，

有效降低了加速管内电子带来的负面影响。

在高压系统均压结构的设计上，解释了串列加速器高压系统上高压击穿的来源，

并计算了串列加速器在高压SF6内高压击穿的临界电场强度。针对比较容易出现高压击

穿的均压环和高压电极进行研究。分别研究了均压环的形状、半径、间距和安装位置

对电场的影响，并结合加速器内其他机械结构，给出了最终优化设计方案。对比均压

环优化前后，电场最大值从240kV/cm下降到了171kV/cm，提高了高压系统内电场均

匀性，降低了局部击穿的可能性。

最后，通过1.7MV串列加速器进行实验验证，判断优化设计的最终效果。在第一

次冷高压实验过程中，加速器顺利达到了实验指标，运行电压达到1.78MV。加速管内

部真空系统、控制系统、SF6绝缘气体系统工作正常。综上所述，本研究通过对串列加

速器加速结构的优化设计，提高了加速器的性能和稳定性，为后续串列加速器的研究

工作提供了可靠的技术支持。

关键词：静电加速器；串列加速器；加速结构；加速管；高压系统

串列加速器加速结构优化研究

Abstract

Withthedevelopmentofnuclearphysicsandotherdisciplines,thedomesticdemandfor

tandemacceleratorsisincreasingyearbyyear.However,duetothelackofrelatedtechnology

accumulationinChina,thedomesticproductsoftandemacceleratorscannotbelandedallthe

time,andtheycanonlyrelyonimportedtandemaccelerators,whichgreatlylimitstheresearch

inrelatedfieldsinourcountry.Therefore,theresearchandoptimizationdesignoftheacceler-

ationstructureoftandemacceleratorscanprovidedatasupportfortheresearchanddevelop-

mentoftandemacceleratorsinChina,whichisakeystepforthefuturelocalizationofthe

equipmentandreducingtheequipmentcost.Thispaperfocuses