第四章--高压静电加速器

§4.5 电压和能量的测量和稳定
4.电压的稳定
讨论：
2) 稳压原理
# 引起电压波动的原因
高压头对地高压：
V Q C
# 负反馈稳压原理 在加速器高压回路中人为加一路电流 IC
沿曲率为 ρ的中心轨道运动，
根据W、P、B之间的关系可确定 离子束的能量W。
§4.5 电压和能量的测量和稳定
3.离子束能量的直接测量法
2）磁分析器 讨论：
# 束流能量越高，所需的磁场越强； # 磁分析器不存在象电分析器一样的电压击穿问题； # 存在能量（或轨道）分辨率问题：
1 2 W W1 2 00 B B Z Z
第四章 静电高压加速器
姚泽恩 2007年9月
§4.1 概述
静电加速器是高压加速器的一 种，具有束流品质优良、能量连续 可调、单色性好等优点，是低能核 物理及带电粒子与物质相互作用研 究的一个重要工具。
1、静电加速器的基本组成
如图所示，静电加速器主要由以 下几部分组成：
（1）静电起电机 （喷电电源、喷电针、输电带、
E＝2qV
式中E代表粒子的能量,e为电子的电荷，V为加速器端电压。
§4.4 串列式静电加速器
2、两极串列式静电加 速器的基本结构和特 点
如图为折叠式两极串列 加速器。它的结构像一个倒 置的字母U。从下面注入的 离子经一次加速在高压电极 内被一个大的偏转磁铁偏置 180°后,进入另一根加速管 第二次加速。
（共振峰）
19F(p,)16O 872.5KeV
（共振峰）
现应用这两个共振峰来校准加速器的能量。
1955年开始，发展串列式静电加速器
§4.1 概述
Biography Of Robert J. Van de Graaff
Robert Jemison Van de Graaff was born on December 20, 1901 in Alabama, U.S.A.
3）特点
# 离子能量：2qV # 加速系统，基本与单极相
同 # 离子源和靶室均处于低电
位，便于操作、维修。
§4.4 串列式静电加速器
2、两极串列式静电加速器的基本结构和特点
4）电子剥离器 将负离子转换成正离子。电子的剥离通过负离子与介质
的碰撞来实现，介质一般有固态和气态两种： ＊固态：如固态箔（碳箔）
# 分辨率： WVZ WVV
§4.5 电压和能量的测量和稳定
3.离子束能量的直接测量法
2）磁分析器法
如图所示为此分析器的结构。在两磁极间
形成均匀磁场，让束流穿过均匀磁场，离子的
动力学方程为：mv ZevBZeB
解得：
PmvZeB
如果束流离子的能量较高，就要进行相对 论修正。
只要调节磁场B，使束流正好
He worked as an engineer for the Alabama Power Company before obtaining his Ph.D. in physics at Oxford. While a postdoctoral fellow at Princeton he conceived a device to build up a high voltage using simple principles of electrostatics.
# 其他问题： * 磁场的稳定性 * 磁场的均匀度 * 边缘场的不确定性及影响
§4.5 电压和能量的测量和稳定
4.电压的稳定
1）稳压的意义 # 核反应研究要求打到靶上的束流能量要稳定（如： 0.01%左右），以提高核反应数据的测量精度； # 离子束注入要求能量要稳定（注入深度）。
要使束流能量稳定，就必须采取稳压措施，不加稳压， 电压波动可达到 1%左右。
★当粒子到达高压电极内部时，通过添加电子孔道，中性束变成负离子束,在
第二根加速管中完成第一次加速,
★后两次加速由一台正高压电极的两级串列加速器来完成。
§4.6 电压和能量的测量和稳定
1、概述
1）物理工作的要求
束流能量可调；
精确测出束流能量；
束流能量要稳定（稳压）； 束流能散度要足够小；
2、高压的测量
§4.2、静电起电机
3）充电电压和输电电流
若高压电极对地电容为Ｃ，积累的电荷为Ｑ，则高压极对地电压V ：
V Q C
ddVt C 1ddQ t C 1i有效
i 有 效 为起电机有效充电电流
i 有 效 i 充 i 总 负 载 i 充 ( i 束 负 载 i 漏 i 电 晕 )
当 i充 i总负载 时，即 i有 效 0
Im mbv
其中： m 为带上最大面电荷密度， b为带宽，v为带速度。
b为有限值，v不可过大，以免引起 带的震动而影响电流的稳定性。 m 与
输电带周围介质气体的介电常数 及
输电带表面附近的击穿电场Eb有下关 系：
讨论：
1) 提高 和 E b 可有效增大 Im ；
2) 静电加速器采用密封充气方式；
[ S F 6 ，N 2氟 利 昂 (C C l2F 2)，N2 SF6
刮电设备（针）、高压电极） （2）离子源 （3）加速系统 （4）束流后传输系统
§4.1 概述
2、静电加速器的发展历史
1931年，Van de Graaff（范德格拉夫）发明了带型静电 起电机。
1933年，一台1.2MeV质子静电加速器建成，首先在这台 静电加速器上观察到了共振核反应
7Li(p,)8Be 441.2KeV
感应电压计（旋转伏特计）法测量高压。
2）束流能量的测量办法 测量静电高压； 束流能量的直接测量；
＊核反应法（共振反应） ＊离子飞行时间法 ＊电或磁分析器法 ＊射程法（有射程距离）
1）动片转动时，改变高压电极与静片之间的分 布电容C，静片上感应电荷Q随时间改变。
2）流经R上的电流
i
dQ dt
(交 变 电 流 )
等高压气体通常被使用]
3）采用复激发输电方式可有效提高输 电电流。结构如图示：
m 2 Eb
§4.2、静电起电机
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§4.2、静电起电机
4、电压的限制和提高
Vm一般有下列经验公式：
起电机所能达到的最高电压与很多 因素有关。有以下方程：
VmVc(ImI束 d负 载I漏)
ddV t C 1ddQ t C 1i有效 i有效i充i总负载i充(i束负载i漏i电晕)
§4.2、静电起电机
静电起电机是一种利用输电系统将电荷 传送到高压电极的装置。主要有输电带型 （动带型）、绝缘转子型、输电链型等。
1、输电带型（动带型)起电机及工作原理
1）组成：喷电电源、喷电针、输电带、刮电
设备（针）、高压电极。
2）原理： # 喷电过程 : 喷针电附近产生强电场→ 气 体电晕放电→负离子向喷电针→ 正离子被 推向输电带，附着在输电带上，与输电带 一起向上运动。 # 刮电过程：在刮电针排附近也形成强电 场 气体电离 正离子流向向针排，负离 子流向皮带，中和带上的正电荷。
这种提高静电加速能量的方法，早在 20世纪 30年代就已提出，直到负离 子源和原子的剥离技术取得成功之后，才于1958年建成了世界上第一台加速质 子能量为13.4兆电子伏串列加速器。
由于这种加速器保持了静电加速器的原有特点，又提高了能量，离子源装在 加速器地电势处, 调节、更换零件都方便,又便于加速多种粒子，所以发展得很 快，60年代达到了它的全盛时期。到1986年时,运行中的串列加速器端电压达5 兆伏以上的约有70台。
C=
Q V
(V
为电极上高压)
i V dC dt
只要用其他方法，对i和V之间的进行校准后，
电压计上的i输出i,就可以准确反映高压V。
测量精确度可达到1～0.5%左右。
§4.5 电压和能量的测量和稳定
3.离子束能量的直接测量法
1）静电分析器法 如图所示为静电分析器的基本结
构。弧形极片之间产生均匀电场。
则 dV 0 dt
即 V 常数
高压电极对地电压达到稳定值。
§4.2、静电起电机
2、输电链形（株链形、梯链形）起电机
§4.2、静电起电机
3、输电电流的限制和提高
加速器要求输电系统传输足够强的 稳定电流和足够高的电压，这些要求 受输电系统性能和周围绝缘介质性能 的限制。本节以输电带型为例讨论。
一般输电带能输送的最大电流为：
缺点是最大允许流强有限，寿命短。 ＊气态介质：如氢气
优点是不存在寿命问题，也没有束流强度限制，更 多使用。
5）负离子源（略）
§4.4 串列式静电加速器
3、三级串列静电加速器
图a是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的单级静电 加速器组成的三级串列加速器。负离子源装在单级静电加速器的高 压电极内，负离子在单级静电加速器内被加速一次，再注入两级串 列加速器，完成三次加速。
1、结构
一般采用平板式电极结构的均匀场加速管，如图所示：
2、加速管耐压的 几个问 题
（1）绝缘环表面爬电 * 高压电瓷（75瓷） 约3kV/cm）； * 95瓷， 约5kV/cm
（2）间隙的完全击穿 * 均压以防局部放电 * 加速电场梯度取值要
合适，一般真空击穿 电场：100kV/cm
§4.3 静电加速器 的加速管
2、加速管的耐压的 几个问 题
3）不完全击穿→“全电压效应” 加速管加到一定的电压阈值，管内
突然出现大量反向电子流，并伴随有X 射线，电子流很快超过加速器最大负 载电流，电压急剧下降，造成不完全 击穿，称为“全电压效应”或电子负
载现 象。
解决办法：抑制电子负载。 办法一：小孔加速管，抑制电子倍增 办法二：采用斜场加速管 办法三：磁抑制加速管 办法四：加速管两端加抑制电极
1、概述
§4.4 串列式静电加速器
静电高压加速器所能加速的离子的最高能量，受到静电起电机所能达到的最 高电压及加速管耐压的限制。（6～8MeV:P）
为了进一步提高加速粒子的能量，发展了串列式静电加速器。又称多级静电 加速器。其中最基本的为两级串列加速器，两级以上如三级和四级串列加速器， 不过是由两台两级串列加速器（或由一台两级串列加速器和一台单级静电加速 器）组合而成的加速系统。
§4.4 串列式静电加速器
2、两极串列式静电加速器的基 本结构和特点
1）基本结构 如图所示，主要由以下部分组成：
# 充气钢筒及绝缘气体循环处理系统； # 负离子源； # 加速管；
# 电子剥离器； # 起电机； # 分析磁铁及束流后传输系统 # 真空系统
§4.4 串列式静电加速器
2、两极串列式静电加速器的基本结构和特点 2）工作原理
Robert attended the Tuscaloosa public schools and then attended the University of Alabama where he received a BS degree in 1922 and an MS degree in 1923. Both degrees were in mechanical engineering.
从负离子源产生负离子束，经过预加速、分析磁铁注入串列加速器的一根加速管，由 于加速器的高压电极为正高压，粒子朝高压电极方向被加速一次。当负离子进到高压电极 内部时,经过电荷剥离器转变为带有N个电荷单位的正离子（N一般称粒子的电荷态）。而 后,正离子进入第二根加速管中，又受到正高压的排斥力，第二次被加速，经过两次加 速，粒子获得的总能量为：
E V d
束流离子沿中心轨道的运动方程：
m v2 ZeE
ρ为中心轨道的曲率半径 ，Z为电荷 数。则离子的动能：
W ZV 2d
只要调节极板间的电压V，使束流 正好沿曲率为ρ的中心轨道运动。由 上式即可确定束流能量。
缺陷： # V的最大值受电压击穿的限制， 故所能测及束流最大能量也是有限 制的，一般在5MeV以下。 # 当束流强度较大时，易引起偏转 电压的击穿，故所能测的最高束流 也有限（≤20uA）。
§4.4 串列式静电加速器
3、三级串列静电加速器 ★图b是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的两级串列加速器组
成的三级串列加速器。
★采用正离子源离子源可放在加速器外边,处在地电位，束流较强。 ★由正离子源产生的正离子束，要通过电荷中和管道变成中性束，注入负高电
压电极的两级串列加速器，在第一根加速管不加速。
其中，Vc为临界电压（电晕放 电和电子负载）；d为比例系数
（与诸多因素有关）。
1）
2） 3）
此时电压达到最大稳定值Vm。
可见，要提高Vm，必须提高 加速器系统的Vc和Im，减小I漏， 而这些都与绝缘介质的绝缘性能
有关。
充气和均压是解决问题的有效
途径
§4.2、静电起电机
§4.3 静电加速器的加速管