加速器与离子束

带电粒子的产生：离子源
Wuhan University
离子源种类 • 气体放电型 • 溅射型固体离子源 • 场电离固体/气体离子源
武汉大学加速器实验室
热阴极离子源
Wuhan University
• 电离率高 • 发射区域大 • 能量分散较大 • 角分散较大
武汉大学加速器实验室
负离子源
Wuhan University
200武kV汉离大子学注加入速机器实验室
联机传输系统结构参数
Wuhan University
高频 + 溅射
Eex Eacc
Wuhan University
武汉大学加速器实验室
• 加速器发展简史 • 离子源
• 离子光学
• 离子注入 • 离子束沉积 • 离子束分析 • 聚焦离子束
武汉大学加速器实验室
Wuhan University
加速器的主要类型： 直线加速器
Wuhan University
武汉大学加速器实验室
D形盒 粒子束
Wuhan University
回旋加速器
r mv qB
T 2m
qB
均匀磁场
振荡器
同步加速器
采用调频技术，使电场频率 跟随粒子回旋频率同步下降，以保持谐振加 速条件。可克服经典加速器的能量限制。
武汉大学加速器实验室
对撞机
Wuhan University
几十年来，加速器能量 每10年提高一个量级， 加速器尺寸由数米增加 到数十公里
➢ Sputter-produced particles pick up e- when passing through the condensed Cs layer, producing negative ions
武汉大学加速器实验室
负离子源
Wuhan University
RF气体负离子源
武汉大学加速器实验室
in situ chamber
1 .7 MV tandetron
武汉大学加速器实验室
RBS/PIXE/C
武汉大学加速器系统-离子光路
Wuhan University
武汉大学加速器实验室
Wuhan University
三元四极透镜 三元四极透镜截面图
武汉大学加速器实验室
Wuhan University
武汉大学加速器实验室
Wuhan University
带电粒子的产生
电子源
热发射式电子枪
I AT 2e / kT
场发射式电子枪
J0
A
F2
exp(B 3/2
F
)
激光电子枪
Wuhan University
发射丝/针尖
• 电子显微镜 • 电子束蒸发 • 电子束刻蚀/曝光 • 平板FED显示器
发射阵列
武汉大学加速器实验室
武汉大学加速器实验室
➢ 带电粒子核反应
E
mc 2
m c E 2Wuhan University
0
k
7 3
Li11H48
Be42
He42
He
两α 粒子的总动能
Ek 17.3MeV
α 两 粒子质量 比静质量增加:
1 1
H
4 2
He
3 7
Li
4 2
He
m
Ek c2
3.08 1029 kg
0.01855u
武汉大学加速器实验室
Wuhan University
200kV离子注入机
武汉大学加速器实验室
Schematic of accelerator system
LE source
200 kV implanter
Magnet
Wuhan University
TEM
Cluster beam
Implantation
Cs溅射负离子源 固体离子源
➢ Cs condenses on cathode & ionized by the hot surface
➢ Ionized Cs accelerates towards the cathode, sputtering the cathode through the condensed Cs layer
中国科技大学 ➢ 电子经直线加速器达到200MeV 电子同步加速器 ➢ 直线加速器长度35米
武汉大学加速器实验室
北京高能物理所 直线加速器
➢电子能量达到1.1GeV ➢直线加速器长度204米
Wuhan University
斯坦福大学 直线加速器
➢电子能量50GeV ➢加速器长3km
为了避免不断增大的长度 劳伦斯提出建造回旋加速器
Cockcroft & Walton(卡文迪什实验室)发明高压倍加型
静电加速器，质子~ 0.5 MeV。实现 Li (p, 2) 核反应， 得到8.9MeV的 粒子 (1951 Nobel prize )
Lawrence & Livingston用高频电场共振原理建成回旋 加速器，质子能量 ~ 1.22 MeV (1939 Nobel prize) 目前高能离子加速器的能量 ~ TeV (如CERN)
22GeV 同步加速器
1000GeV e+e-对撞机 3.5GeV增强器
美国LEP加速器 ➢ 最高能量:1000 GeV ➢ 周长: 27 km
加速环 600MeV,e+e-直线加速器
武汉大学加速器实验室
串列加速器
Wuhan University
武汉大学加速器实验室
串列加速器
Wuhan University
Wuhan University
加速器与离子束
武汉大学加速器实验室
• 加速器发展简史 • 离子源 • 离子光学 • 离子注入 • 离子束沉积 • 离子束分析 • 聚焦离子束
武汉大学加速器实验室
Wuhan University
加速器发展简史
Wuhan University
Van de Graaff发明静电加速器，质子 ~ 1.5 MeV
实验测量 mH 1.00783u mLi 7.01601u
mHe 4.00260u
m 0.01864u
理论计算和实验结果相符！
武汉大学加速器实验室
加速器的应用
高能加速器(>GeV)
–粒子物理、核物理 –材料物理(同步辐射)
中低能加速器(keV，MeV)
–原子分子物理、核物理 –材料物理 –半导体材料与器件 –考古学 –生命科学 –环境科学
武汉大学加速器实验室
2x1.7 MV
ห้องสมุดไป่ตู้uhan University
2x0.6 MV
武汉大学加速器实验室
Wuhan University
2x3 MV
武汉大学加速器实验室
2x5 MV
Wuhan University
武汉大学加速器实验室
武汉大学加速器系统
Wuhan University
2x1.7 MV