加速器种类及优缺点

大学物理自主学习之勇攀高峰
中荷学院2012级卓越班
闫醒阳
20125357
带电粒子加速器
加速器的种类：
倍压加速器、直线加速器、回旋加速器、同步加速器、对撞机与储存环，静电加速器等等。

a倍压加速器
原理：倍压加速器也称高压倍加器，是最早的一种低能加速器。

它是利用电压倍加原理产生高电压来加速粒子的。

倍压加速器一般由高压电源、加速管、离子源或电子枪、高压电极、绝缘支柱和其他附属设备所组成。

若使用正离子源，其高压电源的正极接到加速器的高压电极上，负极接地，中间是加速管，离子源放在高压电极中。

真空管道是用来保持加速器的真空。

当正离子源产生的正离子发射出来后，受到高压电极的排斥作用，就会沿加速管急速地到负极，能量逐步增高，正离子得到加速。

反过来，若使用负离子源或电子枪，这时高压电极的极性就要反接，即将高压电源的负极接到高压电极上，就能加速电子和负离子。

优缺点：由于倍压加速器的输出粒子流强度高，结构比较简单，运行比较可靠，造价低和建造快，因而得到了广泛的应用。

b直线加速器
原理：直线加速器是采用高频电场来加速粒子的。

直线加速器既能加速质子和重离子，也能加速电子，加速质子的称为质子直线加速器，加速电子的称为电子直线加速器。

质子直线加速器的能量从几十到几百兆电子伏。

电子直线加速器的能量可从几兆到几十兆电子伏。

直线加速器可作为高能加速器（或对撞机）的注入器，此外在医疗和工业探伤方面也有广阔的应用前景。

质子直线加速器一般采用高频电场来加速。

加速器的外壳是1-2米的大圆筒，内壁是铜制成的，光洁如镜。

沿加速腔的轴线方向，装有好多个金属圆管，称为漂移管。

漂移管之间的间隙称为加速间隙。

漂移管一个比一个长，而间隙也是一段比一段大。

当施加高频电源后，在加速间隙中产生较高的高频电场。

我们知道，高频电场的方向和大小是随时间迅速变化的，漂移管设计得很巧妙，它好像一个个“防空洞”，洞中设有高频电场，当粒子的飞行方向与电场方向相同时则使粒子加速，当粒子飞行方向与电场方向相反时，粒子正好躲在“防空洞”中，而不会受到电场反向造成的减速；当电场方向又变得和粒子飞行方向一致时，粒子刚好从前一个“防空洞”出来，在第二个加速间隙中得到加速，电场改变时，又正好躲在下一个“防空洞”。

就这样粒子每经过一个加速间隙就受到一次加速，经过若干个这样的间隙，就能使粒子具有较高的能量。

优缺点：直线加速器具有束流强度高、能量可逐节增加等优点，缺点是需要昂贵的高频、微波功率源.而且直线加速器的优点是从零速开始加速很方便，绝大部分回旋加速器的起始加速段（注入器）都是直线加速器；而且加速重粒子在能量损失方面比起同步加速器来说比较有优势，因为重粒子偏转需要的向心加速度更大；另外事实上都造到很大的时候直线加速器反而比较不占地方。

原理：回旋加速器属于圆形加速器的一种，它与直线加速器一样，利用高频交流电压来使粒子做多次加速，以获得能量。

所不同的是将两个半圆空心电极（称为D型盒）放在磁场中以代替质子直线加速器中的圆柱形电极。

两个D型盒分别接在电源的两个电极上，从而它们之间就有了一定的电压。

另外，由于D 型盒是金属制成的，在每个D型盒的内部，电场为零，所以带电粒子在D型盒内的运动是匀速的，而在两个D型盒之间的间隙则会作加速运动（电场对它加速），如图5-5所示。

即当带电粒子从离子源（a处）进入D型盒之后，因为有磁场的约束，就绕着圆弧形的轨道前进，通过abc弧后又来到D型盒的边缘，这时两个D型盒之间的电场正好能对粒子加速。

当粒子到达d点时，速度已比刚才增快了，因此它就将沿着一个半径稍大的def圆弧运动，到达f点时再次被电场加速。

这个过程不断地持续下去，粒子的速度越来越快，能量越来越高，粒子的回旋半径也越来越大。

优缺点：回旋加速器可以反复回旋加速以累积能量，另外如果有足够的资金和场地的话，也可以造得非常大——半径越大越接近直线，这样偏转的时候由于同步辐射（切伦科夫辐射）损失的能量越少。

原理：针对回旋加速器的缺点，人们对它进行了一次大手术，即挖掉了磁体的中心部分，以减轻总重量，这样磁极由磁柱变成了磁环。

粒子不再像回旋加速器那样沿钟表发条形的轨道回旋了，它从一开始就进入了半径固定的环形跑道（轨道）里加速。

当然为了不使磁场强度的调整幅度变化太大，先利用其它低能量加速器即注入器对粒子进行预加速。

待达到一定的速度后，再送入这种加速器中继续“培养”。

这好像奥运会田径赛跑的预选赛一样，只有达到奥运会规定的成绩，取得报名资格的选手，才有可能到奥运会上决一雌雄。

同步加速器可以加速电子，也可以加速质子等较重粒子。

所以同步加速器又可分为电子同步加速器、质子同步加速器和强聚焦电子或质子同步加速器等。

优缺点：（针对于电子加速器）①具有从红外线到硬X射线广泛范围内的光滑连续谱。

如使用单色器，可获得一定波长的单色光。

②辐射强度高，一个储存环的辐射总功率常在数千瓦以上。

③天然准直性好，其发散度一般小于1毫弧度。

④辐射亮度高，一般比X射线转靶的标识辐射亮度高10倍，比连续轫致辐射亮度高10倍。

⑤具有天然的偏振性。

在轨道平面上是完全偏振光，其电矢量平行于轨道平面。

⑥洁净度很高。

因同步辐射是自由电子发光的，不产生其他粒子本底。

⑦可实现脉冲化，脉宽可达 0.01～1纳秒或更短。

⑧光通量、能量分布及偏振度等均可准确计算，并和实验值很好地相符合，因此可做为标准光源。

电子同步加速器多用于光核反应和介子物理等方面的研究。

同步辐射装置作为性能良好的新型光源，在原子、分子物理、固体物理、表面物理、天体物理、化学、生物学、医学、环境科学、能源科学、材料科学、光刻技术、显微技术和光学标准计量等等许多科学技术领域里，得到越来越广泛的应用。

原理：以静电型高压发生器作为高压电源的加速器。

按照加速粒子的不同，它可分为正离子静电加速器（简称质子静电加速器）和电子静电加速器两类. 假设高压电极对地的电容是C,当它上面积累的电荷是Q时，它对地的电压可由
来决定。

这关系式对时间微分后得
式中I a是有效充电电流，它等于输电带送到高压电极的电流(输电电流)减去通过各种途径从高压电极漏去的电流（泄漏电流）。

当电压上升到某值时，泄漏电流恰好等于输电电流，即I a＝0,此值即为此高压发生器的平衡电压。

这种高压发生器，要改变电压极性是很方便的，只要改变喷电电源极性即可实现。

优缺点：60年代中，范德格喇夫静电高压发生器的重要改进是用输电链（或梯）代替输电带。

输电链（梯）是利用在链(梯)上产生感应电荷的办法充电并输送电荷的，它的主要优点是：输电不靠电晕放电，电流波动小，发生器的高压自然稳定度高；工作寿命长；内部清洁等。

同质子静电加速器相比，电子静电加速器的结构比较简单，所占空间也较小。

这是由于负极性高压电极的击穿电压比正极性高；电子枪及其所需电源比离子源要简单得多,因此对于相同能量的电子静电加速器来讲,它的高压电极尺寸就比较小，这样钢筒的尺寸也就可相应减小。

其次，由于电子静电加速器是作为β辐射源（高速电子流经扫描器后通过薄窗引出）和γ辐射源（高速电子轰击重元素──金、钨等来产生很强的γ射线）使用的，对电子束的能量分散度没有很高的要求，因此它不必配备分析器和稳压装置，用于实验的辐照室就直接安置在离加速管出口不远的地方
f对撞机与储存环
原理：对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置，其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流，到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞，以产生足够高的相互作用反应率，从而便于测量。

用高能粒子轰击静止靶（粒子）时，只有质心系中的能量才是粒子相互作用的有效能量，它只占实验室系中粒子总能量的一部分。

如果射到靶上的粒子能量为 E，则对靶中同种粒子作用的质心系能量约为 (E为粒子的静止能量）。

可见，随着Eo的增高，用于相互作用的那部分能量所占的比例将越来越小，即被加速粒子能量的利用效率越来越低，但是，如果是两个能量为 E的相向运动的同种高能粒子束对撞，则质心系能量约为2E，即粒子全部能量均可用来进行相互作用。

可见，为了得到相同的质心系能量，所需的加速器能量将比对撞机大得多。

如果对撞机能量为 E，则相应的加速器能量应为2E2/E。

例如，能量为2×300GeV的质子、质子对撞机，同一台能量o为 180000GeV的质子加速器相当，建造这样高能量的加速器。

在目前的技术水平及经济条件仍然是不可及的。

但建造上述能量或更高一些能量的对撞机是完全可行的，这就是近20年来对撞机得到广泛发展的原因之一。

优缺点：由于电子冷却及随机冷却技术（见加速器技术和原理的发展）的成功，使反质子束的性能大大得到改善，而且束流可以积累到足够的强度，从而有可能在同一环中进行质子－反质子对撞
中荷学院2012级卓越班
闫醒阳
20125357。