靜電加速器

靜電加速器是通過(guò)輸電帶將噴電針電暈放電的電荷輸送到一個(gè)絕緣的空心金屬電極內(nèi)，使之充電至高電壓用以加速帶電粒子。加速器加速粒子的能量受到所使用絕緣材料擊穿電壓的限制。為了提高靜電加速器的工作電壓和束流強(qiáng)度，近代靜電加速器安置在鋼筒內(nèi)，鋼筒內(nèi)充有絕緣性能良好的高壓氣體，以提高靜電高壓發(fā)生器的耐壓強(qiáng)度，加速粒子能量可達(dá)14兆電子伏特(MeV) 。靜電加速器屬于低能加速器，主要作各種技術(shù)應(yīng)用。

早期的范德格喇夫靜電高壓發(fā)生器是動(dòng)帶式的，它的基本工作原理如圖1所示。金屬薄壁的高壓電極由絕緣支柱支撐著。絕緣材料制成的輸電帶在兩個(gè)轉(zhuǎn)軸間不停地運(yùn)動(dòng)。噴電針排連接在噴電電源(電壓為數(shù)十千伏的直流高壓電源)上，通過(guò)針尖在氣體中的電暈放電，使周圍與針尖極性相同的離子在電場(chǎng)作用下從針尖噴向輸電帶，使輸電帶充電。隨著輸電帶的運(yùn)動(dòng)，帶上的電荷進(jìn)入高壓電極。極內(nèi)刮電針排同高壓電極相連和輸電帶之間所形成的電場(chǎng)，同樣使氣體電暈放電，從而使電荷轉(zhuǎn)移到高壓電極上去。隨著不停傳送電荷，高壓電極的電壓很快地升高。假設(shè)高壓電極對(duì)地的電容是C,當(dāng)它上面積累的電荷是Q時(shí)，它對(duì)地的電壓可由 公式1 來(lái)決定。這關(guān)系式對(duì)時(shí)間微分后得

公式2式中Ia是有效充電電流，它等于輸電帶送到高壓電極的電流(輸電電流)減去通過(guò)各種途徑從高壓電極漏去的電流(泄漏電流)。當(dāng)電壓上升到某值時(shí)，泄漏電流恰好等于輸電電流，即Ia=0,此值即為此高壓發(fā)生器的平衡電壓。這種高壓發(fā)生器，要改變電壓極性是很方便的，只要改變噴電電源極性即可實(shí)現(xiàn)。如電子靜電加速器高壓所需的極性同圖1所示正好相反。

60年代中，范德格拉夫靜電高壓發(fā)生器的重要改進(jìn)是用輸電鏈(或梯)代替輸電帶。輸電鏈(梯)是利用在鏈(梯)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷的辦法充電并輸送電荷的，它的主要優(yōu)點(diǎn)是:輸電不靠電暈放電，電流波動(dòng)小，發(fā)生器的高壓自然穩(wěn)定度高;工作壽命長(zhǎng);內(nèi)部清潔等。已有不少靜電加速器采用這種輸電方法。

有了高壓發(fā)生器再配上離子源、加速管、分析器、電壓穩(wěn)定和控制系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)等必要的部件就構(gòu)成了一臺(tái)完整的質(zhì)子靜電加速器。圖2為質(zhì)子靜電加速器典型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。為了提高靜電加速器的工作電壓(即離子束能量)和束流強(qiáng)度，近代靜電加速器都是安放在鋼筒內(nèi)。鋼筒內(nèi)充有絕緣性能良好的高壓氣體,以提高靜電高壓發(fā)生器的耐壓強(qiáng)度;絕緣支柱上均裝有分壓環(huán)及分壓電阻(或電暈針組件)等部件，以使電場(chǎng)沿絕緣支柱、加速管和輸電帶(鏈)盡可能地均勻分布。高壓電極內(nèi)裝有發(fā)電機(jī)、離子源和電子線路。當(dāng)高壓電極處在正的高電勢(shì)時(shí)，在同高壓電極和分壓電阻相連的加速管內(nèi)就形成加速電場(chǎng)。正離子從離子源被引出，進(jìn)入加速管后，就受到加速電場(chǎng)的作用，向加速管的另一端運(yùn)動(dòng)加速。鋼筒外的分析器(磁或靜電分析器)是為了對(duì)經(jīng)過(guò)加速的帶電粒子進(jìn)行質(zhì)量和能量選擇而設(shè)置的。帶電粒子流通過(guò)分析器后再經(jīng)過(guò)一段束流輸運(yùn)管道，最后打到靶上，提供物理實(shí)驗(yàn)使用。靶束流大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,一般可在納(10)安到幾十微安范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。質(zhì)子靜電加速器加速粒子能量可以平滑調(diào)節(jié)，能散度可以做得很小，它一直是低能核物理的主要設(shè)備。

同質(zhì)子靜電加速器相比，電子靜電加速器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所占空間也較小。這是由于負(fù)極性高壓電極的擊穿電壓比正極性高;電子槍及其所需電源比離子源要簡(jiǎn)單得多,因此對(duì)于相同能量的電子靜電加速器來(lái)講,它的高壓電極尺寸就比較小，這樣鋼筒的尺寸也就可相應(yīng)減小。其次，由于電子靜電加速器是作為β輻射源(高速電子流經(jīng)掃描器后通過(guò)薄窗引出)和γ輻射源(高速電子轟擊重元素──金、鎢等來(lái)產(chǎn)生很強(qiáng)的γ射線)使用的，對(duì)電子束的能量分散度沒(méi)有很高的要求，因此它不必配備分析器和穩(wěn)壓裝置，用于實(shí)驗(yàn)的輻照室就直接安置在離加速管出口不遠(yuǎn)的地方。圖3為上海生產(chǎn)的2兆電子伏電子靜電加速器。靜電加速器技術(shù)已有50多年的發(fā)展歷史，中國(guó)是在50年代末開(kāi)始發(fā)展的,1959年建成了中國(guó)第一臺(tái)2.5兆電子伏質(zhì)子靜電加速器,1962年又建成了中國(guó)第一臺(tái)2兆電子伏電子靜電加速器?，F(xiàn)今世界上約有數(shù)百臺(tái)靜電加速器。質(zhì)子靜電加速器除用于基礎(chǔ)研究、核技術(shù)應(yīng)用外，還應(yīng)用于離子注入、放射性劑量?jī)x表?？痰确矫妫瑫r(shí)它也為分子生物學(xué)、表面物理、束-箔光譜學(xué)等邊緣學(xué)科的發(fā)展提供了重要的技術(shù)設(shè)備。電子靜電加速器主要用于輻射化學(xué)、放射生物學(xué)、材料和元件的輻射改性(輻射處理)以及輻射育種、金屬探傷和空間輻射模擬等。特別是輻射處理在工業(yè)上有廣泛用途。

靜電加速器是以靜電型高壓發(fā)生器作為高壓電源的加速器。按照加速粒子的不同，它可分為正離子靜電加速器(簡(jiǎn)稱質(zhì)子靜電加速器)和電子靜電加速器兩類。在這些靜電型高壓發(fā)生器中，用得最多的是1931年R.J.范德格喇夫首次研制成的那種類型。采用這種高壓發(fā)生器的靜電加速器稱為范德格喇夫加速器，有時(shí)也稱為范德格喇夫起電機(jī)。

1931年美國(guó)的范德格拉夫(R.J.Van de Graaff)發(fā)明了靜電加速器，質(zhì)子能量達(dá)到1.5MeV。串列加速器就是在靜電加速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的、由兩段(甚至三段)靜電加速器組成的加速器。

在世界上多數(shù)新建和改建的重離子加速器是等時(shí)性回旋加速器(即扇形聚焦回旋加速器)。其次是串列靜電加速器。為了得到較高能量，很多新建的裝置采用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上加速器串聯(lián)起來(lái)。構(gòu)成重離子加速器系統(tǒng)，一些是串列靜電加速器注入到回旋加速器或直線加速器，另一些是兩臺(tái)回旋加速器串聯(lián)。

為了把束流從注入器傳輸?shù)街骷铀倨?，需要有一個(gè)束流輸運(yùn)系統(tǒng)，對(duì)注入器引出束流進(jìn)行適當(dāng)?shù)男螤钭儞Q以適合主加速器對(duì)束流的要求。此外為減少由于電荷交換而引起的離子損失，對(duì)加速器和束流輸運(yùn)系統(tǒng)要求有較高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在輸運(yùn)線上應(yīng)該有電荷分析裝置。 重離子加速器的結(jié)構(gòu)決定了它的調(diào)試和運(yùn)行是比較復(fù)雜的，一般都應(yīng)配備一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)控制調(diào)試和運(yùn)行，當(dāng)然，在加速器內(nèi)和在輸運(yùn)線上的束流診斷設(shè)備是必不可少的。

蘭州負(fù)離子研究裝置，亦稱蘭州重離子加速器，是中國(guó)能量最高的大型重離子研究裝置。 類似的中能重離子加速器現(xiàn)在世界上一共有8臺(tái)，按建成時(shí)間排序HIRFL為第4臺(tái)，法國(guó)、日本和我國(guó)都以大型分離扇回旋加速器作為主加速器。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著重離子加速器的發(fā)展，原子核物理開(kāi)拓了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新領(lǐng)域--重離子物理。在其它學(xué)科，如原子物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、新能源研究、天體物理等領(lǐng)域，重離子束亦顯示出日益重要的應(yīng)用前景并形成了重要的交叉學(xué)科。為使我國(guó)在這一前沿領(lǐng)域占有一席之地，由國(guó)家投資、近物所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造，于1988年建成了蘭州重離子加速器(HIRFL)，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平，1991年獲中科院科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，1992年獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。 1991年成立蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，它的定位是，以重離子物理基礎(chǔ)和應(yīng)用研究為主，相應(yīng)發(fā)展粒子加速器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，向國(guó)內(nèi)外開(kāi)放的綜合性科研基地。 20世紀(jì)90年代，在HIRFL上先后建成了具有國(guó)際先進(jìn)水平的放射性束流線(RIBLL)和14.5GHz高電荷態(tài)ECR離子源，均獲得中科院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，為我國(guó)開(kāi)展放射性束物理和高離化態(tài)原子物理這些國(guó)際前沿領(lǐng)域的研究創(chuàng)造了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件。 蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(HIRFL-CSR)--是國(guó)家"九五"最大的科學(xué)工程。 蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展成為在國(guó)際上享有較高知名度的重離子物理研究中心之一。