倍壓加速器

倍壓加速器為直流高壓加速器的一種，由於倍壓加速器的輸出粒子流強度高，結構比較簡單，運行比較可靠，造價低和建造快，因而得到了廣泛的套用。

倍壓加速器亦稱高壓倍加速器，是利用倍壓整流原理產生的直流高壓加速電子、質子、氘核和各種離子的一種加速器，也是一種最早建造的低能加速器。倍壓急速器由粒子源、高壓電源、加速聚焦系統、真空系統和控制系統等組成，能提供較強的離子流，且加速能量可以調節。設備簡單，使用方便，但加速能量低，能量穩定度差。

基本介紹

• 中文名：倍壓加速器
• 外文名：Cockcroft-Walton electron accelerator
• 類型：直流高壓加速器、低速加速器
• 加速粒子：電子、質子、氘核和各種離子
• 主要特點：結構簡單，加速能量低
• 主要組成：粒子源、高壓電源、聚焦系統等

加速器發展史

加速器是用人工方法使帶電粒子加速到較高能量的裝置。利用這種裝置可以產生各種能量的電子、質子、氘核、 粒子以及其他一些重離子，如氧、碳、氮、氯、以至氙離子，鈾離子。利用這些直接加速出來的帶電粒子與物質相作用，還可產生多種帶電的和不帶電的次級粒子，如 粒子、中子及多種介子、超子、反粒子等。

醫學界廣泛套用的X射線管可算是最早的一種加速器，到1920年已能把電子加速到100到200千電子伏。1919年盧瑟福利用天然 源進行了第一個原子核反應實驗以後，物理學家開始提出建造人工加速粒子裝置的要求。

1932年科克勞佛和華爾頓用倍壓線路作電源，建成了一台高壓加速器，即倍壓加速器，獲得了能量約為700千電子伏的質子流，用來轟擊鋰靶，實現了第一個利用人工加速的粒子進行的核反應。

科克勞佛（左）和華爾頓（右）

1931年范德格拉夫建成了靜電起電機，可以獲得1.5兆伏的電勢差。1933年人們又先後建成了能把質子加速到0.6兆電子伏和1.2兆電子伏的靜電加速器。 從三十年代開始，隨著科學研究逐步深入的需要，加速器技術迅速地發展起來。大約到1951年，靜電加速器的最高能量已提高到5兆電子伏以上。隨著串列加速原理的使用，已經把能量提高到30兆電子伏左右，40兆電子伏或更高能量的串列式靜電加速器也在研究之中。

1932年能把質子加速到1.22兆電子伏的回旋加速器開始運行。它和上述兩種加速器的工作原理不同，它不用很高的直流電壓來加速粒子，而是用一個不大的高頻電壓多次加速拉子。 大約到1939年，回旋加速器所產生的粒子的最高能量已超過天然放射源及當時其他加速器的能量，當時已能產生約20兆電子伏的氘核和40兆電子伏的粒子。1956年第一台等時性回旋加速器建造成功，以後這種新型回旋加速器發展很快，在一些國家先後建成了從醫用小型加速器到能把質子、氘核等離子加速到數十至一百兆電子伏以上的科研用加速器。目前能把質子加速到200甚至到500兆電子伏以上的等時性回旋加速器也正在建造中。

1940年第一台電子感應加速器建造成功，它能把電子加速到2.3兆電子伏.。1942年已經建成20兆電子伏的感應加速器，從而把人工加速電子的能量提高了很多。

四十年代初，在進一步提高加速器能量方面遇到很大困難。直到1944年發現了諧振加速器中的粒子具有自動穩相現象，才從理論上解除了諧振加速器能量的上限，從此一系列能量更高的新型加速器使迅速地發展起來。

1947年70兆電子伏的電子同步加速器建造成功，隨後在短短几年中建造了近十台這種加速器，能量在300到500兆電子伏範圍內。

1952年交變梯度磁場的強聚焦原理受到重視。採用這種聚焦方案後，l可以使拉子對理想軌道的偏離減小，從而降低加速器造價。1959年日內瓦歐洲原子核研究中心建成的28千兆電子伏質子同步加速器，就採用了這種聚焦方案。1960年布魯海汶33千兆電子伏的同型加速罷也開始運轉。現在利用這種類型加速器已把質於加速到400千兆電子伏。這種聚焦原理也同樣套用在電子同步加速器上，能量從1千兆電子伏、6千兆電子伏直到12千兆電子伏的強聚焦電子同步加速器也先後建造成功．

從近四十年加速器的發展情況來看，隨著科學研究、工農業生產、醫藥衛生、國防等方面對加速罷需要的增長，在其他科學校術新成就的基礎上，加速器技術也迅速地發展起來。目前加速器種類已超過二十種，人工加速粒子的能量也迅速提高。統計表明，大約每隔6到10年，人工加速拉子的最高能量就提高近十倍。各種加速器的數目也日益增多，有些類型的低能加速器已達數百台。象靜電加速器、倍壓加速器、絕緣磁芯變壓器、高頻高壓發生器、電子直線加速器、感應加速器等均已投入小批工業生產，而且有了一系列產品。 目前，各國加速器工作者除對已有加速器類型繼續進行研究，改善性能，降低造價外，還正在探索和開闢新的加速粒子的原理，希望用較少的投資，獲得更強的粒子流和更高的能量。

倍壓加速器組成

倍壓加速器是直流高壓加速器的一種，採用倍壓整流電路產生的直流高電壓加速帶電粒子。倍壓加速器同其他直流高壓加速器一樣，都是由高壓發生器、粒子源、加速和聚焦系統、真空系統、分析器、靶室以及控制系統等部分組成，如右圖所示。

倍壓加速器結構

倍壓加速器的主電容器和輔助電容器大多壘成兩個電容器柱，整流器在兩個電容器柱之間交叉聯接，構成倍壓線路。整流器多採用高壓整流管或半導體整流管。當採用高壓整流管時，整流管的燈絲處於高電勢，必須採用適當的方法供給燈絲加熱功率。例如可以用安放在絕緣支架上的蓄電池或小發電機加熱燈絲。蓄電池和發電機要安放在適當形狀的金屬禁止裡面，禁止和燈絲處在同一電勢，以避免發生電暈或火花放電。蓄電池要定期充電，小發電機可以用絕緣帶或絕緣軸來拖動發電。另外，也可以利用高頻電源來加熱燈絲。

倍壓加速器的加速管和低壓靜電加速器的相似，加速管分段比較少，通常等於倍壓線路的級數。加速管每段的長度比較大，加速電極是比較長的金屬筒。加速電極聯在對應的電容器上，以達到分壓的目的。右圖是一台二級倍壓加速器布置示意圖。整流管燈絲加熱設備在圖中沒有表示出來。加速管頂端安放有離子源，離子源和它的電源設備都安放在高壓電極裡面。離子源的電源由高壓電極裡面的發電機供給，發電機由絕緣帶或絕緣軸拖動。當直流高壓加到高壓電極和加速管中的各個加速電極上時，各電極之間就產生了加速電場。從粒子源中引出的帶電粒子，在加速電場的作用下，由高電壓端向加速管的另一端（處於低電勢）加速，獲得能量E=QV（Q是粒子的電荷數，V是加速管兩端的電勢差），最後轟擊到靶上。

二級倍壓加速器布置示意圖

為了減少粒子在加速過程中同氣體分子碰撞而造成的束流分散和損失，加速管內的真空度約為 Torr（毫米汞柱）。

倍壓加速器的電壓脈動比較大，整個設備對地的電容又比較大，靜電加速器上採用的快速穩壓方法在倍壓線路上起的作用較小，因此倍壓加速器產生的粒子流的能量均勻度比靜電加速器所能達到的要小。倍壓加速器的電源電流容量比較大，如果採用適當的離子源，能夠產生比技強的粒子流。目前倍壓加速器被廣泛地用作中子發生器，這時它的能量只要數百千電子伏，流強約毫安數量級。

倍壓加速器工作原理

倍壓加速器是用倍壓線路作高壓電源的—種高壓加速路。大約在1920年左右已經有入開始來用倍壓線路來產生直流高電壓。1932年科克勞拂和華爾頓利用這種線路所產生的直流高壓來加速質子，建成了第一台倍壓加速器。

世界上第一台高壓倍壓加速器（1932年）

倍壓加速器按高壓發生器的不同，可分為高壓倍加器、高頻高壓倍加器。

高壓倍加器

三級倍壓線路工作原理圖

高壓倍加器採用串激式倍壓電路產生直流高電壓。右圖是一個三級倍壓線路的工作原理圖，它由主電容器C1、C2、C3和輔助電容器 、 、 以及整流器和高壓變壓器組成。高壓變壓器藉助整流器和輔助電容器，使主電容器C1、C2、C3不斷的充電。如果沒有漏電，最後能使C1、C2、C3上的電壓都達到2Va（Va是高壓變壓器次級電壓的幅值），這樣我們就在主電容器柱上得到6Va的直流高壓。對於倍加級數為N的串激倍加電路，其空載極限直流輸出高壓等於2NVa。

當高壓倍加器運行時，輸出的直流高壓中會產生電壓降落和電壓脈動。由於它們隨著N的增大而迅速增大，所以在實際工作中，要根據具體的技術和經濟條件，選擇適宜的電容器級數和供電頻率。後來又出現了對稱倍加電路和三相倍加電路等。

採用較高的供電頻率（從幾百赫到幾百千赫），或提高倍加級數（從幾級到幾十級），可以使高壓倍加器達到小型化，使高壓發生器甚至整個高壓倍加器都可以裝進一個充以絕緣氣體的鋼筒中。

高頻高壓倍加器

高頻高壓倍加器又稱“地那米”加速器，它採用並激式倍壓電路，高頻高壓倍加器的實體圖如右圖所示。

地那米加速器

高頻高壓倍加器所採用的的並激式倍壓電路原理圖如右圖所示。由鋼筒外的高頻振盪管和鋼筒內的高頻變壓器、高頻電極及其對鋼筒、倍壓器芯柱之間形成的分布電容組成一個高頻振盪器，它在兩個高頻電極之間產生高頻電壓。這一高頻電壓通過高頻並激倍加電路在高壓電極上產生負極性直流高壓。從高壓電極內的電子槍產生的電子束流在此負高壓作用下通過束流加速系統得到加速，再通過掃描引出系統穿過鈦窗對產品進行輻射加工。

並激式倍壓電路原理圖

分壓環是互相絕緣的兩個半環，不但進行分壓，而且同高頻電極組成耦合電容來耦合高頻電壓。兩個高頻電極連在100～300千赫的高頻振盪器上。在高頻電壓作用下，電子從一側的半圓分壓環向另一側的半圓分壓環運動。在圖2中整流器的連線的情況下，電子將被逐級輸送到高壓電極，而獲得負高電壓。如果將所有整流器反接，就可以獲得正高電壓。高頻高壓倍加器安放在密封鋼筒內，裡面充以高壓絕緣氣體。

高頻高壓倍加器輸出功率大，可加速較強（10毫安量級）的電子流，然而儲能並不多，不需要用大的儲能電容器，故在擊穿時不會造成嚴重損壞。但它需要採用高頻供電和高頻的整流元件，在技術上比較複雜。

倍壓加速器的工作電壓大約在幾十千伏到幾兆伏，而粒子流強度大約在幾百微安到幾百毫安的範圍內可以加速電子、輕離子和重離子。由於倍壓加速器的輸出粒子流強度高，結構比較簡單，運行比較可靠，造價低和建造快，因而得到了廣泛的套用。

套用

高壓加速器、高頻高壓發生器都是輸出功率比較大的直流高壓加速器。它們也可以用來加速質子或其他重離子，供核物理研究用。早期倍壓加速器也曾在核物理研究方面起一定作用，近來它主要用作快中子發生器，200到400千電子伏的倍壓加速器，是一個很方便的中子發生器。另外，強流質子倍壓加速器可用作質子直線加速器的注入器，布魯海汶實驗室及巴塔維亞用作質子同步加速器注入器的質子直線加速器，都是用倍壓加速器作預先加速設備的。

倍壓加速器輸出電流比較大，也可以用來加速電子，供工農業生產輻照用。

高頻高壓發生器所能達到的電壓目前僅低於靜電加速器，利用串列加速原理，能把質子加速到10兆電子伏。既可用來加速重離於供核物理研究、活化分析之用，也可用來加速電子，作工農業生產用的輻照源。