靜電加速器可對質子、氘離子、氦離子和電子進行加速，加速能量一般在20兆電子伏以下。加速電子的稱為電子靜電加速器，加速質子的稱為質子靜電加速器。
基本介紹
- 中文名：質子靜電加速器
- 外文名：proton electrostatic accelerator
- 所屬學科：物理學
- 套用：低能核物理
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發展與起源
1909年，盧瑟福(E．Rutherford)在用鐳放出的α粒子轟擊原子時發現了α粒子反常的大角度散射現象。在此基礎上，他於次年提出了原子的核式結構模型。1919年，他用天然放射源產出的α粒子轟擊氫，實現了人類第一次原子核反應實驗。但是，天然放射源產生的“炮彈”粒子強度弱、種類有限、能量不易控制，因此創建人工加速粒子裝置成為了核物理研究的必需。1928年，維德羅率先提出了加速帶電粒子的加速器方案，但電壓不夠高而不能用於原子核反應研究。1932年，盧瑟福領導下的卡文迪許實驗室的考克饒夫(J．D．Cockcroft)和瓦爾頓(T．S．Walton)合作設計建造了第一台高壓倍加器，並用它獲得700KeV的質子束轟擊鋰靶，實現了人類第一次人工核反應。此後，在高壓加速器中發展最快的是利用靜電起電機作為高壓電源的靜電加速器。1929年，范德格喇夫(R．J．vandeGraaf)提出了靜電發生器的結構(烏戈利莫夫於1925年也曾提出此構想)，1931年，范德格喇夫建成第一台靜電加速器，把質子加速到0.5MeV。所以，後來把靜電加速器也稱為范德格喇夫起電機。與高壓倍加器相比，靜電加速器更容易產生較高的能量，粒子束能量也更均勻，故此發展很快。
20世紀40年代，4.5MeV的質子靜電加速器已經建成。50～70年代，採用串列結構，靜電加速器已經能產生30MeV的質子流。靜電加速器屬於直線加速器。同期，非直線加速器也得到了很大發展。1930年，勞倫斯(E．O．Lawrence)提出了回旋加速器的原理和設計。同年春，勞倫斯的學生埃德勒夫森(N．E．Edlefsen)建成了4吋的回旋加速器模型。1931年4月，在勞倫斯領導下，利文斯頓(M．S．Livingston)建成了直徑9吋的回旋加速器。8月，他們用這台回旋加速器把質子加速到了1MeV。二戰前，回旋加速器尺寸已經達到60吋，加速器質子能量達到8MeV。二戰後，麥克米倫(E．M．Mc－Millan)於1945年提出自動穩相原理(前蘇聯的韋克斯勒曾於1944年提出該原理)，並建成184吋的電子同步加速器。1947年，70MeV的電子同步加速器建成。此後幾年，300MeV的電子同步加速器批量出現。質子同步加速器研製也同步進行，到1952年，3GeV的質子同步加速器建造成功。
原理
靜電加速器是通過輸電帶將噴電針電暈放電的電荷輸送到一個絕緣的空心金屬電極內，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度，近代靜電加速器安置在鋼筒內，鋼筒內充有絕緣性能良好的高壓氣體，以提高靜電高壓發生器的耐壓強度，加速粒子能量可達14兆電子伏特（MeV）。靜電加速器屬於低能加速器，主要作各種技術套用。
早期的范德格喇夫靜電高壓發生器是動帶式的，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。絕緣材料製成的輸電帶在兩個轉軸間不停地運動。噴電針排連線在噴電電源（電壓為數十千伏的直流高壓電源）上，通過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作用下從針尖噴向輸電帶，使輸電帶充電。隨著輸電帶的運動，帶上的電荷進入高壓電極。極內刮電針排同高壓電極相連和輸電帶之間所形成的電場，同樣使氣體電暈放電，從而使電荷轉移到高壓電極上去。隨著不停傳送電荷，高壓電極的電壓很快地升高。假設高壓電極對地的電容是C,當它上面積累的電荷是Q時，它對地的電壓可由公式1來決定。這關係式對時間微分後得公式2。式中Ieff是有效充電電流，它等於輸電帶送到高壓電極的電流(輸電電流)減去通過各種途徑從高壓電極漏去的電流（泄漏電流）。當電壓上升到某值時，泄漏電流恰好等於輸電電流，即Ieff=0，此值即為此高壓發生器的平衡電壓。這種高壓發生器，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現。如電子靜電加速器高壓所需的極性同圖1所示正好相反。
圖1
公式1
公式2
優點
20世紀60年代中，范德格喇夫靜電高壓發生器的重要改進是用輸電鏈（或梯）代替輸電帶。輸電鏈（梯）是利用在鏈(梯)上產生感應電荷的辦法充電並輸送電荷的，它的主要優點是：輸電不靠電暈放電，電流波動小，發生器的高壓自然穩定度高；工作壽命長；內部清潔等。已有不少靜電加速器採用這種輸電方法。
有了高壓發生器再配上離子源、加速管、分析器、電壓穩定和控制系統以及真空系統等必要的部件就構成了一台完整的質子靜電加速器。圖2為質子靜電加速器典型的結構簡圖。為了提高靜電加速器的工作電壓(即離子束能量)和束流強度，近代靜電加速器都是安放在鋼筒內。鋼筒內充有絕緣性能良好的高壓氣體,以提高靜電高壓發生器的耐壓強度;絕緣支柱上均裝有分壓環及分壓電阻（或電暈針組件）等部件，以使電場沿絕緣支柱、加速管和輸電帶（鏈）儘可能地均勻分布。高壓電極內裝有發電機、離子源和電子線路。當高壓電極處在正的高電勢時，在同高壓電極和分壓電阻相連的加速管內就形成加速電場。正離子從離子源被引出，進入加速管後，就受到加速電場的作用，向加速管的另一端運動加速。鋼筒外的分析器（磁或靜電分析器）是為了對經過加速的帶電粒子進行質量和能量選擇而設定的。帶電粒子流通過分析器後再經過一段束流輸運管道，最後打到靶上，提供物理實驗使用。
圖2
質子靜電加速器從開始到現在都是研究低能核物理的重要設備之一。它的主要優點是能量可以在很大範圍內平滑調節(可以從20％最高能量調到最高能量)，粒子束能量分散度小(約10)，容易變換粒子的種類。此外，它還可以作其他加速器的注入器。也可以用來產生中子，供中子物理實驗用。
我國發展
在我國，加速器事業是隨著原子能事業的發展，自50年代後期開始發展的。
1956年以後清華、北大等某些高等院校相繼設定加速器專業，或招收加速器研究生。
建立最早的加速器是科學院原子能所於1955年建成的700keV質子靜電加速器。
1958年科學院高能所2.5MeV質子靜電加速器建成。
1961年上海先鋒電機廠開始試製並投產靜電加速器。
