靜電加速器

靜電加速器：以 靜電型高壓發生器作為高壓電源的加速器。 1929年范德格喇夫首先提出了利用靜電起電 機產生高電壓加速電子或質子的構想。1931年 建成了第一台范德格喇夫靜電加速器。其突出 優點是粒子束的能量高、散度小。單極靜電加 速器的能量(以加速質子為標準)一般可達6兆 電子伏。

基本介紹

• 中文名：靜電加速器
• 外文名：Electrostatic accelerator
• 別稱：范德格拉夫起電機；靜電力加速器
• 提出者：范德格拉夫
• 提出時間：1931年
• 套用學科：物理學
• 適用領域範圍：靜電物理學
• 適用領域範圍：電學
• 種類：屬於粒子加速器的一類
• 分類：質子靜電加速器、電子靜電加速器

起源與發展

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( E． Widere) 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． van de Graaf) 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。1953年建成了串列靜電加速器。它先將帶負電的離子由 地電勢向正高壓電極加速，再在電極內將負離 子轉變為正離子，由高壓電極對正離子進行第 二次加速。用這樣的方法可使質子的能量提高 一倍。若把高壓極性相反的兩個串列加速器串 聯在一起，能量還可進一步提高，目前已達到 60兆電子伏。

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。

圖1

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Ia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Ia=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。

公式1

公式2

分類

按照加速粒子的不同，靜電加速器可分為正離子靜電加速器(又稱質子靜電加 速器)和電子靜電加速器兩類。前者粒子能量 可以平滑調節，能散度可以做得很小，一直是低 能核物理的主要設備。與此相比，後者的結構 比較簡單，所占空間也較小;因作為β輻射源和 γ輻射源使用，對電子束的能量分散度要求不 高，不需配備分析器和穩壓裝置。

優點

60年代中，范德格拉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。

靜電加速器

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。靶束流大小，根據實驗要求,一般可在納(10)安到幾十微安範圍內調節。質子靜電加速器加速粒子能量可以平滑調節，能散度可以做得很小，它一直是低能核物理的主要設備。

同質子靜電加速器相比，電子靜電加速器的結構比較簡單，所占空間也較小。這是由於負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單得多,因此對於相同能量的電子靜電加速器來講,它的高壓電極尺寸就比較小，這樣鋼筒的尺寸也就可相應減小。其次，由於電子靜電加速器是作為β輻射源（高速電子流經掃描器後通過薄窗引出）和γ輻射源（高速電子轟擊重元素──金、鎢等來產生很強的γ射線）使用的，對電子束的能量分散度沒有很高的要求，因此它不必配備分析器和穩壓裝置，用於實驗的輻照室就直接安置在離加速管出口不遠的地方。圖3為上海生產的2兆電子伏電子靜電加速器。

圖2

國內發展

從20 世紀40 年代開始，中國的物理學家們就一直夢想著能擁有自己的核物理研究裝置，但是由於種種原因，這些夢想在解放之前並未成為現實。新中國成立之後，國家大力支持科學研究，並制訂了《1956—1967 年科學技術遠景規劃綱要》，其中原子能的和平利用被列為十二項重點發展領域的第一項。在規劃頒布之前，諸多相關的研究已經開展並取得階段性成果。作為核物理研究的主要單位中科院近代物理研究所( 先後改名為物理研究所和原子能研究所) 已經在加速器研製等方面取得了重要進展，先後建造了我國第一、二台靜電加速器( 也稱為V1 質子靜電加速器和V2 質子靜電加速器) 。靜電加速器技術已有50多年的發展歷史，中國是在50年代末開始發展的,1959年建成了中國第一台2.5兆電子伏質子靜電加速器,1962年又建成了中國第一台2兆電子伏電子靜電加速器。現今世界上約有數百台靜電加速器。質子靜電加速器除用於基礎研究、核技術套用外，還套用於離子注入、放射性劑量儀表校刻等方面，同時它也為分子生物學、表面物理、束－箔光譜學等邊緣學科的發展提供了重要的技術設備。電子靜電加速器主要用於輻射化學、放射生物學、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上有廣泛用途。