串列静电加速器

用于静电加速的仪器

串列静电加速器其中最基本的为两级串列加速器。两级以上如三级和四级串列加速器，不过是由两台两级串列加速器（或由一台两级串列加速器和一台单级静电加速器）组合而成的加速系统。两级串列加速器装设有两根加速管，公用一个高压电极，带电粒子从加速器地端注入一根加速管被加速一次，进到高压电极内，通过电荷转换装置（对负粒子束采用电子剥离器）粒子带电极性改变，然后进入第二根加速管再次被加速。从而在同一个电极电压下，粒子两次得到加速，大大提高了粒子的能量。

历史沿革

这种提高静电加速能量的方法，早在20世纪 30年代就已提出，直到负离子源和原子的剥离技术取得成功之后，才于1958年建成了世界上第一台加速质子能量为13.4兆电子伏的串列加速器。由于这种加速器保持了静电加速器的原有特点，又提高了能量，离子源装在加速器地电势处,调节、更换零件都方便,又便于加速多种粒子，所以发展得很快，60年代达到了它的全盛时期。到1986年时,运行中的串列加速器端电压达5兆伏以上的约有70台。端电压50兆伏的串列加速器也在研制中。

工作原理

两级串列加速器的工作原理由图1说明，从负离子源产生负离子束，经过预加速（一般几百千伏）、分析磁铁注入串列加速器的一根加速管，由于加速器的高压电极为正高压，对负离子产生吸引力，粒子朝高压电极方向被加速一次。当负离子进到高压电极内部时,经过电荷剥离器转变为带有N个电荷单位的正离子（N一般称粒子的电荷态）。而后,正离子进入第二根加速管中，又受到正高压的排斥力，第二次被加速，经过两次加速，粒子获得的总能量为 E=(N+1)eV,

式中E代表粒子的能量,e为电子的电荷，V为加速器端电压。对于质子N=1,则粒子能量正好对串列加速器端电压的二倍，也就是说质子能量为相同的端电压的单级静电加速器的二倍。　图2a是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的单级静电加速器组成的三级串列加速器。负离子源装在单级静电加速器的高压电极内，负离子在单级静电加速器内被加速一次，再注入两级串列加速器，完成后两次加速。

图2b是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的两级串列加速器组成的三级串列加速器,这种方式下离子源可放在加速器外边,处在地电势，采用正离子源，由正离子源产生的正离子束，要通过电荷中和管道变成中性束，注入负高电压电极的两级串列加速器，在第一根加速管不加速。当粒子到达高压电极内部时，通过添加电子孔道，中性束变成负离子束,在第二根加速管中完成第一次加速,后两次加速由一台正高压电极的两级串列加速器来完成，过程与上面相同。

基本分类

从机械结构来看，串列加速器有水平式和直立式两种。随着端电压不断升高，加速结构越来越长。对水平式的加速器来说，高压电极和加速管的水平支撑越来越困难；而直立式的加速器的厂房建筑也越来越高。为此发展了一种直立折叠式的结构。如美国橡树岭国家实验室的端电压25兆伏的加速器。它的结构像一个倒置的字母U。从下面注入的离子经一次加速在高压电极内被一个大的偏转磁铁偏置180°后,进入另一根加速管第二次加速。

未来发展

为了进一步提高粒子的能量，串列加速器常作为注入器，同其他类型的加速器，如扇形聚焦回旋加速器或分离扇回旋加速器串连起来联合运行。

就串列加速器本身的发展来说，人们还在为创造新的端电压记录而努力。诸如设计新型的加速管和输电系统，研究和改善介质的绝缘性能，改进工艺等等以提高耐高电场的强度。

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