质子静电加速器

靠加速质子的静电加速器

静电加速器可对质子、氘离子、氦离子和电子进行加速，加速能量一般在20兆电子伏以下。加速电子的称为电子静电加速器，加速质子的称为质子静电加速器。

发展与起源

1909年，卢瑟福(E．Rutherford)在用镭放出的α粒子轰击原子时发现了α粒子反常的大角度散射现象。在此基础上，他于次年提出了原子的核式结构模型。1919年，他用天然放射源产出的α粒子轰击氢，实现了人类第一次原子核反应实验。但是，天然放射源产生的“炮弹”粒子强度弱、种类有限、能量不易控制，因此创建人工加速粒子装置成为了核物理研究的必需。1928年，维德罗率先提出了加速带电粒子的加速器方案，但电压不够高而不能用于原子核反应研究。1932年，卢瑟福领导下的卡文迪许实验室的考克饶夫(J．D．Cockcroft)和瓦尔顿(T．S．Walton)合作设计建造了第一台高压倍加器，并用它获得700KeV的质子束轰击锂靶，实现了人类第一次人工核反应。此后，在高压加速器中发展最快的是利用静电起电机作为高压电源的静电加速器。1929年，范德格喇夫(R．J．vandeGraaf)提出了静电发生器的结构(乌戈利莫夫于1925年也曾提出此设想)，1931年，范德格喇夫建成第一台静电加速器，把质子加速到0.5MeV。所以，后来把静电加速器也称为范德格喇夫起电机。与高压倍加器相比，静电加速器更容易产生较高的能量，粒子束能量也更均匀，故此发展很快。

20世纪40年代，4.5MeV的质子静电加速器已经建成。50～70年代，采用串列结构，静电加速器已经能产生30MeV的质子流。静电加速器属于直线加速器。同期，非直线加速器也得到了很大发展。1930年，劳伦斯(E．O．Lawrence)提出了回旋加速器的原理和设计。同年春，劳伦斯的学生埃德勒夫森(N．E．Edlefsen)建成了4吋的回旋加速器模型。1931年4月，在劳伦斯领导下，利文斯顿(M．S．Livingston)建成了直径9吋的回旋加速器。8月，他们用这台回旋加速器把质子加速到了1MeV。二战前，回旋加速器尺寸已经达到60吋，加速器质子能量达到8MeV。二战后，麦克米伦(E．M．Mc－Millan)于1945年提出自动稳相原理(前苏联的韦克斯勒曾于1944年提出该原理)，并建成184吋的电子同步加速器。1947年，70MeV的电子同步加速器建成。此后几年，300MeV的电子同步加速器批量出现。质子同步加速器研制也同步进行，到1952年，3GeV的质子同步加速器建造成功。

原理

静电加速器是通过输电带将喷电针电晕放电的电荷输送到一个绝缘的空心金属电极内，使之充电至高电压用以加速带电粒子。加速器加速粒子的能量受到所使用绝缘材料击穿电压的限制。为了提高静电加速器的工作电压和束流强度，近代静电加速器安置在钢筒内，钢筒内充有绝缘性能良好的高压气体，以提高静电高压发生器的耐压强度，加速粒子能量可达14兆电子伏特（MeV）。静电加速器属于低能加速器，主要作各种技术应用。

早期的范德格喇夫静电高压发生器是动带式的，它的基本工作原理如图1所示。金属薄壁的高压电极由绝缘支柱支撑着。绝缘材料制成的输电带在两个转轴间不停地运动。喷电针排连接在喷电电源（电压为数十千伏的直流高压电源）上，通过针尖在气体中的电晕放电，使周围与针尖极性相同的离子在电场作用下从针尖喷向输电带，使输电带充电。随着输电带的运动，带上的电荷进入高压电极。极内刮电针排同高压电极相连和输电带之间所形成的电场，同样使气体电晕放电，从而使电荷转移到高压电极上去。随着不停传送电荷，高压电极的电压很快地升高。假设高压电极对地的电容是C,当它上面积累的电荷是Q时，它对地的电压可由公式1来决定。这关系式对时间微分后得公式2。式中Ieff是有效充电电流，它等于输电带送到高压电极的电流(输电电流)减去通过各种途径从高压电极漏去的电流（泄漏电流）。当电压上升到某值时，泄漏电流恰好等于输电电流，即Ieff=0，此值即为此高压发生器的平衡电压。这种高压发生器，要改变电压极性是很方便的，只要改变喷电电源极性即可实现。如电子静电加速器高压所需的极性同图1所示正好相反。

优点

20世纪60年代中，范德格喇夫静电高压发生器的重要改进是用输电链（或梯）代替输电带。输电链（梯）是利用在链(梯)上产生感应电荷的办法充电并输送电荷的，它的主要优点是：输电不靠电晕放电，电流波动小，发生器的高压自然稳定度高；工作寿命长；内部清洁等。已有不少静电加速器采用这种输电方法。

有了高压发生器再配上离子源、加速管、分析器、电压稳定和控制系统以及真空系统等必要的部件就构成了一台完整的质子静电加速器。图2为质子静电加速器典型的结构简图。为了提高静电加速器的工作电压(即离子束能量)和束流强度，近代静电加速器都是安放在钢筒内。钢筒内充有绝缘性能良好的高压气体,以提高静电高压发生器的耐压强度;绝缘支柱上均装有分压环及分压电阻（或电晕针组件）等部件，以使电场沿绝缘支柱、加速管和输电带（链）尽可能地均匀分布。高压电极内装有发电机、离子源和电子线路。当高压电极处在正的高电势时，在同高压电极和分压电阻相连的加速管内就形成加速电场。正离子从离子源被引出，进入加速管后，就受到加速电场的作用，向加速管的另一端运动加速。钢筒外的分析器（磁或静电分析器）是为了对经过加速的带电粒子进行质量和能量选择而设置的。带电粒子流通过分析器后再经过一段束流输运管道，最后打到靶上，提供物理实验使用。

质子静电加速器从开始到现在都是研究低能核物理的重要设备之一。它的主要优点是能量可以在很大范围内平滑调节(可以从20％最高能量调到最高能量)，粒子束能量分散度小(约10-4)，容易变换粒子的种类。此外，它还可以作其他加速器的注入器。也可以用来产生中子，供中子物理实验用。

我国发展

在我国，加速器事业是随着原子能事业的发展，自50年代后期开始发展的。

1956年以后清华、北大等某些高等院校相继设置加速器专业，或招收加速器研究生。

建立最早的加速器是科学院原子能所于1955年建成的700keV质子静电加速器。

1958年科学院高能所2.5MeV质子静电加速器建成。

1961年上海先锋电机厂开始试制并投产静电加速器。

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