第三章 倍壓加速器

第三章倍壓加速器加速器原理按加速電場(chǎng)的類型分類高壓加速器感應(yīng)加速器高頻共振加速器典型的兩種高壓型加速器：高壓倍壓加速器高壓靜電加速器§3.1、概述1、倍壓加速器的基本組成倍壓加速器主要有以下幾部分組成：（1）直流倍壓式高壓電源（2）高壓電極（3）離子源（或電子槍）（4）加速管（5）隔離供電系統(tǒng)（6）束流后傳輸系統(tǒng)（7）靶室（8）真空機(jī)組§3.1、概述2、加速離子的能量如果高壓電源的電壓為V，被加速的離子的電荷數(shù)為：Ze

則離子被加速到加速管接地端獲得的動(dòng)能為：

受高壓電源、高壓放電等原因限制，高壓倍加器的能量也受到限制，最高不超過1.5MeV，大多數(shù)在0.6MeV以下原則上講，倍加器能加速任何帶電離子（eV、KeV、MeV）§3.1、概述1931年，柯克洛夫特—華爾頓（Cockcroft-Walton）首次建成了高壓倍加速器，1932年第一次應(yīng)用此加速器產(chǎn)生了700keV的質(zhì)子束，實(shí)現(xiàn)了第一次人工加速粒子束引起的核反應(yīng)高壓倍加速器在核物理研究的初期，發(fā)揮了重要作用由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能加速?gòu)?qiáng)流束，至今仍被廣泛使用3、倍壓加速器的發(fā)展歷史§3.1、概述

多級(jí)倍壓線路1、倍壓原理

倍壓電源由一個(gè)升壓變壓器和多級(jí)的由高壓電容和整流二極管組成的多級(jí)倍壓線路組成。電路如圖所示。為主電容（相等）

為輔助電容（相等）升壓變壓器將交變電壓升到幾十千伏以上以單極倍壓線路為例分析倍壓原理§3.2、倍壓電源在理想條件下分析單級(jí)倍壓原理:1）整流二極管正向電阻為0，反向電阻為無限大。2）電容器不漏電。3）升壓變壓器容量足夠大。4）變壓器次級(jí)輸出為：5）理想空載電容充放電過程中，電荷的流動(dòng)方向如圖所示1、倍壓原理§3.2、倍壓電源第n周期結(jié)束：第二周期結(jié)束：第三周期結(jié)束：第一周期結(jié)束：V0’0VC1’VC1§3.2、倍壓電源

對(duì)N級(jí)倍壓線路，經(jīng)過個(gè)周期，主電容柱端（直流柱）最高是空載電壓為2NVa：§3.2、倍壓電源輔助電容柱端（交流柱）空載電壓：

2(N-1)Va-Vasin(wt)空載理想狀態(tài)下，主電容柱端可達(dá)到2NVa高壓，實(shí)際倍壓線路總有一定的負(fù)載。負(fù)載包括：粒子流、高壓測(cè)量電阻上的電流、絕緣支上的漏電流、電暈放電等。

2、負(fù)載電流對(duì)倍壓線路輸出電壓的影響1）、負(fù)載電流引起的電壓降實(shí)際電壓值為：Vmax負(fù)載電流引起的電壓降:2Va-Vmax=ΔV

§3.2、倍壓電源主電容對(duì)負(fù)載放電的連續(xù)性與輔助電容對(duì)主電容充電的斷續(xù)性引起主電容端電壓的波動(dòng)δV。2）、負(fù)載電流引起的電壓波動(dòng)–紋波§3.2、倍壓電源負(fù)載電流引起的電壓降和電壓波動(dòng)如圖所示,設(shè)Vmax和Vmin為實(shí)際輸出的最高電壓和最低電壓則對(duì)單極倍壓線路

：定義：§3.2、倍壓電源N極倍壓線路帶有負(fù)載時(shí)的電壓波動(dòng)和電壓降如下

3、倍壓線路的局限性及其可能的改進(jìn)途徑電壓降：電壓波動(dòng)：則主電容端：fu倍壓線路供電源頻率，C為主電容柱端的電容，i為負(fù)載電流.1）倍壓線路有負(fù)載時(shí)輸出電壓的有限性倍壓極數(shù)不能超過Nmax理想條件下：令：得：實(shí)際上：§3.2、倍壓電源3）倍壓線路的改進(jìn)辦法2）電壓波動(dòng)的限制隨極數(shù)N

的增加,δV也越大，被加速的粒子的能量分散也越來越大，這加速器來講，是致命的由：不能用減小負(fù)載電流i的辦法來降低δV和ΔV提高供電頻率，可有效減少δV和ΔV但有局限性。增大C會(huì)增大電容的儲(chǔ)能，C一般取0.01~0.1uF，另外，高壓、高容量電容體積很大。由：增大電容C也可以有效減少δV和ΔV§3.2、倍壓電源

單邊：3）倍壓線路的改進(jìn)辦法采用雙邊對(duì)稱倍壓線路單邊倍壓線路在一個(gè)周期內(nèi)只能給主電容C沖一次電，對(duì)稱型倍壓線路在一個(gè)周期內(nèi)可以給主電容C充兩次電,可有效降低電壓波動(dòng)和電壓降。對(duì)雙邊稱式電路：

比較§3.2倍壓電源★輻照用加速器：對(duì)高壓穩(wěn)定性要求不高?！锖朔磻?yīng)研究或離子注入器：對(duì)高壓要求很高，就要求加專門的穩(wěn)壓線路。4、倍壓電源的穩(wěn)定性（1）影響穩(wěn)定的幾個(gè)因素（2）不同用途的倍壓器對(duì)電壓穩(wěn)定性要求各不相同★供電電源的慢變化★端電壓的變化：電壓波動(dòng) 負(fù)載的起伏（放電、擊穿）§3.2、倍壓電源（1）造成粒子損失能量；（2）造成粒子束發(fā)散；（3）散射的粒子打到加速器部件上會(huì)產(chǎn)生軔致輻射，造成較大的本底，甚至損壞部件。一般要求倍壓器的真空度要達(dá)到10-6~10-7mmHg(10-4Pa)加速粒子必須在高真空環(huán)境中傳輸，在大氣壓下或低真空下，加速粒子與氣體分子的碰撞會(huì)產(chǎn)生以下惡果：§3.3帶電粒子的加速和傳輸1、真空度對(duì)加速離子的影響★組成：由絕緣環(huán)（陶瓷、玻璃、環(huán)氧）、加速電極、均壓環(huán)、分壓電阻等組成。★分類：按電極形狀常分為三種形式：圓筒電極加速管（a）平板電極加速管（b）碟形電極加速管（c）2、加速管§3.3帶電粒子的加速和傳輸s為了保證將加速的束流傳輸?shù)桨猩?，必須?yīng)用電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的組合元件給離子束附加一個(gè)徑向力，使之聚焦。§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖竟?jié)討論常用的一些聚焦元件及其聚焦性能。1、電透鏡1）單膜孔透鏡

如圖是為單膜孔透鏡示意圖。單膜孔透鏡可近似看成短透鏡，其焦距可用下式估算：其中，為膜孔中心點(diǎn)位為等位面鞍點(diǎn)處的點(diǎn)位,為膜片之間的間距。三膜片透鏡總是會(huì)聚透鏡。2）三膜孔透鏡

如圖是為三膜孔透鏡示意圖。三膜孔透鏡可近似看成短透鏡。焦距可用下式估算：為等位面鞍點(diǎn)處的點(diǎn)位，為膜片之間的間距。三膜片透鏡總是會(huì)聚透鏡§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖?、磁透鏡

如圖所示，空間的通電線圈就是一螺線管透鏡。帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中也做螺旋運(yùn)動(dòng)，但：R≠常量§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖?、四極透鏡四極透鏡一般分為電四極透鏡和磁四極透鏡兩種。1）電四極透鏡

由四個(gè)雙曲面電極加適當(dāng)?shù)碾妷航M成。先不考慮邊緣效應(yīng)，則等位面應(yīng)該是雙曲面：根據(jù)邊界條件：

§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖懻?如果x方向作用力為聚焦力，則y方向必為散焦力,單個(gè)電四極透鏡無法實(shí)現(xiàn)雙聚焦離子越偏離中心軸，作用力越大，四極透鏡具有強(qiáng)聚焦性能電四極透鏡有易引起放電的缺陷電場(chǎng)：作用力：§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖?）磁四極透鏡#結(jié)構(gòu)組成磁四極透鏡的結(jié)構(gòu)由四個(gè)雙曲柱面磁極組成#標(biāo)量位在不考慮軸向的場(chǎng)分布邊緣效應(yīng)的條件下，磁極內(nèi)切圓范圍內(nèi)，磁場(chǎng)的標(biāo)量位可用下列函數(shù)描述：稱為磁場(chǎng)梯度,由邊界條件決定

§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖?磁感應(yīng)強(qiáng)度：得：故：#標(biāo)量位在磁極與內(nèi)切圓相切的四個(gè)點(diǎn)上的標(biāo)量位大小為：#沿z軸運(yùn)動(dòng)的離子在徑向所受的作用力：§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖?討論如果x方向作用力為聚焦力，則y方向必為散焦力，單個(gè)磁四極透鏡沒法實(shí)現(xiàn)雙聚焦，一般采取三重四極四極透鏡來實(shí)現(xiàn)雙聚焦離子越偏離中心軸，作用力越大，四極透鏡具有強(qiáng)聚焦性能§3.4離子束傳輸?shù)木劢乖?.5離子束傳輸?shù)钠D(zhuǎn)元件動(dòng)量與磁剛度的關(guān)系1）磁分析器磁分析器為動(dòng)量分析器2）靜電分析器對(duì)于低能范圍離子靜電分析器為能量分析器4、束流時(shí)間特性直流束；脈沖束1、加速離子種類可加速任何種類的帶電粒子（原則上）2、能量特性（1）能量范圍：1.5MeV~400keV~150keV（P）（2）能量分散度：百分之幾（無穩(wěn)壓）;0.10~0.01%（有穩(wěn)壓）3、束流強(qiáng)度倍壓電源具有很高的負(fù)載能力，故倍壓加速器一般為強(qiáng)流加速器，束流強(qiáng)度：幾個(gè)mA~幾十mA~幾百mA§3.6Cockcroft倍壓加速器的性能特點(diǎn)一、組成：1、高壓電源：采用雙邊Cockroft倍壓電源1）300kV，50mA；2)供電頻率：2.5kHz2、高壓頭部：1）雙等離子源，50mA；2）離子源電源3、加速管：高梯度加速管：長(zhǎng)80cm，加速區(qū)10cm，梯度30kV/cm。

§3.7蘭州大學(xué)3×1012n/s強(qiáng)流中子發(fā)生器簡(jiǎn)介

4、真空系統(tǒng)：兩組1500L/s分子泵系統(tǒng)5、三重四極透鏡6、強(qiáng)迫水冷高速旋轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)§3.7蘭州大學(xué)3×1012n/s強(qiáng)流中子發(fā)生器簡(jiǎn)介

高壓電源：300kV，雙邊4倍壓§3.7蘭州大學(xué)3×1012n/s強(qiáng)流中子發(fā)生器簡(jiǎn)介

高壓頭部：離子源，離子源電源§3.7蘭州大學(xué)3×1012n/s強(qiáng)流中子發(fā)生器簡(jiǎn)介

加速管：§3.7蘭州大學(xué)3×1012n/s強(qiáng)流