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靜電加速器
用靜電高壓加速帶電粒子的裝置
靜電加速器是利用靜電高壓加速帶電粒子的裝置。可用以加速電子或質(zhì)子。1931年R.J.范德格拉夫首先研制成功，稱范德格拉夫起電機(jī)。它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(nèi)，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(qiáng)度，近代靜電加速器安置在鋼筒內(nèi)，鋼筒內(nèi)充有絕緣性能良好的高壓氣體，以提高靜電高壓發(fā)生器的耐壓強(qiáng)度，加速粒子能量可達(dá)14兆電子伏特（MeV） 。靜電加速器屬于低能加速器，主要作各種技術(shù)應(yīng)用。
概述
以靜電型高壓發(fā)生器作為高壓電源的加速器。按照加速粒子的不同，它可分為正離子靜電加速器（簡稱質(zhì)子靜電加速器）和電子靜電加速器兩類。在這些靜電型高壓發(fā)生器中，用得最多的是1931年R.J.范德格喇夫首次研制成的那種類型。采用這種高壓發(fā)生器的靜電加速器稱為范德格喇夫加速器，有時也稱為范德格喇夫起電機(jī)。
早期的范德格喇夫靜電高壓發(fā)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。絕緣材料制成的輸電帶在兩個轉(zhuǎn)軸間不停地運(yùn)動。噴電針排連接在噴電電源（電壓為數(shù)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(yùn)動，帶上的電荷進(jìn)入高壓電極。極內(nèi)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(zhuǎn)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(shè)高壓電極對地的電容是C,當(dāng)它上面積累的電荷是Q時，它對地的電壓可由
來決定。這關(guān)系式對時間微分后得靜電加速器
式中Ia是有效充電電流，它等于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(dāng)電壓上升到某值時，泄漏電流恰好等于輸電電流，即
,此值即為此高壓發(fā)生器的平衡電壓。這種高壓發(fā)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(shí)現(xiàn)。如電子靜電加速器高壓所需的極性同圖1所示正好相反。
靜電加速器
靜電加速器
60年代中，范德格喇夫靜電高壓發(fā)生器的重要改進(jìn)是用輸電鏈（或梯）代替輸電帶。輸電鏈（梯）是利用在鏈(梯)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷的辦法充電并輸送電荷的，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：輸電不靠電暈放電，電流波動小，發(fā)生器的高壓自然穩(wěn)定度高；工作壽命長；內(nèi)部清潔等。目前已有不少靜電加速器采用這種輸電方法。
有了高壓發(fā)生器再配上離子源、加速管、分析器、電壓穩(wěn)定和控制系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)等必要的部件就構(gòu)成了一臺完整的質(zhì)子靜電加速器。圖2為質(zhì)子靜電加速器典型的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，近代靜電加速器都是安放在鋼筒內(nèi)。鋼筒內(nèi)充有絕緣性能良好的高壓氣體，以提高靜電高壓發(fā)生器的耐壓強(qiáng)度；絕緣支柱上均裝有分壓環(huán)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）盡可能地均勻分布。高壓電極內(nèi)裝有發(fā)電機(jī)、離子源和電子線路。當(dāng)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(nèi)就形成加速電場。正離子從離子源被引出，進(jìn)入加速管后，就受到加速電場的作用，向加速管的另一端運(yùn)動加速。鋼筒外的分析器（磁或靜電分析器）是為了對經(jīng)過加速的帶電粒子進(jìn)行質(zhì)量和能量選擇而設(shè)置的。帶電粒子流通過分析器后再經(jīng)過一段束流輸運(yùn)管道，最后打到靶上，提供物理實(shí)驗(yàn)使用。靶束流大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，一般可在納(10)安到幾十微安范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。質(zhì)子靜電加速器加速粒子能量可以平滑調(diào)節(jié)，能散度可以做得很小，它一直是低能核物理的主要設(shè)備。
同質(zhì)子靜電加速器相比，電子靜電加速器的結(jié)構(gòu)比較簡單，所占空間也較小。這是由于負(fù)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，因此對于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(yīng)減小。其次，由于電子靜電加速器是作為β輻射源（高速電子流經(jīng)掃描器后通過薄窗引出）和γ輻射源（高速電子轟擊重元素──金、鎢等來產(chǎn)生很強(qiáng)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(wěn)壓裝置，用于實(shí)驗(yàn)的輻照室就直接安置在離加速管出口不遠(yuǎn)的地方。圖3為上海生產(chǎn)的2兆電子伏電子靜電加速器。靜電加速器技術(shù)已有50多年的發(fā)展歷史，中國是在50年代末開始發(fā)展的,1959年建成了中國第一臺2.5兆電子伏質(zhì)子靜電加速器,1962年又建成了中國第一臺2兆電子伏電子靜電加速器。現(xiàn)今世界上約有數(shù)百臺靜電加速器。質(zhì)子靜電加速器除用于基礎(chǔ)研究、核技術(shù)應(yīng)用外，還應(yīng)用于離子注入、放射性劑量儀表校刻等方面，同時它也為分子生物學(xué)、表面物理、束－箔光譜學(xué)等邊緣學(xué)科的發(fā)展提供了重要的技術(shù)設(shè)備。電子靜電加速器主要用于輻射化學(xué)、放射生物學(xué)、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(yè)上有廣泛用途。
配圖
靜電加速器
靜電加速器
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