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靜電加速器（用靜電高壓加速帶電粒子的裝置）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-16

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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(guò)輸電帶將噴電針電暈放電的電荷輸送到一個(gè)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。

基本信息

中文名	靜電加速器
外文名	Electrostatic accelerator
提出者	范德格拉夫
提出時(shí)間	1931年
應(yīng)用學(xué)科	物理學(xué)

展開(kāi)

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(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)軸間不停地運(yùn)動(dòng)。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(guò)針尖在氣體中的電暈放電，使周?chē)c針尖極性相同的離子在電場(chǎng)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(dòng)，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(chǎng)，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(duì)地的電容是C,當(dāng)它上面積累的電荷是Q時(shí)，它對(duì)地的電壓可由

來(lái)決定。這關(guān)系式對(duì)時(shí)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(guò)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(shí)，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

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(dòng)小，發(fā)生器的高壓自然穩(wěn)定度高；工作壽命長(zhǎng)；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(tái)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(jiǎn)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(chǎng)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(shì)時(shí)，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(chǎng)。正離子從離子源被引出，進(jìn)入加速管后，就受到加速電場(chǎng)的作用，向加速管的另一端運(yùn)動(dòng)加速。鋼筒外的分析器（磁或靜電分析器）是為了對(duì)經(jīng)過(guò)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(guò)分析器后再經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)單得多，因此對(duì)于相同能量的電子靜電加速器來(lái)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(guò)薄窗引出）和γ輻射源（高速電子轟擊重元素──金、鎢等來(lái)產(chǎn)生很強(qiáng)的γ射線）使用的，對(duì)電子束的能量分散度沒(méi)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(guó)是在50年代末開(kāi)始發(fā)展的,1959年建成了中國(guó)第一臺(tái)2.5兆電子伏質(zhì)子靜電加速器,1962年又建成了中國(guó)第一臺(tái)2兆電子伏電子靜電加速器。現(xiàn)今世界上約有數(shù)百臺(tái)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?jī)x表校刻等方面，同時(shí)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

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