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加速器类型

加速器类型

  粒子加速器:particle accelerator 一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。粒子加速器有三个基本组成部分:粒子源;真空加速系统和导引、聚焦系统。粒子加速器的效能通常以粒子所能达到的能量来表征。粒子能量在100MeV以下的称为低能加速器,能量在0.1~1GeV间的称为中能加速器,能量在1GeV以上的称为高能加速器。按照被加速粒子的种类,加速器可分为电子加速器、质子加速器和重粒子加速器等。按照加速电场和粒子轨道的形态,又可分为四大类:直流高压式加速器、电磁感应式加速器、直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。它们各自都有适于工作的粒子品种、能量范围以及性能特色。近年来,大中型的粒子加速器(如重离子加速器和高能加速器等)往往采用多种加速器的串接组合:例如由直流高压型加速器作预加速器,注入直线谐振式加速器加速至中间能量,再注入回旋谐振式加速器加速至终能量。这样的系统有利于发挥每一类加速器的效率和特色。

  串列加速器:tandem accelerator 利用一个高压使带电粒子获得两次加速的静电型加速器。串列加速器的直流高压通常由输电系统将电荷从低电位输送到高压电极上而形成。它的工作原理是将由负离子源产生负离子注入到加速器主体中,在高压电极的正电场的作用下,经低能段加速管被第一次加速。当负离子到达高压电极后,通过电子剥离器并被剥掉2个或多个电子,变为正离子。在高压电极作用下,正离子经高能段加速管再次被加速。图为中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器主体外貌。

  高压倍加器:Cockcroft-Walton accelerator 利用倍压整流方法产生直流高压,对离子或电子加速。其倍压整流工作原理如图所示,主要由高压变压器,高压整流器和高压电容器等组成。在无负载时,倍压整流线路输出的高压V随倍压级数n增加而线性增加,可表达为V-2nVa,式中Va为高压变压器T的次级绕组交流电压峰值。当有负载时,随着级数n的增加,线路的电压降和电压波动会严重增加,因此级数n不能太高。一般倍压整流器可输出直流高压从几百千伏(大气中)到兆伏级(高气压下)。高压倍加器由高压倍压整流电源,离子源(或电子枪),加速管、聚焦和传输系统,真空和控制系统组成。高压倍加器的输出功率较大,可以用作较理想的中子源,X光源少离子注入机

  静电加速器:electrostatic accelerator;Van de Graff accelerator 一种利用直流高压静电   场对带电普子进行加速的高压型加速器。1933年美国范德格拉夫首先提出一种新的起电原理:一个圆筒形金属高压电极由几根绝缘柱支承。位于底部的电晕针排加电压后,电晕放电产生的离子(或电子),由橡胶带输送到高压电极上形成直流高压。早期静电加速器工作在大气中,由于气体击穿,限制了高压进一步升高,最高电压为6MV。后来发展为高气压型静电加速器,即把静电发生器,离子源和加速管等封在钢筒内,充以高压绝缘气体,大大地提高了电场击穿场强。静电加速器结构如图所示。静电加速器较其他加速器有如下特点:被加速离子的能量连续可调、离子的能量单一、可加速多种离子或电子、离子束聚焦良好、离子束靶点小。静电加速器是低能核物理实验的理想工具,同时还广泛应用于离子注入,材料分析、材料辐照等领域。

  电子直线加速器:electron linac; electron linear accelerator 利用射频电场来加速电子的直线轨道加速器,由电子枪、加速管、射频功率源、射频传输、真空、冷却水、束流引出和控制等系统组成。迄今全世界已有数千台电子直线加速器用于放射治疗、无损探测、辐照加工和科学研究诸多领域。电子能量从几兆电子伏到几十吉电子伏,长度从几十厘米到几千米。现有的大部分电子直线加速器都工作在S波段,目前正在研制X波段加速结构。这种新结构尺寸较小,效率较高。由于环形加速器的辐射损失与能量的四次方成正比,建造更高能量的环形加速器已很不经济,所以由电子直线加速器组成的直线对撞机是建造下一代高能加速器的一个重要选择。

  电子回旋加速器:microtron 经典的电子回旋加速器又称微波加速器,是用在均匀磁场中放置的具有一个加速间隙的微波谐振腔来加速电子的加速器。通过间隙而获得加速的电子在静磁场中的轨迹是一系列相切的圆,切点在加速间隙处,如图所示。电子回旋加速器的电子运动满足自动稳相原理,所以它具备较好的能量稳定性和低的能量分散。但是,经典电子回旋加速器由于其腔体加速电压和轨道圈数的限制,以及腔体冷却的限制,使得加速器的输出粒子能量和平均流强均较低。为了提高电子束的输出能量,经典电子回旋加速器发展成为跑道式电子回旋加速器,原来的一块磁铁由两块端磁铁所代替;原来的一个加速间隙由一个电子直线加速器所代替。加速器可以实现连续波(CW)运行。