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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(chēng)范德格拉夫起電機。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，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度，近代靜電加速器安置在鋼筒內，鋼筒內充有絕緣性能良好的高壓氣體，以提高靜電高壓發(fā)生器的耐壓強度，加速粒子能量可達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(chēng)質(zhì)子靜電加速器）和電子靜電加速器兩類(lèi)。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(lèi)型。采用這種高壓發(fā)生器的靜電加速器稱(chēng)為范德格喇夫加速器，有時(shí)也稱(chēng)為范德格喇夫起電機。

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(zhù)。絕緣材料制成的輸電帶在兩個(gè)轉軸間不停地運動(dòng)。噴電針排連接在噴電電源（電壓為數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(zhù)輸電帶的運動(dòng)，帶上的電荷進(jìn)入高壓電極。極內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，從而使電荷轉移到高壓電極上去。隨著(zhù)不停傳送電荷，高壓電極的電壓很快地升高。假設高壓電極對地的電容是C,當它上面積累的電荷是Q時(shí)，它對地的電壓可由

來(lái)決定。這關(guān)系式對時(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。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)生器的高壓自然穩定度高；工作壽命長(cháng)；內部清潔等。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、電壓穩定和控制系統以及真空系統等必要的部件就構成了一臺完整的質(zhì)子靜電加速器。圖2為質(zhì)子靜電加速器典型的結構簡(jiǎn)圖。為了提高靜電加速器的工作電壓(即離子束能量)和束流強度，近代靜電加速器都是安放在鋼筒內。鋼筒內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。高壓電極內裝有發(fā)電機、離子源和電子線(xiàn)路。當高壓電極處在正的高電勢時(shí)，在同高壓電極和分壓電阻相連的加速管內就形成加速電場(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動(dòng)加速。鋼筒外的分析器（磁或靜電分析器）是為了對經(jīng)過(guò)加速的帶電粒子進(jìn)行質(zhì)量和能量選擇而設置的。帶電粒子流通過(guò)分析器后再經(jīng)過(guò)一段束流輸運管道，最后打到靶上，提供物理實(shí)驗使用。靶束流大小，根據實(shí)驗要求，一般可在納(10)安到幾十微安范圍內調節。質(zhì)子靜電加速器加速粒子能量可以平滑調節，能散度可以做得很小，它一直是低能核物理的主要設備。

同質(zhì)子靜電加速器相比，電子靜電加速器的結構比較簡(jiǎn)單，所占空間也較小。這是由于負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)生很強的γ射線(xiàn)）使用的，對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壓裝置，用于實(shí)驗的輻照室就直接安置在離加速管出口不遠的地方。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(kāi)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。現今世界上約有數百臺靜電加速器。質(zhì)子靜電加速器除用于基礎研究、核技術(shù)應用外，還應用于離子注入、放射性劑量?jì)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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