[科普中國]-串列加速器

起源

1931年美國的范德格拉夫（R.J.Van de Graaff）發(fā)明了靜電加速器，質(zhì)子能量達(dá)到1.5MeV。串列加速器就是在靜電加速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的、由兩段(甚至三段)靜電加速器組成的加速器。1

HI-13型結(jié)構(gòu)HVEC的串列加速器全部是橫式的，加速器廠房低，使用維修方便是其優(yōu)點(diǎn)。

（1）負(fù)離子注入器

由負(fù)離子源，偏轉(zhuǎn)磁鐵，預(yù)加速管，脈沖系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等組成，可產(chǎn)生80-180keV的可變能量低發(fā)射度束流。

注入器可以裝備多種類型的負(fù)離子源，因而原則上可以提供全粒子。

90度雙聚焦偏轉(zhuǎn)磁鐵的偏轉(zhuǎn)半徑R=14’’，質(zhì)能積為9.6MeV，AMU可以偏轉(zhuǎn)帶有單電荷，質(zhì)量為240，能量為40keV的離子。它的質(zhì)量分辨率不小于90，這比MP型的好得多，對重離子工作時更為有利。

調(diào)節(jié)柵網(wǎng)透鏡和光欄等光學(xué)元件，可以使注入束流的發(fā)射度與加速器低能端的接收度相匹配。

毫微秒脈沖系統(tǒng)采用先切割再聚束的方法，可以用于質(zhì)子及重離子。2

（2）高壓發(fā)生器

高壓發(fā)生器的鋼桶長25m，最大內(nèi)徑5.5m，它與MP型的不同處是鋼桶兩邊呈圓錐形而無MP型的拐角(“Knee”)結(jié)構(gòu)，而且長度增加2英尺。實(shí)驗(yàn)證明“Knee”是MP型電壓升高的一個限制因素。鋼桶的容量為360立方米，用SFa作為絕緣氣體，工作氣壓7.2個絕對大氣壓，需要SFa氣體約17噸。SFa氣體由四川硫酸廠供應(yīng)。

HI-13的大鋼桶由大連機(jī)器制造廠承制，分成九段在工廠加工校驗(yàn)好，再運(yùn)至現(xiàn)場焊成整體，經(jīng)HVEC技術(shù)人員檢驗(yàn)質(zhì)量合乎要求。絕緣支柱用玻璃塊和金屬片膠結(jié)而成。每段長1.8m，在高壓電極的兩邊各有四段，采用桁架結(jié)構(gòu)，一端用彈簧加壓力，使總長20余米的絕緣體懸空保持在鋼桶的中心線上。高壓電極的梯度為129kV/cm，絕緣柱的梯度為18kV/cm。

輸電系統(tǒng)采用一條輸電梯，輸電電流約為400uA。它的優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長，電流穩(wěn)定度高，能承受高電壓擊穿，運(yùn)行時不象輸電帶那樣磨下塵屑，因而高電壓性能好。

在XTU型(鋼桶中間直徑加大到7.6m)上無加速管試驗(yàn)高壓時，這套系統(tǒng)電壓最高升到過20MV，說明它的軸向絕緣用于13MV是有很大余量的，型有幾臺高壓一也試到過巧。由此可見，HI-13的高壓發(fā)生器的電莊是能夠超過13MV的。2

（3）加速管

加速管外徑用不銹鋼電極片和派力克斯玻璃環(huán)加PVA膠粘結(jié)而成，每段72節(jié)，長約1.8m，共8段，安裝在高壓電極兩邊的絕緣柱內(nèi)。加速電場為斜場結(jié)構(gòu)，用于抑制電子負(fù)載。為了減少高電壓發(fā)生器擊穿時對于加速管的危害，加速管采用獨(dú)立的電阻分壓系統(tǒng)。加速管的真空為10乇，由兩臺10英寸油擴(kuò)散泵系統(tǒng)來保證，擴(kuò)散泵油為聚笨醚。這種加速管1973年HVEC在XTU型試驗(yàn)時于16MV下出過束流。

（4）高壓電極內(nèi)部設(shè)備

原型MP高壓電極內(nèi)部只裝一條氣體剝離管道，設(shè)備較簡單。隨著電壓的升高和重離子實(shí)驗(yàn)工作的發(fā)展，高壓電極內(nèi)部設(shè)備也逐漸增多。

為了把電壓從10MV提高到13MV，加速管的孔徑縮小了好多，氣導(dǎo)也因而減小。重離子工作時要求加速管內(nèi)的真空度比較高，故HI-13的高壓電極內(nèi)裝有三個真空泵。剝離氣體主要由欽球升華泵播除，剝離器兩端各有一個欽吸附泵可以輔助抽加速管的真空。兩端的兩個球閥在維修剝離器時關(guān)閉可使加速管保持真空。

剝離器出口有一個三單元四極靜電透鏡，可使剝離后的束流適當(dāng)聚焦。此透鏡的電極還可用作束流在垂直方向的導(dǎo)向器。

重離子在通過剝離器后會形成多種電荷態(tài)。利用電四極透鏡和在加速管內(nèi)相應(yīng)的光欄可以對電荷態(tài)進(jìn)行部份選擇，使那些具有所需電荷態(tài)的離子通過加速管加速出來。

HI-13的注人器有好的質(zhì)量分辨率，被剝離后的離子又可進(jìn)行部分電荷態(tài)的選擇，這使HI-13有較好的重離子工作性能。對于超越鈾核庫侖勢壘的加速離子的質(zhì)量數(shù)可到27左右，對于相近粒子體系的近閾反應(yīng)，則加速離子的質(zhì)量數(shù)不大于60。2

（5）磁分析器開關(guān)磁鐵和實(shí)驗(yàn)管道

（6）加速器高壓分段鍛煉裝置

大型串列加速器的靜電儲能很大，高壓擊穿時形成的沖擊波常常打壞各種設(shè)備，對20MV的串列加速器，靜電儲能可達(dá)100kWS。為了保證加速器的安全鍛煉并診斷問題所在，HI-13上加裝了一套高壓分段鍛煉裝置。它是利用徑向的短路棒和軸向的煊路繩互相配合，可以任意選擇試驗(yàn)任何一段分壓柱秘加速管的高電壓性能，這將有助于加速器的調(diào)試和安全運(yùn)行2。

性能衡量加速器性能主要看加速粒子所能達(dá)到的能量和粒子流的強(qiáng)度（流強(qiáng)）。按照粒子能量的大小，加速器可分為低能加速器（能量小于100MeV）、中能加速器（能量在100MeV～1GeV）、高能加速器（能量在1GeV～1TeV）和超高能加速器（能量在1TeV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各種實(shí)際應(yīng)用3。

應(yīng)用加速器的兩種用途：一是進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本研究（包括原子、分子、原子核和基本粒子三個層次）；另外在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。