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核技术基础引论 第一章 带电粒子加速器原理 §1.2 高压型加速器原理 带电粒子加速器发展是沿着两个方向取得发展的。发展过程有时是并列的，有时是交替 进行的。带电粒子的轨道被区分为直线型的和圆型的，运行轨道是直线型加速器中的带电粒 子仅仅是一次性通过加速结构，在圆型加速器中它们会随着一个封闭轨道周期性地通过加速 结构而多圈积累能量或保持能量不变。本节以及后续的数节，除了一些尚在研究中加速器的 原理以外，所有已有加速器类型的基本原理都会涉及。课程内容，试图让阅读者建立加速器 相关的总体概念，基本点放在加速原理上，加速器物理的线性理论和一些基本方法放在后面 的章节讲。已经从事加速器装置运行和研究都知道，世界上没有二台加速器会完全一样，即 使是具有同一种加速原理的加速器，也会因具体的技术差异而不同。因此，世界上没有二台 加速器完全一样的。 高压型加速器所涉及的技术和产品，不仅在低能核物理、离子注入等领域有广泛应用， 其核心技术在工业电力测试设备中也有广泛应用。徐建铭先生在中国科学技术大学建校初期 讲授的《加速器原理》一书[1]，对高压型加速器的原理与技术有较详细的论述；叶铭汉先生 著作的《静电加速器》一书[2]，对静电加速器有更详细的论述。 §1.2.1 概述 顾名思义，此类加速器是用对粒子加速的直流高压形成方法来命名的，即实现对粒子加 速是直接采用静态直流高压，它们的命名因形成直流高压方法有所不同而有区别。从公式 ΔW F =⋅dl Ze E =⋅dl ZeV 。 (1.2) ∫ ∫ 可以看出，粒子能量的增加直接来源于直流高压 V ，主要是力F 平行于粒子轨道的分量对 粒子能量的增长发挥作用，是电场强度 E 平行于粒子轨道的分量对粒子能量的增长发挥作 用。此类加速器，通常都有球形或半球形电极，或者椭球形电极，电极表面的光洁度非常重 要。球形电极外表面电场， V En 。 (1.4) r 球形电极表面电场与球半径的关系曲线，以及此类加速器的示意结构见图（图1.7 和图 1.8）。 10000 8000 6000 ) m / t l o V ( 4000 E 2000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 r(m) 图 1.7 球外电场强度与距离的关系 图 1.8 高压型加速器工作原理示意 此类加速器沿加速路径的电场不可能是均匀的，所以需要加装均压环等技术措施，使电场沿 22 加速管方向变得均匀一些，以提高总加速电压。中国科学技术大学早期的一台高压加速器， 是著名物理学家赵忠尧先生（中国科学技术大学原子核物理与原子核工程系首任系主任）从 美国带回来的（安装在中国科学技术大学赵忠尧纪念馆）。 ①静电加速器 高电压是由于球形电极上静电荷的积累形成的，高电压还与电极总电容有关，故 Q V V ⇒ En 。 ( 1.62) C r 电荷Q 是通过喷电针排放电至绝缘输电带，绝缘输电带将电荷传送至球形电极附近，再经 刮针取下电荷传送至球形电极（示意于图 1.9）上积累起来的。 图 1.9 静电加速器工作原理示意 ②倍压加速器 倍压电路产生高压。50 赫兹的升压变压器升高的电压，再经过若干级倍压电路升压， 并将得到的高