高压静电加速器.pptx

第四章第四章 静电高压加速器静电高压加速器姚泽恩2007年9月4.1 概述概述 静电加速器是高压加速器的一静电加速器是高压加速器的一静电加速器是高压加速器的一静电加速器是高压加速器的一种，具有束流品质优良、能量连续种，具有束流品质优良、能量连续种，具有束流品质优良、能量连续种，具有束流品质优良、能量连续可调、单色性好等优点，是低能核可调、单色性好等优点，是低能核可调、单色性好等优点，是低能核可调、单色性好等优点，是低能核物理及带电粒子与物质相互作用研物理及带电粒子与物质相互作用研物理及带电粒子与物质相互作用研物理及带电粒子与物质相互作用研究的一个重要工具。究的一个重要工具。究的一个重要工具。究的一个重要工具。1 1、静电加速器的基本组成、静电加速器的基本组成、静电加速器的基本组成、静电加速器的基本组成 如图所示，静电加速器主要由以如图所示，静电加速器主要由以下几部分组成：下几部分组成：（1 1）静电起电机）静电起电机）静电起电机）静电起电机 （喷电电源、喷电针、输电带、（喷电电源、喷电针、输电带、刮电设备（针）、高压电极）刮电设备（针）、高压电极）（2 2）离子源）离子源）离子源）离子源（3 3）加速系统）加速系统）加速系统）加速系统（4 4）束流后传输系统）束流后传输系统）束流后传输系统）束流后传输系统4.1 概述概述2 2、静电加速器的发展历史、静电加速器的发展历史、静电加速器的发展历史、静电加速器的发展历史n n19311931年，年，Van de GraaffVan de Graaff（范德格拉夫）发明了带型静电（范德格拉夫）发明了带型静电起电机。起电机。n n19331933年，一台年，一台1.2MeV1.2MeV质子静电加速器建成，首先在这台质子静电加速器建成，首先在这台静电加速器上观察到了共振核反应静电加速器上观察到了共振核反应 441.2KeV 441.2KeV （共振峰）（共振峰）872.5KeV 872.5KeV （共振峰）（共振峰）现应用这两个共振峰来校准加速器的能量。现应用这两个共振峰来校准加速器的能量。n n19551955年开始，发展串列式静电加速器年开始，发展串列式静电加速器4.1 概述概述Biography Of Robert J.Van de GraaffBiography Of Robert J.Van de Graaff Robert Jemison Van de Graaff was born on Robert Jemison Van de Graaff was born on December 20,1901 in Alabama,U.S.A.December 20,1901 in Alabama,U.S.A.Robert attended the Tuscaloosa Robert attended the Tuscaloosa public schoolspublic schools and then attended the and then attended the University of AlabamaUniversity of Alabama where he received a where he received a BS degreeBS degree in 1922 and an in 1922 and an MS MS degreedegree in 1923.Both degrees were in in 1923.Both degrees were in mechanical mechanical engineeringengineering.He worked as an engineer for the Alabama Power He worked as an engineer for the Alabama Power Company before obtaining his Company before obtaining his Ph.D.in physics at Ph.D.in physics at Oxford.Oxford.While a While a postdoctoral fellow at Princetonpostdoctoral fellow at Princeton he conceived a device to build up a high voltage he conceived a device to build up a high voltage using simple principles of electrostatics.using simple principles of electrostatics.4.24.2、静电起电机、静电起电机、静电起电机、静电起电机 静电起电机是一种利用输电系统将电荷静电起电机是一种利用输电系统将电荷传送到高压电极的装置。主要有输电带型传送到高压电极的装置。主要有输电带型（动带型）、绝缘转子型、输电链型等。（动带型）、绝缘转子型、输电链型等。1 1、输电带型（、输电带型（、输电带型（、输电带型（动带型动带型动带型动带型)起电机起电机起电机起电机及工作原理及工作原理及工作原理及工作原理1 1）组成：）组成：）组成：）组成：喷电电源、喷电针、输电带、刮电喷电电源、喷电针、输电带、刮电 设备（针）、高压电极。设备（针）、高压电极。2 2）原理：）原理：）原理：）原理：#喷电过程喷电过程喷电过程喷电过程 :喷喷针电附近产生强电场针电附近产生强电场 气气体电晕放电体电晕放电负离子向喷电针负离子向喷电针 正离子被正离子被推向输电带，附着在输电带上，与输电带推向输电带，附着在输电带上，与输电带一起向上运动。一起向上运动。#刮电过程：刮电过程：刮电过程：刮电过程：在刮电针排附近也形成强电在刮电针排附近也形成强电场场 气体电离气体电离 正离子流向向针排，负离正离子流向向针排，负离子流向皮带，中和带上的正电荷。子流向皮带，中和带上的正电荷。4.2、静电起电机、静电起电机3 3）充电电压和输电电流）充电电压和输电电流）充电电压和输电电流）充电电压和输电电流 若高压电极对地电容为，积累的电荷为，则高压极对地电压若高压电极对地电容为，积累的电荷为，则高压极对地电压V V：为起电机有效充电电流为起电机有效充电电流 当当 时，即时，即则则 即即 高压电极对地电压达到稳定值。高压电极对地电压达到稳定值。4.2、静电起电机、静电起电机2 2、输电链形（株链形、梯链形）起电机、输电链形（株链形、梯链形）起电机、输电链形（株链形、梯链形）起电机、输电链形（株链形、梯链形）起电机 4.2、静电起电机、静电起电机3 3、输电电流的限制和提高、输电电流的限制和提高、输电电流的限制和提高、输电电流的限制和提高 加速器要求输电系统传输足够强的加速器要求输电系统传输足够强的稳定电流和足够高的电压，这些要求稳定电流和足够高的电压，这些要求受受输电系统性能输电系统性能输电系统性能输电系统性能和周围和周围绝缘介质性能绝缘介质性能绝缘介质性能绝缘介质性能的限制。本节以的限制。本节以输电带型为例输电带型为例输电带型为例输电带型为例讨论。讨论。一般输电带能输送的最大电流为：一般输电带能输送的最大电流为：其中：其中：为带上最大面电荷密度，为带上最大面电荷密度，b b为带宽，为带宽，v v为带速度。为带速度。b b为有限值，为有限值，v v不可过大，以免引起不可过大，以免引起带的震动而影响电流的稳定性。带的震动而影响电流的稳定性。与与输电带周围介质气体的介电常数输电带周围介质气体的介电常数 及及输电带表面附近的击穿电场输电带表面附近的击穿电场E Eb b有下关有下关系：系：讨论：讨论：讨论：讨论：1)1)提高提高 和和 可有效增大可有效增大 I Im m；2)2)静电加速器采用密封充气方式；静电加速器采用密封充气方式；，等高压气体通常被使用等高压气体通常被使用等高压气体通常被使用等高压气体通常被使用 3 3）采用）采用复激发复激发复激发复激发输电方式可有效提高输输电方式可有效提高输电电流。结构如图示：电电流。结构如图示：4.2、静电起电机、静电起电机4.2、静电起电机、静电起电机4 4、电压的限制和提高、电压的限制和提高、电压的限制和提高、电压的限制和提高 起电机所能达到的起电机所能达到的最高电压最高电压最高电压最高电压与很多与很多因素有关。有以下方程：因素有关。有以下方程：1 1）2 2）3 3）此时电压达到最大稳定值此时电压达到最大稳定值V Vmm。V Vmm一般有下列经验公式：一般有下列经验公式：其中，其中，V Vc c为临界电压（电晕放为临界电压（电晕放电和电子负载）；电和电子负载）；d d为比例系数为比例系数（与诸多因素有关）（与诸多因素有关）。可见，要提高可见，要提高V Vmm，必须提高，必须提高加速器系统的加速器系统的V Vc c和和I Imm，减小，减小I I漏漏，而这些都与绝缘介质的绝缘性能而这些都与绝缘介质的绝缘性能有关。有关。充气充气充气充气和和均压均压均压均压是解决问题的有效是解决问题的有效途径途径4.2、静电起电机、静电起电机4.3 静电加速器的加速管静电加速器的加速管1 1、结构、结构、结构、结构一般采用平板式电极结构的均匀场加速管，如图所示：一般采用平板式电极结构的均匀场加速管，如图所示：2 2、加速管耐压的、加速管耐压的、加速管耐压的、加速管耐压的 几个问几个问几个问几个问 题题题题（1 1）绝缘环表面爬电）绝缘环表面爬电）绝缘环表面爬电）绝缘环表面爬电 *高压电瓷（高压电瓷（7575瓷）瓷）约约3kV/cm3kV/cm）；）；*9595瓷，瓷，约约5kV/cm5kV/cm（2 2）间隙的完全击穿）间隙的完全击穿）间隙的完全击穿）间隙的完全击穿*均压以防局部放电均压以防局部放电 *加速电场梯度取值要加速电场梯度取值要合适，一般真空击穿合适，一般真空击穿电场：电场：100kV/cm100kV/cm 4.3 4.3 静电加速器静电加速器静电加速器静电加速器的加速管的加速管的加速管的加速管2 2、加速管的耐压的、加速管的耐压的、加速管的耐压的、加速管的耐压的 几个问几个问几个问几个问 题题题题3 3 3 3）不完全击穿）不完全击穿）不完全击穿）不完全击穿“全电压效应全电压效应全电压效应全电压效应”加速管加到一定的电压阈值，管内加速管加到一定的电压阈值，管内突然出现大量反向电子流，并伴随有突然出现大量反向电子流，并伴随有X X射线，电子流很快超过加速器最大负射线，电子流很快超过加速器最大负载电流，电压急剧下降，造成不完全载电流，电压急剧下降，造成不完全击穿，称为击穿，称为“全电压效应全电压效应”或或电子负电子负电子负电子负载载载载现现象。象。解决办法：抑制电子负载。解决办法：抑制电子负载。办法一：小孔加速管，抑制电子倍增办法一：小孔加速管，抑制电子倍增办法二：采用斜场加速管办法二：采用斜场加速管办法三：磁抑制加速管办法三：磁抑制加速管办法四：加速管两端加抑制电极办法四：加速管两端加抑制电极 4.4 串列式静电加速器串列式静电加速器1 1、概述、概述、概述、概述 静电高压加速器所能加速的离子的最高能量，受到静电起电机所能达到的静电高压加速器所能加速的离子的最高能量，受到静电起电机所能达到的最最最最高电压高电压高电压高电压及及加速管耐压加速管耐压加速管耐压加速管耐压的限制。（的限制。（6 68MeV:P8MeV:P）为了进一步提高加速粒子的能量，发展了为了进一步提高加速粒子的能量，发展了串列式静电加速器串列式静电加速器串列式静电加速器串列式静电加速器。又称多级。又称多级静电静电静电静电加速器加速器加速器加速器。其中最基本的为。其中最基本的为两级串列加速器，两级串列加速器，两级串列加速器，两级串列加速器，两级以上如三级和四级串列加速器，两级以上如三级和四级串列加速器，不过是由两台两级串列加速器（或由一台两级串列加速器和一台单级静电加速不过是由两台两级串列加速器（或由一台两级串列加速器和一台单级静电加速器）组合而成的加速系统。器）组合而成的加速系统。这种提高静电加速能量的方法，早在这种提高静电加速能量的方法，早在 2020世纪世纪 3030年代就已提出，直到负年代就已提出，直到负离离离离子源和原子的剥离子源和原子的剥离子源和原子的剥离子源和原子的剥离技术取得成功之后，才于技术取得成功之后，才于19581958年建成了世界上第一台加速质年建成了世界上第一台加速质子能量为子能量为13.413.4兆电子伏串列加速器。兆电子伏串列加速器。由于这种加速器保持了静电加速器的原有特点，又提高了能量，离子源装在由于这种加速器保持了静电加速器的原有特点，又提高了能量，离子源装在加速器地电势处加速器地电势处,调节、更换零件都方便调节、更换零件都方便,又便于加速多种粒子，所以发展得很又便于加速多种粒子，所以发展得很快，快，6060年代达到了它的全盛时期。到年代达到了它的全盛时期。到19861986年时年时,运行中的串列加速器端电压达运行中的串列加速器端电压达5 5兆伏以上的约有兆伏以上的约有7070台。台。4.4 串列式静电加速器串列式静电加速器2 2、两极串列式静电加速器的基、两极串列式静电加速器的基、两极串列式静电加速器的基、两极串列式静电加速器的基 本结构和特点本结构和特点本结构和特点本结构和特点1 1）基本结构）基本结构）基本结构）基本结构 如图所示，主要由以下部分组成：如图所示，主要由以下部分组成：#充气钢筒及绝缘气体循环处理系统；充气钢筒及绝缘气体循环处理系统；#负离子源；负离子源；#加速管；加速管；#电子剥离器；电子剥离器；#起电机；起电机；#分析磁铁及束流后传输系统分析磁铁及束流后传输系统#真空系统真空系统4.4 4.4 串列式静电加速器串列式静电加速器串列式静电加速器串列式静电加速器2 2、两极串列式静电加速器的基本结构和特点、两极串列式静电加速器的基本结构和特点、两极串列式静电加速器的基本结构和特点、两极串列式静电加速器的基本结构和特点2 2）工作原理）工作原理）工作原理）工作原理 从负离子源产生负离子束，经过预加速、分析磁铁注入串列加速器的一根加速管，由从负离子源产生负离子束，经过预加速、分析磁铁注入串列加速器的一根加速管，由于加速器的高压电极为正高压，粒子朝高压电极方向被加速一次。当负离子进到高压电极于加速器的高压电极为正高压，粒子朝高压电极方向被加速一次。当负离子进到高压电极内部时内部时,经过电荷剥离器转变为带有经过电荷剥离器转变为带有N N个电荷单位的正离子（个电荷单位的正离子（N N一般称粒子的电荷态）。而一般称粒子的电荷态）。而后后,正离子进入第二根加速管中，又受到正高压的排斥力，第二次被加速，经过两次加正离子进入第二根加速管中，又受到正高压的排斥力，第二次被加速，经过两次加速，粒子获得的总能量为：速，粒子获得的总能量为：E E2q2qVV 式中式中E E代表粒子的能量代表粒子的能量,e e为电子的电荷，为电子的电荷，V V为加速器端电压。为加速器端电压。4.4 串列式静电加速器串列式静电加速器2 2、两极串列式静电加、两极串列式静电加、两极串列式静电加、两极串列式静电加速器的基本结构和特速器的基本结构和特速器的基本结构和特速器的基本结构和特点点点点 如图为如图为折叠式两极串列折叠式两极串列折叠式两极串列折叠式两极串列加速器。它的结构像一个倒加速器。它的结构像一个倒置的字母置的字母U U。从下面注入的。从下面注入的离子经一次加速在高压电极离子经一次加速在高压电极内被一个大的偏转磁铁偏置内被一个大的偏转磁铁偏置180180后后,进入另一根加速管进入另一根加速管第二次加速。第二次加速。3 3）特点）特点）特点）特点#离子能量：离子能量：2q2qVV#加速系统，基本与单极相加速系统，基本与单极相同同#离子源和靶室均处于低电离子源和靶室均处于低电位，便于操作、维修。位，便于操作、维修。4.4 串列式静电加速器串列式静电加速器2 2、两极串列式静电加速器的基本结构和特点、两极串列式静电加速器的基本结构和特点、两极串列式静电加速器的基本结构和特点、两极串列式静电加速器的基本结构和特点4 4）电子剥离器）电子剥离器）电子剥离器）电子剥离器 将负离子转换成正离子。电子的剥离通过负离子与介质将负离子转换成正离子。电子的剥离通过负离子与介质的碰撞来实现，介质一般有固态和气态两种：的碰撞来实现，介质一般有固态和气态两种：固态：固态：固态：固态：如固态箔（碳箔）如固态箔（碳箔）缺点是最大允许流强有限，寿命短。缺点是最大允许流强有限，寿命短。气态介质：气态介质：气态介质：气态介质：如氢气如氢气 优点是不存在寿命问题，也没有束流强度限制，更优点是不存在寿命问题，也没有束流强度限制，更 多使用。多使用。5 5）负离子源）负离子源）负离子源）负离子源（略）（略）（略）（略）4.4 串列式静电加速器串列式静电加速器3 3、三级串列静电加速器、三级串列静电加速器、三级串列静电加速器、三级串列静电加速器 图图a a是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的单级静电是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的单级静电加速器组成的三级串列加速器。负离子源装在单级静电加速器的高加速器组成的三级串列加速器。负离子源装在单级静电加速器的高压电极内，负离子在单级静电加速器内被加速一次，再注入两级串压电极内，负离子在单级静电加速器内被加速一次，再注入两级串列加速器，完成三次加速。列加速器，完成三次加速。4.4 串列式静电加速器串列式静电加速器3 3、三级串列静电加速器、三级串列静电加速器、三级串列静电加速器、三级串列静电加速器图图b b是由一台是由一台正高压的两级串列正高压的两级串列正高压的两级串列正高压的两级串列加速器和加速器和一台负高压的两级串列一台负高压的两级串列一台负高压的两级串列一台负高压的两级串列加速器组加速器组 成的三级串列加速器。成的三级串列加速器。采用采用正离子源正离子源正离子源正离子源离子源可放在加速器外边离子源可放在加速器外边,处在地电位，束流较强。处在地电位，束流较强。由正离子源产生的正离子束，要通过电荷中和管道变成由正离子源产生的正离子束，要通过电荷中和管道变成中性束中性束中性束中性束，注入负高电，注入负高电 压电极的两级串列加速器，压电极的两级串列加速器，在第一根加速管不加速在第一根加速管不加速在第一根加速管不加速在第一根加速管不加速。当粒子到达高压电极内部时，通过当粒子到达高压电极内部时，通过添加电子孔道添加电子孔道添加电子孔道添加电子孔道，中性束变成，中性束变成负离子束负离子束负离子束负离子束,在在 第二根加速管中完成第一次加速第二根加速管中完成第一次加速,后两次加速后两次加速后两次加速后两次加速由一台正高压电极的两级串列加速器来完成。由一台正高压电极的两级串列加速器来完成。4.6 电压和能量的测量和稳定电压和能量的测量和稳定1 1、概述、概述、概述、概述1 1）物理工作的要求）物理工作的要求）物理工作的要求）物理工作的要求n n束流能量可调；束流能量可调；n n精确测出束流能量；精确测出束流能量；n n束流能量要稳定（稳压）；束流能量要稳定（稳压）；n n束流能散度要足够小；束流能散度要足够小；2 2）束流能量的测量办法）束流能量的测量办法）束流能量的测量办法）束流能量的测量办法n n测量静电高压；测量静电高压；n n束流能量的直接测量；束流能量的直接测量；核反应法（共振反应）核反应法（共振反应）离子飞行时间法离子飞行时间法 电或磁分析器法电或磁分析器法 射程法（有射程距离）射程法（有射程距离）2 2、高压的测量、高压的测量、高压的测量、高压的测量 感应电压计感应电压计感应电压计感应电压计（旋转伏特计）法测量高压。（旋转伏特计）法测量高压。1 1）动片转动时，改变高压电极与静片之间的分）动片转动时，改变高压电极与静片之间的分布电容布电容C C，静片上感应电荷，静片上感应电荷QQ随时间改变。随时间改变。2 2）流经）流经R R上的电流上的电流 只要用其他方法，对只要用其他方法，对i i和和V V之间的进行校准后，之间的进行校准后，电压计上的电压计上的i i输出输出i i,就可以准确反映高压就可以准确反映高压V V。测量精确度可达到测量精确度可达到1 10.5%0.5%左右。左右。4.5 电压和能量的测量和稳定电压和能量的测量和稳定3.3.离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法1 1）静电分析器法）静电分析器法）静电分析器法）静电分析器法 如图所示为静电分析器的基本结如图所示为静电分析器的基本结构。弧形极片之间产生均匀电场。构。弧形极片之间产生均匀电场。束流离子沿中心轨道的运动方程：束流离子沿中心轨道的运动方程：为中心轨道的曲率半径为中心轨道的曲率半径 ，Z Z为电荷为电荷数。则离子的动能：数。则离子的动能：只要调节极板间的电压只要调节极板间的电压V V，使束流，使束流正好沿曲率为正好沿曲率为 的中心轨道运动。由的中心轨道运动。由上式即可确定束流能量。上式即可确定束流能量。缺陷：缺陷：缺陷：缺陷：#V V的最大值受电压击穿的限制，的最大值受电压击穿的限制，故所能测及束流最大能量也是有限故所能测及束流最大能量也是有限制的，一般在制的，一般在5MeV5MeV以下。以下。#当束流强度较大时，易引起偏转当束流强度较大时，易引起偏转电压的击穿，故所能测的最高束流电压的击穿，故所能测的最高束流也有限（也有限（20uA20uA）。）。#分辨率：分辨率：4.5 电压和能量的测量和稳定电压和能量的测量和稳定3.3.3.3.离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法2 2 2 2）磁分析器法）磁分析器法）磁分析器法）磁分析器法 如图所示为此分析器的结构。在两磁极间如图所示为此分析器的结构。在两磁极间形成均匀磁场，让束流穿过均匀磁场，离子的形成均匀磁场，让束流穿过均匀磁场，离子的动力学方程为：动力学方程为：解得：解得：如果束流离子的能量较高，就要进行相对如果束流离子的能量较高，就要进行相对论修正。论修正。只要调节磁场只要调节磁场B B，使束流正好，使束流正好沿曲率为沿曲率为 的中心轨道运动，的中心轨道运动，根据根据W W、P P、B B之间的关系可确定之间的关系可确定离子束的能量离子束的能量W W。4.5 电压和能量的测量和稳定电压和能量的测量和稳定3.3.离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法离子束能量的直接测量法2 2）磁分析器）磁分析器）磁分析器）磁分析器 讨论：讨论：讨论：讨论：#束流能量越高，所需的磁场越强；束流能量越高，所需的磁场越强；#磁分析器不存在象电分析器一样的电压击穿问题；磁分析器不存在象电分析器一样的电压击穿问题；#存在能量（或轨道）分辨率问题：存在能量（或轨道）分辨率问题：#其他问题：其他问题：*磁场的稳定性磁场的稳定性 *磁场的均匀度磁场的均匀度 *边缘场的不确定性及影响边缘场的不确定性及影响4.5 电压和能量的测量和稳定电压和能量的测量和稳定4.4.电压的稳定电压的稳定电压的稳定电压的稳定1 1）稳压的意义）稳压的意义）稳压的意义）稳压的意义#核反应研究要求打到靶上的束流能量要稳定（如：核反应研究要求打到靶上的束流能量要稳定（如：0.01%0.01%左右），以提高核反应数据的测量精度；左右），以提高核反应数据的测量精度；#离子束注入要求能量要稳定（注入深度）。离子束注入要求能量要稳定（注入深度）。要使束流能量稳定，就必须采取稳压措施，不加稳压，要使束流能量稳定，就必须采取稳压措施，不加稳压，电压波动可达到电压波动可达到 1%1%左右。左右。4.5 电压和能量的测量和稳定电压和能量的测量和稳定4.4.电压的稳定电压的稳定电压的稳定电压的稳定2)2)稳压原理稳压原理稳压原理稳压原理#引起电压波动的原因引起电压波动的原因引起电压波动的原因引起电压波动的原因高压头对地高压：高压头对地高压：电压波动：电压波动：稳压要求：稳压要求：即：即：讨论：讨论：#负反馈稳压原理负反馈稳压原理负反馈稳压原理负反馈稳压原理 在加速器高压回路中人为加一路电流在加速器高压回路中人为加一路电流 I IC C使之随高压的变化（或电流的变化）负反使之随高压的变化（或电流的变化）负反馈变化。馈变化。4.5 电压和能量的测量和稳定电压和能量的测量和稳定4.4.电压的稳定电压的稳定电压的稳定电压的稳定2)2)2)2)稳压原理稳压原理稳压原理稳压原理#电晕三极管稳压系统原理电晕三极管稳压系统原理电晕三极管稳压系统原理电晕三极管稳压系统原理A A）从分析器取出束流能量变化信号）从分析器取出束流能量变化信号B B）束流变化信号经放大送到栅极，调）束流变化信号经放大送到栅极，调整喷电针向高压电极的电晕电流整喷电针向高压电极的电晕电流 I IC C ，达到稳压目的，达到稳压目的C C）可到达）可到达0.1%0.1%的稳定度，反应时间的稳定度，反应时间为毫秒量级。为毫秒量级。4.6 静电加速器的束流传输系统静电加速器的束流传输系统1 1、概述、概述、概述、概述 静电加速器的束流传输系统包括以下元件：静电加速器的束流传输系统包括以下元件：1 1、离子源、束流引出及初聚焦系统（聚焦引出系统）；、离子源、束流引出及初聚焦系统（聚焦引出系统）；2 2、离子束加速及聚焦系统（聚焦加速管）；、离子束加速及聚焦系统（聚焦加速管）；3 3、束流的分析及聚焦系统（双聚焦分析器）；、束流的分析及聚焦系统（双聚焦分析器）；、束流的分析及聚焦系统（双聚焦分析器）；、束流的分析及聚焦系统（双聚焦分析器）；4 4、束流的偏转及聚焦系统（导向磁铁，磁透镜，四极透镜）。、束流的偏转及聚焦系统（导向磁铁，磁透镜，四极透镜）。加速器就是依靠以上元件，将束流加速、聚焦、传输到不同加速器就是依靠以上元件，将束流加速、聚焦、传输到不同位置的靶上。以上的很多元件已在第二章中作了介绍，本节仅介位置的靶上。以上的很多元件已在第二章中作了介绍，本节仅介绍一下双聚焦磁分析器的束流传输原理。绍一下双聚焦磁分析器的束流传输原理。4.6 4.6 静电加速器的束流传输系统静电加速器的束流传输系统静电加速器的束流传输系统静电加速器的束流传输系统2 2、双聚焦磁分析器、双聚焦磁分析器、双聚焦磁分析器、双聚焦磁分析器 双聚焦分析磁铁是加速器最常用的一种束流分双聚焦分析磁铁是加速器最常用的一种束流分析器。如图所示是一个典型的析器。如图所示是一个典型的C C 型分析磁铁。型分析磁铁。1 1）x x方向由于存在轨道约束力，有强的聚焦性能；方向由于存在轨道约束力，有强的聚焦性能；2 2）为了实现为了实现y y方向的聚焦，在分析磁铁出入口磁极方向的聚焦，在分析磁铁出入口磁极上加有旋转角上加有旋转角 ，这种磁极旋转角会在，这种磁极旋转角会在y y方方向产生聚焦力，在向产生聚焦力，在x x方向产生散焦力，其束流光方向产生散焦力，其束流光学性能可近似处理为薄透镜，其焦距为：学性能可近似处理为薄透镜，其焦距为：（散焦）（散焦）（聚焦）（聚焦）（散焦）（散焦）（聚焦）（聚焦）聚焦和散焦达到某种均衡，可实现双聚焦。需聚焦和散焦达到某种均衡，可实现双聚焦。需要通过束流光学计算得到。要通过束流光学计算得到。4.6 静电加速器的束流传输系统静电加速器的束流传输系统3 3 3 3）磁场分布和延伸边缘场效应）磁场分布和延伸边缘场效应）磁场分布和延伸边缘场效应）磁场分布和延伸边缘场效应 分析磁铁的磁场分布如图所示，在分析磁铁的磁场分布如图所示，在束流中心轴线一定范围内形成均匀场。束流中心轴线一定范围内形成均匀场。分析磁铁出、入口的延伸边缘场会分析磁铁出、入口的延伸边缘场会导致束流轴线的偏移，其偏移量可由导致束流轴线的偏移，其偏移量可由下列关系估算：下列关系估算：4.7 静电加速器的性能特点静电加速器的性能特点1 1、能量特点、能量特点、能量特点、能量特点 束流能量高、能散度小、能量能精确调整。束流能量高、能散度小、能量能精确调整。单极：单极：6MeV6MeV（质子）（质子）串列：串列：121240MeV40MeV（质子）（质子）在在20%20%100%100%之间可调。之间可调。能散度：能散度：0.02%0.02%左右（最好），一般可达到左右（最好），一般可达到0.1%0.1%2 2、束流强度特性、束流强度特性、束流强度特性、束流强度特性 束流强度：单极，数百束流强度：单极，数百uAuA；串列，；串列，10uA10uA。3 3、束流的聚焦性能、束流的聚焦性能、束流的聚焦性能、束流的聚焦性能 可聚焦到毫米量级（一般）；微米量级（微束）可聚焦到毫米量级（一般）；微米量级（微束）4 4、加速离子种类、加速离子种类、加速离子种类、加速离子种类 单极：可加速任何类型的带电粒子单极：可加速任何类型的带电粒子 串列：只能加速能形成负离子的元素和化合物。串列：只能加速能形成负离子的元素和化合物。是低能核物理及核分析、注入等的理想工具，同时可作为大是低能核物理及核分析、注入等的理想工具，同时可作为大型加速器的注入器。型加速器的注入器。4.7 静电加速器应用静电加速器应用1 1、核物理研究；、核物理研究；2 2、粒子束与物质的相互作用；、粒子束与物质的相互作用；3 3、粒子束分析（前散射、背散射分析）；、粒子束分析（前散射、背散射分析）；4 4、加速器质谱（加速器质谱（加速器质谱（加速器质谱（AMS-AMS-AMS-AMS-accelerator mass accelerator mass spectrometerspectrometer ）。）。原理：原理：原理：原理：西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS1、组织机构、组织机构中国科学院中国科学院地球环境研究所地球环境研究所（依托单位）（依托单位）西安交通大学西安交通大学西安加速器质谱联合中心西安加速器质谱联合中心（20042004年年3 3月）月）科学技术部科学技术部2003中国科学院中国科学院2002教育部教育部荷兰 高压工程公司,HVEE西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS2、建设地点、建设地点 西安交通大学科技园区内。中心大楼占地十五亩西安交通大学科技园区内。中心大楼占地十五亩,三层大楼三层大楼建筑面积约建筑面积约2500 m2中国科学院中国科学院地球环境研究所地球环境研究所西安加速器质谱中心西安加速器质谱中心（Xian-AMS CenterXian-AMS Center）西安西安3MV3MV多核素分析加速器质谱装置多核素分析加速器质谱装置安置在西安市东南方的西安交通大学科技园区内。安置在西安市东南方的西安交通大学科技园区内。西安西安AMSAMS中心大楼占地十五亩中心大楼占地十五亩,三层大楼建筑面积约三层大楼建筑面积约2500 m2500 m2 2主要设备主要设备:HVEEHVEE制造制造3MV Tandetron AMS3MV Tandetron AMS国产水，电，气等辅助设备国产水，电，气等辅助设备自制自制1414C C，1010BeBe样品制备系统样品制备系统西安西安3MV AMS设备总体布局设备总体布局 1.离子源系统离子源系统 2.低能质谱分析系统低能质谱分析系统 3.串列加速器系统串列加速器系统 4.高能质谱分析系统高能质谱分析系统 5.探测器系统探测器系统 6.控制系统控制系统 西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS3、西安西安3MV AMS设备总体布局设备总体布局 西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS4、西安西安3MV AMS设备设备C测量示意图测量示意图西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS5 5、西安、西安、西安、西安3MV AMS设备总体布局设备总体布局西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS4、固气两用铯溅射负离子源、固气两用铯溅射负离子源离子源头部离子源头部 带电粒子与探测器中气体分带电粒子与探测器中气体分子碰撞后，产生电子，损失能子碰撞后，产生电子，损失能量。量。根据探测到的电子微电流，根据探测到的电子微电流，确定入射的离子数。确定入射的离子数。5 5、气体电离探测器、气体电离探测器异丁烷异丁烷iC4H1020 mbar异丁烷异丁烷iC4H10西安西安3MV加速器质谱仪加速器质谱仪-AMS6、指标、指标1.75%1.75%2.0102.010-14-142.52.52.52.5129129I/I/127127I I(at 10(at 10-10-10)129129I I1.14%(2.6MV)1.14%(2.6MV)0.38%(3.0MV)0.38%(3.0MV)2.3102.310-15-150.250.252.6&3.02.6&3.02626Al/Al/2727AlAl(at 10(at 10-11-11)2626AlAl1.40%1.40%3.6103.610-15-151.71.72.52.51010Be/Be/9 9BeBe(at 10(at 10-12-12)1010BeBe0.070%(1st day)0.070%(1st day)0.069%(2nd day)0.069%(2nd day)1313C/C/1212C C0.200%0.200%(1st day)(1st day)0.179%0.179%(2nd day)(2nd day)3.0103.010-16-1638382.52.51414C/C/1212C C(at 10(at 10-12-12)1414C C(石墨石墨)Precision Precision for isotope ratiofor isotope ratioBackground Background for ratiofor ratio Beam currentBeam current(uA)(uA)Terminalvoltage Terminalvoltage (MV)(MV)Test resultsTest resultsOperating parametersOperating parametersIsotope ratioIsotope ratioNuclidesNuclides作作 业业1 1、一台一台3MeV3MeV质子静电加速器采用静电分析器，质子静电加速器采用静电分析器，设给定偏转电压为设给定偏转电压为30KV30KV，偏转极板间隙宽，偏转极板间隙宽d=5mmd=5mm，求束流偏转半径多大？如改用磁分析，求束流偏转半径多大？如改用磁分析器，取磁感应强度器，取磁感应强度B=1.25TB=1.25T，偏转半径又该多大，偏转半径又该多大？The endThe endfff