加速器物理4章高压倍加器.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章，高压倍加器,Cockcroft&Walton,第1页,第2页,倍压整流线路,一个最早期，而今仍广泛应用高压型加速器。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。在无负戴时，倍压整流线路输出高压随倍压级数增加而线性增加，可表示为：,V,i=0,=2nV,a,式中V,a,为高压变压器次级绕组交流电压峰值。,第3页,第4页,第5页,理想：硅堆、电容、变压器,通 k1 k1 k1 k1 k1 k1,不通 k1 k1 k1 k11k1 k11k1k11 k1 k11,第6页,几个周期之后,第7页,多级倍压电源,在变压器输出负半周期内，不只是电荷从地经k,1,向c,1,充电，也有部分电荷从电容c,1,c,2,经k,2,k,3,向电容c,2,c,3,充电；在正半周期内，每个辅电容均向主电容充电。,多周期后，除c,1,为v,a,外，其余全部电容均为2 v,a,在每个周期前半周内，只有v,1o,+v,oo,v,1o,时c上部分电荷经过k,1,向c,1,充电。,时间越来越短，越来越靠近幅值。,第8页,负载电流影响,负载：加速器离子流；分压电阻流；电晕放电流；绝缘支柱表面电流；电容器漏电。等效电阻R,e,、等效电流I,q=iT 连续放电，电压连续下降，又在充电时间内得到补充。周期性释放补充，造成波动,第9页,因为担任充电电容本身电量降低，被充电容最大电压不可能,到达空载时2V,a,，逐层有所降低。,定义：有载时可能到达最大充电电压相对空载时对应值,差值为电压降V,V,max,=2V,a,-V V,min,=2V,a,-V-2V,第10页,q,2q,3q,q,2q,3q,q,只看主电容放电后、前半周期,c,3,c,2,c,1,C,3,C,2,C,1,第11页,q,2q,3q,q,2q,3q,q,主电容放电后、前半周期,c,3,c,2,c,1,C,3,C,2,C,1,C,n,q,C,n-1,2q,C,2,(n-1)q,C,1,nq,第12页,c,3,c,2,c,1,C,3,C,2,C,1,向主电容充电,脉冲、瞬间,K1,k2,k3 各流q,用来补赏在主电容,放电时所流失电量,各主电容所取得电荷,C3，C2，C1,q,2q,3q,总抖动振幅=（3q+2q+q)/c,第13页,电压抖动V,第14页,在前半周期内电源对负载连续放电，只有一小段时间是,辅电容向主电容充电。从最底到最高。,在后半周期内电源对负载连续放电，只有一小段时间是,主电容向辅电容充电。从中到中。,第15页,第16页,第17页,当有负戴时，随级数,n,增加，线路电压降和电压波动会严重增加，所以级数,n,不能太高。,第18页,当n=10时,第19页,普通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。高压倍加器输出功率较大，能够作为较理想中子源，X光源和离子注入机。在核科学，医学,工农业生产中被广泛应用。,第20页,绝缘芯变压器型加速器,Insulating Core Transformer,一个高压型加速器，它利用绝缘芯变压器方法产生直流高压对带电粒子,进行加速。,第21页,绝缘芯变压器,绝缘芯变压器工作原理:其主磁铁芯分若干层，每两层间由聚合物薄膜绝缘。每层磁铁芯上绕有次级绕组。初级绕组交流低电压，在每个次级绕组上感应出交流高电压。每个次级绕组上交流电压，经整流（半波，全波或倍压整流）后产生直流电压。将每层上直流电压串联起来，就形成更高直流高压。,第22页,绝缘芯变压器可采取单相或三相方式工作。绝缘芯变压器型加速器由电子枪（或离子源），高压发生器，加速管，真空，控制等系统等组成。其特点是电源利用率大（65%-75%），廉价，输出功率大，最大平均输出功率可近兆瓦级。它已成为科研，工业和农业生产中一个很好辐照源。我国有多台这类加速器用于电缆辐照等方面。电压抖动大，稳定性差，重量大,绝缘芯变压器,第23页,高频高压发生器,利用高频高压发生器产生高压大功率高压型加速器。亦称地那米,(Dynamitron),加速器。整个加速器安装在充有高压绝缘气体钢筒内。两个半圆筒型高频电极安放在钢筒之内，在电极内全部分压环都分成两个半环，并相互绝缘。在,分压环之间交替连接着整流器。,第24页,第25页,两个高频电极分别连在高频振荡器上。高频功率经过分压环与高频电极间电容送到整流器上。经过一系列整流后，最终形成静电高压。这种加速器特点是输出能量高、输出电流大、高压纹波小、束流品质好，而且结构紧凑、工作稳定可靠。其缺点是电源利用效率低（40%）。高频高压发生器加速器主要用于电缆电线辐照及生产热收缩膜和管。其额定电压从400kV到4.5MV，束流功率可达150kW.,第26页,整流器由地电位串联到高压端，并交替地连接在耦合环上，这么，整流器就被包围于半圆形相互绝缘耦合环中，而整个整流柱又被两个大半圆形高频电极所包围，所以在耦合环与高频电极间形成耦合电容，它起耦合高频电压作用，同时耦合环本身还起分压作用。在高频振荡器引出端，有两个共振线圈分别与高频电极相联，组成了高频发生器高频共振回路。当高频振荡器工作时，高频功率就从振荡器经过高频电极和耦合电容分别输送到各整流器上。这么，高频电极间交变电压就使电子经过整流器在耦合环之间往返运动，因为整流器只能单向导电，所以电子流只能经过各整流器逐层向上输送，从而使高压电极充电而形成直流高压。,第27页,比如当高频发生器左侧为负电位时，电子从左侧半耦合环(a,b,c)向右侧半耦合环(a,b,c)运动当左侧为正电位时，电子向左侧半耦合环(a,b,c)运动，可是aa,bb,之间整流器不允许电子反向运动，所以，这时电子并不是反回原来半耦合环，而是向电压较高耦合环运动，即从a向b，从b向c运动。这么，电子就逐层地向上传输，最终抵达高压电极，以使它产生负高压。假如要取得正高压，整流器极性要与图所表示极性相反。,高频高压发生器高压端所能抵达高压值U与级数成正比。级数是指耦合环或耦合电容总数，如图所表示。由下而上共有N个耦合电容，故称为N级高频高压发生器。,第28页,负载电流,在高压端有稳定负载电流I情况下，各级耦合电容可能到达最大充电电压值是逐层上升。设高频电极间所加高频电压幅值为V。，高频频率为f,rf,(普通在100千周秒以上)，各级耦合电容量均为C(普通为几个pF)，则,第一级电容Cl最大充电电压值为v。,第二级电容C2最大充电电压值为:,第三级电容C3最大充电电压值为:,第N级电容C，最大充电电压值为:,可见，在有稳定负载时，,高压端最高电压为:,式中V为有载时电压降落值,第29页,第30页,第31页,高功率粒子束加速器,（High Power Particle Beam Accelerator）,在脉冲高电压电场作用下，将非常大带电粒子束团（几十KA至几十MA）进行加速装置称之为高功率粒子束加速器。它与普通加速器不一样之处于于被加速带电粒子束流非常大。所以要求束流源发射能力要非常强，故采取场致发射二极管,第32页,高功率粒子束加速器,第33页,Marx高压发生器,第34页,Marx高压发生器又称冲击电压发生器。它工作原理是对储能电容器进行并联充电，经过火花隙开关使之串联放电，从而使电压倍加来取得更高脉冲电压输出。经典Marx发生器线路如图1所表示。变压器T和整流器D组成高压直流电源将各级电容C充电至电压V，各球隙开关G,1,两端电位差也为V，在充电过程中球隙开关自击穿电压稍大于V。当外加脉冲信号触发G,1,时，间隙G,2,G,n,依次在电压2VnV作用下全部击穿，经过球隙开关以串联方式倍加起来，经过主开关G,s,输出nV脉冲高压给负载,。,第35页,变压器T和整流器D组成高压直流电源。各级电容C充电至电压V，各球隙开关G,1,两端电位差也为V，在充电过程中球隙开关自击穿电压稍大于V。当外加脉冲信号触发G,1,时，点1电位瞬间从V降至零，因为电容器两端电位差不能跃变，点2电位由原来零瞬时下降至V，因为有充电电阻隔离作用，点3仍为原电位V，此时球隙开关G,2,两端电压为2V，则G,2,被过电压击穿。同理G,3,承受3V过电压被击穿。依这类推，间隙G,2,G,n,依次在电压2VnV作用下全部击穿，经过球隙开关以串联方式倍加起来，经过主开关G,s,输出nV脉冲高压给负载。,第36页,高功率粒子束加速器工作过程,直流高压电源对Marx发生器中电容并联充电，将电能储存在脉冲电容器中，Marx发生器中球隙开关，在外加高压脉冲触发信号作用下逐层导通，使各级之间串联起来。各级电容器电压叠加，输出端电压为nV，其中n为电容器个数，V为每级电容器所充电压。,第37页,串联放电Marx发生器此时对脉冲形成线电容进行充电，脉冲形成线上电压呈阻尼衰减振荡状态。如当脉冲形成线上电压上升至第一个峰峰值附近时让主开关导通，此时在脉冲形成线上发生波过程，一个阶跃电压波从脉冲形成线传向二极管负载。脉冲形成线可做成单同轴线、双同轴成线（又称Blumlein线）、平板带状线、径向线等各种形式。脉冲形成线绝缘介质可选取油介质或去离水介质。二极管为冷阴极场致发射二极管，由处于真空室内阴极和阳极组成，其功效是将电脉冲能量转换为粒子束能。能够做成电子束二极管或离子束二极管。,第38页,电子束二极管,在脉冲高电压作用下，瞬间能产生很大电子流（几KA几MA）二极管称之为电子束二极管，特指是冷阴极场致发射二极管。二极管结构由三部分组成：阴极、阳极和绝缘支撑。按绝缘结构型式可分为径向绝缘和轴向绝缘两种类型，二极管工作机理可概述以下：冷阴极表面微观突起（“胡须”）因为场增强原因形成场发射，因焦耳加热使尖端处阴极材料蒸发，产生“胡须”爆炸，形成阴极光斑。局部等离子体猝发及膨胀，在阴极附近形成等离子体壳层。阴极等离子体成为电子发射源。发射束流强度受相关空间电荷限制律支配。,第39页,