串列静电加速器

　　tandem electrostatic accelerator 又称多级静电加速器。其中最基本的为两级串列加 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 级静电加速器）组合而成的加速系统。两级串列加速器 装设有……

　　两级串列加速器的工作原理由图1说明，从负离子源产生负离子束，经过预加速（一般几百千伏）、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，对负离子产生吸引力，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,经过电荷剥离器转变为带有N个电荷单位的正离子（N一般称粒子的电荷态）。而后,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，经过两次加速，粒子获得的总能量为E＝(N＋1)eV式中E代表粒子的能量,e为电子的电荷，V为加速器端电压。对于质子N＝1,则粒子能量正好对串列加速器端电压的二倍，也就是说质子能量为相同的端电压的单级静电加速器的二倍。图2a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，完成后两次加速。

　　图2b是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的两级串列加速器组成的三级串列加速器,这种方式下离子源可放在加速器外边,处在地电势，采用正离子源，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，注入负高电压电极的两级串列加速器，在第一根加速管不加速。当粒子到达高压电极内部时，通过添加电子孔道，中性束变成负离子束,在第二根加速管中完成第一次加速,后两次加速由一台正高压电极的两级串列加速器来完成，过程与上面相同。

　　从机械结构来看，串列加速器有水平式和直立串列静电加速器式两种。随着端电压不断升高，加速结构越来越长。对水平式的加速器来说，高压电极和加速管的水平支撑越来越困难；而直立式的加速器的厂房建筑也越来越高。为此发展了一种直立折叠式的结构。如美国橡树岭国家实验室的端电压25兆伏的加速器。它的结构像一个倒置的字母U。从下面注入的离子经一次加速在高压电极内被一个大的偏转磁铁偏置180°后,进入另一根加速管第二次加速。

　　为了进一步提高粒子的能量，串列加速器常作为注入器，同其他类型的加速器，如扇形聚焦回旋加速器或分离扇回旋加速器串连起来联合运行。

　　就串列加速器本身的发展来说，人们还在为创造新的端电压记录而努力。诸如设计新型的加速管和输电系统，研究和改善介质的绝缘性能，改进工艺等等以提高耐高电场的强度。

       因此定期检修既是必要的，也是保证机器能够长期稳定运行所必需的。在定期检修中发现并解决了输电链链珠固定栓松动，剥离气有机玻璃调节杆开裂，电机电刷磨损接触不良，电机调节柄失灵等问题。二、离子源高频源中的吸极和垫片是影响离子源寿命的主要部件。3SDH高频源(图1)上最常见的问题是吸极引出孔被I堵住及经长时间运行后垫片上沾污的溅射物会引起短路。我们发现，上述故障与离子源运行操作过程有着密切的联系。在以往的运行操作中，由于我室3SDH系统的分泵泵口未配置插板阀，故在离子源熄弧后立即充入惰性气体，以防止停机期间I的氧化充入惰性气体时，尽管Rb坩埚的温度已降至室温，然而I蒸汽交换室的室壁上残存的I并未完全冷却凝固。随着惰性气体气流会使这部分残存的I沾染到吸极、垫片上，甚至进入到放电管内。从而引起电离效率下降，垫片短路，吸极孔道被堵。类似情况也发生在离子源启动之后，如不及时用压缩空气冷却交换室器壁，附着在室壁上的Rb就会被融化，亦易于l起吸极和垫片的Rb沾污对此，我们做了改进，在离子源启动的同时就立即用压缩空气冷却系统，当运行结束离子源全部关闭后，继续保持风冷，直至交换室冷却充分，最后才充惰性气体。这样操作，使故障率显著下降，有效地减少了吸极被堵，垫片受沾污的现象，并延长了Rb装载的使用周期。现在我们所使用的石英放电管、碳吸极及氮化硼垫片全部用国产原料加工，实际使用中执笔人：阎忻水第6期清华大学材料科研所离子束室：3SDH串列静电加速器运行维护363压缩空气图1离子源1冷却室2．电荷交换室3．碰铣线圈4吸极5垫片6石英昔Fig．1Ionsource1Collingchambe~2Chargeexchangingchamber3Coil{Extrator5Washer6．Guatztube未发现与国外的有明显差异。作为支撑及绝缘作用的陶瓷支柱已改用聚四氟乙烯，从耐压、机械性能及安装上看，不仅满足要求且更为方便。三，SF6泄诵S气体泄漏是一个特别需要注意的问题。最初安装运行后，发现存在SF6泄漏现象，经仔细检测发现观察窗、安全阀等接口密封处有泄漏。我们使用环氧树脂堵漏，效果较好。后来在剥离气体调节杆、电机松紧调节杆等活动密封处发现了泄漏，这是由于经常调节一长期使用，导致密封性能下降所致。因此每次运行完毕后，需要对每个活动密封紧固，待检修时再更换密封垫。但我们认为要从根本上消除SFe的泄漏，应从结构上加以改进。四、高压头下垂3SDH中的加速管由3根有机玻璃棒支撑。安装使用一段时间后，发现高压头下垂+需从结构上解决，即更换更加有力的绝缘支撑是不可能的；我们采取重新准直，使离子源系统的中心、聚焦分析系统中心与剥离管道中心合轴(图2)，得到较好的结果。图2准直示意图1离于源2波纹管3高压头4剥离管道5加速管Pig．2Schemeofalignment110n∞uree2BeIlows3Terminal4stri~ingchannel5Acceleratingtubes核技术第15卷目前，3SDH加速器已进入稳定运行阶段，电子控制单元元器件老化、性能下降或损坏是今后可能出现的主要问题，我们将逐步加以解决。编者的话自从1958年VandeGraaff研制生产了第一台5MV串列加速器以来，至今已3O多年了。在这3O多年中，串列加速器技术得到迅速发展；采用了斜场、螺旋场及直场加V型光阑(或加横磁场)抑制次级粒子的加速管，克服了“全电压效应”，已能做到电压与其长度成正比；采用输电均匀与无尘的输电链和输电梯系统取代了工作不稳定的皮带喷电输电系统；采用了分离式中间电极，缩小了加速器的径向尺寸。由于这些改进，使这古老的加速器获得了新的发展。NEC公司的串列加速器产品已被许多国家所乐意采用；电压高于14MV的产品已独占鳌头。近十几年来由于重离子物理实验的需要，希望能有全粒子加速器，并要求每核子的能量大于库仑位置，因此，串列加速器得到了发展，而电压则越造越高。虽然实验工作者期望能建造电压高达50MV的串列加速器，以便使铀离子中每核子的能量高于库仑位置，但由于技术上的复杂，造价上的昂贵，至今无人问津。英国达累斯堡实验室的NSF串列加速器，原设计为3oMV，因加速管的技术问题未获解决，迄今只能工作在2OMV水平。他们认为与其提高其电压，不如增添后加速装置，其所化代价之低与所费时间之少，不可同日而语。这也是目前世界上串列加速器的发展趋势。当今最高设计电压的串列加速器，首推法国斯特拉斯堡实验室的Vivitron．它的设计电压为35MV．最近空载试验已达17MV在我国最先提出要研制串列加速器的人是核物理学家赵忠尧先生，他于1959年就提出了这个设想。由于当时国内的工业水平等方面的原因，这一雅望未能付诸实施。我国串列加速器的研制工作是在7O年代后期进行的。目前兰州近代物理所研制的2MV串列加速器已建成并投入使用，上海原子核所研制的6MV串列加速器已于1990年出束。自1981年以来，我国陆续引进了大、中、小型串列加速器共11台。通过近十年来科技人员的努力，积累了不少安装调试技术、高压性能改进和提高、输电技术、控制和监测技术等方面的丰富经验；同时还作了不少创造性的改进，解决了部分进口零部件国产化，使设备的运行水平有明显的提高，更好地发挥了设备的应用潜力。此外，这几年来各实验室自行研制了一些关键设备与部件，如加速管和铯溅射负离子源等，已在运行中取得了丰富的经验。在这前提之下，由中国粒子加速器学会离子加速器专业组和NEC-Pelletron技术服务站于1991年8月16—20日在长沙举行了“串列静电加速器运行经验交流会”，作了17篇学术报告。因限于篇幅本辑汇编了15篇告，另三篇另行发表。为了使这些宝贵经验能集腋成裘以享读者，特汇编此专辑。由于编者水平有限，文中如有不妥之处，还望专家学者不吝批评指教。