恒压加速器
最简单的粒子加速器是这样构造的:将粒子源安装在绝缘真空管的一端,并在两端之间产生高电压,其极性使粒子从源被推向管的远端。这样的加速器必然是线性的,静电场只能作用于一个给定的粒子一次(除非,就像下面描述的串联加速器一样,粒子的电荷经历了符号的变化)。的简单概念在执行中变得复杂电势超过一百万伏(1兆伏,或1毫伏);这些高电压在加速器外产生电晕放电和闪电般的火花,从而消散加速粒子所需的势能。更难控制的是设备内的火花,在正离子加速器中,当加速的离子撞击管端时,会产生不必要的次级束流。
电压倍增器(级联发电机)
电源的高电压为科克罗夫特而且沃尔顿他的开创性实验是一个由四个大电压倍增器组装而成的四级电压倍增器整流器和高压电容器.他们的电路实际上是由四个整流器组成的直流串联电源。的交替由高压提供的电压变压器通过一组电容器传送到更高一级;第二组电容器保持直接电压不变。最终的直接电压将是变压器可用峰值电压(200,000伏)的四倍电晕放电并没有消耗掉相当大的能量。尽管如此,该装置确实将质子加速到710 keV的能量,足以产生预期的结果,即与锂核的反应。这一成就,史无前例核反应受到人工加速粒子的影响,被授予诺贝尔奖1951年获物理学奖。
Cockcroft和Walton建立高直流电的系统可以扩展到原来证明的倍增因子。商用加速器达到4mev就是基于这种电路。
范德格拉夫发电机
在范德格拉夫发电机,电荷是输送到高压终端在绝缘材料的快速移动的皮带上滑轮安装在结构的接地端;第二个滑轮被封闭在一个大的球形高压端子内。皮带由锋利的针梳进行充电,针尖靠近皮带,距离皮带的地方很短,在那里它可以远离接地的滑轮。梳子与电源相连,可以将其电位提高到几十千伏。针尖附近的气体是电离强烈的电场,在产生的电晕放电中,离子被驱动到带的表面。传送带的运动将电荷带入高压端子,并将其转移到另一个梳状针上,从梳状针传递到端子的外表面。一个精心设计的由高压气体绝缘的范德格拉夫发电机可以充电到大约20兆伏的电势。一个离子源在终端内,然后产生正粒子,加速,因为他们通过一个真空管向下移动到地面电位。
在大多数恒压加速器中,Van de Graaff发生器是高压的来源,而大多数仍在使用的静电质子加速器也是如此两级串联加速器.这些设备提供了梁两倍能源这可以通过一次高压应用来实现。对于串联加速器的第一级,离子源产生质子束,质子束被质子束加速到低能量辅助高压供给。这个光束穿过一个含有气体的区域低压,其中一些质子被转化为负电荷氢由两个电子的加入形成的离子。当带电粒子的混合物在磁场中运动时,带正电荷的粒子就会偏转。那些带负电荷的离子被偏转到加速器管中,然后负离子束被加速到一个正的高压端子。在这个终端,粒子通过一层薄薄的碳箔,剥离了两个电子,将许多负离子变回正离子(质子)。这些,现在被正极排斥,进一步加速通过管的第二部分。在加速器的输出端,质子像以前一样被磁分离,与束中的其他粒子分离,并被定向到目标上。三到四个阶段串联加速器,两个范德格拉夫发电机结合了必要的附加条款,以改变离子的电荷。
Van de Graaff和Cockcroft-Walton发生器也用于加速电子。电荷流入的比率电子束对应于几毫安电流;光束传递能量的速率最好以千瓦表示。这些强烈的光束被用于灭菌、工业射线照相法,癌症治疗,塑料加工.
电子感应加速器
一个电子感应加速器是否有一种加速器只在以下情况下有用电子,有时被称为β粒子-因此得名。电子在a的作用下作圆周运动磁场它的强度随着电子能量的增加而增加。的磁铁这在电子轨道上产生了场也在轨道内部产生了场。随着时间的推移,磁场强度的增加产生了电场这加速了电子。如果轨道内的平均磁场始终是轨道上磁场的两倍强,轨道的半径保持不变,这样就可以把加速度室做成a的形状环面或者甜甜圈。磁体的两极是锥形的,以使轨道附近的磁场随着半径的增加而减弱。通过使任何偏离轨道的粒子受到力的作用,使其恢复到正确的轨道,从而聚焦光束。这种聚焦的理论首先是为betatron研究出来的;通过类比即粒子围绕它们的振动平衡所有循环加速器中的轨道被称为电子感应加速器振荡。
就在正弦变化的磁场强度经过零并开始在正确的方向上增加以引导电子进入圆形轨道之后,一束电子被发送到甜甜圈中,在一个20兆电子伏的betattron中,它们获得了大约100个电子电动汽车每转和遍历在加速过程中,轨道大约20万圈。加速度持续四分之一的磁体周期,直到磁场达到最大强度,这时轨道就会收缩,使电子偏转到一个目标上——例如,产生一束强光x射线.
betatron能量的实际极限是由沿弯曲路径运动的电子发出的电磁能量来设定的。它的强度辐射,通常称为同步加速器辐射(见下文同步加速器:电子同步加速器),随着电子速度的增加而迅速上升。最大的电子加速器将电子加速到300兆电子伏,足以产生π-介子S在目标中;通过改变轨道上的场和轨道内的平均场之间的关系,它的电子通过辐射造成的能量损失(百分之几)得到补偿。在更高的能量下,这种补偿就不存在了可行的.
Betatrons现已商业化生产,主要用于工业x射线源射线照相法和放射治疗在医学.当电子束被定向到具有重原子核的目标材料(如铂)上时,就会产生x射线束。