加速器物理章高压倍加器实用课件

1、第四章，高压倍加器 Cockcroft & Walton 倍压整流线路 一种最早期的，而今仍广泛应用的高压型加速器。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，倍压整流线路输出的高压随倍压级数增加而线性增加， 可表达为： Vi=0=2nVa 式中Va为高压变压器的次级绕组交流电压峰值。 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 几个周期之后 1 1 0. 242(1) .2 242(1) aaa ca aaa caa

2、 vvv vv n vvv vvv n 多级倍压电 源 在变压器输出的负半周期内，不 只是电荷从地经k1向c1充电， 也有部分电荷从电容c1, c2 经k2 k3向电容c2 c3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c1为va外，其余全 部电容均为2 va 在每个周期的前半周内，只有 v1o+voov1o时c上的部分 电荷通过k1向c1充电。 时间越来越短，越来越接近 幅值。 负载电流的影响 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Re、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。周期性的释放补充，

3、造成波动 e a R NV i 2 由于担任充电电容自身电量的减少，被充电容的最大电压不可能 达到空载时的2Va，逐级有所降低。 定义：有载时可能达到的最大充电电压相对空载时的相应值的 差值为电压降V Vmax= 2Va-V Vmin= 2Va-V -2V q 2q 3q q 2q 3q q q qq C q qq C q qq C 3 2 5 2 2 2 3 2 22 1 2 3 只看主电容放电后、 前半周期 c3 c2 c1 C3 C2 C1 q 2q 3q q 2q 3q q q qq C q qq C q qq C 3 2 5 2 2 2 3 2 22 1 2 3 主电容放电后、前半周

4、期 c3 c2 c1 C3 C2 C1 Cnq Cn-12q C2(n-1)q C1nq c3 c2 c1 C3 C2 C1 向主电容充电 脉冲、瞬间 K1,k2,k3 各流q 用来补赏在主电容 放电时所流失的电量 各主电容所获得的电荷 C3，C2，C1 q, 2q , 3q, 总抖动振幅=（3q+2q+q)/c 电压抖动V 4 ) 1( 2 ) 1( 2 1 23.) 1( 1 2 1 23 1 2 1 321 nn fc inn c q qqqqnnq c Vn qqq c VVVV 级 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

5、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。 图 1.三 级 倍 压 整 流 原 理 图 V a sint T C1 C3 K1 C2 K2 K3 负 载 2Va C4 C5 6Va K4 K5 4Va C6 K6 当有负戴时，随级数n的增加，线路的电压降和电压波 动会严重增加，因此级数n不能太高。 32 2 m 211 2 326 dV1 22 0 dn6 ma a q VnVnnn c q Vnn c 当n=10时 i cfV q cV n n q V aa a 2 2 2 2 一般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

6、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。高压倍加器的输出功率较大，可以作 为较理想的中子源，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。 1.钢筒 2.高压电极 3.电子枪 4.加速管 5.磁芯 6.次级绕组 7.初级绕组 绝缘芯变压器型加速器工作原理图 6 7 2 1 4 5 3 高压 绝缘芯变压器型加速器 Insulating Core TransformerInsulating Core Transformer 一种高压型加速器，它利用绝 缘芯变压器的方法产生直流高 压对带电粒子进行加速。 绝缘芯变压器 绝缘芯变压器工 作原理:其主磁

7、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。初级绕组的交 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 组上的交流电压，经 整流（半波，全波或 倍压整流）后产生直 流电压。将每层上的 直流电压串联起来， 就形成更高的直流高 压。 1.钢筒 2.高压电极 3.电子枪 4.加速管 5.磁芯 6.次级绕组 7.初级绕组 绝缘芯变压器型加速器工作原理图 6 7 2 1 4 5 3 高压 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%）

8、，便宜， 输出功率大，最大平均输出 功率可近兆瓦级。它已成为 科研，工业和农业生产中的 一种很好的辐照源。我国有 多台此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 1.钢筒 2.高压电极 3.电子枪 4.加速管 5.磁芯 6.次级绕组 7.初级绕组 绝缘芯变压器型加速器工作原理图 6 7 2 1 4 5 3 高压 高频高压发生器 利用高频高压发生器产 生高压的大功率高压型 加速器。亦称地那米 (Dynamitron)加速器。 整个加速器安装在充有 高压绝缘气体的钢筒内。 两个半圆筒型的高频电 极安放在钢筒之内，在 电极内所有的分压环都 分成两个半环，并相互 绝缘

9、。在分压环之间交 替连接着整流器。 两个高频电极分别连在高频振荡器上。高 频功率通过分压环与高频电极间的电容送到 整流器上。通过一系列整流后，最终形成静 电高压。这种加速器的特点是输出能量高、 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的辐照及生产热收缩 膜和管。其额定电压从400kV到4.5MV，束 流功率可达150kW. 整流器由地电位串联到高压端，并交替地 连接在耦合环上，这样，整流器就被包围于半 圆形的互相绝缘的耦合环中，而整个整流柱又 被两个大的半圆形高频电极所包围，因此在耦 合环与高频

10、电极间形成耦合电容，它起耦合高 频电压的作用，同时耦合环本身还起分压作用。 在高频振荡器的引出端，有两个共振线圈分别 与高频电极相联，组成了高频发生器的高频共 振回路。当高频振荡器工作时，高频功率就从 振荡器通过高频电极和耦合电容分别输送到各 整流器上。这样，高频电极间的交变电压就使 电子通过整流器在耦合环之间来回运动，由于 整流器只能单向导电，所以电子流只能通过各 整流器逐级向上输送，从而使高压电极充电而 形成直流高压。 例如当高频发生器的左侧为负电位时， 电子从左侧半耦合环(a,b,c)向右 侧的半耦合环(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a

11、a,bb, 之间的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的半耦合环，而 是向电压较高的耦合环运动，即从a向 b，从b向c运动。这样，电子就逐 级地向上传输，最后到达高压电极，以使 它产生负高压。如果要获得正高压，整流 器的极性要与图所示的极性相反。 高频高压发生器高压端所能达到 的高压值U与级数成正比。级数是指耦合 环或耦合电容的总数，如图所示。由下而 上共有N个耦合电容，故称为N级高频高 压发生器。 负载电流 在高压端有稳定负载电流I的情况下， 各级耦合电容可能达到的最大充电电压值 是逐级上升的。设高频电极间所加高频电 压幅值为V。，高频频率为frf(一般在100 千周秒以

12、上)，各级耦合电容量均为C(一 般为几个pF)，则 0 0 0 00 2 2 3 (1) (1) rf rf rf MAX rf I V f C I V f C NI NV f C NI UNVVNV f C 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， 高压端的最高电压为: 式中V为有载时电压降落值 高功率粒子束加速器 （High Power Particle Beam Accelerator） 在脉冲高电压的电场作用下，将非常大的带电粒子束团（几十KA至几十MA）进行

13、加速的装置称之为高功 率粒子束加速器。它与一般加速器不同之处在于被加速的带电粒子束流非常大。因此要求束流源的发射能 力要非常强，故采用场致发射二极管 高功率粒子束加速器 Marx高压发生器 Marx高压发生器又称冲击电压发生器。它的工作原 理是对储能电容器进行并联充电，通过火花隙开关 使之串联放电，从而使电压倍加来获得更高的脉冲 电压输出。经典的Marx发生器线路如图1所示。变 压器T和整流器D组成的高压直流电源将各级电容C 充电至电压V，各球隙开关G1两端电位差也为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G1时，间隙G2Gn依次在电压 2VnV作用下全部击穿，通过球

14、隙开关以串联方 式倍加起来，通过主开关Gs输出nV脉冲高压给负 载。 变压器T和整流器D组成的高压直流电源。各级电容C充电至电 压V，各球隙开关G1两端电位差也为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G1时，点1的电 位瞬间从V降至零，由于电容器两端的电位差不能跃变，点2 的电位由原来的零瞬时下降至V，由于有充电电阻的隔离作 用，点3仍为原电位V，此时球隙开关G 2两端电压为2V，则 G2被过电压击穿。同理G3承受3V过电压被击穿。依此类推， 间隙G2Gn依次在电压2VnV作用下全部击穿，通过球 隙开关以串联方式倍加起来，通过主开关G s输出nV脉冲高 压给负载。 高

15、功率粒子束加速器工作过程 直流高压电源对Marx发生器中的电容并联充电，将电能储存在脉冲电容器中，Marx发生器中的球 隙开关，在外加高压脉冲触发信号的作用下逐级导通，使各级之间串联起来。各级电容器的电压叠加，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。 串联放电的Marx发生器此时对脉冲形成线的 电容进行充电，脉冲形成线上的电压呈阻尼 衰减振荡状态。如当脉冲形成线上电压上升 至第一个峰的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

16、多种 形式。脉冲形成线的绝缘介质可选用油介质 或去离水介质。二极管为冷阴极场致发射二 极管，由处于真空室内的阴极和阳极组成， 其功能是将电脉冲能量转换为粒子束能。可 以做成电子束二极管或离子束二极管。 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）的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。二极管的结构由三部分组成：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，二极管的工作机理可概述如下：冷阴极表面的微 观突起（“胡须”）由于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

17、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。发射的束流强 度受相关的空间电荷限制律支配。 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 负载电流的影响 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Re、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。周期性的释放补充，造成波动 e a R NV i 2 一般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。高压倍加器的输出功率较大，可以作 为较理想的