加速器的原理
-
2023年3月6日发(作者：喀斯特地形)大学物理自主学习之勇攀高峰
中荷学院2012级卓越班
闫醒阳
20125357
带电粒子加速器
加速器的种类：
倍压加速器、直线加速器、回旋加速器、同步加速器、对撞机与
储存环，静电加速器等等。
a倍压加速器
原理：倍压加速器也称高压倍加器，是最早的一种低能加速器。它是利用
电压倍加原理产生高电压来加速粒子的。
倍压加速器一般由高压电源、加速管、离子源或电子枪、高压电极、绝缘
支柱和其他附属设备所组成。若使用正离子源，其高压电源的正极接到加速器的
高压电极上，负极接地，中间是加速管，离子源放在高压电极中。真空管道是用
来保持加速器的真空。当正离子源产生的正离子发射出来后，受到高压电极的排
斥作用，就会沿加速管急速地到负极，能量逐步增高，正离子得到加速。反过来，
若使用负离子源或电子枪，这时高压电极的极性就要反接，即将高压电源的负极
接到高压电极上，就能加速电子和负离子。
优缺点：由于倍压加速器的输出粒子流强度高，结构比较简单，运行比较可靠，造
价低和建造快，因而得到了广泛的应用。
b直线加速器
原理：直线加速器是采用高频电场来加速粒子的。直线加速器既能加速质
子和重离子，也能加速电子，加速质子的称为质子直线加速器，加速电子的称为
电子直线加速器。质子直线加速器的能量从几十到几百兆电子伏。电子直线加速
器的能量可从几兆到几十兆电子伏。直线加速器可作为高能加速器（或对撞机）
的注入器，此外在医疗和工业探伤方面也有广阔的应用前景。
质子直线加速器一般采用高频电场来加速。加速器的外壳是1-2米的大圆
筒，内壁是铜制成的，光洁如镜。沿加速腔的轴线方向，装有好多个金属圆管，
称为漂移管。漂移管之间的间隙称为加速间隙。漂移管一个比一个长，而间隙也
是一段比一段大。当施加高频电源后，在加速间隙中产生较高的高频电场。我们
知道，高频电场的方向和大小是随时间迅速变化的，漂移管设计得很巧妙，它好
像一个个“防空洞”，洞中设有高频电场，当粒子的飞行方向与电场方向相同时
则使粒子加速，当粒子飞行方向与电场方向相反时，粒子正好躲在“防空洞”中，
而不会受到电场反向造成的减速；当电场方向又变得和粒子飞行方向一致时，粒
子刚好从前一个“防空洞”出来，在第二个加速间隙中得到加速，电场改变时，
又正好躲在下一个“防空洞”。就这样粒子每经过一个加速间隙就受到一次加速，
经过若干个这样的间隙，就能使粒子具有较高的能量。
优缺点：直线加速器具有束流强度高、能量可逐节增加等优点，缺点是需要昂贵的
高频、微波功率源.而且直线加速器的优点是从零速开始加速很方便，绝大部分回旋加速器
的起始加速段（注入器）都是直线加速器；而且加速重粒子在能量损失方面比起同步加速器
来说比较有优势，因为重粒子偏转需要的向心加速度更大；另外事实上都造到很大的时候直
线加速器反而比较不占地方。
c回旋加速器
原理：回旋加速器属于圆形加速器的一种，它与直线加速器一样，利用高
频交流电压来使粒子做多次加速，以获得能量。所不同的是将两个半圆空心电极
（称为D型盒）放在磁场中以代替质子直线加速器中的圆柱形电极。两个D型
盒分别接在电源的两个电极上，从而它们之间就有了一定的电压。另外，由于D
型盒是金属制成的，在每个D型盒的内部，电场为零，所以带电粒子在D型盒
内的运动是匀速的，而在两个D型盒之间的间隙则会作加速运动（电场对它加
速），如图5-5所示。即当带电粒子从离子源（a处）进入D型盒之后，因为有
磁场的约束，就绕着圆弧形的轨道前进，通过abc弧后又来到D型盒的边缘，
这时两个D型盒之间的电场正好能对粒子加速。当粒子到达d点时，速度已比
刚才增快了，因此它就将沿着一个半径稍大的def圆弧运动，到达f点时再次被
电场加速。这个过程不断地持续下去，粒子的速度越来越快，能量越来越高，粒
子的回旋半径也越来越大。
优缺点：回旋加速器可以反复回旋加速以累积能量，另外如果有足够的资金和场地
的话，也可以造得非常大——半径越大越接近直线，这样偏转的时候由于同步辐射（切伦科
夫辐射）损失的能量越少。
d同步加速器
原理：针对回旋加速器的缺点，人们对它进行了一次大手术，即挖掉了磁
体的中心部分，以减轻总重量，这样磁极由磁柱变成了磁环。粒子不再像回旋加
速器那样沿钟表发条形的轨道回旋了，它从一开始就进入了半径固定的环形跑
道（轨道）里加速。当然为了不使磁场强度的调整幅度变化太大，先利用其它低
能量加速器即注入器对粒子进行预加速。待达到一定的速度后，再送入这种加速
器中继续“培养”。这好像奥运会田径赛跑的预选赛一样，只有达到奥运会规定
的成绩，取得报名资格的选手，才有可能到奥运会上决一雌雄。
同步加速器可以加速电子，也可以加速质子等较重粒子。所以同步加速器
又可分为电子同步加速器、质子同步加速器和强聚焦电子或质子同步加速器等。
优缺点：（针对于电子加速器）①具有从红外线到硬X射线广泛范围内的光滑连
续谱。如使用单色器，可获得一定波长的单色光。
②辐射强度高，一个储存环的辐射总功率常在数千瓦以上。
③天然准直性好，其发散度一般小于1毫弧度。
④辐射亮度高，一般比X射线转靶的标识辐射亮度高10倍，比连续轫致辐射亮
度高10倍。
⑤具有天然的偏振性。在轨道平面上是完全偏振光，其电矢量平行于轨道平面。
⑥洁净度很高。因同步辐射是自由电子发光的，不产生其他粒子本底。
⑦可实现脉冲化，脉宽可达0.01～1纳秒或更短。
⑧光通量、能量分布及偏振度等均可准确计算，并和实验值很好地相符合，因此
可做为标准光源。
电子同步加速器多用于光核反应和介子物理等方面的研究。同步辐射装置作为性
能良好的新型光源，在原子、分子物理、固体物理、表面物理、天体物理、化学、
生物学、医学、环境科学、能源科学、材料科学、光刻技术、显微技术和光学标
准计量等等许多科学技术领域里，得到越来越广泛的应用。
e.静电加速器
原理：以静电型高压发生器作为高压电源的加速器。按照加速粒子的不同，
它可分为正离子静电加速器（简称质子静电加速器）和电子静电加速器两类.假
设高压电极对地的电容是C,当它上面积累的电荷是Q时，它对地的电压可由
来决定。这关系式对时间微分后得
式中I
a
是有效充电电流，它等于输电带送到高压电极的电流(输电电流)减去通
过各种途径从高压电极漏去的电流（泄漏电流）。当电压上升到某值时，泄漏电
流恰好等于输电电流，即I
a
＝0,此值即为此高压发生器的平衡电压。这种高压发
生器，要改变电压极性是很方便的，只要改变喷电电源极性即可实现。
优缺点：60年代中，范德格喇夫静电高压发生器的重要改进是用输电链（或梯）代
替输电带。输电链（梯）是利用在链(梯)上产生感应电荷的办法充电并输送电荷的，它的主
要优点是：输电不靠电晕放电，电流波动小，发生器的高压自然稳定度高；工作寿命长；内
部清洁等。同质子静电加速器相比，电子静电加速器的结构比较简单，所占空间也较小。这
是由于负极性高压电极的击穿电压比正极性高；电子枪及其所需电源比离子源要简单得多,
因此对于相同能量的电子静电加速器来讲,它的高压电极尺寸就比较小，这样钢筒的尺寸也
就可相应减小。其次，由于电子静电加速器是作为β辐射源（高速电子流经扫描器后通过薄
窗引出）和γ辐射源（高速电子轰击重元素──金、钨等来产生很强的γ射线）使用的，对
电子束的能量分散度没有很高的要求，因此它不必配备分析器和稳压装置，用于实验的辐照
室就直接安置在离加速管出口不远的地方
f对撞机与储存环
原理：对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置，其主要作用是积
累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流，到一定束流强度及一定能量时使
其在相向运动状态下进行对撞，以产生足够高的相互作用反应率，从而便于测量。
用高能粒子轰击静止靶（粒子）时，只有质心系中的能量才是粒子相互作用的有
效能量，它只占实验室系中粒子总能量的一部分。如果射到靶上的粒子能量为E，
则对靶中同种粒子作用的质心系能量约为(E为粒子的静止能量）。可见，随着
Eo的增高，用于相互作用的那部分能量所占的比例将越来越小，即被加速粒子
能量的利用效率越来越低，但是，如果是两个能量为E的相向运动的同种高能
粒子束对撞，则质心系能量约为2E，即粒子全部能量均可用来进行相互作用。
可见，为了得到相同的质心系能量，所需的加速器能量将比对撞机大得多。如果
对撞机能量为E，则相应的加速器能量应为2E2/E。例如，能量为2×300GeV的
质子、质子对撞机，同一台能量o为180000GeV的质子加速器相当，建造这样
高能量的加速器。在目前的技术水平及经济条件仍然是不可及的。但建造上述能
量或更高一些能量的对撞机是完全可行的，这就是近20年来对撞机得到广泛发
展的原因之一。优缺点：由于电子冷却及随机冷却技术（见加速器技术和原理的
发展）的成功，使反质子束的性能大大得到改善，而且束流可以积累到足够的强
度，从而有可能在同一环中进行质子－反质子对撞
中荷学院2012级卓越班
闫醒阳
20125357