（核技术及应用专业论文）静电加速器终端电压稳定系统的设计.pdf

摘要 摘要 单离子束技术是目前最先进的束流技术，实现了单个离子、单个细胞的精确辐 射技术，在生物、物理、微制造、环境与健康、太空环境模拟等诸多领域具有广泛 的应用，成为功能强大的技术平台。离子束生物工程学重点实验室c a s l i b b 单离 子束辐照装置，在单能性和定位精度等重要指标方面都达到了国际先进水平。 定位精度是单离子束最重要的技术指标。影响单离子束定位精度的因素很多， 束流能量不稳定是重要原因之一，束流能量不稳定还影响单离子束稳定工作时间。 导致束流能量不稳定的因素主要来自前级静电加速器终端电压的不稳定。 本论文对前级静电加速器终端电压的稳定性进行了分析和研究，改进了旋转伏 特计式静电加速器终端电压稳定系统，改善了加速器终端电压稳定性，提高了单离 子束的定位精度和稳定工作时间。设计制作了单离子束远程计数检测装置，完善了 原有的单离子束计数检测系统。具体工作主要包括： 1 ) 静电加速器终端电压控制原理的分析：着重分析了旋转伏特计( g v m ) 方 式终端电压控制原理，包括g v m 的结构、工作原理、信号获取依据和方法。 2 ) 静电加速器终端电压稳定控制电路：设计了g v m 方式+ 电晕针方式控制 电路，包括工频陷波、低通滤波、精密整流滤波、带通放大、误差放大等电路。并 对设计电路进行了测试和验证。分析了加速器终端电压稳定性对单离子束的能量稳 定性、单离子束束径、定位精度等参数的影响。 3 ) 单离子束远程计数器的设计：设计了单离子束远程计数装置，该装置可以 检测单离子束的通断、通量和稳定性。可以远离辐射源进行检测监视。 本项目得到中科院创新项目( n o ：k s c x 2 s w 二3 2 4 ) 的支持。 关键词：单离子束：静电加速器；终端电压稳定性；旋转伏特计；远程计数器 d e s i g no f t h et e r m i n a lv o l t a g es t a b i l i t ys y s t e mf o re l e c t r o s t a t i ca c c e l e r a t o r x u e h o n gq i ( n u c l e a rt e c h n o l o g y & a p p l i c a t i o n ) d i r e c t e db y ：p r o f u r uz h a n a b s t r a c t s i n g l ei o nm i c r o b e a mi st h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g y , w h i c hr e a l i z e st h es i n g l e i o n s i n g l ec e l lr a d i a t i o n s i th a sb e c o m eas t r o n gp l a t f o r m 、丽t l lw i d ea p p l i c a t i o n si n b i o l o g y , p h y s i c s ，m i c r o f a b r i c a t i o n , e n v i r o n m e n t s & h e a l t h y , s p a c er a d i a t i o ns i m u l a t i o n , a n ds oo n t h ec a s l i b bs i n g l ei o nm i c r o b e a mi sa tt h ew o r l da d v a n c e dl e v e li n e n e r g ya c u t a n c ea n dp o s i t i o n i n gp r e c i s i o n p o s i t i o n i n gp r e c i s i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h es i n g l ei o nm i c r o b e a m t h e r ea l el o t so ff a c t o r sa f f e c t i n gt h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o n , i nw h i c ht h ee n e r g y i n s t a b i l i t yi st h em a i no n e t h ee n e r g yi n s t a b i l i t ya f f e c t st h es t a b l el u l lt i m e 嬲w e l l t h e e n e r g yi n s t a b i l i t ym a i n l yc o m e sf r o mt h et e r m i n a lv o l t a g es t a b i l i t yo ft h ee l e c t r o s t a t i c a c c e l e r a t o r t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h et e r m i n a lv o l t a g e s t a b i l i t yo ft h ee l e c t r o s t a t i c a c c e l e r a t o ri nt h eh e a dp a r to ft h ec a s - l i b bf a c i l i t ya n dd e v e l o p e da l lt e r m i n a lv o l t a g e c o n t r o ls y s t e mb yg e n e r a t i n gv o l t m e t e r ( g v m ) m e t h o d t h et e r m i n a lv o l t a g es t a b i l i t y o ft h ea c c e l e r a t o ri si m p r o v e d ，t h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o no ft h ec a s - l i b bi st h u s i m p r o v e d ，a n dt h er u n n i n gt i m eo ft h ec a s o l i b bi sl e n g t h e n e d , t o o a n o t h e rw o r ki st o d e s i g nad e t e c t o ri nal o n gd i s t a n c e , a n dm a k et h ei n t r i n s i cs y s t e mm o r ep e r f e c t t h em a i nw o r ki n c l u d e s 嬲f o l l o w i n g s ： 1 ) t h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o lo ft h et e r m i n a lv o l t a g eo ft h ea c c e l e r a t o r , a i m i n ga t t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fg v m ，i n c l u d i n gi t ss t r u c t u r ea n ds a m p l em e t h o d 2 ) t h ec i r c u i td e s i g n e df o rt h et e r m i n a lv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m , i n c l u d i n g5 0 h z n o t c hf i l t e r , l o wp a s s ，r e c t i f i e r , b a n df i l t e r , e r r o ra m p l i f i e r , e ta 1 t e s t so nt h e m a n a l y s i s i sd o n ef o rt h ei n f l u e n c e so ft h et e r m i n a lv o l t a g ei n s t a b i l i t yo nt h eb e a me n e r g y i n s t a b i l i t y , b e a mr a d i u sa n ds i n g l ei o np o s i t i o n i n gp r e c i s i o n 3 ) d e v e l o p m e n to fa na p p a r a t u sf o rd e t e c t i n gs i n g l ei o ni nl o n gd i s t a n c e i tc a l l d e t e c tt h eo n o f f ，f l u xa n ds t a b i l i t yo ft h es i n g l ei o nb e a mf r o ml o n gd i s t a n c ea w a y n a b s t r a c t f r o mt h er a d i a t i o n k e yw o r d s ：s i n g l ei o nm i c r o b e a m ；e l e c t r o s t a t i ca c c e l e r a t o r ；t e r m i n a lv o l t a g es t a b i l i t y ； g e n e r a t i n gv o l t m e t e r ；l o n g - d i s t a n c ec o u n t e rf o rs i n g l ei o nm i c r o b e a m i i i 中国科学院硕士学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。 本人签名：盘! 羔1 2本人签名：筮! 羞2 2 第一章研究背景和研究内容 第一章研究背景和研究内容 1 1 概述 1 1 1 静电加速器终端电压稳定性的意义 静电加速器是利用静电电荷积累( 静电起电) 产生高压来加速离子的加速器。 是离子束生物工程学重点实验室的支撑技术之一，为离子束生物工程学的研究提 供稳定的低能离子束，在细胞、线虫、环境治理、生命起源、植物改良等的实验 中发挥了重要的作用【1 3 l 。我实验室的静电加速器主要作为单离子束装置的前级， 是单离子束系统的重要组成部分 4 1 ，可提供最高约4 m e v p 的h + 离子柬。 静电加速器从诞生起，就广泛地应用在许多领域，特别是单离子束技术的 发展，拓展了静电加速器的应用范围，使之焕发出新的活力。单离子束技术是一 种先进的束流技术【5 - 7 】，它利用了数字图像技术、快速电子学、精密机械和计算 机等技术，使之能够产生确定数目的离子对目标进行精确定位、精确剂量的辐照， 其定位精度在微米量级。辐照过程自动化和可视化，在生物学、电磁辐射致癌机 理、环境与健康、太空环境模拟等诸多领域具有重要的应用【8 】，为辐射生物学研 究提供强大的技术平台，是当今辐射生物学三大研究热点课题之一，中科院离子 束生物工程学重点实验室自主研制了国内第一台、也是唯一的一台先进的单离子 束辐照系统c a s l i b b 引。 静电加速器为后级单离子束装置提供一定能量的辐照离子束。加速器的工 作性能、束流品质特别是稳定性直接影响后级单离子束的品质和工作状态。静电 加速器由于使用年限较长，以及束流狭缝方式终端电压稳定方法的不完善，使得 终端电压稳定性较差，稳定工作时间有限，产生的离子束的品质难以满足单离子 束辐照实验的需要。加速器终端电压的稳定性直接影响离子束能量的稳定性，而 离子束能量稳定性又直接影响单离子束束径即定位精度。单离子束的定位精度是 单离子束技术的最重要的技术指标。因而，稳定加速器终端电压对于稳定单离子 束能量、提高单离子束定位精度等品质都具有重要的意义【9 】。 1 1 2 加速器的发展和应用 静电加速器终端电压稳定系统的设计 加速器的发展可以追溯到十八世纪年瓦基厄建造的动带摩擦起电机，但具 有现代静电加速器功能的是1 9 3 3 年美国科学家凡德格拉夫f rj v a nd eg r a a f f ) 所发 明的静电加速器凡德格拉夫静电加速器【i 1 , 1 2 1 ，至今静电加速器仍然足低能加速 器的重要组成部分，在诸多领域获得了广泛的应用。随后，其他类型的加速器也应 运而生；1 9 3 2 年美国实验物理学家劳伦斯( e o l a w r e n c e ) 建成了回旋加速器；1 9 4 5 年，前苏联科学家维克斯列尔( v iv e k s l e r ) 和美国科学家麦克米伦( e mm c m i l i a n ) 各自独立发现了自动稳相原理，随后发明了稳相加速器；1 9 5 4 年，美国劳伦斯国 家实验室建成的一台62 g e v 能量的弱聚焦质子同步加速器；现代高能加速器基本 都以对撞机的形式出现，对撞机实现了把能量从i t e v 提高到1 0 1 0 0 0 t e v ”】。各 种加速器的发展年代及其能量分布如图1 1 所示 r ，v a nd eo r a d f f 图1 1 加速器发展史 加速器在其发展过程中，根据不同的设计原理和应用，通常可以分为以下几类 根据能量太小分类： 1 ) 低能加速器( 能量在1 0 0 m e v 以下) ； 2 ) e e 能n 速器( 1 0 0 m e v 至1 g e v ) ： 2 第一章研究背景和研究内容 3 ) 高能加速器( 1 g e v 至5 0 g e v ) ； 4 谪；高能加速器( 5 0 g e v 以上) 。 根据离子运动的轨道分类： 1 ) 直线型加速器。属于直线型的有倍压加速器、静电加速器和直线加速器； 2 ) 圆形加速器。属于圆形的有电子感应加速器、回旋加速器、电子回旋加速 器、稳相加速器、电子同步加速器、质子同步加速器和同步稳相加速器。 根据被加速的带电离子种类： 1 ) 电子加速器： 2 ) 质子加速器； 3 ) 氘核及各种重离子加速器。 自世界上建造第一台加速器以来，加速器的能量大致提高了9 个数量级( 参见 图1 ) ，随着加速器能量的不断提高，种类和功能不断增加，人类对微观物质世界 的认识逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。尽管如此，由于静电加速器在 结构上比较简单，束流容易产生和调试，且具有m v 级的低能量，因而在实际中的 应用范围非常广，如在核物理、辐射射生物学、辐射化学、食品工业、医学治疗、 物质成分分析、材料物理等方面得到极为广泛地应用。 加速器的应用和发展总是与离子束相结合的，离子束是加速器的必然产物。科 学家总是根据需要对束流进行多种控制。1 9 5 3 年，r e z i r m e 和w b l o o m 提出了发 展离子微束的技术来辐照单个细胞的部分区域的设想f 1 4 , 1 5 】，并制作了首台微束辐射 装置，由于当时技术的限制，而不能实现如今的单离子柬技术。1 9 5 9 年w b l o o m 首先利用一台低能瞄准质子微束从事分裂中期的细胞经辐照后的细胞分裂状况研 究1 1 6 1 ，对离子束辐射生物学产生了重要影响。二十世纪九十年代，研究人员对发展 和利用单离子束技术研究细胞和组织水平的电离辐射损伤及辐射防护问题产生了 浓厚的兴趣。在此背景下，国内外许多研究机构纷纷投身于发展单离子束装置的研 究中。1 9 9 5 年美国哥伦比亚大学研制了国际上第一台单离子束装置【1 7 1 ，1 9 9 7 年英 国g r a y 实验室成功的研制了g c i 单离子束装置【l z , 1 9 】，中科院离子束生物工程学重 点实验室单离子束精确定位辐照装置是我国第一台辐射装置【4 】。现在国际上比较典 型的单离子束装置大约有2 0 台之多。 单离子束辐照技术对离子束的能量稳定性要求很高，能量不稳定影响单离子束 的定位精度，定位精度是单离子束的重要技术指标。因此，对静电加速器提出更高 静电加速器终端电压稳定系统的设计 的要求，促进静电加速器的不断发展和完善。 1 1 3 加速器终端电压不稳定的因素 本研究室的静电加速器是从美国引进，经过本室研究人员的改进和扩展，可以 提供1 - - 3 5 m e v 质子束流或a l p h a 离子。由于使用年限太久及其固有原因，导致加 速器终端电压稳定性下降，影响终端电压的稳定性有如下因素t 2 0 - 2 5 1 ： 1 ) 加速器输电皮带的振动； 2 ) 电晕针放电的不确定性； 3 ) 喷电电流的波动； 4 ) 负载的变化； 5 ) 加速器终端电极放电的不确定性； 6 ) 加速管内真空放电的不确定性。 迸一步研究发现：由于加速器终端电极对地电容的短路作用，高于5 0 h z 的电 压波动对终端电压的影响很小，因此加速器终端电压变化主要为5 0 h z 以下的低频 成分【2 啦! 1 。 1 1 4 加速器终端电压稳定性的影响 1 终端电压稳定性对离子束能量的影响 如前所述，离子束被加速的能量来自静电加速器终端电压。终端电压( 能量) 波动引起被加速后的离子束流能量不稳定，例如，电荷数为z 的带电粒子在加速器 中被加速，当终端电压为y 时离子获得能量歇为： 取= 驴疡= z e 压疡= z e g ( 1 - 1 ) 当终端电压不稳定引起电压波动矿，则这时离子束的能量也发生相应波动 a e 芷： 业，：丝：z e a v丝为离子能量波动 ( 1 2 ) 式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 可见，离子束能量( 变化) 与终端电压( 变化) 成正比，如果 终端电压升高( 或降低) ，离子的能量也升高( 或降低) 。终端电压的波动直接影响 离子束能量的稳定性【2 5 , z 6 1 。 2 离子束能量对定位精度( 束径) 的影响 4 第一章研究背景和研究内容 加速器输出的矿束，经过束线输运系统，最后形成单离子束，进行细胞辐照 实验。离子微束化装置采用准直器结构，原则上只有平行且靠近准直器微孔轴线的 离子才有可能穿过准直器发射出来。离子相对准直器微孔的飞行方向是束径大小的 决定因素。偏离中j “t a 乩b y _ , 量的离子，经磁场偏转后将偏离中心束线方向，向各个方向 发散，产生较大的束斑。束流能量偏离中心能量越远，则离子运动方向偏离越大， 导致离子束径增大，定位精度降低。 3 终端电压稳定对辐照实验的影响 细胞的直径一般在1 0hm 左右，因此只有辐照离子束束径小于l o1 tm ，才可 能实现对样品细胞的精确定位辐射。加速器终端电压不稳定引起单离子束流不稳 定，束流不稳定将使得离子束径增大，当离子束束径大于细胞直径的范围，离子束 不可能对细胞实现定位辐照，往往偏离照射目标而得不到预期的实验结果，使实验 失败。离子束能量不稳定使有效辐照时间变短，也可能导致辐照实验的失败。 1 2c a s - li 陷静电加速器稳定性的现状及要求 c a s - l i b b 单离子束装置用静电加速器提供束流( 主要是质子旷束) 。但是， 加速器运行时间较久，导致加速器终端电压稳定性大大降低。测试表明，现有的加 速器终端电压稳定度仅能达到5 ，不能满足辐照实验对离子束能量稳定性的要求。 而且加速器稳定工作时间变短，影响实验的正常进行。因此，对加速器终端电压稳 定性的改进势在必行。本课题就是在这样的背景下展开的。 通过对国际上单离子束装置和静电加速器终端电压稳定方法的研究 n - j 3 , 2 0 - - 2 9 1 ，确定本加速器的改进措施：以g v m 方式替代原有的束流狭缝方式获取 终端电压控制信号；设计了工频陷波、低通放大、整流滤波、带通放大、误差放大 等精密信号处理电路，对采集的g v m 信号进行处理。采用g v m 方式获取控制信 号的加速器电压稳定系统，测试表明，改进后的静电加速器终端电压稳定度约1 ， 较好地满足当前单离子束辐照实验的需要。 作为本论文工作的一个重要部分，研制了单离子束远程计数检测系统。通过 对单离子束流信号的远程检测，可以精确检测辐照离子的个数，为单离子辐照实验 提供远程监控手段，还可以判断束流的有无和强弱等特性，为单离子束和静电加速 器的运行提供重要的检测手段。单离子束计数检测装置已经投入使用，其计数精度 9 8 ，运行稳定、可靠。 5 静电加速器终端电压稳定系统的设计 1 3 论文主要研究内容 本论文主要研究静电加速器终端电压稳定性与单离子束能量稳定性的关系； 单离子束能量稳定性对单离子束束径、定位精度等品质的影响；单离子束远程计数 检测原理和方法。改进了静电加速器终端电压控制系统，设计了单离子束远程计数 检测系统。通过终端稳压系统的改进，提高终端电压稳定性，减小离子束束径，提 高定位精度；通过单离子束计数检测系统精确检测辐照离子数目，判断束流通断以 及加速器终端电压和离子束能量稳定性。具体内容安排如下： 第一章介绍了论文研究的背景和主要内容。包括加速器的发展历史及应用； 静电加速器终端电压稳定性的意义；终端电压不稳定的因素；终端电压不稳定对单 离子束品质和辐照实验的影响；本课题所要解决的问题、研究方法等，预期加速器 终端电压稳定度达到1 。 第二章介绍了静电加速器的结构。介绍了单离子束装置和静电加速器结构组 成及特点，分析了单离子束装置和静电加速器的工作原理。详细分析了高压产生系 统、聚焦系统和加速系统等的结构及其工作原理。 第三章介绍加速器终端电压稳定系统。介绍了旋转伏特计方式( g v m ) 、狭 缝方式( s l i t ) 、电容法( c p u ) ，电子枪法等终端电压稳定方法。从比较中确定本 次加速器终端电压改进所拟采取的方法。详细分析了g v m 的结构组成、工作原理 及终端电压稳定原理。设计了低通放大器、全波整流滤波电路、带通放大器、误差 放大器和参考信号产生电路，对设计电路进行测试和分析，介绍了电晕针工作原理 及控制电路。 第四章实验测试和验证g v m 终端电压稳定系统。对g v m 获取和处理的信号 波形分别进行了实验测试和分析，对改进前后的单离子束能谱、束斑径迹等进行了 测试和比较分析，实践证明了本设计的有效性和正确性。测试表明终端电压稳定度 小于1 ，稳定运行时间超过6 小时，得到预期的实验结果。文章通过建立简单模 型论证了终端电压稳定性对微束束径、定位精度的影响。 第五章介绍了单离子束远程计数检测系统的原理、电路组成及功能。主要介 绍单离子束信号的获取、窄脉冲展宽、f v 转换及模拟检测，并且对电路进行测试 和分析。 第六章对全文进行了总结，下一步工作进行探讨。通过单离子束辐照装置的 6 第一章研究背景和研究内容 实际运行证明本课题设计的加速器终端电压稳定系统达到了预期的目的，在辐照实 验中发挥了重要的作用。对单离子束装置和加速器的现状进行了讨论，指出课题研 究中发现的问题，提出下一步将进行的工作。 7 静电加速器终端电压稳定系统的设计 第二章静电加速器的结构 21 静电加速器结构组成 静电加速器一般包括终端高压产生系统离子柬产生系统，加速、聚焦系统 真空和控制系统等几个部分f 2 7 冽。加速器的结构如图2 - 1 所示； 外爿：结构 图2 - 1 静电加速器结构 内部结构 c h ar g i n gb e l t 211 终端高压产生系统 静电加速器高压产生原理如图2 - 2 所示。顶部球柱体a 是终端电极，绝缘柱 c 一将它与大地隔开，绝缘柱腔体下部装有喷电针排f 喷电针排f 与数万伏的直 流电源v 的正极相接，电源的负极接地。这样，针尖与地之间有数万伏的电压， 它使得附近气体电离，负电荷向针夹移动；正电荷向传送带运动并附于其上。由电 动机带动轮旋转，正电荷在传送带作用下向上运动。在高压电极内侧也装有一针排 f ，称为吸电针排，它在传送带正电荷感应下带负电，传送带与针尖之闻形成电场 并使其间的气体电离。气体中的正电荷在电场作用下不断向针尖运动，而负电荷向 传送带运动，即传送带的正电荷通过气体介质传到吸电针排。吸电针排置于终端电 第二章静电加速器的结构 极内部，高压电极为空腔金属壳，吸电针排上的电荷转移到终端电极内壁。静电平 衡时，电荷只能存在于导体外表面【2 9 】。这样，通过皮带的持续传送，吸电针排不断 地将正电荷传到终端电极外壁，终端电极积累了大量的正电荷。终端电极对地可以 看作是一个电容c ，根据 c ：翌 u 得到 u = 罟 ( 2 1 ) ( 2 2 ) u 为终端电极对地电位，q 为终端电极所带电荷，c 为终端电极对地电容。随 着终端电极电荷q 的增加，终端电极的电压不断升高。可以提供m v 量级的高压， 为获得m e v 能量的离子束准备了条件。 图2 - 2 终端电压产生原理 2 1 2 离子束产生系统 单离子束辐照实验的离子束由离子束产生系统产生。离子束产生系统包括气体 源、热机漏( 气体开关) 、离子源、电源系统等。气体源用于存放气体( 本室存放 氢气) ；热机漏是控制气体通断和通量的气体开关；离子源使气体电离形成等离子 体，且将离子引出到加速系统；电源系统负责提供各种电源且对其控制。 离子源种类很多1 1 1 3 0 。3 1 ，本加速器采用起弧容易，束流稳定，气耗小、质子比 高的高频离子源。离子源结构如图2 3 ，包括离子产生部分、离子引出部分和电源 9 静电加速器终端电压稳定系统的设计 三部分。高频振荡器产生高频振荡信号，使放电管中的气体发生电离，形成等离子 体。通过引出电极将离子引出离子源。引出电极的几何尺寸决定了离子源引出束流 的质量、大小和引出离子轨道。采用倒斗型带石英套管结构以屏蔽等离子体与电极 的作用、抑制束流发散。 图2 3 离子源结构示意图 本室静电加速器离子源放置在中空的高压终端内部，其下端紧接加速管顶部电 极，衔接处又与高压终端连接以保持同电位。通过终端高压场的作用，离子被加速。 离子源电源【3 4 1 包括阳极电源( 3 k v ，2 m a 可调) ；聚焦电源( 3 0 k v ，l m a 可调) ； 气漏电源( 0 5 v , 7 0 a ) 射频电源( 1 2 5 m h z ，1 2 0 w ) ，耦合环电压( 6 0 0 v ) 。在绝缘 支柱( 由分压环构成) 上部的皮带轮内部装有一个发电机，借助皮带轮的转动而发 电，发电机输出1 1 5 v , 4 0 0 h z 交流电为离子源提供工作电源，其中聚焦电压是以终 端电位为基准，阳极电压悬浮在聚焦电压之上，聚焦电压高电位端与引出电极相连， 使得二者处于同电位，可以减小因聚焦电位的变化对离子发射面的影响；放电瓶内 部设有一个隔离板，可以减小矿等离子体与阳极的复合作用，提高阳极寿命0 5 - 3 | 7 l 。 2 1 3 加速和聚焦系统 从离子源引出的离子的能量较低，不能满足实验的需要，需要提高离子束流的 能量，这个任务是由加速管来完成，加速管的顶部与终端电极相连，与终端电极等 电位，加速管下部与地相连，因而在加速管中产生由上向下的电场。根据e = z e v ， 带电粒子在加速管中向下运动过程中获得能量。 加速管是静电加速器的核心部件，起着传输和加速离子的作用，它的优劣直接 第二章静电加速器的结构 影响到加速器的性能和质量。由于加速器运行过程中，加速管始终工作在高电压、 高真空、高气压下，必须满足特殊的要求： 1 ) 良好的耐压性能，以便能在高电压下稳定工作，把离子加速到较高的能量。 2 ) 要有良好的密封性，使其内部保持较高的真空度，以减少气体分子对被加 速离子的散射作用。 3 ) 要有足够的机械强度，使加速管在加速器内十几个大气压的作用下不破裂。 4 ) 要有良好的离子光学性能，以便能得到聚焦特性较好的离子束。 为此本加速器的加速管采用碟形铝电极加速管。实践表明，安装这种加速管后， 较好地抑制二次电子的产生，提高击穿电压，具有较高的耐压性能；同时加速管具 有优异的机械强度、绝缘强度和气密性【3 8 , 3 9 1 ，能够承受管内1 0 5 p a 以上的真空和管 外十几个大气压绝缘气体的压力。 由于离子柬在加速管中运动距离较长，离子束在运动过程中，束径将会变得越 来越大，这样高速的离子束就会因为发散而丢失，导致离子柬流强度降低，而离子 束流强度是加速器的一个重要指标。散射的离子产生的次级电子又会产生x 射线， 引起加速器周围辐射剂量的激增，对防护和实验工作不利。为了提高束流强度，减 小x 射线辐射，需要对离子束进行聚焦，尽量减小离子在加速过程中的损失，离子 束聚焦类似于静电透镜的汇聚作用。 静电透镜的会聚作用可以用图2 _ 4 来分析。图示物区电势九中，离子柬轨迹r ( z ) 平行于轴而向透镜入射，由离子光学旁轴轨迹方程的知识 ! 令r = ，矽4 ( 2 3 ) 则相应的r ( z ) 轨迹在物区中也是平行于轴的，在此区域内电势丸为常数，得 到旁轴轨迹方程： 如一三( $ ：r 1 6 、西7 ( 2 - 4 ) 知道，r ”与r 异号，因而r ( z ) 在场内轨迹是恒弯向轴的，透镜对离子束起会 聚作用。 在出透镜的界面e b 时，r ( z ) 和r ( z ) 的斜率由 1 r 6 = ，6 九孑 ( 2 5 ) 决定，r 。与厂。n g ，r ( z ) 和“z ) 在像区内将交轴于同一点f b ，这就是透镜的 静电加速器终端电压稳定系统的设计 像方焦点。对于r ( z ) 和“z ) ，焦点f b 和e b 的距离d r f f 1d r 是相等的： 巾一惫一等一 协6 ) 因此，r ( z ) 在场内的性质可以表征透镜的光学性质。此即离子束在电子透镜中 的汇聚作用。 “z ) n 露2 一f j 擘j 图2 - 4 静电透镜汇聚原理 2 1 4 真空系统及其控制 加速器正常工作需要一定的真空度，真空度超出限度，离子将与剩余气体分子 碰撞而发生严重的散射，引起束流和能量大量流失，甚至导致加速器不能正常工作。 因此稳定、合适的真空度对于加速器来说非常重要。为此，加速器整体部分都置 于密封的钢罩内，钢罩内保持高真空状态。同时加速器配备一套抽气设备、真空测 量设备和附属设备。抽气设备主要为真空泵( 两个分子泵) ，测量设备为真空计。 使加速器正常工作时钢罩内真空度低于1 0 4 量级，以确保加速器安全可靠地工作， 保证工作人员的安全。 2 1 5 静电加速器的特点”幻 静电加速器属于低能加速器，静电加速器特殊的结构决定了其具有如下特点： 1 ) 一般能量可达到数m e v ，满足低能实验的需要； 2 ) 被加速离子的能量能够连续调节； 3 ) 离子能量的均匀度和稳定度高； 1 2 第二章静电加速器的结构 4 ) 离子流强度在几十几百微安； 5 ) 离子流可以是连续的，也可以是脉冲的； 6 ) 离子束聚焦好，本底辐射低； 7 ) 可以加速电子、质子以及重离子 8 ) 结构相对简单，易于操作和维护。 由静电加速器的特点看出，它接近理想的低能加速器。单离子束辐照装置需要 连续可调、稳定度高、连续的低能质子束，静电加速器完全能够满足这些要求。因 此低能加速器在核物理、离子柬生物工程等领域的研究中占据极为重要的地位。目 前国际上单离子束系统前级多由静电加速器提供低能离子束( 见附录6 ) 。 2 。2 单离子束装置 单离子束装置，作为一种可实现原位定点、定量照射细胞的先进辐射生物学装 置，它是由多个子系统组成的复杂的系统。主要包括静电加速器和柬线系统、图象 采集处理系统、单离子探测系统以及单离子束精确定位系统掣2 8 1 。c a s l i b b 单离 子束装置结构如图2 5 所示。 1 加速器和束线系统 束线输运系统由静电加速器，束流输运管道，两个偏转9 0 0 的分析磁铁，磁四 极透镜，微束化器件以及相应的真空系统【9 】等组成。 本研究室的静电加速器为立式结构，静电加速器可产生最高为4 m e v p 的荷能 离子，离子束流方向竖直向下。偏转磁铁改变束流方向。经过两级偏转磁铁的作用， 束流方向偏转1 8 0 0 ，离子束运动方向竖直向上，进入微束室。经四极透镜的会聚作 用，最终在束线末端得到束腰。由准直器进行微束化处理，在控制系统、电子开关 和探测系统等共同作用下，得到束径约5l a i n 可实现定位、定量辐照的单离子束。 束线输运系统如图2 5 所示。 1 3 静电加速器终端电压稳定系统的设计 镬冒 h 悸： 酾l焉 函”“弋= 淼： ” 单 警“ r l 。燕尹i 鬻m g ，翟f _ “。n d ，_ 9 二 i ， 2 图象采集和处理系统 c a s - l i b b 图象采集系统由专用显微镜、c c d 、图象增强仪和图象采集卡组成。 图象采集系统在整个单离子柬系统中具有极其重要的作用，其采集的图象是计算机 处理和识别的基础，图象质量对处理速度和识别精度都会产生极为重要的影响。图 象采集系统如图2 - 6 所示 图2 - 6 单离子柬图象采集系统 第二章静电加速器的结构 3 能谱和单离子探测 ”能谱探测系统离子束能谱是确定束流是否顺利从真空系统中引出以及柬流 品质是否满足定位辐射要求的判断依据。离子从准直器出来，经过3 5pr t l 隔离真 空的m y l a r 膜、7 p m 的反光铝膜、1 8 l a l 的薄膜闪烁体b c 4 0 0 和3 5 r n 的m y l a r 封装膜由光电倍增管将田烁体探测器探捌到的光子转换成电信号，经过放大、整 型、甄别处理后，进入计算机系统显示能谱及本底，可以判断束流计数效率、半高 宽、离子通量等参数。准直嚣在高子束能谱探测中具有极其重要的作用，直接影响 能谱和离子探测的质量。准直器结构及其表面封装如图2 - 7 所示 1 i i - j ：“ 2 ：- j 图2 7 准直器结构图 2 ) 单离子柬探测系统 离子从瞄准器出来，经过闪烁体b c 4 0 0 时会激发出光子，这些光子向各个方 向传播，其中向上部分和向下运动经铝箔反射向上的光予被光电倍增管接受，由光 电倍增管将光信号变成电信号，该信号一方面经过放大输入到多道分析器得到闪烁 信号的幅度谱，借助幅度谱可以确定台适的甄别阐。另一方面输入到单道甄别器， 最后得到标准的方波，由内置于计算机的计数卡在计算机系统和电子开关的配合 下，实现精确计数的目的。 4 单离子束精确定位系统 单离子束精确定位系统主要由出射束品质、样品架的精度、靶位置的识别精度、 柬流出口位置的定标等共同决定。 静电加速器终端电压稳定系统的设计 出射束的品质主要由静电加速器的终端电压稳定度、分析磁铁的选择精度和 热稳定性、准直器的精度、多层膜的性质及其之间的空气间隙等确定。样品架的移 动精度是单离子束定位精度的重要决定因素，通过计算机指令、操纵杆和样品架上 面的旋钮可以移动样品架。设计z 方向移动样品架可以实现在采集图象时，在样品 盘下面加入一个不反光的黑色背景，可以免受荧光干扰。 第三章终端电压稳定系统设计 第三章终端电压稳定系统设计 本章及第四、第五章为本论文的重点章节。主要介绍静电加速器终端电压稳定 方法；详细分析g v m 方式稳压系统和单离子束远程计数系统的工作原理；分析了 工频陷波器、低通放大、整流滤波、带通放大、参考电路、误差放大电路、功率放 大电路、触发器电路、f v 转换电路、积分显示电路的结构、组成及功能；对设计 电路进行了线性和频率测试，验证电路的可行性；建立简单模型计算分析静电加速 器端电压稳定性对单离子束束径和定位精度的影响，从理论上阐述了静电加速器终 端电压稳定性对单离子束装置的意义。 3 1 静电加速器终端电压稳定方法 常见的终端电压稳定方法【l l 】有旋转伏特计( g v m ) 方法、束流狭缝( s l i t ) 法、电容法( c p 、电子枪方法。下面分别进行介绍。 3 1 1 旋转伏特计方式稳压方法 通过旋转伏特计获取加速器的终端电压( 能量) 信号，经过电子学电路，提取 终端电压控制信号，以调节电晕针电荷泄放量，达到调节加速器终端电荷变化，稳 定加速器终端电压。 1 旋转伏特计结构与工作原理 旋转伏特计是用作指示和测量加速器终端电压的装置，其实际测量的是电场强 度。旋转伏特计结构如图3 1 所示。对着高压电极装有一块绝缘的多叶扇形金属 板1 ，为定片，固定不动，与积分电路相连；另外还有一块接地的、具有和定片形 状相似的的金属板叶片2 ，为动片，它可以绕着通过其中心的轴转动。假设开始时 定片和动片相重合，这时由于动片的屏蔽作用定片不受电场的感应。当动片转动一 角度时，定片暴露在电场中，定片上将因感应而产生电荷，电荷流过积分电路，对 电容充电，于是给出一个电压脉冲，定片被屏蔽时，电容通过电路放电。动片周而 复始的转动，则在定片上将产生对应的电压脉冲，调节叶片的形状和数量，可以改 变积分电路上输出脉冲的波形，波形的峰值反映了加速器终端电压的相对值】。提 1 7 静电加速器终端电压稳定系统的设计 取积分电路的脉冲信号进行整流、滤波等处理，经过标定由显示仪表直接显示终端 电压的数值，实现终端电压的测量和显示。 乡够1 ： 图3 1g v m 工作原理与结构示意图 1 一定片；2 一动片；3 一电机；4 一终端电极 2 旋转伏特计方式稳定终端电压的依据- - 剐 g v m 是根据静电感应原理而设计的感应装置。通过g v m 方式采集终端电压 来实现端电压稳定性控制。g v m 由彼此绝缘的动片和定片组成，如图3 1 所示， 动片快速旋转与地连接，转速约3 0 0 0 转分钟；定片为扇形金属叶片，固定不动， 与积分电路相连接。终端电极由于积累了大量电荷而产生高压静电场，定片面向高 压电极，其表面感应电荷，但当定片被动片屏蔽时，其表面感应电荷将消失，无输 出电压。在定片感应电荷时，与定片相连的积分电路将被充电，在感应电荷消失时， 积分电路将放电。充放电电流，与终端电压y 成正比，与叶片旋转周期丁成反比。 即： ，：一k v ( 七为常数) 丁 ( 3 1 ) 设计叶片的形状、忽略叶片的边缘效应，积分电路可以产生频率为2 0 0 h z 幅 度为的三角波1 2 0 1 ： 圪= 一! c 翟o o t 兰出 ( c 为积分电容) 在一个积分周期内，k 、t 、v 、c 可看作是常数，由此得到 1 8 ( 3 - 2 ) 第三章终端电压稳定系统设计 = 一万k v ( 3 3 ) 此即g v m 输出电压，可见g v m 输出与终端电压成正比，这就是g v m 取样 的根据。经实验标定，得到v c 1 0 6 儿例如当v = 2 m v ，则v c 2 v 。 3 1 2 束流狭缝方式( s l i t ) 稳压方法 1 分析磁铁的能量分辨n 2 1 分析磁铁也叫偏转磁铁，是单离子束装置的重要组成部分，主要用于选择离子 能量和种类、改变离子运动方向等。当带有不同能量的离子束( 本室采用质子束1 一) 竖直射入磁场中，在磁场中受到磁场力的作用，可能沿着不同的方向运动，因而出 口时的运动方向和位置就可能有差异，下面仅就不同能量的同种离子射入磁场时， 分析磁场对能量的分辨能力。如图3 2 所示，一质量为m ，电荷为q ，动能为疡 的带电粒子垂直入射磁场中，0 l 、0 2 是离子运动的中间轨道，磁场的大小确保离 子以速度1 ，。由物点o l 入射时，经过磁场偏转飞出磁场后汇聚在像点0 2 点，不考虑 磁场的边缘效应，则根据离子光学知识可得到关系式： (一c)(乙一c)=厂2(3-4) 式中z j 和f 2 分别为物距和像距，c 为场边界到焦点的距离，厂为焦距。 当加速器能量发生波动时，引起离子速度的变化v = v 。+ 血。假定离子从p 点 入射，p 点偏离中心o l 的距离为b l ，经过磁场偏转后汇聚于像点q ，则q 点偏离 中心轨道b 2 满足公式： b 2 - - - - 删+ 南一岳岛 协5 ， 其中口为离子中间轨道半径，尻= 一a v ( 3 6 ) 离子的能量变化也称能量色散 4 2 1 ，设为： 萨竽：丝：2 p o ( 3 7 ) 乜o，d 则像点偏移b 2 可用能量色散p 表示： b ，= m b 。+ 二s a ( 1 一m ) ( 3 - 8 ) 1 9 静电加速器终端电压稳定系统的设计 式中m 为分析器的放大率，m = 鲁= 一彳笔 ( 3 9 ) 仉，一。 若实际的物缝宽度为，则由( 3 8 ) 可得像缝宽度赐 矾= m 形+ 二锨( 1 一m ) ( 3 - 1 0 ) i 、， 得到能量色散为： ( 3 1 1 ) 半能量色散锋= 糟 ( 3 - 1 2 ) 能量分辨率6 = 二 ( 3 1 3 ) g 坐 由( 3 7 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 得到能量变化e 为： 丝：占e ：堡堕尘墨掣 ( 3 - 1 4 ) ” 以一c ) 2 由式( 3 1 4 ) 可见，能量波动与局、耽、c 、i i 、，2 有关。当离子束中心 能量易、物缝矾、场边界到焦点距离c 、物距，、相距易确定的情况下，离子束 能量波动与像缝成线性关系，越小，则丝越小。调节像缝宽度耽，即可调 节出口处离子的能量变化，实现离子束能量选择。 b 1 i jb 2 n 一 图3 - - 2 分析磁铁能量分辨原理图 等 第三章终端电压稳定系统设计 2 束流狭缝法获得控制信号的依据 在分析磁铁出口狭缝处置两挡板，如图3 2 所示，分别为上挡板( 上片) 和 下挡板( 下片) ，以狭缝中心线对称分布，出口狭缝的上片