4MV离子静电加速器的研制

论文摘要

本论文的研究工作是为配合4MV离子静电加速器的研制而开展的。为此，本文分别研究了离子加速管的封装工艺、高频离子源物理参数对其性能的影响、绝缘气体成分与压力对加速器最高电压的影响以及加速器控制系统的抗干扰措施等；对4MV离子静电加速器调试中发现的现象和遇到的问题进行了分析和解决。具体地说： 研究了离子加速管的封装工艺，研制的加速管真空度为6×10-5Pa，平行度为0.1mm，相邻电极之间耐压均达到18kV／cm以上；发现在67～0.1Pa之间，加速管存在耐压“盲区”，对此进行了理论解释；发现并解决了加速管使用中容易出现的机械隐患。 研制了一台为加速器提供离子的高频离子源。该离子源采用电子管推挽式电路、电感耦合方式，振荡频率为20～50MHz。研究了诸因素对离子源起弧的影响，通过多项措施提高了放电管起弧的可靠性，使振荡器的起弧板压大幅度降低，在500V以上能准确起弧。研究了气压、板压、引出电压、聚焦电压和横向磁场电压对离子源性能的影响。试验中发现，随着板压的升高，束流增加，当板压为575V左右时质子比有最高值；当气压升高时，束流和质子比都存在最佳值；质子比基本不随引出电压的变化而变化，而束流随引出电压的升高呈二极管的伏安特性；横向磁场可明显提高束流和质子比。同时对这些实验结果进行了理论分析。在575V板压、7.7×10-4Pa气压、1.6kV引出电压和21kV聚焦电压下，得到了流强为169μA、质子比为88％的离子束。在上机调试中，又对其起弧的可靠性进行了观察和分析，确定了具体的开机程序。 利用建立的绝缘气体系统，研究了机械尺寸、真空以及绝缘气体的成份、气压和湿度对静电加速器高压的影响。发现在0.6MPa以上时，N2和CO2的击穿电压增加趋势逐渐变缓，而混合气体的击穿电压仍呈直线增加；加入六氟化硫可明显提高绝缘性能；湿度对击穿电压影响不大。最后选定绝缘气体中氮气、二氧化碳和六氟化硫的比例为75∶20∶5，在12个大气压下，最高电压可达3MV以上。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 静电起电机的工作原理
• 1.2 静电加速器的发展简史
• 1.2.1 大气型静电加速器
• 1.2.2 高压型静电加速器
• 1.2.3 加速管结构的研究
• 1.2.4 串列式静电加速器
• 1.3 近期的研究进展
• 1.4 选题背景与主要研究内容
• 1.4.1 选题背景
• 1.4.2 主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 静电加速器输电和高压系统
• 2.1 静电加速器的结构
• 2.2 输电系统
• 2.2.1 主电机
• 2.2.2 喷电电源
• 2.2.3 喷电针排和刷电针排
• 2.2.4 输电带
• 2.3 高压系统
• 2.3.1 高压电极
• 2.3.2 绝缘支柱
• 2.3.3 分压棍
• 2.3.4 分压环
• 2.3.5 高压电场分析
• 2.4 加速管
• 2.4.1 加速管内的放电
• 2.4.2 加速管的封装
• 2.4.3 加速管的机械隐患
• 2.4.4 高压调试
• 参考文献
• 第三章 离子源
• 3.1 概述
• 3.2 工作原理
• 3.2.1 气体放电
• 3.2.2 离子的引出
• 3.3 设计
• 3.3.1 高频振荡器
• 3.3.2 放电管
• 3.3.3 吸极
• 3.3.4 聚焦电极
• 3.3.5 磁场磁铁
• 3.3.6 气源
• 3.4 桌上实验
• 3.4.1 起弧调试
• 3.4.2 束流品质测试与分析
• 3.5 上机调试
• 参考文献
• 第四章 绝缘气体系统
• 4.1 气体绝缘
• 4.1.1 静电加速器的高压绝缘
• 4.1.2 气体绝缘的原理
• 4.2 设备构成
• 4.3 绝缘气体气压、成份和湿度对击穿电压的影响
• 参考文献
• 第五章 高压的测量与稳定
• 5.1 电压的测量
• 5.1.1 柱电流
• 5.1.2 旋转伏特计
• 5.1.3 分析器
• 5.2 电压的稳定
• 5.2.1 原理
• 5.2.2 电晕三极管
• 5.2.3 线路设计
• 参考文献
• 第六章 控制系统
• 6.1 控制系统网络和硬件组态
• 6.1.1 现场总线协议PROFIBUS-DP
• 6.1.2 控制网络
• 6.1.3 控制系统的硬件组态
• 6.2 控制系统的软件设计
• 6.2.1 系统控制程序
• 6.2.2 WINCC组态监控界面
• 6.3 控制系统的调试
• 6.3.1 调试中出现的问题
• 6.3.2 硬件的抗干扰措施
• 6.3.3 软件的抗干扰设计
• 参考文献
• 附录: 读博期间完成的期刊论文
• 致谢