作者構(gòu)思了兩款新式靜電加速器，可將單級(jí)靜電加速器無(wú)限串接，直至能將帶電粒子加速到放射治療所需能量。一種叫D-G靜電加速器，一種叫H&H靜電加速器。本篇為大家介紹D-G靜電加速器。

D-G靜電加速器

D-G靜電加速器的全稱是“從地電勢(shì)向高電勢(shì)加速的單極靜電加速器”，取“地”的拼音字頭為“D”、“高”的拼音字頭為“G”簡(jiǎn)稱為“D-G靜電加速器”。

D-G靜電加速器源自靜電加速器，是對(duì)靜電加速器的改造，為便于理解，需從靜電加速器說(shuō)起。

作者以中國(guó)科學(xué)院研制的一臺(tái)靜電加速器的相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，重建了一個(gè)靜電加速器，只保留了必要部件，略去了對(duì)原理說(shuō)明不重要的其它部件。

該靜電加速器是立式設(shè)計(jì)。

這是將加速器水平放置的剖面圖，便于放大觀察。

圖中，右側(cè)柱體和球體結(jié)合的中空的物體是高壓電極(藍(lán)色)。

高壓電極中有個(gè)轉(zhuǎn)筒(藍(lán)色)，與左側(cè)的轉(zhuǎn)筒對(duì)應(yīng)。環(huán)繞兩個(gè)轉(zhuǎn)筒的就是輸電帶(白色)。

輸電帶下方有兩個(gè)三角形柱體(黃色)，左邊的是噴電針排，右側(cè)的是括電針排。

噴電針排與一個(gè)接地的高壓電源接通，為其提供幾到幾十千伏的高壓。帶有高壓的噴電針排會(huì)向輸電帶噴射電荷。電荷經(jīng)輸電帶傳送到括電針排處。與高壓電極連通的括電針排再將電荷轉(zhuǎn)移到高壓電極的內(nèi)部。電荷自身會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到高壓電極的外部。

高壓電極外表面聚集電荷后就會(huì)相對(duì)于地電勢(shì)產(chǎn)生電壓，公式是V=Q/C，V是電壓，Q是電荷，C是高壓電極對(duì)地電容，具體到本設(shè)計(jì)，左側(cè)由四個(gè)圓柱支撐的圓形基座就處于地電勢(shì)。

最外側(cè)的是一個(gè)密閉鋼桶，包圍著靜電加速器，向其內(nèi)注入高壓氣體，以降低高壓電極的擊穿電壓，從而提升加速器的工作電壓。

鋼桶與基座相連，也處于地電勢(shì)。

高壓電極對(duì)鋼桶和基座都處于高電勢(shì)，前者是徑向，后者為軸向。為使徑向電勢(shì)降落盡量均勻，一般安置1~3個(gè)中間電極(后面會(huì)有說(shuō)明)；為使軸向電勢(shì)均勻降落一般采用一組分壓片，下圖中等間距排列的綠色圓盤就是分壓片。

圓盤的邊緣為直徑略大于圓盤厚度的圓弧，如為橢圓形弧(長(zhǎng)軸與分壓片表面垂直)效果更好。

穿過(guò)分壓片的矩形孔為輸電帶通道。

輸電帶通道上方的圓孔為加速粒子通道。

倒“品”字形的三個(gè)小圓孔是絕緣柱通道，負(fù)責(zé)將多個(gè)分壓片穿起來(lái)。

在所有通孔的邊緣都安有絕緣墊，起間隔和連接作用。

在分壓盤之間、分壓片與高壓電極之間和分壓片與基座之間均連接一個(gè)分壓電阻(圖中黃色的細(xì)圓柱體)，調(diào)節(jié)分壓電阻使各分壓片之間有大致相同的電勢(shì)差。分壓電阻的功能也可由“電暈針尖間隙”來(lái)代替，或兩者并用。

加裝均壓器件后，沿軸向，高壓電極對(duì)基座的電勢(shì)差被分割為多個(gè)等差的小電勢(shì)差，使高的電壓小幅等差降落。

高壓電極中的黃色柱體為離子源，由其發(fā)出的帶電粒子束經(jīng)安置在高壓電極和基座之間的加速管加速。

加速管由與分壓片數(shù)目相同的帶有中孔的更薄的加速電極(粉色)構(gòu)成。每個(gè)加速電極都嵌入到對(duì)應(yīng)的分壓片中，這樣，加速電極之間也具有相等的電勢(shì)差，見(jiàn)下圖。

據(jù)說(shuō)單極靜電加速器的工作電壓可以達(dá)到20兆伏。

靜電加速器加速粒子的能量公式是(以電子伏特為單位)W=ZV ，其中W為粒子獲得的能量，Z為離子攜帶電荷數(shù)，V為靜電加速器工作電壓。

假設(shè)靜電加速器工作電壓就是20兆伏，對(duì)質(zhì)子(Z=1)來(lái)說(shuō)，可獲得20兆伏的能量；對(duì)碳離子(Z=4)來(lái)說(shuō)，可獲得80兆伏的能量，這樣的能量對(duì)放射治療來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

能量公式也說(shuō)明，單級(jí)靜電加速器對(duì)重離子有利。

為實(shí)現(xiàn)一次增壓兩次加速，人們發(fā)明了雙極靜電加速器，見(jiàn)下圖。

由單級(jí)靜電加速器向雙極靜電加速器的進(jìn)化并不復(fù)雜，主要有幾點(diǎn)：

這樣改造后，就實(shí)現(xiàn)了一次增壓兩次加速，具體過(guò)程如下：

雙極靜電加速器的能量公式為 W=V(Z+1)，對(duì)質(zhì)子(Z=1)，能量提高了一倍；對(duì)碳離子(Z=4)來(lái)說(shuō)，能量只提高了25%。因此雙極加速器對(duì)質(zhì)子更有意義。

單級(jí)靜電加速器與雙極靜電加速器的串接要求單級(jí)靜電加速器的離子源為負(fù)離子源，其高壓電極為負(fù)高壓，射束加速過(guò)程是：

三次加速后的能量變化為 W=V(Z+2)。對(duì)質(zhì)子(Z=1)，能量是單級(jí)的3倍；對(duì)碳離子(Z=4)來(lái)說(shuō)，能量只是單級(jí)的1.5倍。

射束從第一個(gè)雙極靜電加速器出來(lái)后是正離子束，處于地電勢(shì)，進(jìn)入第二個(gè)雙極靜電加速器后被加速到負(fù)高壓，高壓電極中安置一個(gè)“附加電子通道”(藍(lán)色)，意圖使正離子束改變電性后再由負(fù)高壓加速到地電勢(shì)。

可惜的是，對(duì)高速粒子來(lái)說(shuō)附加電子的效率太低(只有百分之幾)，使得繼續(xù)加速已無(wú)意義。

如不改變電性，射束將無(wú)法沖破高壓電極建立起來(lái)的高壓勢(shì)壘。

總結(jié)以上幾步，得出結(jié)論，由負(fù)離子源發(fā)端的負(fù)離子束只能連續(xù)被加速三次，最終以正離子束引出。

為使改造顯得平順，改造分兩步進(jìn)行，第一步是虛擬的；第二步是實(shí)質(zhì)的。

第一步：將雙極靜電加速器一側(cè)(右側(cè))的由高壓電極構(gòu)成的加速管改為漂移管，漂移管也是加速管的一種，見(jiàn)下圖。

共設(shè)置了四個(gè)漂移管(粉色)，第一個(gè)漂移管與高壓電極相連；第二個(gè)漂移管與內(nèi)中間電極相連，該中間電極的另一端與分壓片組合中的1/3處的分壓片相連；第三個(gè)漂移管與外中間電極相連，該中間電極的另一端與分壓片組合中的2/3處的分壓片相連；第四個(gè)漂移管與鋼桶相連，這樣安排使各漂移管之間有大致相同的電勢(shì)差(等于漂移管之間的電壓除以漂移管之間的間距)。

高壓電極中取消了電子剝離器，看看會(huì)發(fā)生什么。

射束在高壓電極中進(jìn)入漂移管時(shí)，是從一個(gè)漂移管(高壓電極也是漂移管)無(wú)間隔地進(jìn)入到另一個(gè)漂移管，漂移管中電場(chǎng)被屏蔽，射束不被減速；射束在兩個(gè)漂移管之間跨越時(shí)，由于存在反向電勢(shì)差，射束被減速；射束從最后一個(gè)漂移管出來(lái)時(shí)，射速已降低為零，這就是所說(shuō)的高壓勢(shì)壘。

為了使射束只漂移不減速，就需要進(jìn)一步改造。

第二步：用“交錯(cuò)層疊漂移管”取代間隔串接的等直徑的漂移管，見(jiàn)下圖。

交錯(cuò)層疊漂移管的基本特征是：

被加速的射束在高電勢(shì)處進(jìn)入漂移管，但從最后一個(gè)漂移管出來(lái)時(shí)已是地電勢(shì)，過(guò)程中，電場(chǎng)始終被屏蔽，射線沒(méi)有被減速。

就這樣，射線在沒(méi)有被減速的情況下沖破了高壓勢(shì)壘。

其實(shí)，漂移管之間的電勢(shì)差并沒(méi)有消失，而是從軸向方向轉(zhuǎn)到徑向方向。

這就是交錯(cuò)層疊漂移管發(fā)揮作用的機(jī)制。

下圖是交錯(cuò)層疊漂移管的一種演變。

此圖是在不違背交錯(cuò)層疊漂移管定義的前提下，修改一些交錯(cuò)層疊漂移管的相關(guān)參數(shù)得到的：

下圖是交錯(cuò)層疊漂移管的再次演變。

由于擔(dān)心高壓電極過(guò)于前出(向右)，會(huì)與右方的其它電器產(chǎn)生感應(yīng)，又將高壓電極和中間電極等間距地縮了回來(lái)。

如前兩圖所示，構(gòu)成交錯(cuò)層疊漂移管的幾個(gè)漂移管分別于高壓電極、幾個(gè)中間電極和鋼桶融為一體，雖然交錯(cuò)層疊漂移管的形跡不見(jiàn)了，它的作用還在發(fā)揮。

再次演變的高壓電極和各級(jí)中間電極的直徑做了外放處理，制圖依據(jù)是：

上圖中的綠色、粉色和白色環(huán)形絕緣體是用來(lái)對(duì)高壓電極、中間電極和分壓片等提供接力支撐，因?yàn)樵揇-G高壓加速器采用的是臥式設(shè)計(jì)。

接下來(lái)作者將為大家?guī)?lái)由D-G靜電加速器串接而成的重離子放療加速器及H&H靜電加速器，敬請(qǐng)期待。(質(zhì)子中國(guó) 編輯報(bào)道)