串列靜電加速器

這種提高靜電加速能量的方法，早在20世紀 30年代就已提出，直到負離子源和原子的剝離技術取得成功之後，才於1958年建成了世界上第一台加速質子能量為13.4兆電子伏的串列加速器。由於這種加速器保持了靜電加速器的原有特點，又提高了能量，離子源裝在加速器地電勢處,調節、更換零件都方便,又便於加速多種粒子，所以發展得很快，60年代達到了它的全盛時期。到1986年時,運行中的串列加速器端電壓達5兆伏以上的約有70台。端電壓50兆伏的串列加速器也在研製中。

兩級串列加速器的工作原理由圖1説明，從負離子源產生負離子束，經過預加速（一般幾百千伏）、分析磁鐵注入串列加速器的一根加速管，由於加速器的高壓電極為正高壓，對負離子產生吸引力，粒子朝高壓電極方向被加速一次。當負離子進到高壓電極內部時,經過電荷剝離器轉變為帶有N個電荷單位的正離子（N一般稱粒子的電荷態）。而後,正離子進入第二根加速管中，又受到正高壓的排斥力，第二次被加速，經過兩次加速，粒子獲得的總能量為 E=(N+1)eV,

式中E代表粒子的能量,e為電子的電荷，V為加速器端電壓。對於質子N=1,則粒子能量正好對串列加速器端電壓的二倍，也就是説質子能量為相同的端電壓的單級靜電加速器的二倍。 　圖2a是由一台正高壓的兩級串列加速器和一台負高壓的單級靜電加速器組成的三級串列加速器。負離子源裝在單級靜電加速器的高壓電極內，負離子在單級靜電加速器內被加速一次，再注入兩級串列加速器，完成後兩次加速。

圖2b是由一台正高壓的兩級串列加速器和一台負高壓的兩級串列加速器組成的三級串列加速器,這種方式下離子源可放在加速器外邊,處在地電勢，採用正離子源，由正離子源產生的正離子束，要通過電荷中和管道變成中性束，注入負高電壓電極的兩級串列加速器，在第一根加速管不加速。當粒子到達高壓電極內部時，通過添加電子孔道，中性束變成負離子束,在第二根加速管中完成第一次加速,後兩次加速由一台正高壓電極的兩級串列加速器來完成，過程與上面相同。

從機械結構來看，串列加速器有水平式和直立 式兩種。隨着端電壓不斷升高，加速結構越來越長。對水平式的加速器來説，高壓電極和加速管的水平支撐越來越困難；而直立式的加速器的廠房建築也越來越高。為此發展了一種直立摺疊式的結構。如美國橡樹嶺國家實驗室的端電壓25兆伏的加速器。它的結構像一個倒置的字母U。從下面注入的離子經一次加速在高壓電極內被一個大的偏轉磁鐵偏置180°後,進入另一根加速管第二次加速。

為了進一步提高粒子的能量，串列加速器常作為注入器，同 其他類型的加速器，如扇形聚焦迴旋加速器或分離扇迴旋加速器串連起來聯合運行。

就串列加速器本身的發展來説，人們還在為創造新的端電壓記錄而努力。諸如設計新型的加速管和輸電系統，研究和改善介質的絕緣性能，改進工藝等等以提高耐高電場的強度。