離子加速器

離子是指原子由於自身或外界的作用而失去或得到一個或幾個電子使其達到最外層電子數為8個或2個（氦原子）或沒有電子（四中子）的穩定結構。這一過程稱為電離。電離過程所需或放出的能量稱為電離能。

在化學反應中，金屬元素原子失去最外層電子，非金屬原子得到電子，從而使參加反應的原子或原子團帶上電荷。帶電荷的原子叫做離子，帶正電荷的原子叫做陽離子，帶負電荷的原子叫做陰離子。陰、陽離子由於靜電作用而形成不帶電性的化合物。

與分子、原子一樣，離子也是構成物質的基本粒子。如氯化鈉就是由氯離子和鈉離子構成的。

離子加速器是艦用多種毒劑監測儀檢測毒劑的關鍵部件。艦用多種毒劑監測儀是我國重點型號大驅、048將要裝備的儀器，它採用物理檢測方法中的閉合型漂移管離子遷移譜法探測蒸氣態神經性、糜爛性等多種類型毒劑。

在飄移管的電離區和反應區中，樣品氣體在放射源的作用下通過化學電離反應，在空氣中電離，飄移管中有一個離子光閥，光閥打開極短的時間，使離子云團通過，進入離子加速飄移區，在電場的作用下進入信號區，到達捕獲電極，掃描柵極將那些高遷移率的離子擋回，不同類型的離子簇到達捕獲電極的飄移時間不同，飄移時間與它們的遷移率有關。計算機根據飄移時間、温度、壓力和漂移電場的電壓值利用公式計算出比遷移率，確定毒劑離子的類型，而濃度可通過毒劑類型和離子遷移圖譜中的特徵離子峯的峯面積計算出來。

在常規漂移區設計中，離子加速器由數十個金屬傳導環和聚四氟絕緣環層迭而成，與高壓在分壓電阻的配合下形成加速電場，結構複雜，加工裝配困難，不利於密封。傳導環和絕緣環之間空隙及聚四氟絕緣環本身容易吸附檢測樣品，解吸困難，其電場均勻性也難以保證。另外，還需要另外設計漂移區加熱部件並解決與高壓的絕緣問題。

陶瓷管(玻璃管)離子加速器是離子加速漂移區一種新型設計方法，它採用整體陶瓷管或玻璃管作為離子加速器的基材，在陶瓷管或玻璃管內部塗有一層電阻層，與高壓配合，形成需要的加速電場。由於電阻層產生連續的電壓降，相對於傳導環和絕緣環層迭結構，其電場的均勻性要高子後者。因為其採用整體的陶瓷管或玻璃管，其密封性也得到了保證。在陶瓷管或玻璃管的外部，另外塗有一個加熱電阻層，簡單的解決了離子加速漂移區的加熱問題，不需要另外的加熱器。

可見陶瓷管(玻璃管)型離子加速器的設計，保證了漂移電場的均勻性，大大簡化了離子加速漂移區的結構設計及電路設計，去掉了分壓電阻，解決了密封問題，不需要再設計加熱部件，對減少體積重量功耗有重大意義，尤其是對便攜式儀器意義更大。 ^[1] 

離子加速器中的加速器裝置要求其產生的磁場恆定或按要求的規律進行變化，加速器所用電源根據要求的不同可以分為與兩種。其中，脈衝電源可產生的按照給定規律變化的磁場;穩定電源可以生成較為穩定的磁場。作為加速器用磁鐵電源，它們分別在輸出電流穩定度、電流紋波和電流跟隨精度均有較高要求。穩定電源對輸出電流的穩定度需高達到

數量級。加速器用磁鐵電源的輸出功率小至幾千瓦，大至幾百千瓦，除小功率的電源外，當前電源採用最多的為晶閘管可控整流器。為了減小輸出電流的紋波，多采用無源濾波器或者有源濾波裝置(工作在線性調整狀態)。

離子加速器主要分佈在我國的上海、蘭州、合肥等物理研究所。離子加速器用到的磁鐵電源，常採用的是傳統不控整流H橋拓撲、直流斬波拓撲、以及多脈波整流的方式以獲得穩定的直流電源。與此同時，對這些拓撲進行模塊化串並聯，可獲得更大功率的電源。選取上述一些拓撲結構使當前的加速器電源普遍存在功率因數低，裝置體積較大、轉換效率低等諸多不足。近年來，隨着全控型電力電子器件以及碳化硅開關管的迅猛發展，開關電源的優勢口益明顯，它有着重量輕、體積小、效率高等優點，輸出功率也在不斷提高。因此，在離子加速電源中採取開關電源技術是一種完全可行的方案。 ^[2] 

加速器準直測量技術是加速器建設和維護運行中一項關鍵的技術，它用於解決各種各樣的加速器元件在大尺度空間內精確定位的相關問題，來保證加速器元件如磁鐵，診斷元件等在理論位置上的一定誤差範圍內的準確定位，以滿足物理實驗的可行性和加速器運行的可靠性。同時也提供一些大尺度的精密測量，以便於物理探測器的精確組裝和上線定位安裝。

一般的，加速器磁鐵都在絕對尺度上和相鄰間，都要求在毫米和十分之一毫米的準確度要求，並且要保持穩定在一年以上的時間內，所以幾乎是最精確的測量儀器都用在了加速器的準直測量中來，同時也要求了地基穩定性和支撐的機械穩定性。

精密的離子加速器準直技術不僅僅是在於首次的安裝，而且要定期的檢測加速器元件和探測器在束流運行時的實際位置狀態，同時要考慮部件位置在一定時期內穩定性，讓加速器元件和探測器在理論位置的公差之內。

1，大尺度範圍內精確度要求高

重離子加速器裝置在粒子加速器中算是中等規模，但是束線上的磁鐵元件一般都,非常龐大，動輒幾十噸，而且束線上磁元件位置度要求都在亞毫米級，到達0. 1mm級別。

加速器準直測量人員從一開始就是為了實現這一目標進行探索和研究，從座標系測量儀器，測量方法到分析方法，從測量理論到測量技術，從測量設計到測量實，別統現過程的可能性與最優化。

近年來，以激光跟蹤儀，關節測量臂，數字水準儀及在以這些三維測量設備為基礎的三維控制測量網等準直技術在加速器準直測量中的廣泛應用，物理學家對於磁元件的準直要求越來越苛刻，在磁元件間100微米的位置偏差，己經是一個基本要求，這個己經接近到一般機械加工的水平。某種角度上，加速器準直就是機械加工在大尺度上的拓展，目前準直的絕對精度在亞毫米級，這是一般機械裝配件的要求，同時所達到的相對精度，卻遠遠高於一般機械加工的要求。

2，測量基準要素一般是空間的電磁中心

在加速器準直中，主要針對的是磁鐵元件的磁場中心的定位要求，有別於一般的機械實體位置，必須在磁鐵上設置一下外部參考作為準直的基準，所以，它是一種間接測量模式。磁場中心可以藉助於磁場測量的工作找到磁鐵中心，並且測量出靶標與磁場中心的位置關係，在安裝的時候，反算出磁場的中心位置，來定位磁鐵姿態位置。

3，微調裝置要求

穩定的支撐結構對磁元件是必不可少，並且在診斷出有位移偏差的時候，能夠通過微調實現位置校正。

4，安裝後，長期穩定性的要求

加速器安裝完成後，在調試及運行過程中，由於温度變化和載重導致的束線軌道地基的伸縮變形和地基不均勻沉降、支撐系統的應力釋放等原因，將導致加速器元件偏離原安裝的理想位置，特別是垂直段機構的整體偏離，使得元件位置超出其位置要求。這種偏離在加速器調試及運行初期比較明顯。例如SSRF(上海同步輻射光源)要求其敏感元件的相對安裝精度為士0. 15mm。SSRF儲存環隧道基礎設計為非均勻沉降每年士0.1mm/10m，全環一年內地基變動量可能超出士1mm。為了保證加速器的正常運行，必須定期對準直測量網進行復測，並對加速器元件進行準直複測。通過測量結果分析，確定調整方案，對各個元件進行位置調整，重新準直，使加速器元件恢復到所要求位置精度，保證高質量束流運行。該複測與調整工作在加速器運行初期將較為頻繁，隨着整體狀態的逐漸穩定，間隔也逐漸拉長。 ^[3]