作者構(gòu)思了兩款新式靜電加速器，可將單級靜電加速器無限串接，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“從地電勢向高電勢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，是對靜電加速器的改造，為便于理解，需從靜電加速器說起。

作者以中國科學院研制的一臺靜電加速器的相關參數(shù)為基礎，重建了一個靜電加速器，只保留了必要部件，略去了對原理說明不重要的其它部件。

該靜電加速器是立式設計。

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(藍色)。

高壓電極中有個轉(zhuǎn)筒(藍色)，與左側(cè)的轉(zhuǎn)筒對應。環(huán)繞兩個轉(zhuǎn)筒的就是輸電帶(白色)。

輸電帶下方有兩個三角形柱體(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。電荷自身會自動轉(zhuǎn)移到高壓電極的外部。

高壓電極外表面聚集電荷后就會相對于地電勢產(chǎn)生電壓，公式是V=Q/C，V是電壓，Q是電荷，C是高壓電極對地電容，具體到本設計，左側(cè)由四個圓柱支撐的圓形基座就處于地電勢。

最外側(cè)的是一個密閉鋼桶，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。

高壓電極對鋼桶和基座都處于高電勢，前者是徑向，后者為軸向。為使徑向電勢降落盡量均勻，一般安置1~3個中間電極(后面會有說明)；為使軸向電勢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(長軸與分壓片表面垂直)效果更好。

穿過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”字形的三個小圓孔是絕緣柱通道，負責將多個分壓片穿起來。

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分壓電阻(圖中黃色的細圓柱體)，調(diào)節(jié)分壓電阻使各分壓片之間有大致相同的電勢差。分壓電阻的功能也可由“電暈針尖間隙”來代替，或兩者并用。

加裝均壓器件后，沿軸向，高壓電極對基座的電勢差被分割為多個等差的小電勢差，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。每個加速電極都嵌入到對應的分壓片中，這樣，加速電極之間也具有相等的電勢差，見下圖。

據(jù)說單極靜電加速器的工作電壓可以達到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。

假設靜電加速器工作電壓就是20兆伏，對質(zhì)子(Z=1)來說，可獲得20兆伏的能量；對碳離子(Z=4)來說，可獲得80兆伏的能量，這樣的能量對放射治療來說是遠遠不夠的。

能量公式也說明，單級靜電加速器對重離子有利。

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

由單級靜電加速器向雙極靜電加速器的進化并不復雜，主要有幾點：

這樣改造后，就實現(xiàn)了一次增壓兩次加速，具體過程如下：

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

單級靜電加速器與雙極靜電加速器的串接要求單級靜電加速器的離子源為負離子源，其高壓電極為負高壓，射束加速過程是：

三次加速后的能量變化為 W=V(Z+2)。對質(zhì)子(Z=1)，能量是單級的3倍；對碳離子(Z=4)來說，能量只是單級的1.5倍。

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

可惜的是，對高速粒子來說附加電子的效率太低(只有百分之幾)，使得繼續(xù)加速已無意義。

如不改變電性，射束將無法沖破高壓電極建立起來的高壓勢壘。

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

為使改造顯得平順，改造分兩步進行，第一步是虛擬的；第二步是實質(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，見下圖。

共設置了四個漂移管(粉色)，第一個漂移管與高壓電極相連；第二個漂移管與內(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，看看會發(fā)生什么。

射束在高壓電極中進入漂移管時，是從一個漂移管(高壓電極也是漂移管)無間隔地進入到另一個漂移管，漂移管中電場被屏蔽，射束不被減速；射束在兩個漂移管之間跨越時，由于存在反向電勢差，射束被減速；射束從最后一個漂移管出來時，射速已降低為零，這就是所說的高壓勢壘。

為了使射束只漂移不減速，就需要進一步改造。

第二步：用“交錯層疊漂移管”取代間隔串接的等直徑的漂移管，見下圖。

交錯層疊漂移管的基本特征是：

被加速的射束在高電勢處進入漂移管，但從最后一個漂移管出來時已是地電勢，過程中，電場始終被屏蔽，射線沒有被減速。

就這樣，射線在沒有被減速的情況下沖破了高壓勢壘。

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

這就是交錯層疊漂移管發(fā)揮作用的機制。

下圖是交錯層疊漂移管的一種演變。

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

下圖是交錯層疊漂移管的再次演變。

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

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

再次演變的高壓電極和各級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)形絕緣體是用來對高壓電極、中間電極和分壓片等提供接力支撐，因為該D-G高壓加速器采用的是臥式設計。

接下來作者將為大家?guī)碛蒁-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，敬請期待。(質(zhì)子中國 編輯報道)