专利名称：粒子加速器的制作方法
本发明涉及一种粒子加速器，特别是一种电子加速器。
一百多年以来，X射线的特性已被广泛应用。这是因为该放射线有能够穿透物质的特征，吸收率同时取决于被穿透材料的厚度和特性。这样，如果任何物体受到X射线的照射，和如果使用一装置能够在该物体的后面逐点恢复剂量水平，可以用该方法获得关于它的内部性质的信息，从外面不能看到的它的缺陷的信息，或是否含有杂质的信息。
最公知的应用当然是医学，但是X射线也广泛地用于工业上探测缺陷或杂质，和在安全领域检查行李或各种包裹。
尽管这些技术随时间的流逝已经有相当大变化，但是用于产生X射线的主要设备还是相同的。它们仍包括(图1)至少两个电极，阳极a和阴极b，它们之间的高电压发生装置1可施加高电位差(几十或几百千伏)。阴极b相对于阳极a处在负电位。此外，阴极b包括一装置(通常是热丝f达到2000℃)，该装置可向由电场加速的电子提供初始能量，这些电子将在阳极(a)的方向形成高速传播的电子束d。当这些电子d到达阳极时，它们突然减速释放能量，这些能量大部分转换成热量，同时一小部分转变成X射线辐射。
只有电子完全自由移动该装置才可运行，因此需要将其放入抽成真空的室。由于该室本身连接阳极和阴极，所以必须有绝缘体使其可以经受住存在于两电极之间的大的电位差。图1中，绝缘体由玻璃c构成。
此外，由于系统的外部承受高电场的影响，所以必须将其浸入液体或气体介质中，例如，绝缘油或均匀增压的六氟化硫(SF6)中。该绝缘体装在接地的腔室m中。
X射线管的绝缘体仍是它们的主要弱点。
首先，由于管的腔室中的真空度不可能很理想，电子束d可能遇到残留的分子并使它们电离，这样将产生可能聚集在绝缘体c上并且使其带电的“漫游”电子g，该绝缘体的特性使这些电荷难于很快地去除。这样，绝缘体c上的电场由于栅极效应而可能局部地到达高到足以使阴极电流不稳定的值，有时甚至损坏绝缘体。
第二，阳极a和阴极b之间的电位不会均一地分布。图1表示出在该特定结构中的等电位线e的近似位置。可以看出这些等电位线的大部分位于阳极-阴极区的对面，由于绝缘体上的电场不均一，所以为了抵抗它要受到的介电应力需要绝缘体有很大的长度。
由于市场上日益需要较小体积的大功率发生器，为了在该方向发展，已开发了各种技术。
第一个改进(图2)在于将绝缘体(c)移入很少暴露于漫游电子的区域。这种情况下，绝缘体不再在阳极-阴极区内，而由围绕阴极的盘构成。然后管的腔室由接地金属罩(h)封闭。可以看见由通过电子束的分子的离子化产生的电子g不再直接到达绝缘体c。然而它们还可撞击罩h并产生可到达绝缘体c的次级电子j。该解决方案当然是相对于图1的基本结构的改进。然而对等电位线e的分析显示电压并不总是均一分布，这将阻碍小尺寸获得高电位。此外，绝缘体并不总能是完全避开漫游电子，这意味着为保护绝缘体必须采取复杂和高成本的解决方案。
后来另一个改进(专利US5 426 345，图3)在于由连接到选定电位的中间电极k将绝缘体分成两部分c1、c2，使得沿该绝缘体的电压分布最优化。该中间电位可通过例如制作电阻分压器或甚至将该电极连接到电压倍增器1的一级来获得。该解决方案可减小绝缘体的尺寸，然而它还是太大，并根本没有解决漫游电子的问题。
电压倍增器1是根据公知的科克罗夫特-沃尔顿(Cockroft-Walton)线路制作的电压发生器。它由一定数量的由二极管和电容器形成的级的组件构成，其中在由一级到另一级时电压递增。图4a、4b和4c表示用于制作该类线路的一些可能的结构(4级倍增器的情况)。可在文献中查到许多不同的方案。
这种倍增器的应用可形成另外的解决方案(专利US-A-5 191 517，图5)。它在于将绝缘体c置于阳极-阴极区，并将其分成与在倍增器中有的级一样多的许多段。然后将分割这些段的中间电极k连接到沿倍增器存在的不同的电位。等电位线(未画出)实际上垂直于管的轴线排列并穿过电极k。该解决方案因此可获得实质上理想的电压分布，因此可用极小的绝缘体长度。然而，漫游电子的问题还完全存在，另外，由于倍增器1是在绝缘体的外部件上，提供的功率一增大，部件的外径就立即增大，这是对多数应用的阻碍。

下面是本发明提出的解决方案绝缘体c设置在阴极的延伸部。特别是，由绝缘体和电压倍增器形成的单元沿中心轴线在阳极和阴极b形成的区域的延伸部设置在腔室h中。这样它处于被漫游电子撞击的可能性大大减小或甚至实质上为零的区域。

图1、2、3是现有技术中粒子加速器的示意图。
图4a、4b、4c表示电压倍增器的可能电路结构。
图5是现有技术中粒子加速器的示意图。
图6是根据本发明的粒子加速器的示意图。
图7a、7b、7c是本发明中电极形状的实例。
在图6所述装置中使用的电压倍增器的实例示于图4c中。特别是，该倍增器包括7个级，且示意性地阐明各电极k1至k6如何连接到倍增器的各级。
由此绝缘体被分割成与供给管的倍增器中的级一样多的部分，确切地讲如图5的实施例所示。本质差别在于在本发明中，电压倍增器可设在包括X射线管的空间内，这可使部件的尺寸特别是外径极大地减小。换句话说，电压倍增器封装在绝缘件中。
尺寸减小的原因通过比较图3和6可清楚地看出。图3中表示已知解决方案，可以看见，为了减小承受的电场，等电位线必须沿穿过绝缘体的半径完全隔开。
相反，在表示本发明的图6中，可以看见，受高电场影响的所有区域，也就是说等电位线相互靠得很近的地方，是在真空中，因此可更容易承受这些应力。此外，绝缘体沿倍增器分布，即在等电位线分布很好的区域中。这就可以制造出比所有现存解决方案中的有更小直径的系统，同时大大减小了应力，这样就增加了可靠性。
中间电极的形状必须仔细研究，使得尽可能多地减小电场，并提供最大保护使绝缘体免受残留的漫游电子的影响。
图7a、b、c表示这些电极形状的三个实例。有限元计算显示图7c的方案，也就是远端平行于腔室壁设置的每个电极，是最能减小电场而提供对绝缘体的最大保护的电极。
该结构有另一个明显优点。特别是，如果考虑图6中的中间电极k1至k6，可注意到这些电极相对于管壁有电容。参照图4c的线路，应注意到该电容正好实现了在图的下部接地的电容器的作用。换句话说，在每个电极和地之间形成电容器。这些电容器因此可用于制作电压倍增器。因此不需要将这些电容器置于倍增器自身中。因此在尺寸和费用上节约了。
现在的描述基于电压倍增器。其它相同的技术也在本发明的范围内。
因此可以将所描述的结构用于电压倍增器以外的设备，只要该设备可设置各中间电极的电位。例如，这种设备可以是电阻电压分压器，或其它级联变压器。
1.粒子加速器，包括有中心轴线的导电腔室(h)；沿中心轴线连接到腔室的阳极(a)；沿中心轴线封装在腔室中的阴极(b)；将阴极连接到腔室的绝缘部件(c)，绝缘部件包括由电极(k1至k6)分隔开的几段，其中绝缘体沿中心轴线在由阳极(a)和阴极(b)形成的区域的延伸部设置在腔室(h)中。
2.根据权利要求1所述的粒子加速器，包括由导电材料制成的有中心轴线的腔室(h)；沿中心轴线电连接到腔室的阳极(a)；沿中心轴线封装在腔室中的阴极(b)；将阴极连接到腔室的绝缘部件(c)，绝缘部件包括几段；包括几个级的电压倍增器，每个级在预定电位有接点；一系列从绝缘体的各段之间插入的电极，这些电极的每一个连接到电压倍增器的每一个级；其中电压倍增器封装在绝缘部件中；且由绝缘体和电压倍增器形成的单元沿中心轴线在由阳极和阴极(b)形成的区域的延伸部设置在腔室(h)中。
3.根据权利要求1或2所述的粒子加速器，其中每个电极包括平行于腔室的壁设置的远端，这样在每个电极和地之间形成电容器。
本发明涉及一种粒子加速器。加速器包括由导电材料制成带有中心轴线的腔室(h)。阳极(a)沿中心轴线电连接到腔室;阴极(b)沿中心轴线封装在腔室中;绝缘部件(c)将阴极连接到腔室,绝缘部件包括由电极(k1至k6)分隔开的几段。绝缘体沿中心轴线在由阳极(a)和阴极(b)形成的区域的延伸部设置在腔室(h)中。
发明者阿莱恩·保鲁斯, 雅克·古福克斯 申请人:工业控制机器公司

太阳耀斑是我们太阳系中最猛烈的爆炸之一，但尽管它们具有巨大的能量——相当于同时引爆一千亿颗原子弹——物理学家仍然无法准确回答太阳上这些突然爆发的确切原因能够在一小时内将粒子发射到近 9300 万英里外的地球。

现在，在 6 月 8 日发表在《自然》杂志上的一项研究中，新泽西理工学院 (NJIT) 的研究人员已经确定了太阳耀斑带电粒子加速到近光速的精确位置。

通过 NJIT 的扩展欧文斯谷太阳阵列 (EOVSA) 射电望远镜在 2017 年对 X 级太阳耀斑的观测，这项新发现成为可能，揭示了一个高效的粒子加速器，位于火山喷发最亮点的尖端。太阳的外层大气，称为耀斑的“尖端区域”，爆炸的环境等离子体在此转化为高能电子。

研究人员表示，该区域的发现体积几乎是地球的两倍，可以为研究宇宙中普遍存在的粒子加速基本过程打开新的大门。

“这项研究的发现有助于解释太阳耀斑如何在几秒钟内产生如此多能量的长期谜团，”该论文的通讯作者、新泽西理工学院日地研究中心杰出的物理学研究教授 Gregory Fleishman 说. “耀斑在比经典太阳耀斑模型预期的更广阔的太阳区域释放能量。尽管其他人假设这一定会发生，但这是该关键区域的具体大小、形状和位置首次出现已经确定，并且已经测量了耀斑内能量转换为粒子加速的效率。”

这一发现是在 2020 年发表在《科学与自然天文学》上的单独研究之后进行的，其中 EOVSA 对耀斑和太阳磁场变化的详细快照——一次以数百个无线电频率拍摄——最初使 NJIT 团队在该位置上处于领先地位.

“我们最近的研究表明，耀斑尖端可能是产生这种高能电子的位置，但我们不确定，”新泽西理工学院副教授、该论文的合著者陈斌解释说。“我们最初在该地点发现了一个磁性瓶状结构，与耀斑中的其他任何地方相比，它含有大量的电子，但现在通过这项研究的新测量，我们可以更有信心地说这是耀斑的粒子加速器。''

使用 EOVSA 独特的微波成像能力，该团队能够在 2017 年 9 月 10 日沿太阳表面的磁力线重新配置触发的 X 级太阳耀斑的数百个位置测量电子的能谱。

“EOVSA 的光谱成像为我们提供了耀斑热等离子体逐秒演化的综合地图。但令我们惊讶的是，我们发现的是热等离子体图中的一个神秘洞，它开始在耀斑的尖端发展，”说Gelu Nita，新泽西理工学院研究教授和该论文的合著者。“更重要的是，随着该区域的热粒子消失，该洞随后被非热高能粒子密集填充。”

该团队的分析揭示了太阳耀斑的粒子加速器内一个非常有效的能量转换过程，来自太阳磁场的强烈能量被迅速释放并转化为该区域内的动能。

“我们想知道这种能量转换过程的效率有多高……这个区域有多少粒子会被加速超过爆炸的热能?” 研究合著者、新泽西理工学院助理研究教授余思杰补充道。“使用太阳的极紫外数据，我们证实，在低于几百万开尔文的热能下，该区域内几乎没有任何粒子，这与 EOVSA 测量结果一致，即粒子都被加速到大于 20 keV 的非热能，或近 1 亿开尔文。”

该团队现在表示，这些最新发现可以帮助科学家研究在地球上不可能发生的粒子物理学的基本问题，并为未来太空天气事件中来自太阳的这种高能粒子如何影响地球提供新的见解。

“这项研究的一个重要方面是，它将理论家的注意力引导到发生大部分能量释放和粒子加速的精确位置，并提供定量测量来指导数值模型，”NJIT 杰出教授兼主任 Dale Gary 说。 EOVSA。“然而，为了将我们的测量扩展到更广泛的耀斑区域和更弱但更频繁的耀斑事件，我们正在开发一种称为频率捷变太阳射电望远镜的下一代太阳能专用无线电阵列，它的体积将至少大 10 倍，并订购更强大的数量级。”

“我们仍然想研究驱动太阳耀斑中粒子加速的物理机制。但未来的研究必须解释我们现在对这些巨大爆炸的了解——包括尖端区域的主要能量释放和带电粒子的 100% 效率发生加速，”弗莱什曼说。“这些发现要求对我们用来研究太阳耀斑及其对地球影响的模型进行重大修改。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的资助。

　　随着研究人员在我们的银河系中发现十几个超强大的天然粒子加速器，百年之久的天体之谜离被解决又近了一步。

　　这些发现有助于天文学家了解宇宙射线的起源，即带电粒子和原子核以近光速在太空中飞行，其中充满了令人难以置信的能量。

　　据美国宇航局称，宇宙射线是在1912年发现的，它几乎从银河系的各个方向到达，尽管科学家们尚未确切确定它们如何达到其超快速度。

　　中国南京附近紫金山天文台的天体物理学家刘思明告诉《生命科学》，许多研究人员怀疑宇宙射线在超新星爆炸中死亡时会从大量恒星中甩出。他补充说：“在这样的事件中，恒星在两个月内释放出与他们一生相同的能量。”

　　刘说：“但即使像这样的强力爆炸，也只能赋予宇宙射线不到千万亿电子伏特（PeV）或四千万电子伏特的电压。天文台已经捕获了超高能宇宙射线，其能量超过了这一水平，到目前为止，还没有人能够弄清楚它们来自宇宙中的何处。”

　　刘说，发现宇宙射线的来源一直很困难，因为作为带电的实体，它们会被银河中丰富的磁场偏转。他补充说，这意味着在地球上捕获的宇宙射线不会直接指向其起点。

　　但是，当它们远离源头喷射时，宇宙射线可以与周围的气体相互作用，并以宇宙射线能量的十分之一产生伽马射线。这些射线不带电，因此沿直线传播，为发现它们的来源提供了一种方法。

　　刘和他的同事们一起使用了中国的大型高空空气淋浴天文台（LHAASO），它是四川省青藏高原边缘海子山顶上正在建设的设施，用于间接观察伽马射线光。随着伽玛射线撞击地球大气层，它们生成可以在LHAASO的上千台探测器，这将最终蔓延超过0.4平方英里（1平方公里）的区域被捕获粒子簇射，根据一份新闻稿。

　　尽管仅在阵列工作的一半时就获得了数据，但它能够揭示整个银河系的十二种来源——被称为PeVatrons，因为它们能够向具有Peta电子伏特的能量注入亚原子粒子。这些实体的力量至少是地球上最大的粒子加速器大强子对撞机的100倍。

　　研究小组还探测到了有史以来最强大的伽马射线光子或轻粒子——一个具有1.4 PeV的物体。他们于5月17日在《自然》杂志上报告了他们的发现。

　　在PeVatron中有一些很熟悉的天体，例如蟹状星云，它已知含有一颗被称为脉冲星的死星，它可能是宇宙射线加速器的潜在嫌疑人。但清单上还包括天鹅座星座中一个活跃的恒星形成区域，研究人员不得不为正在那里发射出如此强大的粒子而scratch之以鼻。

　　刘说：“LHAASO只能将PeVatron辐射源定位在几十或几百个光年内，因此很难确切知道每个区域的哪些物体正在引起加速。”

　　尽管如此，“这是迈出的重要一步，”德国马克斯·普朗克物理研究所的天体物理学家Razmik Mirzoyan告诉Live Science。Mirzoyan补充说：“LHAASO很快将比以前的任何此类望远镜大四倍，这将使其开启超高能观测的新时代。”

　　Mirzoyan是合作的一部分，该合作正在南半球建立类似的设施，以磨练超高能宇宙射线源。他说：“通过将来自该设施的信息与来自在电磁光谱中观察到的望远镜和观察中微子的望远镜数据相结合，有可能该领域最终将在约10年内知道这些神秘实体的起源。”

　　Lui同意，将来用LHASSO和其他仪器进行的观测应该有一天可以帮助查明宇宙射线如何达到如此惊人的速度和能量。他说：“我们希望我们能解决这个问题。” “这些观察结果为回答这个问题提供了可能性。”