德国Max-Plank研究所[6]研制的粉尘加速器 是一个2 MV的静电加速器，可以将0.026 nm 的带电粒子加速到1100km/S,粒子材料可以是 金属、碳或聚合物涂层的橡胶。

 

Max-Plank研究所在设备研制初期采用的粉 尘源需要对粒子反复作用才能使粒子带电，只有 少数粒子发射出去，大部分粒子滞留在充电部分

的底部，从而造成大量粒子损失。图2所示的粉尘 源是该所设计的新型粉尘源，具有质量小（1.7kg， 旧粉尘源质量为2.4kg)、易于操作、贮藏箱重新 装填粉末快捷等特点，其粒子带电单次作用即可 完成。表1给出了 Max-Plank研究所使用粉尘静 电加速器对几种材料粒子加速的实验结果。

表1几种材料在粉尘加速器加速的实验结果比较 Table 1 The experiment results for several materials used by dust accelerator

材料 密度/(kg_m_3) 粒子尺寸/pm 速 S/Oon.s-1)

Fe 7900 0.02—2.50 1.5-80.0

A1 2700 0.05—2.50 1.5-50.0

C 2200 0.20 1.00 1.5 25.0

橡胶 1 100 0.71—0.74 4.0 21.0

橡胶 1 100 1.45 1.71 1.5 8.0

*橡胶 1 100 2.00 2.44 1.5 4.0

*Cu 8900 0.40 1.60 2.0 6.0

* Ag 10500 0.60 2.50 1.5 8.0

 

*仅在加速电压20kV下进行，速度由外推获得。

日本有3台粉尘静电加速器[7_9]: —台是25 kV 粉尘加速器，加速速度小于2km/S;另一台是东 京大学核科学与技术研究中心3.75 MV Van de Graaff静电加速器，通过替换成粉尘源来实现粉 尘加速，加速范围120km/s;再一台是日本空 间和航天科学研究所(ISAS)的粉尘静电加速器， 加速电压为100kV。其中，25kV粉尘加速器由于 加速能力限制，已不能满足实验要求;3.75 MV Van de Graaff加速器主要用于核材料的中子束模拟及 辐射效应等方面的研究，只能部分用于粉尘加速 实验；100kV加速器专门用于粉尘静电加速，操 作简便且费用低，但加速能力要比3.75 MV低。 图3给出了日本100 kV粉尘静电加速器的结构 示意图。采用的粉尘源由德国Max-Plank研究所 提供

过测量带电粒子在两个探测器之间的飞行时间即 可获得粒子速度；同时，探测器与电荷灵敏放大 器连接，通过电荷灵敏放大器的输出电压（与粒 子所带电荷成正比）可获得粒子电荷。由粒子速 度和电荷可以计算出粒子质量、动量以及动能。

 

当100 kV加速器对0.1哗以下带电粒子进行 加速时，由于粒子所带电荷少，致使放大器的输 出电压非常小，和放大器本身干扰信号处于同一 量级，粒子电荷难于测量。3.75 MV加速器对于 0.3 nm以下带电粒子测量困难。

 

3.75 MV加速器可将lum的碳粒子加速到 10km/s。对3.75MV加速器和100kV加速器的加 速能力进行了实验比较[9]，结果表明100kV加速 器加速能力要比3.75 MV加速器低6倍，如图4 所示。

-a-- Carbon 90kV(L00kV) Carbon 3MVmiT)

图4 3.75MV加速器和100kV加速器的加速能力比较 Fig. 4 A comparison of accelerating ability between the 3.75MV and the 100kV dust accelerator

 

美国明尼苏达州的Concordia大学拥有1台 2MV的粉尘粒子加速器。1999年以后，与德国 Max-Plank研究所及英国Kent大学等合作，开始 进行相关实验工作。实验通常采用15 pm直径的 铁粒子，也对0.07 fim和1 pm的铜粒子进行过研 究。设备可以将1 nm直径的铁粒子加速到0.5‰14km/s。包括粒子的产生、加速及实验在内的整 个过程都是在真空条件下进行。

 

美国的Phillips实验室和Los Alamos国家实验 室也通过粉尘静电加速器开展了一些研究工作。

 

另外，英国Kent大学空间科学与天体物理 中心[1()_13]及俄罗斯萨马拉大学也建有静电粉尘加 速装置。Kent大学拥有的2 MV Van de Graaff粉 尘加速器能够将质量0.044 nm的粉尘粒子加速 到 0.590 km/s。

4讨论

 

尽管粉尘静电加速设备构造比较复杂且实验 过程中使用高压，但在模拟微米级空间碎片超高速 撞击方面仍然具有无法替代的优势:在整个实验过 程中无爆炸或辐射产生，可以实现单个粒子的撞 击，且粒子速度测量方便。更为理想的是，粉尘静 电加速设备利用成熟的Van de Graaff加速器，通 过配置粉尘源对加速器进行改造,即可达到加速微 米级空间碎片的目的。