构造新型粒子治疗加速器：D-G静电加速器
静电加速器是最早开发用来加速带电粒子的加速器，但由于单级静电加速器的加速能力有限，多级串接的静电加速器串接的数目也有限，所加速粒子达不到放射治疗所需能量，因而仅作为同步加速器或直线加速器的注入器。
作者构思了两款新式静电加速器，可将单级静电加速器无限串接，直至能将带电粒子加速到放射治疗所需能量。一种叫D-G静电加速器，一种叫H&H静电加速器。本篇为大家介绍D-G静电加速器。
D-G静电加速器的全称是“从地电势向高电势加速的单极静电加速器”，取“地”的拼音字头为“D”、“高”的拼音字头为“G”简称为“D-G静电加速器”。
D-G静电加速器源自静电加速器，是对静电加速器的改造，为便于理解，需从静电加速器说起。
1单级静电加速器
作者以中国科学院研制的一台静电加速器的相关参数为基础，重建了一个静电加速器，只保留了必要部件，略去了对原理说明不重要的其它部件。
该静电加速器是立式设计。
这是将加速器水平放置的剖面图，便于放大观察。
图中，右侧柱体和球体结合的中空的物体是高压电极(蓝色)。
高压电极中有个转筒(蓝色)，与左侧的转筒对应。环绕两个转筒的就是输电带(白色)。
输电带下方有两个三角形柱体(黄色)，左边的是喷电针排，右侧的是括电针排。
喷电针排与一个接地的高压电源接通，为其提供几到几十千伏的高压。带有高压的喷电针排会向输电带喷射电荷。电荷经输电带传送到括电针排处。与高压电极连通的括电针排再将电荷转移到高压电极的内部。电荷自身会自动转移到高压电极的外部。
高压电极外表面聚集电荷后就会相对于地电势产生电压，公式是V=Q/C，V是电压，Q是电荷，C是高压电极对地电容，具体到本设计，左侧由四个圆柱支撑的圆形基座就处于地电势。
最外侧的是一个密闭钢桶，包围着静电加速器，向其内注入高压气体，以降低高压电极的击穿电压，从而提升加速器的工作电压。
钢桶与基座相连，也处于地电势。
高压电极对钢桶和基座都处于高电势，前者是径向，后者为轴向。为使径向电势降落尽量均匀，一般安置1~3个中间电极(后面会有说明)；为使轴向电势均匀降落一般采用一组分压片，下图中等间距排列的绿色圆盘就是分压片。
圆盘的边缘为直径略大于圆盘厚度的圆弧，如为椭圆形弧(长轴与分压片表面垂直)效果更好。
穿过分压片的矩形孔为输电带通道。
输电带通道上方的圆孔为加速粒子通道。
倒“品”字形的三个小圆孔是绝缘柱通道，负责将多个分压片穿起来。
在所有通孔的边缘都安有绝缘垫，起间隔和连接作用。
在分压盘之间、分压片与高压电极之间和分压片与基座之间均连接一个分压电阻(图中黄色的细圆柱体)，调节分压电阻使各分压片之间有大致相同的电势差。分压电阻的功能也可由“电晕针尖间隙”来代替，或两者并用。
加装均压器件后，沿轴向，高压电极对基座的电势差被分割为多个等差的小电势差，使高的电压小幅等差降落。
高压电极中的黄色柱体为离子源，由其发出的带电粒子束经安置在高压电极和基座之间的加速管加速。
加速管由与分压片数目相同的带有中孔的更薄的加速电极(粉色)构成。每个加速电极都嵌入到对应的分压片中，这样，加速电极之间也具有相等的电势差，见下图。
据说单极静电加速器的工作电压可以达到20兆伏。
静电加速器加速粒子的能量公式是(以电子伏特为单位)W=ZV ，其中W为粒子获得的能量，Z为离子携带电荷数，V为静电加速器工作电压。
假设静电加速器工作电压就是20兆伏，对质子(Z=1)来说，可获得20兆伏的能量；对碳离子(Z=4)来说，可获得80兆伏的能量，这样的能量对放射治疗来说是远远不够的。
能量公式也说明，单级静电加速器对重离子有利。
2双级静电加速器
为实现一次增压两次加速，人们发明了双极静电加速器，见下图。
由单级静电加速器向双极静电加速器的进化并不复杂，主要有几点：
将高压电极的形状由球体加圆柱体改为圆柱体；
将加速管和分压器件从左侧复制一份到右侧；
将原高压电极中的离子源移到左侧加速器外边(黄色)，原来的位置换为“剥除电子通道”(黄色)。
这样改造后，就实现了一次增压两次加速，具体过程如下：
左侧的离子源发出负离子，由地电势向正高压的高压电极加速；
在高压电极内，射束经过剥除电子通道后，由负离子转变为正离子；
转变为正离子的射束由正高压向地电势再次加速。
双极静电加速器的能量公式为 W=V(Z+1)，对质子(Z=1)，能量提高了一倍；对碳离子(Z=4)来说，能量只提高了25%。因此双极加速器对质子更有意义。
3单级与双极静电加速器的组合
单级静电加速器与双极静电加速器的串接要求单级静电加速器的离子源为负离子源，其高压电极为负高压，射束加速过程是：
负离子束通过单级静电加速器，由负高压加速到地电势；
负离子束再进入双极加速器，由地电势加速到双极静电加速器中正高压处的高电势；
负离子束经剥除电子通道改变电性后，再由正高压加速到低电势。
三次加速后的能量变化为 W=V(Z+2)。对质子(Z=1)，能量是单级的3倍；对碳离子(Z=4)来说，能量只是单级的1.5倍。
4单级与两个双极静电加速器的组合
射束从第一个双极静电加速器出来后是正离子束，处于地电势，进入第二个双极静电加速器后被加速到负高压，高压电极中安置一个“附加电子通道”(蓝色)，意图使正离子束改变电性后再由负高压加速到地电势。
可惜的是，对高速粒子来说附加电子的效率太低(只有百分之几)，使得继续加速已无意义。
如不改变电性，射束将无法冲破高压电极建立起来的高压势垒。
总结以上几步，得出结论，由负离子源发端的负离子束只能连续被加速三次，最终以正离子束引出。
5改造双极静电加速器：D-G静电加速器
为使改造显得平顺，改造分两步进行，第一步是虚拟的；第二步是实质的。
第一步：将双极静电加速器一侧(右侧)的由高压电极构成的加速管改为漂移管，漂移管也是加速管的一种，见下图。
共设置了四个漂移管(粉色)，第一个漂移管与高压电极相连；第二个漂移管与内中间电极相连，该中间电极的另一端与分压片组合中的1/3处的分压片相连；第三个漂移管与外中间电极相连，该中间电极的另一端与分压片组合中的2/3处的分压片相连；第四个漂移管与钢桶相连，这样安排使各漂移管之间有大致相同的电势差(等于漂移管之间的电压除以漂移管之间的间距)。
高压电极中取消了电子剥离器，看看会发生什么。
射束在高压电极中进入漂移管时，是从一个漂移管(高压电极也是漂移管)无间隔地进入到另一个漂移管，漂移管中电场被屏蔽，射束不被减速；射束在两个漂移管之间跨越时，由于存在反向电势差，射束被减速；射束从最后一个漂移管出来时，射速已降低为零，这就是所说的高压势垒。
为了使射束只漂移不减速，就需要进一步改造。
第二步：用“交错层叠漂移管”取代间隔串接的等直径的漂移管，见下图。
交错层叠漂移管的基本特征是：
多个漂移管在轴向上相互交错；
多个漂移管的直径在径向上依次放大。
被加速的射束在高电势处进入漂移管，但从最后一个漂移管出来时已是地电势，过程中，电场始终被屏蔽，射线没有被减速。
就这样，射线在没有被减速的情况下冲破了高压势垒。
其实，漂移管之间的电势差并没有消失，而是从轴向方向转到径向方向。
这就是交错层叠漂移管发挥作用的机制。
6交错层叠漂移管的演变
下图是交错层叠漂移管的一种演变。
此图是在不违背交错层叠漂移管定义的前提下，修改一些交错层叠漂移管的相关参数得到的：
最细漂移管的外接圆盘直接与高压电极右侧相连。
最细漂移管的内径放大到与高压电极的内径相同；第二漂移管的内径放大到与“内”中间电极的内径相同；第三漂移管的内径放大到与“外”中间电极的内径相同；最右侧漂移管的内径放大到与钢桶的内径相同。
最细漂移管的右端与第二漂移管的右端齐平，第二漂移管的右端与第三漂移管的右端齐平，第三漂移管的右端与第四漂移管的右端齐平，最后，第四漂移管的右端与钢桶的右端齐平。
下图是交错层叠漂移管的再次演变。
由于担心高压电极过于前出(向右)，会与右方的其它电器产生感应，又将高压电极和中间电极等间距地缩了回来。
如前两图所示，构成交错层叠漂移管的几个漂移管分别于高压电极、几个中间电极和钢桶融为一体，虽然交错层叠漂移管的形迹不见了，它的作用还在发挥。
再次演变的高压电极和各级中间电极的直径做了外放处理，制图依据是：
钢桶球形半径与高压电极球形半径的最佳比例为2：1，
钢桶柱体半径与高压电极柱体半径的最佳比例为2.718：1。
这种倒置球体与柱体的连接，使两个最佳比例的过度更为平滑。
高压电极直径的放大，一方面可增加高压电极的外表面积，进而增加工作电压；另一方面可使高电荷区域远离射线的轴线。
上图中的绿色、粉色和白色环形绝缘体是用来对高压电极、中间电极和分压片等提供接力支撑，因为该D-G高压加速器采用的是卧式设计。
接下来作者将为大家带来由D-G静电加速器串接而成的重离子放疗加速器及H&H静电加速器，敬请期待。(质子中国 编辑报道)