Перезарядный ускоритель – высоковольтный ускоритель, в котором благодаря перезарядке ускоряемых частиц (изменение знака, а иногда и величины заряда) одно и то же ускоряющее напряжение применяется дважды: отрицательные ионы ускоряются при движении к положительно заряженному высоковольтному электроду, а положительные ионы, образовавшиеся после перезарядки – при движении от него к электроду с нулевым потенциалом (рис.1). Использование перезарядки позволяет при том же напряжении генератора увеличить энергию протонов вдвое, а энергию более тяжелых частиц в несколько раз. При этом облегчаются питание и обслуживание ионного источника, который находится под нулевым потенциалом. Образующиеся после перезарядки частицы с различными зарядами ускоряются до разных энергий, поэтому для их разделения после ускорения необходима сепарация, осуществляемая магнитом и полем перпендикулярным направлению движения частиц.

 

Энергия частиц на выходе перезарядного ускорителя равна

,

где U — напряжение высоковольтного генератора, a Z^- и Z⁺ — числа элементарных зарядов частицы до и после перезарядки (обычно Z^-=l). Дополнительное преимущество перезарядного ускорителя — нулевой потенциал ионного источника.

Добавление ещё одного генератора противоположной полярности (двойной тандем, рис. 2) позволяет повысить энергию частиц до величины

.

Типичная энергия протонов, ускоряемых в перезарядном ускорителе  = 10 - 20 МэВ.
Идея использовать перезарядку для увеличения энергии ускоряемых частиц предложена У. X. Беннеттом (США) в 1935. Она была реализована лишь в 1958, после разработки эффективных источников отрицательных ионов и перезарядных мишеней - газовых и твёрдых (отрицательные ионы могут быть получены непосредственно из источника или перезарядкой положительных ионов на газовой или пароструйной мишени, перезарядкой при взаимодействии пучка с твёрдой поверхностью, покрытой атомами щелочных металлов, и т. д.).

Применение высоковольтных ускорителей на протяжении десятков лет, начиная с создания в 1932 первого высоковольтного ускорителя, основной областью их применения была ядерная физика. С помощью высоковольтных ускорителей получены важные сведения о внутреннем строении атомных ядер, об энергиях связи нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, о сечениях ядерных реакций, о поверхностной и объёмной структуре твёрдых тел и т.д. Помимо непосредственного использования в физических экспериментах, высоковольтные ускорители применяются для предварительного ускорения заряженных частиц в крупнейших циклических и линейных ускорителях, для нагрева плазмы в стационарных термоядерных установках, быстрого нагрева мишеней в импульсных термоядерных установках и т.д.

Благодаря низкой стоимости и компактности высоковольтные ускорители нашли широкое применение в различных технологических процессах на промышленных предприятиях. Небольшие ускорители ионов с энергией 100–200 кэв применяются для легирования тонких слоев полупроводников при создании приборов радиоэлектроники, а также для получения нейтронов облучением мишеней, содержащих тритий, ускоренными ионами дейтерия. Такие источники нейтронов (нейтронные генераторы) могут быть использованы, например, для проведения активационного анализа различных веществ, исследования стойкости элементов ядерных реакторов к нейтронному облучению и т.д. Разработаны нейтронные генераторы с потоками свыше 10¹² нейтронов/сек.

Ускорители электронов с энергией 1–2 Мэв и мощностью в несколько кВт могут служить генераторами рентгеновского тормозного излучения в промышленной дефектоскопии. Излучение возникает при взаимодействии электронного пучка с мишенью из тяжёлого металла, например вольфрама. Малые размеры электронного пучка на мишени (единицы или доли мм) позволяют получить рентгеновские снимки с высоким разрешением.

Перспективное направление практического использования электронных ускорителей с энергией 0,2–3 Мэв и мощностью 10–100 кВт – обработка электронными пучками различных материалов с целью придания им новых свойств путём радиационной полимеризации, радиационной вулканизации, деструкции и т.д.

1. Электростатический перезарядный ускоритель УКП-2-1 (Казахстан)

Ускоритель УКП-2-1 - электростатический тандем тяжелых ионов на основе каскадного генератора Кокрофта-Уолтона. На ускорителе получены ускоренные пучки протонов, тяжелых ионов (до таллия) и инертных газов с энергией до 2 МэВ/нуклон. Благодаря ряду усовершенствований достигнут энергетический разброс в пучке ~100 эВ при энергии протонов 1 МэВ.

На ускорителе проводятся работы в области низкоэнергетической ядерной физики, физики твердого тела, физики плазмы, экологии и медицины.

2. Электростатический перезарядный ускоритель ЭГП–10М (Россия)

Энергия однозарядных ионов 10 МэВ;

Ток на мишени до 5 мкА;

Ускоряемые ионы: протоны и дейтоны;

Импульсный (наносекундный) и непрерывный режимы работы;

Разводка пучков по двум ионопроводам.

Газовые T и D мишени.