靜電加速器是最早開發用來加速帶電粒子的加速器，但由于單級靜電加速器的加速能力有限，多級串接的靜電加速器串接的數目也有限，所加速粒子達不到放射治療所需能量，因而僅作為同步加速器或直線加速器的注入器。
作者構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。
1單級靜電加速器
作者以中國科學院研制的一臺靜電加速器的相關參數為基礎，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，右側柱體和球體結合的中空的物體是高壓電極(藍色)。
高壓電極中有個轉筒(藍色)，與左側的轉筒對應。環繞兩個轉筒的就是輸電帶(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移到高壓電極的內部。電荷自身會自動轉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，左側由四個圓柱支撐的圓形基座就處于地電勢。
最外側的是一個密閉鋼桶，包圍著靜電加速器，向其內注入高壓氣體，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)，調節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，由其發出的帶電粒子束經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目相同的帶有中孔的更薄的加速電極(粉色)構成。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，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。
2雙級靜電加速器
為實現一次增壓兩次加速，人們發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：
將高壓電極的形狀由球體加圓柱體改為圓柱體；
將加速管和分壓器件從左側復制一份到右側；
將原高壓電極中的離子源移到左側加速器外邊(黃色)，原來的位置換為“剝除電子通道”(黃色)。
這樣改造后，就實現了一次增壓兩次加速，具體過程如下：
左側的離子源發出負離子，由地電勢向正高壓的高壓電極加速；
在高壓電極內，射束經過剝除電子通道后，由負離子轉變為正離子；
轉變為正離子的射束由正高壓向地電勢再次加速。
雙極靜電加速器的能量公式為 W=V(Z+1)，對質子(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子更有意義。
3單級與雙極靜電加速器的組合
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：
負離子束通過單級靜電加速器，由負高壓加速到地電勢；
負離子束再進入雙極加速器，由地電勢加速到雙極靜電加速器中正高壓處的高電勢；
負離子束經剝除電子通道改變電性后，再由正高壓加速到低電勢。
三次加速后的能量變化為 W=V(Z+2)。對質子(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。
4單級與兩個雙極靜電加速器的組合
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。
總結以上幾步，得出結論，由負離子源發端的負離子束只能連續被加速三次，最終以正離子束引出。
5改造雙極靜電加速器：D-G靜電加速器
為使改造顯得平順，改造分兩步進行，第一步是虛擬的；第二步是實質的。
第一步：將雙極靜電加速器一側(右側)的由高壓電極構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：
多個漂移管在軸向上相互交錯；
多個漂移管的直徑在徑向上依次放大。
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，而是從軸向方向轉到徑向方向。
這就是交錯層疊漂移管發揮作用的機制。
6交錯層疊漂移管的演變
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得到的：
最細漂移管的外接圓盤直接與高壓電極右側相連。
最細漂移管的內徑放大到與高壓電極的內徑相同；第二漂移管的內徑放大到與“內”中間電極的內徑相同；第三漂移管的內徑放大到與“外”中間電極的內徑相同；最右側漂移管的內徑放大到與鋼桶的內徑相同。
最細漂移管的右端與第二漂移管的右端齊平，第二漂移管的右端與第三漂移管的右端齊平，第三漂移管的右端與第四漂移管的右端齊平，最后，第四漂移管的右端與鋼桶的右端齊平。
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，制圖依據是：
鋼桶球形半徑與高壓電極球形半徑的最佳比例為2：1，
鋼桶柱體半徑與高壓電極柱體半徑的最佳比例為2.718：1。
這種倒置球體與柱體的連接，使兩個最佳比例的過度更為平滑。
高壓電極直徑的放大，一方面可增加高壓電極的外表面積，進而增加工作電壓；另一方面可使高電荷區域遠離射線的軸線。
上圖中的綠色、粉色和白色環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帶來由D-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。(質子中國 編輯報道)
