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回旋加速器
加速帶電粒子的裝置
粒子加速器
基本信息
| 中文名 | 回旋加速器 |
| 外文名 | Cyclotron |
| 提出者 | |
| 提出時(shí)間 | 1930年 |
概述
發(fā)展史
回旋加速器
早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場(chǎng)中加速一次，因而粒子所能達到的能量受到高壓技術(shù)的限制。
1930年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理論，他設想用磁場(chǎng)使帶電回旋加速器粒子沿圓弧形軌道旋轉，多次反復地通過(guò)高頻加速電場(chǎng)，直至達到高能量。1931年，他和他的學(xué)生利文斯頓（M. S. Livingston）一起，研制了世界上第一臺回旋加速器，這臺加速器的磁極直徑只有10cm，加速電壓為2kV，可加速氘離子達到80keV的能量，向人們證實(shí)了他們所提出的回旋加速器原理。隨后，經(jīng)M. Stanley Livingston資助，建造了一臺25cm直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的能量可達到1MeV?；匦铀倨鞯墓廨x成就不僅在于它創(chuàng )造了當時(shí)人工加速帶電粒子的能量記錄，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人們研發(fā)各種高能粒子加速器的基礎。
二個(gè)重要的階段
30年代以來(lái)，回旋加速器的發(fā)展經(jīng)歷了二個(gè)重要的階段。前20年，人們按照勞倫斯的原理建造了一批所謂經(jīng)典回旋加速器，其中最大的可生產(chǎn)44MeV的α粒子或22MeV的質(zhì)子。但由于相對論效應所引起的矛盾和限制，經(jīng)典回旋加速器的能量難以超過(guò)每核子20多MeV的能量范圍。后來(lái)，人們基于1938年托馬斯（L. H. Thomas）提出的建議，發(fā)展了新型的回旋加速器。因此，在1945年研制的同步回旋加速器通過(guò)改變加速電壓的頻率，解決了相對論的影響。利用該加速器可使被加速粒子的能量達到700MeV。使用可變的頻率，回旋加速器不需要長(cháng)時(shí)間使用高電壓，幾個(gè)周期后也同樣可獲得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速電壓是10kV，并且，可通過(guò)改變加速室的大?。ㄈ绨霃?、磁場(chǎng)），限制粒子的最大能量。
等時(shí)性回旋加速器
60年代后，在世界范圍掀起了研發(fā)等時(shí)性回旋加速器的高潮。等時(shí)性回旋加速器（Iso回旋加速器chronous cyclotron）是由3個(gè)扇極組合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可變，以第一和第三偕波模式對正離子進(jìn)行加速。在第一偕波中，質(zhì)子被加速到6 MeV~ 30 MeV，氘核在12,5 MeV~25 MeV, α粒子在25 MeV~50 MeV, He3 +2離子在18 MeV ~62 MeV 。磁場(chǎng)的變化通過(guò)9對圓形的調節線(xiàn)圈來(lái)完成，磁場(chǎng)的梯度與半徑的比率為(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁場(chǎng)方位角通過(guò)六對偕波線(xiàn)圈進(jìn)行校正。RF系統由180°的兩個(gè)Dee組成，其操作電壓達到80kV，RF振蕩器是一種典型的6級振蕩器，其頻率范圍在8,5 - 19 MHz。通常典型的離子源呈放射狀，并且可以通過(guò)控制系統進(jìn)行遙控，在中心區域有一個(gè)可以活動(dòng)的狹縫進(jìn)行相位調節和中心定位。使用非均勻電場(chǎng)的靜電偏轉儀（electrostatic deflector）和磁場(chǎng)屏蔽通道進(jìn)行束流提取，在偏轉儀上的最大電勢可達到70 kV。對30 MeV強度為15 mA質(zhì)子在徑向和軸向的發(fā)射度（Emittance）為16p mm.mrad。能量擴散為0.6%，亮度高，在靶內的束流可達到幾百mA。用不同的探針進(jìn)行束流強度的測量，這些探針有普通TV的可視性探針；薄層掃描探針和非截斷式（non-interceptive）束流診斷裝置。系統對束流的敏感性為1mA，飛行時(shí)間精確到0,2 ns。束流可回旋加速器主線(xiàn)圈(2張)以傳送到六個(gè)靶位，可完成100%的傳送。該回旋加速器最早在1972年由INP建造，它可使質(zhì)子加速達到1 MeV，束流強度為幾百mA，主要用于回旋加速器系統（離子源、磁場(chǎng)等）的研究。
70年代以來(lái)，為了適應重離子物理研究的需要，成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全離子、可變能量的等時(shí)性回旋加速器，使每臺加速器的使用效益大大提高。此外，還發(fā)展了超導磁體的等時(shí)性回旋加速器。超導技術(shù)的應用對減小加速器的尺寸、擴展能量范圍和降低運行費用等方面為加速器的發(fā)展開(kāi)辟新的領(lǐng)域。同步加速器可以產(chǎn)生筆尖型（pencil-thin ）的細小束流，其離子的能量可以達到天然輻射能的100，000倍。通過(guò)設計邊緣磁場(chǎng)來(lái)改變每級加速管的離子軌道半徑。最大的質(zhì)子同步加速器是Main Ring（500GeV）和Tevatron（1TeV）在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago ；較高級質(zhì)子同步加速器的是在Geneva的 European Laboratory for Particle Physics (CERN)安裝應用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。
理論研究
1930年歐內斯特·勞倫斯提出回旋加速器的理論，1932年首次研制成功。它的主要結構是在磁極間的真空室內有兩個(gè)半圓形的金屬扁盒（D形盒）隔開(kāi)相對放置，D形盒上加交變電壓，其間隙處產(chǎn)生交變電場(chǎng)。置于中心的粒子源產(chǎn)生帶電粒子射出來(lái)，受到電場(chǎng)加速，在D形盒內不受電場(chǎng)力，僅受磁極間磁場(chǎng)的洛倫茲力，在垂直磁場(chǎng)平面內作圓周運動(dòng)。繞行半圈的時(shí)間為
，其中q是粒子電荷，m是粒子的質(zhì)量，B是磁場(chǎng)的磁感應強度。如果D形盒上所加的交變電壓的頻率恰好等于粒子在磁場(chǎng)中作圓周運動(dòng)的頻率，則粒子繞行半圈后正趕上D形盒上電壓方向轉變，粒子仍處于加速狀態(tài)。由于上述粒子繞行半圈的時(shí)間與粒子的速度無(wú)關(guān)，因此粒子每繞行半圈受到一次加速，繞行半徑增大。經(jīng)過(guò)很多次加速，粒子沿螺旋形軌道從D形盒邊緣引出，能量可達幾十兆電子伏特（MeV）?；匦铀倨鞯哪芰渴苤朴陔S粒子速度增大的相對論效應，粒子的質(zhì)量增大，粒子繞行周期變長(cháng)，從而逐漸偏離了交變電場(chǎng)的加速狀態(tài)。進(jìn)一步的改進(jìn)有同步回旋加速器。
回旋加速器
工作原理
回旋加速器的基本構成是兩個(gè)處于磁場(chǎng)中的半圓D型盒和D型盒之間的交變電場(chǎng)。帶電粒子在電場(chǎng)的作用下加速進(jìn)入磁場(chǎng)，由于受到洛倫茲力（其中為磁感應強度，為帶電粒子所帶電荷）而進(jìn)行勻速圓周運動(dòng)，每運動(dòng)到兩個(gè)D型盒之間的電場(chǎng)時(shí)在電場(chǎng)力作用下加速，之后再次進(jìn)入磁場(chǎng)進(jìn)行勻速圓周運動(dòng)。在不考慮愛(ài)因斯坦的狹義相對論時(shí)，由于在磁場(chǎng)中回旋半徑與速度成正比，故當回旋半徑大于回旋加速器半徑時(shí)，帶電粒子達到最大速度。實(shí)際上，根據狹義相對論，帶電粒子的質(zhì)量隨速度的增加而增加，故實(shí)際應用中帶電粒子的回旋周期并非恒定。
有關(guān)計算
最大半徑
最大動(dòng)能
離子每旋轉一周增加的能量為2qU 提高到Ek時(shí)旋轉周數為N
在磁場(chǎng)運動(dòng)時(shí)間為t磁=NT=
在電場(chǎng)中運動(dòng)時(shí)間可忽略
（以下為拓展內容）
電場(chǎng)寬度d
若不忽略電場(chǎng)寬度
離子看作Vo=0的勻加速直線(xiàn)運動(dòng)
t電=
t總=t電+t磁=
回旋加速器可以同時(shí)加速質(zhì)量電量相同的正負離子么？
理論上是可以的，因為它們可以向兩個(gè)方向運動(dòng)，而且因為比荷相同，他們同時(shí)加速。又是空間結構的D型盒，不用擔心碰撞。
作用
（1）磁場(chǎng)的作用
帶電粒子以某一速度垂直進(jìn)入勻強磁場(chǎng)時(shí)，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動(dòng)，其中周期與速率和半徑無(wú)關(guān)，使帶電粒子每次進(jìn)入D形盒中都能運動(dòng)相等時(shí)間（半個(gè)周期）后，平行于電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)中加速。
（2）電場(chǎng)的作用
（3）交變電壓
為了保證每次帶電粒子經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)均被加速，使其能量不斷提高，要在狹縫處加一個(gè)與粒子運動(dòng)的周期一致的交變電壓。
應用
加速器是核科學(xué)研究的重要平臺，可開(kāi)展中子物理、核數據測量、質(zhì)子輻照效應、新核素合成、不穩定核結構、質(zhì)子的生物學(xué)效應等方面研究，并在核能技術(shù)開(kāi)發(fā)以及同位素生產(chǎn)和核醫學(xué)等方面具有廣泛應用。
回旋加速器可生產(chǎn)治療癌癥同位素藥物，其產(chǎn)生的電子束甚至能用于清除草莓上的細菌。
1995年中國原子能科學(xué)研究院與比利時(shí)IBA共同研制的cyc-30型回旋加速器投入使用，生產(chǎn)各種醫用同位素。
eclipse
采用了深谷技術(shù)、靶體及靶系統技術(shù)、完全自屏蔽等多項前沿技術(shù)，具有高性能、低消耗、高穩定性的優(yōu)點(diǎn)。
回旋加速器是產(chǎn)生正電子放射性藥物的裝置，該藥物作為示蹤劑注入人體后，醫生即可通過(guò)
顯像觀(guān)察到患者腦、心、全身其它器官及腫瘤組織的生理和病理的功能及代謝情況。所以依靠回旋加速器生產(chǎn)的不同種顯像藥物對各種腫瘤進(jìn)行特異性顯像，達到對疾病的早期監測與預防。
國內發(fā)展
參考資料
[1]
2.6帶電粒子在電磁場(chǎng)中運動(dòng) · 中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院[引用日期2014-07-04]
[2]
中國成功研制先進(jìn)回旋加速器 可用于生產(chǎn)治癌藥物 · 鳳凰網(wǎng)[引用日期2014-07-04]
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我國自主研制的超導回旋加速器質(zhì)子束能量首次達230MeV|朝聞天下
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