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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
回旋加速器
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(dá)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(shè)想用磁場(chǎng)使帶電回旋加速器粒子沿圓弧形軌道旋轉(zhuǎn)，多次反復(fù)地通過高頻加速電場(chǎng)，直至達(dá)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(tái)回旋加速器，這臺(tái)加速器的磁極直徑只有10cm，加速電壓為2kV，可加速氘離子達(dá)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(tái)25cm直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的能量可達(dá)到1MeV?；匦铀倨鞯墓廨x成就不僅在于它創(chuàng)造了當(dāng)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(chǔ)。
二個(gè)重要的階段
30年代以來，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(duì)論效應(yīng)所引起的矛盾和限制，經(jīng)典回旋加速器的能量難以超過每核子20多MeV的能量范圍。后來，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改變加速電壓的頻率，解決了相對(duì)論的影響。利用該加速器可使被加速粒子的能量達(dá)到700MeV。使用可變的頻率，回旋加速器不需要長(zhǎng)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，可通過改變加速室的大小（如半徑、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(duì)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9對(duì)圓形的調(diào)節(jié)線圈來完成，磁場(chǎng)的梯度與半徑的比率為(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁場(chǎng)方位角通過六對(duì)偕波線圈進(jìn)行校正。RF系統(tǒng)由180°的兩個(gè)Dee組成，其操作電壓達(dá)到80kV，RF振蕩器是一種典型的6級(jí)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，并且可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行遙控，在中心區(qū)域有一個(gè)可以活動(dòng)的狹縫進(jìn)行相位調(diào)節(jié)和中心定位。使用非均勻電場(chǎng)的靜電偏轉(zhuǎn)儀（electrostatic deflector）和磁場(chǎng)屏蔽通道進(jìn)行束流提取，在偏轉(zhuǎn)儀上的最大電勢(shì)可達(dá)到70 kV。對(duì)30 MeV強(qiáng)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(kuò)散為0.6%，亮度高，在靶內(nèi)的束流可達(dá)到幾百mA。用不同的探針進(jìn)行束流強(qiáng)度的測(cè)量，這些探針有普通TV的可視性探針；薄層掃描探針和非截?cái)嗍剑╪on-interceptive）束流診斷裝置。系統(tǒng)對(duì)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(dá)到1 MeV，束流強(qiáng)度為幾百mA，主要用于回旋加速器系統(tǒng)（離子源、磁場(chǎng)等）的研究。
70年代以來，為了適應(yīng)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(tái)加速器的使用效益大大提高。此外，還發(fā)展了超導(dǎo)磁體的等時(shí)性回旋加速器。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)減小加速器的尺寸、擴(kuò)展能量范圍和降低運(yùn)行費(fèi)用等方面為加速器的發(fā)展開辟新的領(lǐng)域。同步加速器可以產(chǎn)生筆尖型（pencil-thin ）的細(xì)小束流，其離子的能量可以達(dá)到天然輻射能的100，000倍。通過設(shè)計(jì)邊緣磁場(chǎng)來改變每級(jí)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(jí)質(zhì)子同步加速器的是在Geneva的 European Laboratory for Particle Physics (CERN)安裝應(yīng)用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。
理論研究
1930年歐內(nèi)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(jié)構(gòu)是在磁極間的真空室內(nèi)有兩個(gè)半圓形的金屬扁盒（D形盒）隔開相對(duì)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，受到電場(chǎng)加速，在D形盒內(nèi)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(nèi)作圓周運(yùn)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(yīng)強(qiáng)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(yùn)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(zhuǎn)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(dá)幾十兆電子伏特（MeV）。回旋加速器的能量受制于隨粒子速度增大的相對(duì)論效應(yīng)，粒子的質(zhì)量增大，粒子繞行周期變長(zhǎng)，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(gòu)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(yīng)強(qiáng)度，為帶電粒子所帶電荷）而進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)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(yùn)動(dòng)。在不考慮愛因斯坦的狹義相對(duì)論時(shí)，由于在磁場(chǎng)中回旋半徑與速度成正比，故當(dāng)回旋半徑大于回旋加速器半徑時(shí)，帶電粒子達(dá)到最大速度。實(shí)際上，根據(jù)狹義相對(duì)論，帶電粒子的質(zhì)量隨速度的增加而增加，故實(shí)際應(yīng)用中帶電粒子的回旋周期并非恒定。
有關(guān)計(jì)算
最大半徑
最大動(dòng)能
離子每旋轉(zhuǎn)一周增加的能量為2qU 提高到Ek時(shí)旋轉(zhuǎn)周數(shù)為N
在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t磁=NT=
在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間可忽略
（以下為拓展內(nèi)容）
電場(chǎng)寬度d
若不忽略電場(chǎng)寬度
離子看作Vo=0的勻加速直線運(yùn)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(fù)離子么？
理論上是可以的，因?yàn)樗鼈兛梢韵騼蓚€(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而且因?yàn)楸群上嗤?，他們同時(shí)加速。又是空間結(jié)構(gòu)的D型盒，不用擔(dān)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(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其中周期與速率和半徑無關(guān)，使帶電粒子每次進(jìn)入D形盒中都能運(yùn)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(yùn)動(dòng)的周期一致的交變電壓。
應(yīng)用
加速器是核科學(xué)研究的重要平臺(tái)，可開展中子物理、核數(shù)據(jù)測(cè)量、質(zhì)子輻照效應(yīng)、新核素合成、不穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)、質(zhì)子的生物學(xué)效應(yīng)等方面研究，并在核能技術(shù)開發(fā)以及同位素生產(chǎn)和核醫(yī)學(xué)等方面具有廣泛應(yīng)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(xì)菌。
1995年中國(guó)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(yī)用同位素。
2006年6月23日，中國(guó)首臺(tái)西門子eclipse
醫(yī)用回旋加速器在位于廣州軍區(qū)總醫(yī)院內(nèi)的正電子藥物研發(fā)中心正式投入臨床運(yùn)營(yíng)。
eclipse
采用了深谷技術(shù)、靶體及靶系統(tǒng)技術(shù)、完全自屏蔽等多項(xiàng)前沿技術(shù)，具有高性能、低消耗、高穩(wěn)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(yī)生即可通過
顯像觀察到患者腦、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(duì)各種腫瘤進(jìn)行特異性顯像，達(dá)到對(duì)疾病的早期監(jiān)測(cè)與預(yù)防。
國(guó)內(nèi)發(fā)展
中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆作為國(guó)家“863”計(jì)劃的重大項(xiàng)目，從“七五”就開始預(yù)先研究，“九五”進(jìn)入工程設(shè)計(jì)和建造階段，2011年7月建成。快中子反應(yīng)堆（簡(jiǎn)稱“快堆）是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的主力堆型，是先進(jìn)燃料循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國(guó)家已將其作為前沿技術(shù)列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃。
中國(guó)國(guó)防科工局2014年7月4日宣布，中國(guó)在核物理研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，由中核集團(tuán)原子能科學(xué)研究院完成的回旋加速器首次調(diào)試出速度接近一半光速的質(zhì)子束。
參考資料
[1]
2.6帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)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(guó)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(guó)自主研制的超導(dǎo)回旋加速器質(zhì)子束能量首次達(dá)230MeV|朝聞天下
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作者
