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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，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(dá)到80keV的能量，向人們證實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(dá)到1MeV?；匦铀倨鞯墓廨x成就不僅在于它創(chuàng)造了當(dāng)時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(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時間使用高電壓，幾個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?。ㄈ绨霃健⒋艌觯?，限制粒子的最大能量。
等時性回旋加速器
60年代后，在世界范圍掀起了研發(fā)等時性回旋加速器的高潮。等時性回旋加速器（Iso回旋加速器chronous cyclotron）是由3個扇極組合（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 。磁場的變化通過9對圓形的調(diào)節(jié)線圈來完成，磁場的梯度與半徑的比率為(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁場方位角通過六對偕波線圈進(jìn)行校正。RF系統(tǒng)由180°的兩個Dee組成，其操作電壓達(dá)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，并且可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行遙控，在中心區(qū)域有一個可以活動的狹縫進(jìn)行相位調(diào)節(jié)和中心定位。使用非均勻電場的靜電偏轉(zhuǎn)儀（electrostatic deflector）和磁場屏蔽通道進(jìn)行束流提取，在偏轉(zhuǎn)儀上的最大電勢可達(dá)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(nèi)的束流可達(dá)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(tǒng)對束流的敏感性為1mA，飛行時間精確到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，束流強度為幾百mA，主要用于回旋加速器系統(tǒng)（離子源、磁場等）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(dǎo)磁體的等時性回旋加速器。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)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)計邊緣磁場來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(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)有兩個半圓形的金屬扁盒（D形盒）隔開相對放置，D形盒上加交變電壓，其間隙處產(chǎn)生交變電場。置于中心的粒子源產(chǎn)生帶電粒子射出來，受到電場加速，在D形盒內(nèi)不受電場力，僅受磁極間磁場的洛倫茲力，在垂直磁場平面內(nèi)作圓周運動。繞行半圈的時間為
，其中q是粒子電荷，m是粒子的質(zhì)量，B是磁場的磁感應(yīng)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中作圓周運動的頻率，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）?；匦铀倨鞯哪芰渴苤朴陔S粒子速度增大的相對論效應(yīng)，粒子的質(zhì)量增大，粒子繞行周期變長，從而逐漸偏離了交變電場的加速狀態(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)成是兩個處于磁場中的半圓D型盒和D型盒之間的交變電場。帶電粒子在電場的作用下加速進(jìn)入磁場，由于受到洛倫茲力（其中為磁感應(yīng)強度，為帶電粒子所帶電荷）而進(jìn)行勻速圓周運動，每運動到兩個D型盒之間的電場時在電場力作用下加速，之后再次進(jìn)入磁場進(jìn)行勻速圓周運動。在不考慮愛因斯坦的狹義相對論時，由于在磁場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，帶電粒子達(dá)到最大速度。實際上，根據(jù)狹義相對論，帶電粒子的質(zhì)量隨速度的增加而增加，故實際應(yīng)用中帶電粒子的回旋周期并非恒定。
有關(guān)計算
作用
應(yīng)用
加速器是核科學(xué)研究的重要平臺，可開展中子物理、核數(shù)據(jù)測量、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年中國原子能科學(xué)研究院與比利時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。
eclipse
采用了深谷技術(shù)、靶體及靶系統(tǒng)技術(shù)、完全自屏蔽等多項前沿技術(shù)，具有高性能、低消耗、高穩(wěn)定性的優(yōu)點。
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各種腫瘤進(jìn)行特異性顯像，達(dá)到對疾病的早期監(jiān)測與預(yù)防。
國內(nèi)發(fā)展
中國實驗快堆作為國家“863”計劃的重大項目，從“七五”就開始預(yù)先研究，“九五”進(jìn)入工程設(shè)計和建造階段，2011年7月建成。快中子反應(yīng)堆（簡稱“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)，國家已將其作為前沿技術(shù)列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃。
中國國防科工局2014年7月4日宣布，中國在核物理研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，由中核集團原子能科學(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帶電粒子在電磁場中運動 · 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(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
