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回旋加速器（加速带电粒子的装置）

次浏览 | 更新时间：2023-05-16

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回旋加速器

加速带电粒子的装置

粒子加速器

回旋加速器，是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。是高能物理中的重要仪器。早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。

基本信息

中文名	回旋加速器
外文名	Cyclotron
提出者	欧内斯特·劳伦斯
提出时间	1930年

概述

回旋加速器

早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。为此，象R.Wideröe等一些加速器的先驱者在20年代，就探索利用同一电压多次加速带电粒子，并成功地演示了用同一高频电压使钠和钾离子加速二次的直线装置，并指出重复利用这种方式，原则上可加速离子达到任意高的能量（实际上由于受到狭义相对论影响，实际只能加速到25-30MeV）。但由于受到高频技术的限制，这样的装置太大，也太昂贵，也不适用于加速轻离子如质子、氘核等进行原子核研究，结果未能得到发展应用。

发展史

回旋加速器

早期

早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。

1930年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电回旋加速器粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。1931年，他和他的学生利文斯顿（M. S. Livingston）一起，研制了世界上第一台回旋加速器，这台加速器的磁极直径只有10cm，加速电压为2kV，可加速氘离子达到80keV的能量，向人们证实了他们所提出的回旋加速器原理。随后，经M. Stanley Livingston资助，建造了一台25cm直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能量可达到1MeV。回旋加速器的光辉成就不仅在于它创造了当时人工加速带电粒子的能量记录，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人们研发各种高能粒子加速器的基础。

二个重要的阶段

30年代以来，回旋加速器的发展经历了二个重要的阶段。前20年，人们按照劳伦斯的原理建造了一批所谓经典回旋加速器，其中最大的可生产44MeV的α粒子或22MeV的质子。但由于相对论效应所引起的矛盾和限制，经典回旋加速器的能量难以超过每核子20多MeV的能量范围。后来，人们基于1938年托马斯（L. H. Thomas）提出的建议，发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过改变加速电压的频率，解决了相对论的影响。利用该加速器可使被加速粒子的能量达到700MeV。使用可变的频率，回旋加速器不需要长时间使用高电压，几个周期后也同样可获得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速电压是10kV，并且，可通过改变加速室的大小（如半径、磁场），限制粒子的最大能量。

等时性回旋加速器

60年代后，在世界范围掀起了研发等时性回旋加速器的高潮。等时性回旋加速器（Iso回旋加速器chronous cyclotron）是由3个扇极组合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可变，以第一和第三偕波模式对正离子进行加速。在第一偕波中，质子被加速到6 MeV~ 30 MeV，氘核在12,5 MeV~25 MeV, α粒子在25 MeV~50 MeV, He3 +2离子在18 MeV ~62 MeV 。磁场的变化通过9对圆形的调节线圈来完成，磁场的梯度与半径的比率为(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁场方位角通过六对偕波线圈进行校正。RF系统由180°的两个Dee组成，其操作电压达到80kV，RF振荡器是一种典型的6级振荡器，其频率范围在8,5 - 19 MHz。通常典型的离子源呈放射状，并且可以通过控制系统进行遥控，在中心区域有一个可以活动的狭缝进行相位调节和中心定位。使用非均匀电场的静电偏转仪（electrostatic deflector）和磁场屏蔽通道进行束流提取，在偏转仪上的最大电势可达到70 kV。对30 MeV强度为15 mA质子在径向和轴向的发射度（Emittance）为16p mm.mrad。能量扩散为0.6%，亮度高，在靶内的束流可达到几百mA。用不同的探针进行束流强度的测量，这些探针有普通TV的可视性探针；薄层扫描探针和非截断式（non-interceptive）束流诊断装置。系统对束流的敏感性为1mA，飞行时间精确到0,2 ns。束流可回旋加速器主线圈(2张)以传送到六个靶位，可完成100%的传送。该回旋加速器最早在1972年由INP建造，它可使质子加速达到1 MeV，束流强度为几百mA，主要用于回旋加速器系统（离子源、磁场等）的研究。

70年代以来，为了适应重离子物理研究的需要，成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全离子、可变能量的等时性回旋加速器，使每台加速器的使用效益大大提高。此外，还发展了超导磁体的等时性回旋加速器。超导技术的应用对减小加速器的尺寸、扩展能量范围和降低运行费用等方面为加速器的发展开辟新的领域。同步加速器可以产生笔尖型（pencil-thin ）的细小束流，其离子的能量可以达到天然辐射能的100，000倍。通过设计边缘磁场来改变每级加速管的离子轨道半径。最大的质子同步加速器是Main Ring（500GeV）和Tevatron（1TeV）在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago ；较高级质子同步加速器的是在Geneva的 European Laboratory for Particle Physics (CERN)安装应用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。

劳伦斯(E.O.Lawrence,1901-1958)因此获得1939年诺贝尔物理学奖。

理论研究

1930年欧内斯特·劳伦斯提出回旋加速器的理论，1932年首次研制成功。它的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。绕行半圈的时间为

，其中q是粒子电荷，m是粒子的质量，B是磁场的磁感应强度。如果D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上电压方向转变，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV）。回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。进一步的改进有同步回旋加速器。

回旋加速器

工作原理

回旋加速器的基本构成是两个处于磁场中的半圆D型盒和D型盒之间的交变电场。带电粒子在电场的作用下加速进入磁场，由于受到洛伦兹力（其中为磁感应强度，为带电粒子所带电荷）而进行匀速圆周运动，每运动到两个D型盒之间的电场时在电场力作用下加速，之后再次进入磁场进行匀速圆周运动。在不考虑爱因斯坦的狭义相对论时，由于在磁场中回旋半径与速度成正比，故当回旋半径大于回旋加速器半径时，带电粒子达到最大速度。实际上，根据狭义相对论，带电粒子的质量随速度的增加而增加，故实际应用中带电粒子的回旋周期并非恒定。

有关计算

字母介绍:周期T 频率f 电荷量q 磁场强度B 质量m 最大速度Vmax 电压U 电场宽度忽略时间t

最大半径

最大动能

离子每旋转一周增加的能量为2qU 提高到Ek时旋转周数为N

在磁场运动时间为t磁=NT=

在电场中运动时间可忽略

（以下为拓展内容）

电场宽度d

若不忽略电场宽度

离子看作Vo=0的匀加速直线运动

t电=

t总=t电+t磁=

回旋加速器可以同时加速质量电量相同的正负离子么？

理论上是可以的，因为它们可以向两个方向运动，而且因为比荷相同，他们同时加速。又是空间结构的D型盒，不用担心碰撞。

作用

（1）磁场的作用

带电粒子以某一速度垂直进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速率和半径无关，使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间（半个周期）后，平行于电场方向进入电场中加速。

（2）电场的作用

回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性的变化的并垂直于两D形盒直径的匀强电场，加速就是在这个区域完成的。

（3）交变电压

为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使其能量不断提高，要在狭缝处加一个与粒子运动的周期一致的交变电压。

应用

加速器是核科学研究的重要平台，可开展中子物理、核数据测量、质子辐照效应、新核素合成、不稳定核结构、质子的生物学效应等方面研究，并在核能技术开发以及同位素生产和核医学等方面具有广泛应用。

回旋加速器可生产治疗癌症同位素药物，其产生的电子束甚至能用于清除草莓上的细菌。

1995年中国原子能科学研究院与比利时IBA共同研制的cyc-30型回旋加速器投入使用，生产各种医用同位素。

2006年6月23日，中国首台西门子eclipse

医用回旋加速器在位于广州军区总医院内的正电子药物研发中心正式投入临床运营。

eclipse

采用了深谷技术、靶体及靶系统技术、完全自屏蔽等多项前沿技术，具有高性能、低消耗、高稳定性的优点。

回旋加速器是产生正电子放射性药物的装置，该药物作为示踪剂注入人体后，医生即可通过

显像观察到患者脑、心、全身其它器官及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。所以

依靠回旋加速器生产的不同种显像药物对各种肿瘤进行特异性显像，达到对疾病的早期监测与预防。

国内发展

中国实验快堆作为国家“863”计划的重大项目，从“七五”就开始预先研究，“九五”进入工程设计和建造阶段，2011年7月建成。快中子反应堆（简称“快堆）是第四代先进核能系统的主力堆型，是先进燃料循环的关键环节，国家已将其作为前沿技术列入国家中长期科技发展规划。

中国国防科工局2014年7月4日宣布，中国在核物理研究领域取得重大进展，由中核集团原子能科学研究院完成的回旋加速器首次调试出速度接近一半光速的质子束。

参考资料

[1]

2.6带电粒子在电磁场中运动 · 中山大学物理科学与工程技术学院[引用日期2014-07-04]

[2]

中国成功研制先进回旋加速器可用于生产治癌药物 · 凤凰网[引用日期2014-07-04]

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