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回旋加速器
回旋加速器

cyclotron

利用磁场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。1930年e.o.劳伦斯提出其工作原理,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,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πm/qb,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形盒上极性变号,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。
2006年6月23日,中国首台西门子eclipse hp/rd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 hp/rd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pet/ct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pet/ct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。
回旋加速器的发展史
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。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。
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。
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。
    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(isochronous 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,近年来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。目前的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.



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vm 电压u 电场宽度d
t=2pim/bq
f=1/t
最大半径rm=mvm/bq
最大动能ek=(1/2)mvm^2=(bqrm)^2/2m
离子每旋转一周增加的能量为2qu 提高到ek时次数为n
n=ek/2qu=q(brm)^2/4mu
在磁场运动时间为
t磁=nt=brm^2pi/2u
在电场中运动可看作vo=0的匀加速直线运动
2nd=(1/2)(uq/dm)t电^2
t电=dbrm/u
t总=t电+t磁=[brm(d+pirm)]/2u


为什么不能用超大型直线加速器?

答:直线加速不能做到。因为当电压过大时带电势差的板会被击穿 所以只能用小电压做加速电场,但回旋加速器相当于利用磁场的偏转作用多次用小电压加速
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