回旋加速器

回旋加速器组员：朱培鑫郑显朕许伟京1回旋加速器的发展史2回旋加速器的原理3回旋加速器的应用CONTENTS目录1回旋加速器的发展史①.加速器：•高能带电粒子束，如质子或氘核，常用于所谓原子碰撞的实验中研究原子的内部结构。电场用于加速带电粒子使之获得很高的速度，从而具有很高的能量。这种使带电粒子具有高能量的装置叫加速器（accelerator）。②.线性加速器•最常见的加速器就是电子枪，用于阴极射线管中。用单个电子枪需要很高的电才能使粒子速度达到要求。然而用电子枪排成队列并使粒子依次通过，则只需要不高的电压。这时粒子每通过一个电子枪就获得一份能量。这种由电子枪阵列组成的装置叫线性加速器（linearaccelerator）。可以想像得到线性加速器是相当长的。③.回旋加速器1928年前后，人们纷纷在寻找加速粒子的方法。当时实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器和整流器、冲击发生器、静电发生器、特斯拉（Tesla）线圈等等。这些方法全都要靠高电压，可是电压越高，对绝缘的要求也越苛刻，否则仪器就会被击穿。正在劳伦斯苦思解决方案之际，一篇文献吸引了他的注意，使他领悟到可以采用一种巧妙的方法解决这个矛盾。他后来在诺贝尔奖领奖演说中讲到：这篇文献给了他启发：不用直线上那许多圆柱形电极，可不可以靠适当的磁场装置，只用两个电极，让正离子一次一次地来往于电极之间？再稍加分析，证明均匀磁场恰好有合适的特性，在磁场中转圈的离子，其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场谐振，在适当的空心电极之间来回转圈。这个频率后来叫做‘回旋频率’。2回旋加速器的原理•当电荷被缝隙的电场加速进入某一个D形腔时，加速过程开始，一旦电荷进入该腔，将沿半圆形路径运动•在腔内运动时，带电粒子速度保持不变，振荡器的频率为•那么带电粒子到达空隙的时候外加电压极性正好改变，缝隙中的电场方向随之改变，使粒子得到加速又进入另一D形腔，这时粒子运动的半径也就大了一些。这样，粒子每次通过空隙都获得一些动能，从而进入更大半径的运动轨道。这一过程一直重复到粒子从D形腔的边界射出。射出速度为•带电粒子的动能为：1931年劳伦斯和他的学生一起，研制出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，可加速氘原子达到80kev的能力。随后又制造了更大的回旋加速器，最终，人么按照劳伦斯的原理建造了一批所谓的经典回旋加速器，其中最大的可生产44Mev的α粒子活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20Mev的能量范围，另外回旋加速器中粒子回旋的轨道半径逐渐地由小到大,因而磁体本身必须是实心的圆柱,这是极为笨重的,而且耗资昂贵。同步回旋加速器同步回旋加速器（synchrocyclotron）是为克服经典回旋加速器的极限能量的限制而发展起来的回旋式加速器。又称稳相加速器或调频回旋加速器。它与经典回旋加速器的主要区别在于采用了调频技术，使粒子被加速过程中，加速电场的频率随粒子的回旋频率同步下降，以保持谐振加速条件，从而突破了经典回旋加速器中相对论性质量增加对提高能量的限制。由于相对论性效应，随着速度增大，粒子的质量增大，使绕行半圈的时间变长，以致逐渐偏离了交变电场的加速状态，因而粒子的能量达到一定的限度就不能再增大。技术上有两种解决办法：一种是使磁极外圈的磁场逐渐增强，抵消相对论性效应的影响；另一种是调节加速电场的变化频率，使之适应相对论性效应的影响。这两种方法都是为了使粒子在磁场中作圆周运动的频率与加速电场的变化频率维持同步。前一种改进措施发展成为扇形聚焦回旋加速器，后一种改进措施发展成为同步回旋加速器。改进后的同步加速器只需要一个环形的磁极，带电粒子先在一个较小的加速器中加速，然后引入同步加速器进一步加速。因为式中，Rc为一定的半径则振荡器的频率应为：注意振荡器的频率与带电粒子速度成正比，而该速度每半周都有改变，因此振荡器的频率必须作相应调整，通过密度也必须随之做相似的调整。在1945年研制的同步加速器，解决了相对论的影响，利用这种加速器可使被加速的粒子的能量达到700Mev。60年代后，在世界范围掀起了研制等时性回旋加速器的高潮，等时回旋加速器是由3个扇极组合的回旋加速器，能量可变，以第一和第三谐波模式对正离子进行加速。3回旋加速器的应用伽玛刀研究原子核内部结构伽玛刀伽玛刀又称立体定向伽玛射线放射治疗系统，是一种融合现代计算机技术、立体定向技术和外科技术于一体的治疗性设备，它将钴-60发出的伽玛射线几何聚焦，集中射于病灶，一次性、致死性的摧毁靶点内的组织，而射线经过人体正常组织几乎无伤害，并且剂量锐减，因此其治疗照射范围与正常组织界限非常明显，边缘如刀割一样，人们形象的称之为“伽玛刀”，它的最大优点是，能量更高而且可调剂量率更高，可开可停，安全可靠。也可以使用质子束或中子射线，但不论使用哪种粒子，都需要回旋加速器对粒子进行加速。研究原子核内部结构用它来加速带电粒子，使得到的高速粒子相互碰撞，就会产生聚变，产生辐射，“砸开”原子核，分析其内部的成分结构。