回旋加速器（磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運動）

回旋加速器（磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運動）

回旋加速器 （磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運動） 次瀏覽 | 2022.09.16 13:59:12 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 回旋加速器磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運動

回旋加速器，是利用磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運動，在運動中經高頻電場反復加速的裝置。是高能物理中的重要儀器。早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一次，因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制。中國實驗快堆作為國家“863”計劃的重大項目，從“七五”就開始預先研究，“九五”進入工程設計和建造階段，2011年7月建成。快中子反應堆（簡稱“快堆）是第四代先進核能系統的主力堆型，是先進燃料循環的關鍵環節，國家已將其作為前沿技術列入國家中長期科技發展規劃。

中文名

回旋加速器

英文名

Cyclotron

提出者

歐內斯特·勞倫斯

提出時間

1930年

概述回旋加速器

回旋加速器是一種粒子加速器。回旋加速器通過高頻交流電壓來加速帶電粒子。大小從數英吋到數米都有。它是由歐內斯特·勞倫斯于1929年在柏克萊加州大學發明。

世界上最大的回旋加速器位于英屬哥倫比亞大學的溫哥華校區，為加拿大的TRIUMF國家研究中心所擁有。?

發展史回旋加速器

許多原子核、基本粒子的性質有關的資訊，均是利用高能粒子轟擊原子靶（atomic?target）而獲得的。

1932年，約翰·柯克勞夫與歐內斯特·沃吞在英國制造了第一臺“原子擊破器”（atom?smasher）。他們乃是利用700,000V的高電壓對質子加速，然后再拿它們轟擊鋰靶。

他們采用的方法雖然較為野蠻，但確實是建構出了這么個高電壓。在1929年時，勞倫斯就已經考慮過這種可能性：將粒子重復地經由一“相對小電壓”做加速，而不是一次就用一個巨大電壓去做加速。他于是與李明斯頓（M.S.Livingston）合作，發展出了回旋加速器（cyclotron）。

第一部回旋加速器建于1930年，稍后的改良則于1934年完成。

相關理論

1930年歐內斯特·勞倫斯提出回旋加速器的理論，1932年首次研制成功。它的主要結構是在磁極間的真空室內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，其間隙處產生交變電場。置于中心的粒子源產生帶電粒子射出來，受到電場加速，在D形盒內不受電場力，僅受磁極間磁場的洛倫茲力，在垂直磁場平面內作圓周運動。繞行半圈的時間為πm/qB，其中q是粒子電荷，m是粒子的質量，B是磁場的磁感應強度。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形盒上電壓方向轉變，粒子仍處于加速狀態。由于上述粒子繞行半圈的時間與粒子的速度無關，因此粒子每繞行半圈受到一次加速，繞行半徑增大。經過很多次加速，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論效應，粒子的質量增大，粒子繞行周期變長，從而逐漸偏離了交變電場的加速狀態。進一步的改進有同步回旋加速器。

工作原理

回旋加速器的基本構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入磁場，由于受到洛倫茲力（其中為磁感應強度，為帶電粒子所帶電荷）而進行勻速圓周運動，每運動到兩個D型盒之間的電場時在電場力作用下加速，之后再次進入磁場進行勻速圓周運動。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，故當回旋半徑大于回旋加速器半徑時，帶電粒子達到最大速度。實際上，根據狹義相對論，帶電粒子的質量隨速度的增加而增加，故實際應用中帶電粒子的回旋周期并非恒定。?

作用

（1）磁場的作用

帶電粒子以某一速度垂直進入勻強磁場時，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其中周期與速率和半徑無關，使帶電粒子每次進入D形盒中都能運動相等時間（半個周期）后，平行于電場方向進入電場中加速。[1]

（2）電場的作用

回旋加速器的兩個D形盒之間的窄縫區域存在周期性的變化的并垂直于兩D形盒直徑的勻強電場，加速就是在這個區域完成的。

（3）交變電壓

為了保證每次帶電粒子經過狹縫時均被加速，使其能量不斷提高，要在狹縫處加一個與粒子運動的周期一致的交變電壓。

應用

加速器是核科學研究的重要平臺，可開展中子物理、核數據測量、質子輻照效應、新核素合成、不穩定核結構、質子的生物學效應等方面研究，并在核能技術開發以及同位素生產和核醫學等方面具有廣泛應用。[2]

回旋加速器可生產治療癌癥同位素藥物，其產生的電子束甚至能用于清除草莓上的細菌。

1995年中國原子能科學研究院與比利時IBA共同研制的cyc-30型回旋加速器投入使用，生產各種醫用同位素。

2006年6月23日，中國首臺西門子eclip?HP/RD醫用回旋加速器在位于廣州軍區總醫院內的正電子藥物研發中心正式投入臨床運營。

eclip?HP/RD采用了深谷技術、靶體及靶系統技術、完全自屏蔽等多項前沿技術，具有高性能、低消耗、高穩定性的優點。

回旋加速器是產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，醫生即可通過PET/CT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PET/CT依靠回旋加速器生產的不同種顯像藥物對各種腫瘤進行特異性顯像，達到對疾病的早期監測與預防

國內發展

中國實驗快堆作為國家“863”計劃的重大項目，從“七五”就開始預先研究，“九五”進入工程設計和建造階段，2011年7月建成。快中子反應堆（簡稱“快堆）是第四代先進核能系統的主力堆型，是先進燃料循環的關鍵環節，國家已將其作為前沿技術列入國家中長期科技發展規劃。

中國國防科工局2014年7月4日宣布，中國在核物理研究領域取得重大進展，由中核集團原子能科學研究院完成的回旋加速器首次調試出速度接近一半光速的質子束。

參考資料