回旋加速器的機(jī)理及其應(yīng)用(李秀菊1126857027)文稿

回旋加速器的機(jī)理及其應(yīng)用

物理系11級(jí)物理教育Z1101班

1126857027

李秀菊

目錄回旋加速器的發(fā)展史回旋加速器的有關(guān)計(jì)算公式回旋加速器的作用回旋加速器的應(yīng)用回旋加速器的應(yīng)用發(fā)展趨向參考文獻(xiàn)回旋加速器的發(fā)展史早期加速器回旋加速器的理論二個(gè)重要的階段等時(shí)性回旋加速器回旋加速器的作用磁場的作用電場的作用交變電壓回旋加速器的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上在輻射環(huán)境上在科學(xué)上相關(guān)圖片早期加速器概念：回旋加速器英文：Cyclotron它是利用磁場使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場反復(fù)加速的裝置。是高能物理中的重要儀器，是電磁回旋加速器，是對帶電粒子加速的。

帶電粒子在電場力的作用下加速，然后進(jìn)入磁場，受到洛侖茲力使其運(yùn)動(dòng)方向改變轉(zhuǎn)過180度，再次進(jìn)入電場，這時(shí)電場方向改變，使帶電粒子再次加速，穿過電場后進(jìn)入另一個(gè)磁場再次轉(zhuǎn)過180度回到電場，電場的方向又改變，對帶電粒子繼續(xù)加速，于是循環(huán)這個(gè)過程就達(dá)到對粒子加速的目的。早期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。為此，象R.Wideröe等一些加速器的先驅(qū)者在20年代，就探索利用同一電壓多次加速帶電粒子，并成功地演示了用同一高頻電壓使鈉和鉀離子加速二次的直線裝置，并指出重復(fù)利用這種方式，原則上可加速離子達(dá)到任意高的能量（實(shí)際上由于受到狹義相對論影響，實(shí)際只能加速到25-30MeV）。但由于受到高頻技術(shù)的限制，這樣的裝置太大，也太昂貴，也不適用于加速輕離子如質(zhì)子、氘核等進(jìn)行原子核研究，結(jié)果未能得到發(fā)展應(yīng)用。

勞倫斯回旋加速器的理論

設(shè)想用磁場使帶電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(tái)回旋加速器，這臺(tái)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(shí)了他們所1930年，勞倫斯提出了回旋加速器的理論，他提出的回旋加速器原理。隨后，經(jīng)M.StanleyLivingston資助，建造了一臺(tái)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)間使用高電壓，幾個(gè)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?、磁場），限制粒子的最大能量。等時(shí)性回旋加速器60年代后，在世界范圍掀起了研發(fā)等時(shí)性回旋加速器的高潮。等時(shí)性回旋加速器。是由3個(gè)扇極組合的回旋加速器，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1MeV，束流強(qiáng)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。有關(guān)計(jì)算公式根據(jù)力的平衡條件：離子運(yùn)動(dòng)的最大速度為Vmax=BRq/m:運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場中受的洛倫磁力為F=qvB帶電粒子作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為F=mv^2/R：將兩式聯(lián)立得：mv^2/BqvR=mv/Bq則粒子作圓周運(yùn)動(dòng)的周期為：

T=2R/vT=2m/Bq

頻率f=1/T最大半徑Rmax=(m*Vmax)/B*q最大動(dòng)能E*k=(1/2)m(Vmax)^2=(B*q*Rmax)^2/2m磁場作用帶電粒子以某一速度垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時(shí)，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其中周期與速率和半徑無關(guān)，使帶電粒子每次進(jìn)入D形盒中都能運(yùn)動(dòng)相等時(shí)間（半個(gè)周期）后，平行于電場