回旋加速器（磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动）

回旋加速器

磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动

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。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。

概述

回旋加速器是一种粒子加速器。回旋加速器通过高频交流电压来加速带电粒子。大小从数英吋到数米都有。它是由欧内斯特·劳伦斯于1929年在柏克莱加州大学发明。

世界上最大的回旋加速器位于英属哥伦比亚大学的温哥华校区，为加拿大的TRIUMF国家研究中心所拥有。 

发展史

许多原子核、基本粒子的性质有关的资讯，均是利用高能粒子轰击原子靶（atomic target）而获得的。

1932年，约翰·柯克劳夫与欧内斯特·沃吞在英国制造了第一台“原子击破器”（atom smasher）。他们乃是利用700,000V的高电压对质子加速，然后再拿它们轰击锂靶。

他们采用的方法虽然较为野蛮，但确实是建构出了这么个高电压。在1929年时，劳伦斯就已经考虑过这种可能性：将粒子重复地经由一“相对小电压”做加速，而不是一次就用一个巨大电压去做加速。他于是与李明斯顿（M.S.Livingston）合作，发展出了回旋加速器（cyclotron）。

第一部回旋加速器建于1930年，稍后的改良则于1934年完成。

相关理论

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。

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。 

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 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

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.回旋加速器的作用是什么·網易网

2.中国基础核物理研究关键实验设施升级工程建成·北极星电力网