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1、回旋加速器,陈英茂 解放军总医院核医学科,核医学大型设备培训,2010-6-18,回旋加速器的发展历史,1929年，劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence ；19011958；美国物理学家) 提出了回旋加速器的理论。 用磁场使带电粒子沿圆轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。 劳伦斯因回旋加速器的一系列成果获得了1939年诺贝尔物理学奖。1938年，托马斯（L. H. Thomas）的研究，解决了相对论及横向聚焦的问题，为后来的等时性回旋加速器奠定了基础。 磁场沿方位角周期性变化，使加速粒子沿平衡轨道受到一个方位角周期性变化的磁场力，以维持轴向运动的稳定。同时，
2、磁场沿粒子轨道一周的平均值也随半径逐渐增强，满足等时性场的要求。 1945年，通过改变加速电压的频率，解决相对论的限制。 60年代后，等时性回旋加速器得到了迅速发展。,回旋加速器的类型,加速粒子的带电性质： 1 正离子回旋加速器；2 负离子回旋加速器 加速粒子的种类数： 1 单粒子回旋加速器；2 多粒子回旋加速器 加速器的构造： 1 卧式回旋加速器；2 立式回旋加速器医用回旋加速器多为负离子回旋加速器,回旋加速器的理论基础,电场力： 带电粒子在电场中跨过电位差U时，获动能Ek=qU 洛伦兹力： 带电粒子以速度 v 在磁场 B 中运动时，会受到一个力-洛伦兹力 F 的作用：F=q(v x B)
3、F= qvB sin 洛伦兹力总是与 v 和 B 垂直，因此不做功，但使粒子不断改变运动方向 带电粒子在磁场中的圆周运动： 粒子以初速度 v 垂直进入均匀磁场中，在洛伦兹力作用下作圆周运动，向心加速度v2/r，向心力为洛伦兹力qvB，qvB=mv2/r | v/r = qB/ m | v = Bq/ m r 粒子回旋频率：fc=v/(2r)=qB/(2m)：与v、r无关，取决于B和q/m,相对论中的质量与能量 粒子的静止质量为m0，运动质量为m；根据相对论原理粒子的静止能量为0，总能量为磁场 毕奥-萨伐尔定律 = 电流通过螺线管中：B=0nI 磁介质增强磁场：安培分子环流假说 - 电子绕核旋转
4、，自旋,回旋加速器的理论基础,回旋加速器的理论基础,谐振电路元件 交流电路中元件的特性：阻抗 Z = U0/I0 ; 相位差 = u - i 电阻 R u(t) = U0 cos t ; i(t) = I0 cos t ; u = i ZR = R ； = 0 电容 C 充电电量 q(t) = Q0cos t ; u(t) = q(t)/C = Q0 /C cos t ; i(t) = dq(t)/dt = Q0 cos (t + /2) ; u = 0 ; i = /2 ZC = U0/ I0 = 1/C； = - /2 电感 L 自感电动势 L = - Ldi/dt ; i(t) = I0
5、 cos t ; u(t) = -L = Ldi/dt = LI0 cos (t + /2) ; u = /2 ; i = 0 ; ZL = U0/ I0 = L； = /2,回旋加速器的理论基础,串联谐振 在电感、电容、电阻串联电路中 电容 C 与 电感 L 上的电压相位差为180度 总阻抗 Z =R2 + (L - 1/C)21/2 ; 相位差 = tan-1 (L - 1/C)/R 谐振时：L = 1/C ; 总阻抗 最小 = R ; 相位差 = 0 谐振频率 f0 = 0/2 = 1/2(LC)1/2 品质因数 Q = 0L/R = 1/0CR 电压分配：Uc/U = UL/U = Q
6、频率选择性：f0/f = Q,回旋加速器的原理,加速器最关键部件 磁极和电极； 产生两个基本场：偏转磁场和加速电场； 决定加速器的基本结构。,经典回旋加速器的基本构造： 1. 核心部件为D形盒，形如扁圆金属盒沿直径剖开的两半，因形得名“D盒”。 2. 两D盒之间留有窄缝，中心放置离子源提供被加速的带电粒子。 3. 两D盒之间接交流电源，在缝隙里形成交变电场。 因金属D盒屏蔽在每个D盒内的电场为零。 4. D盒装在真空容器里，并位于巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，磁场方向垂直于D盒表面。,回旋加速器的原理,加速运动过程 由离子源来的带电粒子在两D盒缝隙中被电场加速进入D盒内，在洛仑兹力作用下转
7、向做圆周运动再次来到D盒缝隙，调整交变电场的频率使其这时电场的方向正好使粒子再次加速，随后进入另一边的D盒内作圆周运动，再次转向来到D盒缝隙，再次加速。 粒子圆周运动半径 r 随速度 v 增加v/(2r)=qB/(2m)，到边缘时被引出到靶 谐振条件 保证粒子每次通过D盒缝隙均被加速的条件是：交变电场的频率 fD 为带电粒子的回旋频率 fC 的整倍数h：fD = h fC ，h 称为谐波数。,回旋加速器的原理,等时性加速器 不考虑相对论效应，由 fc=v/(2r)=qB/(2m) 可知，对均匀的磁场，fC 是恒定的。只要电场满足 fD = h fC ，粒子就可不断地被加速。 相对论效应使 fC
8、 随 m 增加而减小，逐渐 fD = h fC 不再满足，粒子的速度达到极限。突破相对论效应限制的思路：为使 fC 不随 m 增加而减小，可设计磁场的分布使其强度 B 随粒子轨道半径 r 的增加而增加，并刚好抵消 m 的增加，从而使 fC 保持恒定。,回旋加速器的原理,磁钢度G： G = B rmax 磁感应强度B与最大轨道半径rmax的乘积 对确定的粒子，磁刚度决定了粒子的最高加速能量 粒子的能量：粒子能被加速的最高动能。常用单位为 MeV Ek=(Gqc)2+02)1/2 -0 粒子束流的品质参数 能散度：束流中粒子能量分散的程度 发射度：束流横截面尺寸与发散角的乘积。 常用单位是 毫米毫
9、弧度 亮度：粒子束通过单位截面、单位立体角的束流强度 束流强度：单位时间通过的粒子数或电荷数。常用单位为 微安,回旋加速器的组成及功能,基本组成及主要功能 磁场系统：为加速粒子提供向心力洛伦兹力 射频系统：为加速粒子提供能量-加速电场 离子源系统：提供要加速的带电粒子 引出系统：使加速粒子脱离回旋加速轨道射向靶 靶系统： 为生产核素进行特定核反应的场所 真空系统：降低束流丢失；高压电场绝缘 冷却系统：为各个高产热部件降温 控制系统：监控各个系统，并发出各种指令使加速器协调正常运行，以完成用户的相应任务,回旋加速器的组成-磁场系统,磁场系统 由磁铁、线圈、电源配给系统等组成。 磁场结构设计根据：
10、粒子动力学和LH Thomas的轴向聚焦理论。 结构采用扇形磁极，形成峰-谷磁场。常用的扇形磁极有直边扇形、螺旋扇形和分离扇形等。 磁铁由含碳量极低的纯铁或低碳钢制成。,磁感应强度的选择 磁铁设计的目标：在于满足加速粒子达到终能量所必需的磁钢度G。 磁场B愈高，造价愈低。然而磁场过高时，钢材的导磁率将迅速下降，发生“磁饱和”现象，激磁效率大降；并且磁场将随激励水平而显著变化，给加速离子能量和品种的调节造成巨大的困难。 通常B在1.22.0T之间。离子种类和能量固定的加速器的磁感应强度往往选在 2.0T 附近，离子和能量可变的加速器则选择在低限附近。,磁体设计 等时性： 要求磁场必须沿半径方向逐
11、渐增加磁场满足上述等时性条件，将导致粒子的轴向运动的不稳定 Thomas指出：磁场沿方位角周期性变化，可产生轴向的聚焦力磁场的调变度f ： 调变度愈高、轴向聚焦能力愈强 激励效率：磁铁气隙中的实际磁通量与理想值之比激磁功率取决于气隙的平均高度随着气隙的增大，造价和运行费用将迅速上升。,回旋加速器的组成-磁场系统,回旋加速器的组成-射频系统（RF System）,RF是回旋加速器中关键而复杂的系统 二个功能：加速电场；从离子源中拉出离子电场 主要由下列的子系统构成 RF谐振腔(RF Cavity RCAV) RF电源发生器(RF power generator RFPG) RF馈通电缆（RF F
12、eeder cable）RF谐振腔 安装于真空室内部 主要由D电极、耦合电容或电感、调节电容、附属金属腔组成。 现代等时性加速器中，采用单D（=180o）、双D（90o）、4个D（ cos(h+)=1 h 的选择：使 sin(h/2) = 1；也要兼顾频率过高的代价。,对进入D电极时初相位满足 =(n+1/2)-h/2 的离子，其每圈获得的最大能量HM-20S , h=2， =35o ，V=40kV，Ek=91.77 keV需218圈达20MeV,回旋加速器的组成-射频系统（RF System）,等效RLC串联谐振电路 电容 C 与 电感 L 上的电压相位差为180度 总阻抗 Z =R2 +
13、(L - 1/C)21/2 ; 谐振时：L = 1/C ; 总阻抗 最小 = R 谐振频率 f0 = 0/2 = 1/2(LC)1/2 品质因数 Q = 0L/R = 1/0CR 加速电压 ：Uc1 = QU - Uc2,RF馈通电缆 RF电缆由同轴的中空铜外壳和铜心导体构成，并用螺旋型的塑胶间隔装置固定铜心和铜外壳 电缆的长度是一个重要参数：当不匹配时，RF谐振腔失调谐,回旋加速器的组成-射频系统（RF System）,RF电源发生器 产生Dee电压 主要部件和功能 由振荡器、晶体管放大器、真空管放大器、回路控制器及工作电源组成 振荡器： RF发生器，驱动晶体管放大器 晶体管放大器：放大RF
14、，驱动真空管放大器 真空管放大器：RF放大，通过RF馈通电缆将其传输到谐振腔耦合元件 回路控制器：包括真空管放大器的输入、输出相位检测调节系统；D电极电压提取反馈调节系统 电源配给器：主要为真空管放大器提供工作电压 真空管的工作电源：阴极、屏极、栅极、板极4个电源系统,回旋加速器的组成-离子源系统,离子源系统 是加速器关键部件之一 产生带电粒子，为加速器提供离子束 许多性能指标（如束流强度、发射度、能散度、离子种类等）主要取决于离子源系统 由离子源，离子源电源和气体管理系统组成 离子源多为冷阴极型 (Penning ionization gauge，PIG)，阴极连接到离子源电源，离子源室（阳
15、极）接地。D电极的中心区充当离子拉出器（Puller），当D电极电压为正时，离子被拉出并在磁场的轨道中被加速，束流脉冲与RF同频率。,离子源与束流性能 束流强度：由阴极电流调节； 发射度、亮度：与等离子体温度、等离子体的发射面有关，还与离子源在引出区的空间电荷、气体原子的散射有关。 能散度：与离子游离方式和电流的波动等因素有关。离子源的能量分散造成轨道分散，被捕获到的离子数减少离子源气体的质量 是影响电离效率、发射度和离子源阴极寿命的重要因素 气体纯度大于99.995%，CH2含量小于1.0ppm 更换离子源气体后，须用气体冲排干净管道,回旋加速器的组成-离子源系统,负氢形成的机理 主要是通过
16、离解吸附和分离复合形成 离解吸附是等离子体内部形成负离子的主要过程，对于氢分子这一过程为：e + H2 H2- H- + H 分离复合反应：热灯丝发射的电子在弧压加速下与H2分子（或H原子）碰撞，使分子处于激发态（H2*），H2*与1eV的电子作用产生H-、H。这种反应的几率较小： H2 + e H2* ； H2* + e(1eV) H- + H 离子源放电腔真空度不高，H-与气体碰撞很易丢失电子，难以获取高强度H-离子束。（相比之下 H+ 需要的真空度要低一些。） 等离子体建立在两个相对的阴极之间，在磁场中将保持等离子体浓聚。 在电场中，电子和H-离子获得的动能相等：meve2=mHvH2 ve/vH = ( mH /me )1/2 = 47， 在引出区电子流约是H-离子流的50倍。因此，H-离子源的引出系统，应兼有抑制或消除电子的功能。,
