回旋加速器的原理及应用

1、指导教师：杨晓梅课题组长：马学利（12008243618） 组员：杨云 （12008243579） 班级：08级物理师范2班 日期：2009年10月27日 1 回旋加速器的发展史回旋加速器的发展史 1 回旋加速器的发展史回旋加速器的发展史 二二 回旋加速器的结构及原理回旋加速器的结构及原理 1 回旋加速器的结构图 2 回旋加速器的工作原理及相关计算 三三 回旋加速器的应用回旋加速器的应用 1 在医学方面的应用 2 在科学方面的应用 四四 心得体会心得体会 五 参考文献 六 结束语一：发展史劳伦斯劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence)是是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者，美

2、国著名物理学家、回旋加速器的发明者，1901年年8月月8日出生于美国达科他州南部日出生于美国达科他州南部的坎顿的坎顿。 1930年，年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理论，他提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转，设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。高能量。1931年，他和他的学生利文斯年，他和他的学生利文斯顿（顿（M. S. Livingston）一起，研制了世）一起，研制了世界上第一台回旋加速器，这台加速器的磁界上第一台回旋加速器，这台加速器的磁极直径只有极直

3、径只有10cm，加速电压为，加速电压为2kV，可，可加速氘离子达到加速氘离子达到80keV的能量，向人们的能量，向人们证实了他们所提出的回旋加速器原理。证实了他们所提出的回旋加速器原理。Earnest O. Lawrence随后，经随后，经M. Stanley Livingston资助，建造了一资助，建造了一台台25cm直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能量可达到能量可达到1MeV。回旋加速器的光辉成就不仅在。回旋加速器的光辉成就不仅在于它创造了当时人工加速带电粒子的能量记录，更于它创造了当时人工加速带电粒子的能量记录，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式

4、奠定了人们重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人们研发各种高能粒子加速器的基础。研发各种高能粒子加速器的基础。30年代以来，回旋加速器的发展经历了二个年代以来，回旋加速器的发展经历了二个重要的阶段。前重要的阶段。前20年，人们按照劳伦斯的原理建年，人们按照劳伦斯的原理建造了一批所谓经典回旋加速器，其中最大的可生产造了一批所谓经典回旋加速器，其中最大的可生产44MeV的的粒子或粒子或22MeV的质子。但由于相对论的质子。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每核子难以超过每核子20多多MeV的能量范围。后来，人的能量范围。

5、后来，人们基于们基于1938年托马斯（年托马斯（L. H. Thomas）提出的建）提出的建议，发展了新型的回旋加速器。因此，在议，发展了新型的回旋加速器。因此，在1945年年研制的同步回旋加速器通过改变加速电压的频率，研制的同步回旋加速器通过改变加速电压的频率，解决了相对论的影响。利用该加速器可使被加速粒解决了相对论的影响。利用该加速器可使被加速粒子的能量达到子的能量达到700MeV。使用可变的频率，回旋加。使用可变的频率，回旋加速器不需要长时间使用高电压，速器不需要长时间使用高电压，世界第一台回旋加速器 几个周期后也同样可获得最大的能量。在同步回旋加速几个周期后也同样可获得最大的能量。在同

6、步回旋加速器中最典型的加速电压是器中最典型的加速电压是10kV，并且，可通过改变加速，并且，可通过改变加速室的大小（如半径、磁场），限制粒子的最大能量。室的大小（如半径、磁场），限制粒子的最大能量。60年代后，在世界范围掀起了研发等时性回旋加速年代后，在世界范围掀起了研发等时性回旋加速器的高潮。等时性回旋加速器（器的高潮。等时性回旋加速器（Isochronous cyclotron）是由）是由3个扇极组合（个扇极组合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可变，以第一和第三偕波）的回旋加速器，能量可变，以第一和第三偕波模式对正离子进行加速。模式对正离子进行加速。 二：结

7、构及原理 1：结构图检测器是加速器中最重要的设备部件，它们用来观测碰撞后的粒子和辐射。检测器有许多类型从气泡室、云室到固态电子检测器。对撞机实验室可能在加速器的不同部分放置多种检测器。 （1） 云室检测器在室内装有饱和的水蒸气。当高能粒子通过水蒸气时，水蒸汽会离子化，形成一个踪迹，这与喷气式飞机穿过云层时留下的踪迹非常相像。在SLAC还有一种检测器是SLAC大型检测器（SLD）。 （2）SLD是一种多层检测器。每层都能看到一个不同的事件，SLD是一种大型的桶形固态检测器，竖起来时比四层楼还高，重量超过4000吨！ （3）顶点探测器检测粒子轨迹的位置 （4）漂移检测器是加速器中最重要的设备部件，

8、它们用来观测碰撞后的粒子和辐射。电源系统电源系统 ：粒子加速器需要使用大量电能。在有些地方会通过当地的电力公司来提供，有些加速器则在现场配备有发电机。铜管铜管 ：粒子加速器的主要结构是铜管。铜管内部有强大真空，粒子通过该真空管道行进。管是由铜制成的， 奥特曼粒子加速器世界上最大的加速器 2：工作原理回旋加速器是利用带电粒子在电场中被加速、在匀强磁场中作匀速圆周运动的半径不断增大，而周期不变的特点，使粒子在磁场中每转半周即能在电场中加速一次，从而使粒子获得高速的装置。 在回旋加速器中心部位的离子源（Ion Source）经高压电弧放电而使气体电离发射出粒子束流，该粒子束流在称为Dees的半圆形电

9、极盒（简称D型盒）中运动。D型盒与高频振荡电源相联为加速粒子提供交变的电场。在磁场和电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。 在回旋加速器中心区域，粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度v1，同时，磁场也对这些粒子产生作用，两种场作用的结果是粒子在Dee间隙（gap）内按螺旋轨道飞行。经过非常短的时间后，粒子经gap进入另一个Dee电极盒，回旋加速器原理 此后，粒子在该Dee电极盒一边飞行到等电势的另一边。每越过一个gap后，其轨道半径将比前一次的轨道半径大。粒子运动的瞬时轨道半径将随时间t的增加而增大，粒子运动速度的平方与粒子旋转的圈

10、数成比例。被加速粒子运动的螺旋轨道半径r与运行时间t的平方根成正比。带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量，在该点处粒子将被束流提取装置提取引出。 若粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁感应强度为B的磁力线，粒子受到垂直于v和B的劳仑兹（Lorentz）力的作用，使粒子沿着曲率半径为r的轨道作圆周运动1，2。 依力的平衡条件， 离子运动的最大速度为： Vmax=BRq/m。 运动的带电粒子在磁场中所受的洛仑兹力为：F=Bqv 带电粒子做圆周运动的向心力为：F=mv2 /R 将两式联立得：mv2/R=Bqv R=mv/Bq 则粒子做圆周运动的周

11、期为：T=2R/v T=2m/Bq 由此可见，粒子运动的周期与其速度是无关的，我们只 要每隔半个周期调整两极板间的电压方向，就可以实现对带 电粒子的不断加速。这也是为什么要使用交流电的原因。在上式中，若D形盒的半径为R，则粒子所能获得的最大速度为Vmax=BRq/m。为了使粒子获得较高的能量，通常要加大加速电磁铁的重量和D形盒的直径。 不过由于相对论的效应，当粒子的速度太大时，q/m不再是常量，从而回旋共振周期将随粒子的速率的增长而增长，如果加于D形盒两极的交变电场频率不变的话，粒子由于每次迟到一点而不能保证总被加速。上述回旋加速的理论就不再适用了。 对于同样的动能，质量愈小的粒子速率愈大，相

12、对论效应也愈显著。因此回旋加速器更适用于加速较重的粒子，但其速率始终不能无限制的提高。回旋加速器原理公式推导 三 ： 回旋加速器的应用 1 ：在医学方面的应用：在医学方面的应用 目前回旋加速器主要被应用于医疗领域。粒子加速器技术的目前回旋加速器主要被应用于医疗领域。粒子加速器技术的发展，使其造价和体积都减小，适合在医院环境下使用，利用加发展，使其造价和体积都减小，适合在医院环境下使用，利用加速器作为放疗用的射线源，尤其是电子类加速器，已经大量普及，速器作为放疗用的射线源，尤其是电子类加速器，已经大量普及，并部分取代了并部分取代了60Co治疗机，它的最大优点是，能量更高而且可调，治疗机，它的最大

13、优点是，能量更高而且可调，剂量率高，可开可停，安全可靠。这就是我们所熟悉的剂量率高，可开可停，安全可靠。这就是我们所熟悉的刀刀 。 无论是钴源还是电子类加速器射线源，在放疗中，由于无论是钴源还是电子类加速器射线源，在放疗中，由于X或或射线的性质，在杀死癌细胞的同时，都会对周围的正常细胞，产射线的性质，在杀死癌细胞的同时，都会对周围的正常细胞，产生较大的损伤。生较大的损伤。 因此有人提出因此有人提出利用质子束、中子射线代替伽利用质子束、中子射线代替伽玛射线。它们的最大优点是吸玛射线。它们的最大优点是吸收剂量相对集中收剂量相对集中 。但不论用。但不论用何种粒子，都需要回旋加速器何种粒子，都需要回旋

14、加速器对其进行加速。对其进行加速。 医用回旋加速器行业的具体发展现状医用回旋加速器行业风医用回旋加速器行业的具体发展现状医用回旋加速器行业风险及策略分析三部分。第一部分的中国医疗卫生以及医疗器械的险及策略分析三部分。第一部分的中国医疗卫生以及医疗器械的整体情况主要分为四个章节，第一章主要概括了中国医疗卫生事整体情况主要分为四个章节，第一章主要概括了中国医疗卫生事业的整体情况，从卫生资源、医疗服务、农村与社区卫生方面、业的整体情况，从卫生资源、医疗服务、农村与社区卫生方面、疾病控制、妇幼保健以及重点城市的医药价格情况等不同角度进疾病控制、妇幼保健以及重点城市的医药价格情况等不同角度进行了细致而全

15、面的概括分析；第二章主要介绍了我国医疗器械行行了细致而全面的概括分析；第二章主要介绍了我国医疗器械行业的政策环境及相关标准；第三章，报告主要从医疗器械行业市业的政策环境及相关标准；第三章，报告主要从医疗器械行业市场供求状况、各项经济指标、进出口状况及重点地区的运行情况场供求状况、各项经济指标、进出口状况及重点地区的运行情况入手对相关数据进行有效分析；第四章详细介绍了国家对医疗器入手对相关数据进行有效分析；第四章详细介绍了国家对医疗器械行业的投入情况。械行业的投入情况。 报告的第二部分从医用回报告的第二部分从医用回旋加速器行业的具体情况入手，旋加速器行业的具体情况入手，首先根据国家统计局、国家发

16、首先根据国家统计局、国家发改委的权威数据阐述了行业的改委的权威数据阐述了行业的发展现状、经济效益的表现等发展现状、经济效益的表现等客观情况，并根据行业所面临客观情况，并根据行业所面临的问题提出有效的解决之道；的问题提出有效的解决之道；其次，在区域市场方面，其次，在区域市场方面，报告从消费总量和消费企业构成两个角度进行了调查分报告从消费总量和消费企业构成两个角度进行了调查分析；另外，根据中国海关的相关数据，报告中介绍了我析；另外，根据中国海关的相关数据，报告中介绍了我国医用回旋加速器行业相关产品的贸易情况；最后，报国医用回旋加速器行业相关产品的贸易情况；最后，报告根据医用回旋加速器行业中重点企业

17、的经营状况及经告根据医用回旋加速器行业中重点企业的经营状况及经营策略，经分析得出对相关企业的关键性和战略性的指营策略，经分析得出对相关企业的关键性和战略性的指导建议。导建议。报告的第三部分，首先对医用回旋加速器行业在营报告的第三部分，首先对医用回旋加速器行业在营销、服务、市场渠道等方面进行了系统的分析；其次是销、服务、市场渠道等方面进行了系统的分析；其次是医用回旋加速器行业在环境、政策、产业链、市场等方医用回旋加速器行业在环境、政策、产业链、市场等方面的各项风险分析；最后，报告给出了医用回旋加速器面的各项风险分析；最后，报告给出了医用回旋加速器行业在发展、技术、企业竞争力以及应对金融危机的最行

18、业在发展、技术、企业竞争力以及应对金融危机的最佳策略和医用回旋加速器行业的投资机会和发展机会。佳策略和医用回旋加速器行业的投资机会和发展机会。对行业概况的客观描述、采用数据的准确权威以及系统对行业概况的客观描述、采用数据的准确权威以及系统全面的分析是本报告的特色，相信会对医用回旋加速器全面的分析是本报告的特色，相信会对医用回旋加速器行业的相关企业以及即将进入医用回旋加速器行业的相行业的相关企业以及即将进入医用回旋加速器行业的相关人士起到重要的指导性作用。关人士起到重要的指导性作用。2 :在科学方面的应用 回旋加速器在核物理研究中发挥过重要的作用回旋加速器在核物理研究中发挥过重要的作用,现在和将来仍然是核物理研究领域的主要工具之一