第25卷 第12期 无 机 材 料 学 报 Vol. 25 No. 12 2010年12月 Journal of Inorganic Materials Dec. , 2010 收稿日期: 2010-03-22; 收到修改稿日期: 2010-05-31 基金项目: 国家自然科学基金(50671042); 应用光学国家重点实验室开放基金; 江苏大学科技创新团队及高级人才基金(07JDG032) National Nature Science Foundation of China (50671042); Opening Foundation of State Key Laboratory of Applied Optices; Jiangsu University Science Foundation (07JDG032) 作者简介: 王雪涛(1985?), 男, 硕士研究生. E-mail: hylhb-syu@https://www.doczj.com/doc/3e11814099.html, 通讯联系人: 关庆丰, 教授. E-mail: guanqf@https://www.doczj.com/doc/3e11814099.html, 文章编号: 1000-324X(2010)12-1313-05 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2010.01313 强流脉冲电子束作用下单晶硅表层缺陷与结构变化 王雪涛1, 关庆丰1, 顾倩倩1, 彭冬晋1, 李 艳1, 陈 波2 (1. 江苏大学 材料学院, 镇江 212013; 2. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 长春 130033) 摘 要: 为了研究超快变形诱发的非金属材料的微观结构状态, 利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对单晶硅进行了辐照处理, 并用透射电镜对电子束诱发的表层微观结构进行了分析. 实验结果表明, HCPEB 辐照后单晶Si 表层形成了丰富的缺陷结构, 互相平行的螺位错和外禀层错是辐照后最为典型的缺陷结构; 同时HCPEB 辐照还诱发了密度很高的包括位错圈和SFT 在内空位簇缺陷, 幅值极大和应变速率极高的表面应力导致的{111}面整体位移可能是大量空位簇缺陷形成的根本原因. 此外, HCPEB 处理可在单晶Si 表面形成纳米和非晶混合结构. 关 键 词: 强流脉冲电子束; 单晶硅; 结构缺陷; 空位簇 中图分类号: O77 文献标识码: A Defects and Microstructures in the Surface Layer of Single-crystal Silicon Induced by High-current Pulsed Electron Beam WANG Xue-Tao 1, GUAN Qing-Feng 1, GU Qian-Qian 1, PENG Dong-Jin 1, LI Yan 1, CHEN Bo 2 (1. College of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China) Abstract: In order to investigate the microstructures of nonmetallic material induced by high-speed deformation, the high-current pulsed electron beam (HCPEB) technique was used to irradiate the single-crystal silicon. The sur-face microstructures induced by electron beam were studied by transmission electron microscope (TEM). The ex-perimental results showed that a large number of defect structures were formed by the HCPEB irradiation. Among them, the typical defect structures were the parallel screw dislocations and the extrinsic stacking faults. In the meantime, the HCPEB irradiation induced high density of vacancy cluster defects. The surface stress with very high value and strain rate led to the integral shift of (111) crystal plane, which might be the dominating reason of the formation of the massive vacancy cluster defects. In addition, the mixtures of nanocrystal and amorphous in the surface of single-crystal silicon can be formed by HCPEB technique. Key words: high-current pulsed electron beam; single-crystal silicon; structure defects; vacancy clusters 由于材料加工技术方面的限制, 人们对某些极限条件下(如超快变形)材料的行为了解不多, 使得这些极限加工条件方面的研究成为当今科技发展的前沿领域. 因此, 开展极限条件下材料的结构特征 与性能研究, 对于更好地控制这些极限加工行为、预测材料在极限条件下的使役寿命、改变材料的物理与机械性能是至关重要的. 强流脉冲电子束辐照是一种极限加工技术, 它
练习八回旋加速器 一、选择题(每题6分，共48分) 1.A 关于回旋加速器中电场和磁场的说法中正确的是 A.电场和磁场都对带电粒子起加速作用 B.电场和磁场是交替地对带电粒子做功的 C.只有电场能对带电粒子起加速作用 D.磁场的作用是使带电粒子在D 形盒中做匀速圆周运动 答案：CD 2.在回旋加速器内，带电粒子在半圆形盒内经过半个周期所需的时间与下列哪个量有关 A.带电粒子运动的速度 B.带电粒子运动的轨道半径 C.带电粒子的质量和电荷量 D.带电粒子的电荷量和动量 答案：C 3.B 关于回旋加速器加速带电粒子所获得的能量，下列说法正确的是 A.与加速器的半径有关，半径越大，能量越大 B.与加速器的磁场有关，磁场越强，能量越大 C.与加速器的电场有关，电场越强，能量越大 D.与带电粒子的质量和电荷量均有关，质量和电荷量越大，能量越大 答案：AB(由带电粒子在磁场中运动的半径公式R=qB mv 可得v=m RqB ，所以粒子获得的最大动能E k =2mv 21=()2m RqB 2 4.A 加速器使某种粒子的能量达到15MeV ，这个能量是指粒子的 A.势能 B.动能 C.内能 D.电能 答案：B 5.A 下列关于回旋加速器的说法中，正确的是 A.回旋加速器一次只能加速一种带电粒子 B.回旋加速器一次最多只能加速两种带电粒子 C.回旋加速器一次可以加速多种带电粒子 D.回旋加速器可以同时加速一对电荷量和质量都相等的正离子和负离子 答案：A 6.A 用回旋加速器分别加速α粒子和质子时，若磁场相同，则加在两个D 形盒间的交变电压的频率应不同，其频率之比为 A1：1 B.1：2 C.2：1
3.6教学设计——回旋加速器 人教版选修3-1 第三章第6节 一、教材分析 本节教材是从学生已经学过的知识入手，先简单介绍直线加速器的设想，提出不足，进而引出回旋加速器，分析其工作原理，并简单介绍回旋加速器的结构。通过对比多级直线加速器和回旋加速器的优缺点，显示科学发展的规律和发展的方向，引导学生思维，开阔学生思路，强化学生探索意识，激发学生学习兴趣。 二、学情分析 学生对电场和磁场的相关知识有了一定的了解，能够通过自己的分析探索带电粒子的加速原理，进而得到回旋加速器的基本构造。根据本节课内容特点和学生现状，采取探究学习的方法，锻炼学生的探索创新能力、分析解决问题能力，升华情感态度和价值观。具体教学策略是首先提出实际问题，激发学生的学习兴趣，引导学生分析问题，激发学生的思维，结合所学知识提出解决问题的方案，最后达到解决问题的目的，让学生体验成功的喜悦，树立科学探索精神。 三、教学目标 1. a.知道回旋加速器的基本构造和加速原理。 b.知道加速器的基本用途； c.通过情景设置, 培养学分析实际问题、解决实际问题的能力；
d.通过师生、生生思维碰撞, 开阔学生, 思维锻炼学生的创新意识. 2. 通过问题提出，结合所学知识，引导学生探究，最后达到知道加速器的基本结构和加速原理的教学目的，让学生体会研究、设计新仪器的思路。 3. a.介绍我国高能粒子加速器——北京正负电子对撞机, 培养民 族自豪感, 激发学生的学习兴趣； b.体验探究乐趣, 激发创新意识。 四、教学重难点 教学重点: 回旋加速器的构造和加速原理； 教学难点: 交变电压的周期和粒子的运动周期相同。 五、教学方法 预习检测、教师引导、课堂交流讨论 六、教学过程 预习任务回顾： 1.阅读课本101页至102页回旋加速器相关内容； 2.完成《新新学案》大册子87页预习内容填空。 一、预习情况交流： 1.为什么要对带电微粒进行加速？ 答：认识原子核内部结构的需要，加速粒子充当“炮弹”；
回旋加速器: (1)构造: 回旋加速器的核心部件是两个D 形扁金属盒，整个装置放在真空容器中，如图所示。 ①两个D形盒之间留有一个窄缝，在中心位置放有粒子源。 ②两个D形盒分别接在高频交变电源的两极上，在两盒间的窄缝中形成一个方向呈周期性变化的交变电场。 (2)原理: 利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，如图所示。 ①磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直于磁场方向进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速度和半径无关，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交流电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使能量不断提高，要在狭缝处加 一个周期与相同的交流电压。 (3)特点
①带电粒子在D形盒中的回转周期等于两盒狭缝间高频电场的变化周期，与带电粒子速度无关(磁场保证带电粒子做回旋运动，如图所示)。 ②带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径不等距分布。设带正电粒子的质量为m，电荷量为q，狭缝间加速电压大小为U，粒子源产生的带电粒子，经电场加速第一次进入左半盒 时速度和半径分别为。 第二次进入左半盒时，经电场加速3次，进人左半盒的速度和半径为 第k次进入左半盒时，经电场加速(2k一1)次，进入左半盒时速度和半径为 所以，任意相邻两轨道半径之比 可见带电粒子在D形金属盒内运动时，越靠近D 形金属盒的边缘，相邻两轨道的间距越小。 ③带电粒子在回旋加速器内运动的最终能量。由于D形金属盒的大小一定，所以不管粒子的大小及带电荷量如何，粒子最终从加速器内射出时应具有相同的旋转半径。 由牛顿第二定律得 动量大小与动能之间存在定量关系 由①②两式得 可见，带电粒子离开回旋加速器的动能与加速电压无关，而仅受磁感应强度B和D形盒半
第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002 文章编号:100124322(2002)0520778205 不同入射角度下强流脉冲电子束 能量沉积剖面和束流传输系数模拟计算Ξ 杨海亮, 邱爱慈, 张嘉生, 黄建军, 孙剑锋 (西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要: 强流脉冲电子束在材料中的能量沉积剖面、能量沉积系数和束流传输系数受其入射角的影响很 大,理论计算了0.5～2.0MeV的电子束以不同的入射角在Al材料中的能量沉积剖面和能量沉积系数,并且还 计算了0.4～1.4MeV电子束以不同入射角穿透不同厚度C靶的束流传输系数。计算结果表明,随着入射角的 增大,靶材表面层单位质量中沉积的能量增大,电子在靶材料中穿透深度减小,能量沉积系数减小,相应的束流 传输系数也减小;能量为0.5～2.0MeV的电子束当入射角在60°～70°时在材料表面层单位质量中沉积的能量 较大。 关键词: 电子束;入射角;电子输运;能量沉积;束流传输系数 中图分类号:O562.5;O571.1 文献标识码:A 固体靶受到强流脉冲电子束辐照时,其表层会沉积大量能量,使材料处于高温高压状态,产生各种热力学效应[1],这与X射线对材料和结构的辐照效应基本相同[2,3],对于强流脉冲电子束在材料中产生的辐照效应已有较多研究[4,5],但有关电子束入射角对能量沉积剖面影响方面的研究则很少。垂直入射电子束的能量沉积剖面存在峰值,且峰值位于靶前表面一定深度处,这与X射线的能量沉积剖面是有差别的,垂直入射的温度为几keV的黑体辐射X射线能量沉积剖面最大值几乎位于辐照靶的前表面处,绝大部分能量沉积在0～100μm 的表面层之内,形成从表面层向内大致呈指数规律下降的能量沉积分布[6]。而以一定角度入射的电子束的能量沉积剖面峰值随入射角的增大逐渐移向前表面处,与X射线在材料中的能量沉积剖面比较接近,因此,可以通过选择合适的束流入射角和电子束能量使电子束在材料中的能量沉积剖面更接近垂直入射的X射线的能量沉积剖面。 本文利用蒙特卡罗程序[7]模拟计算了0.5～2.0MeV的电子束以不同的入射角在Al材料中的能量沉积剖面和能量沉积系数。利用多个Rogowski线圈测量电子束穿透不同厚度C靶的束流传输系数可以确定电子束的入射角,因此本文也计算了0.4～1.4MeV的电子束以不同的角度入射到C靶中的束流传输系数,得到了不同入射角度下的电子能量与束流传输系数曲线。 1 计算方法 电子在介质中输运主要受到库仑力的作用,这包括电子与靶原子核外电子的非弹性碰撞而导致的电离和激发,电子与靶原子核的非弹性碰撞而导致的轫致辐射,电子与靶原子核的弹性碰撞导致的电子散射等。这三种作用都会改变入射电子的运动方向,并且前两种作用还会明显导致入射电子的能量损失,即碰撞能量损失和辐射能量损失。 由于库仑相互作用的存在,电子与中子或光子等中性粒子的输运行为具有本质的不同,电子在介质中的历史比中性粒子要复杂得多。中性粒子的输运行为以相对不频繁的独立碰撞之间的自由飞行为主要特征,而电子的输运则以长程库仑相互作用为主而导致的大量小碰撞为主要特征,电子在它的轨迹长度内的碰撞次数是惊人的,光子的Compton散射,能量从几MeV降到50keV,仅需20～30次,而电子能量从0.5MeV降到0125MeV约需104次。为了减少计算量,在利用蒙特卡罗方法计算电子的输运过程中必须采用压缩历史法,即把真实的物理上随机游动划分为若干历史阶段,每一个历史阶段包括好多次游动,也就是说,把好多次随机碰撞合并为一次碰撞,作为一步游动处理。而这一步的能量和飞行方向的转移概率由近似的多次散射理论给 Ξ收稿日期:2001210211; 修订日期:2002206206 基金项目:国防预研基金资助课题 作者简介:杨海亮(19682),男,山东诸城人,博士研究生,副研究员,主要从事核技术及应用研究;西安市69信箱10分箱。
回旋加速模型 1． 正电子发射计算机断层（PET ）是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段。 （1）PET 在心脏疾病诊疗中，需要使用放射正电子的同位素 氮13示踪剂，氮13是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16获得的，反应中同时还产生另一个粒子，试写出该核反应方程。 （2）PET 所用回旋加速器示意如图7.11，其中置于高真空中 的金属D 形盒的半径为R ，两盒间距为d ，在左侧D 形盒圆心处放有粒子源S ，匀强磁场的磁 感应强度为B ，方向如图所示。质子 质量为m ，电荷量为q 。设质子从粒 子源S 进入加速电场时的初速度不 计，质子在加速器中运动的总时间为t （其中已略去了质子在加速电场中的运动时间），质子在电场中的加速次数于回旋半周的次数相同，加速质子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电源频率f 和加速电压U 。 （3）试推证当d R 时，质子在电场中加速的总时间相对于在 D 形盒中回旋的时间可忽略不计（质子在电场中运动时，
不考虑磁场的影响）。 图7.11 解析： （1）核反应方程为：He N H O 4213711168+→+ ① （2）设质子加速后最大速度为v ，由牛顿第二定律得： R v m qvB 2 = ② 质子的回旋周期为：qB m v R T ππ22== ③ 高频电源的频率为：m qB T f π21== ④ 质子加速后的最大动能为：22 1mv E k = ⑤ 设质子在电场中加速的次数为n ，则： nqU E k = ⑥ 又2T n t = ⑦ 可解得：t BR U 22 π= ⑧ （3）在电场中加速的总时间为：
回旋加速器（参考答案） 一、知识清单 1． 【答案】 二、经典习题 2． 【答案】BC ． 【解析】回旋加速器粒子在磁场中运动的周期和高频交流电的周期相等，当粒子从D 形盒中出来时，速度最大，此时运动的半径等于D 形盒的半径，再推导出动能表达式，从而即可不解． 【解答】解：A 、当粒子从D 形盒中出来时速度最大，根据qv m B=m ，得v m =，那么质子获得的最大动能E Km = ，则最大动能与交流电压U 无关．故A 错误． B 、根据T=，若只增大交变电压U ，不会改变质子在回旋加速器中运行的周期，但加速次数减少，则运行时间也会变短．故B 正确． C 、根据T= ，若磁感应强度B 增大，那么T 会减小，只有当交流电频率f 必须适当增大才能正常工作．故C 正确． D 、带电粒子在磁场中运动的周期与加速电场的周期相等，根据T=知，换用α粒子，粒子的比荷变化，周期变化，回旋加速器需改变交流电的频率才能加速α粒子．故D 错误． 3． 【答案】B 【解析】回旋加速器所加高频电源的频率与带电粒子在磁场中运动频率相同，在一个周期内，带电粒子两次通过匀强电场而加速，故高频电源的变化周期为t n －t n －2，A 错误；带电粒子在匀强磁场中运动周期与粒子速度 无关，故B 正确；粒子获得的最大动能可由最后半个圆周的偏转求得，设D 形盒的最大半径为R ，则R ＝mv m Bq ，所以最大动能E km ＝12mv 2m ＝B 2q 2R 22m ，R 越大，E km 越大，且比荷不同的粒子获得的最大动能不同，故C 、D 错误。 4． 【答案】AC 【解析】根据带电粒子在匀强磁场中运动的周期与速度无关可知，在E k -t 图中应该有t n ＋1－t n ＝t n －t n －1，选项A 正确B 错误；由于带电粒子在电场中加速，电场力做功相等，所以在E k -t 图中应该有E n ＋1－E n ＝E n －E n －1，选项C 正确D 错误。 5． 【答案】 A 【解析】 根据qvB ＝m v 2R ，得v ＝qBR m .两粒子的比荷q m 相等，所以最大速度相等．故A 正确．最大动能E k ＝12 mv 2＝q 2B 2R 22m ，两粒子的比荷q m 相等，但质量不相等，所以最大动能不相等．故B 错．带电粒子在磁场中运动的周期T ＝2πm qB ，两粒子的比荷q m 相等，所以周期相等．做圆周运动的频率相等，因为所接高频电源的频率等于粒子做圆周运动的频率，故两次所接高频电源的频率相同，故C 错误．由E k ＝q 2B 2R 22m 可知，粒子的最大动能与加速电压的频率无关，故仅增大高频电源的频率不能增大粒子的最大动能．故D 错． 6． 【答案】B 【解析】根据T ＝2πm qB ，则三种粒子在磁场中运动的周期分别为：T 1＝4πm qB 、T 2＝4πm qB 、T 3＝3πm qB ；因为加速电
回旋加速器、质谱仪 1.(2016湖北部分重点中学联考)物理课堂教学中的洛伦兹力演示仪由励磁线圈、玻璃泡、电子枪等部分组成。励磁线圈是一对彼此平行的共轴的圆形线圈，它能够在两线圈之间产生匀强磁场。玻璃泡内充有稀薄的气体，电子枪在加速电压下发射电子，电子束通过泡内气体时能够显示出电子运动的径迹。若电子枪垂直磁场方向发射电子，给励磁线圈通电后，能看到电子束的径迹呈圆形。若只增大电子枪的加速电压或励磁线圈中的电流，下列说法正确的是( ) A．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径变大 B．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径不变 C．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径变小 D．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径不变 2.回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用，其原理如图7所示。D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略)，它们在两盒之间被电场加速。当质子被加速到最大动能E k后，再将它们引出。忽略质子在电场中的运动时间，则下列说法中正确的是( ) A.若只增大交变电压U，则质子的最大动能E k会变大 B.若只增大交变电压U，则质子在回旋加速器中运行的时间会变短 C.若只将交变电压的周期变为2T，仍可用此装置加速质子 D.质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为n－1∶n 3．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U。若A处粒子源产生的质子的质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法正确的是( ) A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
第六节 回旋加速器 ●教学目标 一、知识目标 1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理. 2.知道回旋加速器的基本用途. 二、能力目标 先介绍直线加速器，然后引出回旋加速器，并对两种加速器进行对比评述，引导学生思维，开阔学生思路. 三、德育目标 1.通过介绍两种加速器的利和弊，告诉学生应辩证地去看待某一事物. 2.通过介绍回旋加速器不利的一面，希望学生掌握现在的基础知识，将来能研究出更切合实际的加速器. ●教学重点 回旋加速器的工作原理. ●教学难点 回旋加速器的基本用途. ●教学方法 阅读法、电教法、对比法 ●教学用具 实物投影仪、CAI 课件 ●课时安排 1课时 ●教学过程 ［投影］本节课的教学目标： 1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理. 2.知道加速器的基本用途. ●学习目标完成过程 一、引入新课 在现代的物理学中，为了进一步研究物质的微观结构，需要能量很高的带电粒子去轰击原子核，为了使带电粒子获得如此高的能量，就必须设计一个能给粒子加速的装置——加速器. 二、新课教学 让学生阅读课文，然后回答以下问题： ［问题1］用什么方法可把带电粒子加速？ ［学生答］利用加速电场给带电粒子加速. ［板书］由动能定理W =ΔE k qu =22 1mv ， v =m qu /2 ［问题2］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可采取什么方法？ ［学生答］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差. ［问题3］实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需的能量？（不能）怎么办？ ［学生答］实际所加的电压，不能使带电粒子达到所需要的能量.不能，可采用高极加
回旋加速器与高考物理 河南省信阳高级中学陈庆威 2015.12.08 一、命题分析 无论是2008广东物理卷第4题、2009年江苏物理第14题、2010年山东第25题、2011天津理综物理第12题，还是2015年我们刚经历过的浙江高考物理第25题。回旋加速器这个名字总是熟悉地出现在我们的高考试卷中。 回旋加速器是教材中带电粒子在电磁场中的运动的重要实例，也是近代物理的重要实验装置，是高考考查的重点和热点，高考试题中它可能为选择题，也可能为计算题，一旦出现在计算题中，多半要成为压轴题。这种题的综合性强、难度大、分值高、区分度大，因此也成为我们学习的重点，备考的热点。 二、工作原理 回旋加速器的工作原理如图所示，设离子源中放出的是带正电的粒子，带正电的粒子以一定的初速度v 进入下方D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运动 半周后回到窄缝的边缘，这时在A 1、A 1 '间加一向上的电场，粒子将在电场作用下 被加速，速率由v 0变为v 1 ，然后粒子在上方D形盒的匀强磁场中做圆周运动，经 过半个周期后到达窄缝的边缘A 2'，这时在A 2 、A 2 ′间加一向下的电场，使粒子又 一次得到加速，速率变为v 2 ，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速，又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝，通过反复加速使粒子达到很高的能量。 1、带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速二次。 2、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。 3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，每次增加的动能为；所有各次半径之比为：； 4、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。 5、由最大半径得：；
自制粒子加速器 大象无形
目录 一、什么是回旋加速器 (1) 二、加速器的原理及公式 (2) 三、电磁铁制作 (3) 1.概述 (3) 2.铁芯 (5) 3.磁极设计 (6) 4、励磁线圈的设计 (7) 四、真空系统 (8) 五、射频电子系统 (10) 1、射频系统驱动 (10) 2、电源要求： (10) 3.D盒电路设计: (12) 4.偏置电压 (13)
一、什么是回旋加速器 它是利用磁场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。 1930年E.O.劳伦斯提出其工作原理，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，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t=(m π)/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形盒上极性变号，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，因此，为了使粒子每次穿过缝隙时仍能不断得到加速，必须使交变电场的角频率ω随着粒子的加速过程而同步降低，使之满足ω m=qB（式中q和B时不变的）。根据这个原理设计的回旋加速器叫做同步回旋加速器(Syncrocyclotron)。
回旋加速器与高考物理讲解
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回旋加速器与高考物理 河南省信阳高级中学陈庆威201５.1２.0８ 一、命题分析 无论是2008广东物理卷第４题、２00９年江苏物理第14题、2０10年山东第２５题、２０1１天津理综物理第12题，还是201５年我们刚经历过的浙江高考物理第２5题。回旋加速器这个名字总是熟悉地出现在我们的高考试卷中。 回旋加速器是教材中带电粒子在电磁场中的运动的重要实例,也是近代物理的重要实验装置，是高考考查的重点和热点，高考试题中它可能为选择题,也可能为计算题，一旦出现在计算题中，多半要成为压轴题。这种题的综合性强、难度大、分值高、区分度大，因此也成为我们学习的重点，备考的热点。 二、工作原理 回旋加速器的工作原理如图所示,设离子源中放出的是带正电的粒子,带正电的粒子以一定的初速度v 进入下方D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运动半周 后回到窄缝的边缘，这时在Ａ 1、A 1 ＇间加一向上的电场，粒子将在电场作用下被加 速,速率由v 0变为v 1 ，然后粒子在上方D形盒的匀强磁场中做圆周运动，经过半个周 期后到达窄缝的边缘Ａ 2',这时在A 2 、A 2 ′间加一向下的电场,使粒子又一次得到加速, 速率变为v 2 ，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速,又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝,通过反复加速使粒子达到很高的能量。 ? 1、带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期,粒子每经过一个周期，被电场加速二次。 ２、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。?３、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次,每次增加的动能为;所有各次半径之比为:；?4、对于同一回旋加速器，其粒子 的回旋的最大半径是相同的。?５、由最大半径得:; ?回旋周数:; ?所需时间：。
回旋加速器的五个主要特征 [摘要]：讨论回旋加速器的题目一般在已经学习了带电粒子在磁场中的运动规律，因此本文内容在分析回旋加速器的构造的基础上，研究方便解决高考题的回旋加速器五个特征，使这类题目不再是难题 [关键字]：回旋加速器、带电粒子、D型盒 一、回旋加速器的工作原理 回旋加速器的工作原理如图所示．放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动．经过半个周期，当它沿着半圆弧A0A1到达A1时，在A1A1′处造成一个向上的电场，使这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1．然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动．我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动．又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A2′到达A A2′A2处造成一 个向下的电场，使粒子又一次受 到电场的加速，速率增加到v2．如 此继续下去，每当粒子运动到A1 A1′、A3A3′等处时都使它受到向 上电场的加速，每当粒子运动到A2′A2、A4′A4等处时都使它受到向下电场的加速，粒子将沿着图示的螺线A0A1A1′A2′A2……回旋下去，速率将一步一步地增大．
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T＝2πm/qB跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的．因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大．运动周期T却始终不变，这样，如果在直线AA、A′A′处造成一个交变电场，使它也以相同的周期T往复变化，那就可以保证粒子每经过直线AA和A′A′时都正好赶上适合的电场方向而被加速．回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒,这两个D形盒就 像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两 半．两个D形盒之间留一个窄缝，在中心附近 放有粒子源．D形盒装在真空容器中，整个装置 放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D 形盒的底面．把两个D形盒分别接在高频电源的两极上，如果高频电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同，带电粒子就可以不断地被加速了．带电粒子在D形盒内沿螺线轨道逐渐趋于盒的边缘，达到预期的速率后，用特殊装置把它们引出． 二、回旋加速器的五个主要特征 1、带电粒子在D型盒中回转周期等于两盒狭缝间高频电场的变化周期，与带电粒子速度无关（磁场保证带电粒子做回旋运动） 2、带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径：不等距分布。 设正离子的质量为m，电荷量为q，狭缝间加速电压大小为U，离子从离子源飘出，经电场加速第一次进入左半盒时速度和半径分别为 ，。
.20《中国医疗器械信息》2011年第17卷第4期 Vol.17 No.4 收稿日期：2011-03-29 作者简介：朱虹，南京军区南京总医院核医学科主任；方可元，化学工程师 PET/CT(Positron emission computed tomography/CT ，正电子发射型计算机断层显像/X 线CT 显像仪)利用图像融合技术，综合了PET 功能、分子代谢影像与CT 精细解剖影像的优势，结合正电子放射性核素标记的多种分子探针的应用，在恶性肿瘤早期诊断与肿瘤分 期分级、临床疗效评估与随访监测，良、恶性病变鉴别， 协助临床治疗方案决策和放疗生物靶区确定，以及探 索肿瘤生物学特征等方面具有极为重要的作用，在心 脑血管疾病、神经变性性疾病、癫痫等的诊断、评估 等方面有独特价值，在临床的应用不断增加[1,2]。标 记各种分子探针所必需的正电子放射性核素如18F(氟-18)、11C(碳-11)、13N(氮-13)等的半衰期一般都很短， 依赖于医用回旋加速器即时生产制备。随着我国PET/CT 应用的迅速发展，对医用回旋加速器的需求也快速增长，据2010年全国调查，国内医用回旋加速器需求的年增长率达两位数[2]。本文分析医用回旋加速器的结构组成和性能特点，介绍相关技术进展。1 医用回旋加速器工作原理[3~5]回旋加速器是“粒子加速器”的一种，其设计、制造的理论基础是拉摩尔定律和劳伦斯回旋加速理论。现代回旋加速器则结合了托马斯提出的磁场强度随方位角变化的AVF 原理，采用规律变化的磁场系统，修正粒子加速过程中的相位移动、相对速度减慢和粒子回旋频率变化等，提高粒子加速效率和聚焦度。图 1 回旋加速器工作原理示意图 1.1经典劳伦斯(https://www.doczj.com/doc/3e11814099.html,wrence)回旋加速器回旋加速器的核心结构是磁场系统和射频(RF)系统，性能要求很高。为防止带电粒子运动中与其他原子碰撞损失能量，需置于真空(系统)，因此对真空条件的要求也很高。图1是经典的https://www.doczj.com/doc/3e11814099.html,wrence 回旋加 速器原理示意图，两块磁铁上、下隔开放置，在两磁 极间形成一个均匀磁场(B)，两个半圆形的金属扁盒 (D 形盒)隔开相对放置其中，D 形盒与高频振荡电源相联，在两个D 形盒的间隙处产生为粒子加速的交变
回旋加速器 教学目的 1、知道回旋加速器的基本构造和加速原理． 2、了解加速器的基本用途． 能力要求 通过由直线加速器迁移到回旋加速器的教学，培养学生解决实际问题的能力，开阔学生解决问题的思路． 重点 回旋加速器的加速原理． 难点 加速电场的平行极板接的是交变电压，且它的周期和粒子的运动周期相同． 教具 回旋回速器挂图 教学过程 1、直线加速器 我们知道电场可以对带电粒子加速，如果加速电压为u，带电粒子电量为q．带 电粒子从静止可加速到能量，由于电压的限制，所以一次加速后粒子获得的能量较小，如何获得较大的能量呢？（让学生充分讨论．）可采取多级加速 的办法，经过几次加速后粒子的能量，所以直线加速 器可使粒子获得足够大的能量．但它占地面积太大，能否既让带电粒子多次加速，获得较高能量，又尽可能减少占地面积呢？（让学生展开想象） 2、回旋加速器 利用带电粒子在磁场中作圆周运动的特点，可使带电粒子回旋，为使粒子每经过两极板时都得到加速，极板间需接上一个交变电压，每加速粒子一次，带电粒子运动速率和运动半径都会增加，它运动的周期会变化吗？所接在两极板间的交变电压的周期T等于多少呢？ （让学生回答） 请同学们讨论：加速粒子的最终能量由哪些因素决定？
当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大，即，即， 再由动能定理得：，所以要提高加速粒子最后的能量，应尽可能增 大磁感应强度B和加速器的半径． 请同学们课后思考，为什么带电粒子加速后的能量与加速电压无关呢？ 3、回旋加速器和直线加速器的比较 介绍我国正、负电子对撞机． 总结、扩展 本节课我们学习了回旋回速器的加速原理，希望同学们将来在工作和生活中遇到实际问题时，要开阔思路，注意知识的迁移和综合运用． 布置作业 1、1989年初，我国投入运行的高能粒子加速器可把电子的能量加速到2.8 GeV，若每级的加速电压V，需采用几级加速器？ 板书设计 一、直线加速器 1、单级加速 2、多级加速 二、回旋加速器 1、交变的加速电压周期T 2、多次回旋加速后的能量
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/3e11814099.html, 浅谈医用质子加速器的应用 作者：刘鹏 来源：《科技创新与应用》2014年第15期 摘要：目的：介绍医用质子加速器的原理、技术优势和质子治疗在国内的应用现状。方法：以IBA研发的CYCIAE-235加速器为例，讲述其加速器设备构造和产生的质子束在治疗 肿瘤上面的优势。结果：质子加速器以其独特的优势和稳定性使得其在国内的发展前景将会非常乐观，医疗应用将会更为普遍。结论：当前的常规治疗方法已无法控制癌症的扩散，必须采用更先进的治疗方法，质子加速器的医疗应用开辟了癌症治疗的新途径。采用质子放疗方法治疗癌症肿瘤疾病，标志着我国肿瘤医疗将达到世界先进水平。 关键词：加速器；质子束；医疗应用 产生质子的加速器有很多种，这里主要以医用回旋加速器[1]为主介绍质子加速器的组成 和原理以及在国内的应用。 1 结构 下面是IBA研发的CYCIAE-235加速器。 医用质子回旋加速器由真空系统、水冷系统、磁铁系统、离子源、高频系统、束流监测配送系统、治疗应用系统和安全联锁系统组成。其中核心部分就是上图所示的主磁铁。主磁铁采用了深谷型结构，它综合了分离扇型回旋加速器和紧凑型回旋加速器的优点。磁铁由完全对称的4个扇形磁铁叶片（上下共8片），上下盖板和磁轭组成，结构简单、紧凑。磁铁重220吨，8个叶片位于真空室内。上下盖板为真空的组成部分，并与磁轭构成磁闭合通路，同时真空室内部的射线构成了局部屏蔽，有效减少了加速器周围的放射性剂量。整个主磁铁分成上、下两大部分，上盖板与上面的4个磁极叶片连接在一起，可以用安装在磁轭堆成两侧的液压举升装置举起，以便真空室内部部件的安装、更换和维修。 2 原理和质子射线特性 主磁铁的中心部分为离子源，离子源使用的气体为H2，由氢气发生器在主磁铁底部产生并通过管道送到离子源灯丝室，灯丝加高压产生电子进一步电离H2产生质子H+，主磁铁中 心加引出电压把质子引出，同时经过分离扇型结构的磁极间隙进行加速，当质子能量达到 235MeV时被引出。235MeV的质子射线可以穿透300mm的人体组织，基本可以治疗全身各深度的肿瘤[2]。 在诸多的放射线治疗设备中，医用直线加速器产生的X射线和电子束其物理剂量分布和 生物效应都在不同程度上伤害肿瘤附近的正常细胞，而且剂量的有效利用率也低；中子和负π粒子的生物效应虽好，但物理剂量分布不好，对正常组织损害过大，都不是理想的治疗方法
23．在高能物理研究中，粒子加速器起着重要作用，而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。1930年，Earnest O. Lawrence 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，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。图12甲为Earnest O. Lawrence 设计的回旋加速器的示意图。它由两个铝制D 型金属扁盒组成，两个D 形盒正中间开有一条狭缝；两个D 型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。图12乙为俯视图，在D 型盒上半面中心S 处有一正离子源，它发出的正离子，经狭缝电压加速后，进入D 型盒中。在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速；为保证粒子每次经过狭缝都被加速，应设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致。如此周而复始，最后到达D 型盒的边缘，获得最大速度后被束流提取装置提取出。已知正离子的电荷量为q ，质量为m ，加速时电极间电压大小恒为U ，磁场的磁感应强度为B ，D 型盒的半径为R ，狭缝之间的距离为d 。设正 离子从离子源出发时的初速度为零。 ⑴试计算上述正离子从离子源出发被第一次加速后进入下半盒中运动的轨道半径； ⑵尽管粒子在狭缝中每次加速的时间很短但也不可忽略。试计算上述正离子在某次加速过程当中从离开离子源到被第n 次加速结束时所经历的时间； ⑶不考虑相对论效应，试分析要提高某一离子被半径为R 的回旋加速器加速后的最大动能可采用的措施。 23．1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地利用带电粒子在磁场中的运动特点，解决了粒子的加速 问题。现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中。某型号的回旋加速器的工作原理如图甲所示，图为俯视图乙。回旋加速器的核心部分为D 形盒，D 形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，磁场可以认为是匀强磁场，且与D 形盒盒面垂直。两盒间狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计。D 形盒半径为R ，磁场的磁感应强度为B 。设质子从粒子源A 处射入加速电场的初速度不计。质子质量为m 、电荷量为+q 。加速器接一定频率的高频交流电源，其电压为U 。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。 ⑴求质子第1次经过狭缝被加速后进入D 形盒运动轨 道的半径r 1； ⑵求质子从静止开始加速到出口处所需的时间t ； ⑶如果使用这台回旋加速器加速α粒子，需要进行怎 样的改动？请写出必要的分析及推理。 B 接交流电源 甲 S 乙 图12 图甲 高频电源 出口处 R A B D 2D 1 图乙
第六节 回旋加速器 ●教学过程 ［投影］本节课的教学目标： 1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理. 2.知道加速器的基本用途. ●学习目标完成过程 一、引入新课 在现代的物理学中，为了进一步研究物质的微观结构，需要能量很高 的带电粒子去轰击原子核，为了使带电粒子获得如此高的能量，就必须设 计一个能给粒子加速的装置——加速器. 二、新课教学 让学生阅读课文，然后回答以下问题： ［问题1］用什么方法可把带电粒子加速？ ［学生答］利用加速电场给带电粒子加速. ［板书］由动能定理W =ΔE k qu =22 1mv ， v =m qu /2 ［问题2］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增 大，可采取什么方法？ ［学生答］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增 大，可增大加速电场两极板间的电势差. ［问题3］实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需的能量？（不 能）怎么办？ ［学生答］实际所加的电压，不能使带电粒子达到所需要的能量.不能， 可采用高极加速器. ［投影片出示高极加速］ 带电粒子增加的动能ΔE =2022 121mv mv =qu =qu 1+qu 2+…+qu n =q (u 1+u 2+u 3+ …+u n ) 分析：方法可行，但所占的空间范围大，能不能在较小的范围内实现
高级加速呢？1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器解决了这一问题. ［板书］回旋加速器 让学生阅读课文，教师随后就回旋加速器的工作原理进行讲 解. ［实物投影右图］教师进行讲解：放在A0处的粒子源发出 一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场，在磁场 中做匀速圆周运动，经过半个周期，当它沿着半圆弧A0A1到达 A1时，在A1A1′处造成一个向上的电场，使这个带电粒子在 A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动.我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动，又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A2′到达A2′时，在A2′A2处造成一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到v2，如此继续下去，每当粒子运动到A1A′、A3 A3′等处时都使它受到向上电场的加速，每当粒子运动到A2′A2、A4′A4等处时都使它受到向下电场的加速，粒子将沿着图示的螺线A0A1A1′A2′A2……回旋下去，速率将一步一步地增大. 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T=2πm/qB跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的，因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大，运动周期T却始终不变，这样，如果在直线AA、A′A′处造成一个交变电场，使它以相同的周期T往复变化，那就可以保证粒子每经过直线AA和A′A′时都正好赶上适合的电场方向而被加速. ［投影片出示板书］ 1.回旋加速器是利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子的装置. 2.回旋加速器的工作原理. （1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期和速率与半径无关，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，使之能量不断提高，要在狭缝处加一个与T=2πm/qB相同的交变电压. ［实物投影回旋加速器的D形盒］