粒子
摘要：本文简要介绍了粒子加速器的发展历史和在其他领域的应用，介绍了国内外加速器的
发展现状，以及加速器的未来发展趋势。
关键词：加速器、粒子、发展、应用
自卢瑟福1919年利用天然放射性元素放射出来的α射线轰击金属箔，实现了人类科学史上第一次人工核反应后，物理学家认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来轰击原子核。在粒子加速器问世之前，人们用于研究原子核结构的粒子束有两种[1]：天然放射性核素发出的射线和来自天外的宇宙射线。然而，前者放射线粒子的流强太低，能量不高，因而产生核
反应的几率很小。宇宙射线粒子的能量可高达21
10eV，但其强度太弱，并且实验结果难以预料。因此，粒子加速器因运而生。粒子加速器引（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置，是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在医疗卫生、工农业生产、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。
1、粒子加速器的发展
1.1直线加速器
第一代加速器属于直线加速器[2]。一个电子经过电势差为1伏特的电场加速后的能量是1电子伏特（简写为1eV）。借助一个很强的电场，质子或者电子被加速。这种加速器的主要目标是要获得尽可能高的电压。
1932年美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造成世界上第一台直流加速器——柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器[3]，以能量为40万电子伏特的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，二人因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。
虽然直线加速器取得了一系列的成果，但是要进一步提高加速粒子的能量就要进一步提高电压，这成了直线加速器发展的瓶颈。直线加速器所加速的粒子能量比较低，这对于探索原子核、发现新粒子起不了很大的作用，物理学家迫切需要更高能量的粒子来轰击原子核，探索更深层次的物理世界。
1.2 回旋加速器
第二代加速器是回旋加速器。1930年美国实验物理学家劳伦斯提出了回旋加速器的工作原理，并于1932年建成了第一台回旋加速器[4]。并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。
回旋加速器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），与盒子垂直方向有一个恒定不变的磁场。D形盒上加上交变电压，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，仅受到磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。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，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。
这种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。回旋加速器一般只能将质子加速到
25MeV左右，如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。
为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家维克斯列尔(V.I.Veksler)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)各自独立发现了自动稳相原理。
自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。[5]
自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。
2、粒子加速器在各个方面的应用
粒子加速器和探测器中采用了最先进的科学技术，它们不仅用来研究纯粹粒子物理学，还广泛应用于其它领域，带来的成果已经融入人们的生活之中。
2.1 加速器在医学上的应用
2.1.1加速器与肿瘤的治疗
放射治疗是肿瘤治疗的重要手段，据统计，约有75%的恶性肿瘤患者在疾病发展的不同时期需要接受目的不同的放射治疗。所有放射治疗设备都必须有产生放射线的放射源，放射源主要有四类：①发射α、β、γ射线和中子射线的放射性同位素；②产生不同能量X射线的X射线治疗机；③产生高能电子束和高能X射线的各类医用加速器；④产生质子束、中子束、负π介子束，以及其他重粒子束的各类重粒子加速器。[6]
以放射性同位素为放射源的放射治疗设备和X射线治疗机，在肿瘤治疗方面已经取得了明显的成绩，但是由于它们本身存在的缺点和弊端已经渐渐地被摒弃。以医用加速器为放射源的放射治疗设备成为目前肿瘤放射治疗的主要设备。
放射治疗设备的一项重要进展是重粒子治疗机的研制和开发。重粒子束治疗肿瘤具有以下临床优点：[7]①目前对健康组织损伤最低的辐射疗法；②高治愈率，不存留肿瘤核；③极少的剂量，无明显副作用；④治疗无痛苦感，辐照时间外患者正常活动；⑤束流斑点发散小适合高精度治疗，如头颅；⑥三维适形点扫描、实时监控；⑦治疗周期短，疗程4—20次。
由于重粒子束在肿瘤治疗方面所具有的一系列放射物理和放射生物学优势，重粒子成为21世纪最理想的放射治疗射线，而相应的粒子加速器的发展将会对肿瘤的治疗发挥着越来越重要的作用。
2.1.2 加速器与疾病的诊断
当今社会，放射性同位素而产生的同位素示踪法已经被广泛的用于医学诊断方面，而回旋加速器就成为了主要的生产同位素工具。
回旋加速器应用的另一重要方面是在正电子断层显像装置（PET）中[8]，正电子发射断层显像，是采用发射正电子的短寿命核素标记的药物的方法。从体外动态地观测人体吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平的生理、生化过程。它既是早期诊断某些疾病的工具，又是研究人脑认知活动的独特手段，
2.2 加速器的工业应用[9]
加速器用于工业生产，以低能加速器和离子源为主，包括辐射加工、无损探伤、离子掺杂等方面。
辐射加工是通过加速器产生的电子束对高分子材料照射导致聚合物交联，从而改善性能。电缆经过辐照，可以大大提高耐温，辐照后的热缩薄膜或管材，有加热后恢复原形的“记忆”，都有十分广泛的应用。辐射还可缩短喷漆、彩印的固化时间，减少了贮存待干的厂房
面积。药品、手术器械和食品的消毒、灭菌、保鲜是辐照应用的另一些方面。
使用电子加速器产生γ射线，用于大型机械锻、铸件中的无损探伤，已有几十年的历史。近年一个有意义的发展是将加速器与核物理探测技术相结合，对集装箱进行不必开箱的透视检查。
使用离子源产生的不同能量和脉宽的各种离子束注入到基金属中渗杂、改性或者制造新材料，已经得到了应用。使用回旋加速器将金属或陶瓷等机械零件的表面薄层活化，再根据放射性产生的γ射线，测量其磨损情况，这是检验各种耐磨措施（如用离子注入提高硬度）的有效方法。
2.3 加速器与农业育种
我国在太空育种方面已经取得了一定的成果，但是目前太空育种中种子的诱变是宇宙射线和太空特殊环境的综合结果，具有被动性、不可控、有益诱变成功的几率低、成本高等缺点。因此，利用加速器产生高能的质子、α射线等成为了未来农业育种的趋势。多年来，我国科研人员利用离子束对水稻、小麦、玉米、花卉、马铃薯、甜高粱、牧草等作物种子进行了辐照，并选育出了一大批新品种、新品系和大量有益性状的突变体，取得了良好的经济和社会效益[10]。
2.4 加速器在环境治理方面的应用
电子束辐射技术在环保方面的应用一直备受关注，大量的研究发现电子束辐照处理在“三废”（废水、废气和固体废弃物）治理方面具有突出的技术优势[11]。与传统的填埋、投海、焚烧等处理方法相比，辐照处理“三废”不会造成环境的二次污染，符合可持续发展的要求。
3、国内外加速器的发展现状
在20世纪物理学的舞台上,粒子加速器扮演了重要角色。在过去的几十年里，加速器的能量每隔10年增加一个多数量级。现在加速器已经能把质子加速到1TeV[12]。
人类向物质结构更深层次的探索，要求粒子加速器提供更高能量的束流。在高能量前沿有4个发展方向，一是强子对撞击，二是正负电子直线对撞机，此外还有γ-γ对撞机和μ子对撞机[13]。
当今世界上用来做粒子物理实验的超级加速器主要有：欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机LHC、位于美国斯坦福直线加速器中心的斯坦福直线对撞机(SLC)、美国费米国家
实验室的质子-反质子对撞机（Tevatron ）、位于德国汉堡电子同步加速器研究所的电子-质子对撞机（HERA ）、美国布鲁克海文国家实验室的相对论重粒子对撞机(RHIC)和日本高能加速器研究组织的强流质子加速器（PARC ）。
欧洲核子研究中心(CERN)的强子对撞机（Large Hadron Collider ，LHC ）是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。[14]大型强子对撞机坐落于日内瓦附近，是一个国际合作的计划，由世界34个国家超过两千位物理学家所属的大学与实验室，所共同出资合作兴建的。它将对标准模型的验证等粒子物理学的发展发挥重要的作用。
相比于国外，我国的加速器的发展起步较晚，但是发展迅速。
1988年10月我国首个高能加速器—北京正负电子对撞机（BEPC ）在中国科学院高能物理研究所建成。BEPC 投入运行后，对撞机的亮度迅速达到设计指标，在18.9亿电子伏时为
3121110cm s --?成为在τ-粲能区性能具国际领先地位的高能物理实验装置。20世纪90年代以来，北京谱仪合作组在对撞机上获得了τ轻子质量精确测量、R 值精确测量、胶子球的研究和新粒子的发现等一批国际领先的重大成果，在国际权威的粒子数据表上就有400多项数据是在北京谱仪合作组在对撞机上测定的，高能物理研究所也跻身于世界八大高能加速器实验中心之一[15]。
目前，我国比较大型的加速器主要有[16]：国家同步辐射实验室、兰州重离子加速器、新竹同步辐射研究中心（台湾）等。
虽然我国的加速器取得了一定的成果，但是相对于国外来说，我国加速器给粒子加速的能量偏低。我国的加速器发展及粒子与原子核物理的研究还有很长的一段路要走。
4、加速器的发展趋势
电子、质子和其他粒子的加速器和对撞机是粒子物理实验的先决条件。许多重大的发现均依赖于日益强大的加速器。总的来说，只有两种类型的加速器有可能成为下一代很高能量的机器[17]，其一为环形质子—质子对撞机，其二为直线电子—正电子对撞机。
国际和地区间的合作将成为未来发展的趋势。由于加速器昂贵的造价和维护，任何一个国家想要单独建造大型的加速器变得不太现实，国际间的合作显得更加重要。
5、结束语
在21世纪，粒子加速器将继续向高能量前沿和高亮度前沿推进。加速器将为粒子物理、核物理的研究及诸多学科和社会的发展产生巨大的推动作用。
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例谈几种常见加速器的工作原理 浙江奉化中学 王军明 加速器的全称是“带电粒子加速器”,顾名思义，它是利用电磁场加速带电粒子的装置。带电粒子包括电子、质子、α粒子和各种离子。加速器将电磁能量转移给带电粒子,使带电粒子速度加快,能量增高。自1931年首台静电加速器问世以来，这种作为探索原子核结构而发展起来的粒子加速器得到迅速的发展。加速器类型已增加到20多种。数量已达五千多台。按粒子在加速过程中的轨迹和加速原理相结合的分类方法：可分为高压加速器、感应加速器、直线加速器和回旋加速器。04年高考又把“回旋加速器”列入考试大纲，所以本文结合例题简单谈谈这几类加速器的工作原理。 一、高压加速器 高压加速器是利用直流电场加速带电粒子的加速器。这类加速器结构简单，造价低廉。 例1、串列加速器是用来产生高能离子的装置。如图（一）中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部b 处有很高的正电势U,a 、c 两端均有电极接地（电势为零）。现 将速度很低的负一价碳离子从a 端输入，当离子到达b 处时， 可被设在b 处的特殊装置将其电子剥离，成为n 价正离子， 而不改变其速度大小，这些正n 价碳离子从c 端飞出后进入 一与其速度方向垂直的、磁感应强度为B 匀强磁场中，在磁 场中做半径为R 的圆周运动，已知碳离子的质量 kg m 26100.2-?=，v U 5105.7?=，,2,50.0==n T B 基 元电荷c e 19106.1-?=,，求R. 解析：设碳离子到达b 处时的速度为1v ,从c 端射出时的速度为2v ，由能量关系得eU mv =2121 ……①，neU mv mv +=21212221……②，进入磁场后，碳离子做圆周运动，可得R v m B nev 222=……③ ， 由以上三式可得 e n mU nB R )1(21+=……④ ， 由④式及题给数值可得R=0.75m 二、感应加速器 例2，电子感应加速器是利用变化磁场产生的电场加速电子的。在圆形磁铁两极之间有一环形真空管，用交变电流励磁的电磁铁在两极间产生交变磁场，从而在环形室内产生很强的电场，使电子加速。被加速的电子同时在洛仑兹力的作用下沿圆形轨道运动。在10-1ms 内电子已经能获得很高的能量了。最后把电子引入靶室，进行实验工作。北京正负电子对撞机的环行周长为=240m,加速后电子在环中做匀速圆周运动的速率接近光速，其等效电流大小I=8mA,则环中约有多少个电子在运行？ 解析：一周内每个电子通过每一截面一次，设电子个数为N,周期为T.则,T Ne I =c L T =,
加速器的百年历程 朱雄伟 中国科学院高能物理研究所 【摘要】本文分析讨论了加速器的百年历史， 从思想的萌芽、理论的突破与准备、技术的准备与储存、实验的成功、加速器的未来与展望等几个方面进行了论述。 关键词： 加速器， 电子， 质子， 重离子。 1. 思想的萌芽 加速器的历史可以追溯到上世纪二十年代【1,2】， 带电粒子加速这一思想与概念来自于原子散射， 加速器科学与技术历经百年沧桑。 大约1918年， 英国卢瑟福实验室的 Rutherford 运用氘氚粒子轰击原子核， 从而研究原子结构， 他需要有更高能量的带电粒子去产生原子反应。 这是加速带电粒子的最早的思想萌芽。 从那时起， 诞生了一门学科， 这就是加速器学科。 十九世纪麦克斯韦高度、系统总结了电磁理论，麦克斯韦方程组成为电磁理论的基础， 电磁场的源头就是带电粒子。 而带电粒子在电磁场中感受到洛伦兹力的作用， 所以很自然的， 人们想到用电磁场来加速带电粒子。 这就是加速器的思想萌芽。 图一、粒子加速器的 Livingston 图 从上世纪二十年代至今已达百年， 如今加速器在全世界范围内广泛存在。 高能加速器从最初的桌面实验装置发展为大型的科学工程， 占地面积高达上千平方公里。 各种加速器思想相互碰撞有力地推动了加速器科学的发展。 图一为最近的高能加速器的 Livingston 图表。 2. 理论的突破、准备 带电粒子的加速依赖于电磁场，带电粒子在电磁场中感受到洛仑兹 c h i n a X i v :201807.00040v 1
F =q(E +V ×B)。 因此带电粒子能量的改变为 dW dt =qE ?V ， 所以带电粒子与电场有能量交换，而与磁场没有能量交换。由麦克斯韦方程可知, 加速器最终运用电场来直接加速带电粒子， 静电场与射频电场都能用来加速带电粒子， 这对应于静电加速器与射频加速器。静电加速器属于早期的加速器，而现代加速器基本属于射频加速器， 我们只讨论射频加速器。电磁场满足基本的麦克斯韦方程。各种加速结构中电磁场属于闭合场理论。 目前常用或研究的加速结构有金属结构、介质结构、等离子体腔体。 电磁波的一个主要特性是它的色散关系，电磁波的色散关系是它的频率和波数之间的函数关系f (ω,k )=0， 电磁波的相速 v p =ωk ， 群速 v g =dωdk 。相速大于光速的电磁波属于快波，而相速小于光速的电磁波属于慢波。加速结构中电磁波的色散关系。 考虑一个带电粒子在电磁场中运动 （ v =βc ）， 而电磁场由麦克斯韦方程所描述，如果 （1）忽略运动电荷的辐射， P rad ≈0。 （2）带电粒子以近光速运动， β≈1。 （3）带电粒子运动区域没有其他自由电荷， q =0。 （4）带电粒子以近似直线运动， 没有其他的静电场、静磁场E static =0,B static =0。 （5）带电粒子运动介质没有折射率， N =1。 （6）带电粒子在远场区域运动， 远离其他场源， r/λ?1。 那么粒子没有获得加速。这就是普遍的加速定理。由以上普遍的加速定理， 可以演化出各种加速方法以及相应的加速器。 从最早的静电加速器到现代的共振加速器， 加速器的种类有静电加速器、回旋加速器、射频直线加速器、感应加速器、同步加速器、对撞机。 静电加速器由于高压技术的限制， 难以向高能方向发展。 回旋加速器属于弱聚焦加速器， 也难以向高能发展。 稳相原理、强聚焦原理的出现 ， 使得射频直线加速器、同步加速器应运而生。 稳相原理使得粒子束团在相稳区振荡运动从而被捕获在相稳区。 强聚焦原理使得束团的横向捕获聚焦得以实现， 解决了设备庞大的问题。 不需要大型的磁铁技术。 3. 技术的准备与储存 加速器的发展伴随着技术的进步， 现代加速器集众多的高技术于一体。 笔者认为电磁波的开发极大推动了人类物质文明与精神文明的进步。 静场属于频率为零的电磁波。 加速器是一门主要研究带电粒子与电磁场的相互作用的学问。 人类已经开发的电磁波波谱从千米波到伽马射线【3】。 太赫兹波段在电磁波谱中占有特殊地位，太赫兹波段处于微波与红外光之间。 无论是经典力学向短波长逼近， 还是量子力学向长波长逼近， 在太赫兹尺度都遇到了困难， 笔者认为在太赫兹尺度可能需要诞生一门新的力学， 进而研究太赫兹波段的物理现象。 至今太赫兹波段的物理现象我们主要采用经典力学来分析解决问题。 加速器技术主要涉及高频技术、磁铁技术、电源技术、真空技术、束流测量技术、控制技术。 4. 实验的成功 加速器是一门实验科学， 强调的是 hands on 经验。 加速器理论的成功与否c h i n a X i v :201807.00040v 1
医科达电子直线加速器技术参数 1、双模式的数字化加速器，提供宽范围的X线和电子线能量，充分满足放射治疗外照射的临床需要。 2、射线束能量：多能量可定制性：多至2档X射线能量(4~18 MV)和6档电子线能量(4~20 MeV) 3、主机性能及配置： （1）独特设计的滚筒式机架：高度可靠性和稳定性，开放的机架结构，便于维修，最低的等中心高度（124cm），最大的等中心到治疗头的净空间距离45cm。 （2）高效能的行波加速管：行波加速管二十年无条件保用，允许较低的电压梯度，对行波加速管的真空要求低，使电子枪等部件可快速拆卸并易于更换。 （3）大功率FasTraQ磁控管：专门的紧凑型微波功率源，5MW功率输出，具有快速调谐的能力，快速的束流切换特性<0.1秒，提供24个月的保用期。 （4）滑雪式偏转系统：完全的消色散系统，并维持射束的对称性，伺服控制的三极磁偏转系统，精确的靶点聚焦，极佳的半影。 （5）可单独拆卸更换灯丝的电子枪：电子枪伺服系统反应快速，确保束流能量的精度。（6）六通道开放式结构的电离室：最新型超薄壁陶瓷材料电离室，自动校正KTP（温度、湿度、气压），监测射线的剂量、对称性和平坦度，具有长期的高灵敏和高稳定性，适合精确的伺服控制射线束流，重复精度：+/-0.5%，线性精度：+/-1%，2-10MU时的线性精度对保证IMRT的放疗精度尤其重要，旋转（运动束流）投照时的稳定性：±1%，分辨率：0.1MU。（7）运动系统：用于操纵治疗头、机架及病人床的运动，手控盒可操纵加速器的所有动作，治疗头上有四个控制钮，可操纵治疗头的所有运动，治疗床两边各有一个控制板，可操纵床的所有运动，所有运动都是无线调速。 （8）安全连锁系统：通过硬件限位和软件防碰撞二种方式，确保病人和操作人员的安全。（9）真空系统：维持加速管和电子枪的真空状态，在加速器中有效使用离子泵，有助于减少能源消耗，保护环境，并维持高的开机率。 （10）水冷系统（内循环）：保证加速器的频率稳定，进而保证能量的稳定，用于加速器的热交换。 4、控制系统：全新的第三代全集成、全数字控制系统，确保更为平顺的流程工作方式，有效地提高治疗病人的周转率，基于Windows平台的图形用户界面，易学习和使用，模块化软件结构，配置安装各种功能模块，满足不同的临床治疗模式的需要；便利的系统可升级能力。将来可方便实现加速器的性能升级和功能扩展；兼容IMPAC放疗管理系统和第三方的记录验证系统；所有的Precise数字化加速器都可以远程连接。远程维修功能根据维修合同的协议用软件激活。 5、LCS控制柜硬件Mk3i包含：控制处理单元，英特尔中央处理器，RMX实时多任务并行处理操作系统，MLC视频处理板，显示处理单元，Windows XP操作系统，2块SCSI接口的高速硬盘，四端口XVGA图形处理卡，5端口USB PCI适配卡，DVD-R/W驱动器，3.5”软盘驱动器，LCD照射剂量显示板，操作键盘、鼠标，不间断电源，21”液晶监视器。 6、软件许可证Desktop Pro R7.01：所有加速器配置中的核心必配的软件模块。 （1）快速治疗模式：可以快速治疗临时病人，或实施无需预处方的姑息性治疗。 （2）旋转治疗模式：光子线和电子线的旋转治疗，可顺时针和逆时针旋转。 （3）自动摆位：根据病人摆位参数，实现加速器的自动摆位功能。 （4）内置的维修模式：用于系统校准和在屏幕显示故障分析，例如：快速出束；备份校准文件；帮助调节机器参数；病人的MLC（所有功能）数据库的数据备份/复原；注销机器参数的显示项目；允许临床使用超载的机器参数；禁止临床使用存储的射束数据投照；选择机器状态，配置显示监视项目；显示维修页面，编辑机器的参数项目部分。维修模式下的DICOM
加速器发展历程 放疗技术的发展历程 、从国际上 1) 1895 年：伦琴发现了X 线。 2) 1896 年：用X 线治疗了第1 例晚期乳腺癌； 3) 1896 年：居里夫妇发现了镭； 4) 1913 年：研制成功了X 线管，可控制射线的质和量； 5) 1922 年：生产了深部X 线机； 6) 1923 年：首次在治疗计划中应用等剂量线分布图； 7) 1934 年：应用常规分割照射, 沿用至今； 8) 1951 年：制造了钴60 远距离治疗机和加速器，开创了高能X 线治疗深部恶性肿 瘤的新时代； 9) 1953 年：第一台行波电子直线加速器在英国使用； 10) 1957 年：在美国安装了世界上第一台直线加速器，标志着放射治疗形成了完全独立 的学科； 11) 1959 年：Takahashi 教授提出了三维适形概念； 12) 20 世纪50 年代：开始应用高能射线大面积照射霍奇金淋巴瘤, 使其成为可治愈 的疾病； 13) 20 世纪70 年代：随着计算机的应用和CT、MRI 的出现, 制造出三维治疗计划系 统和多叶光栅，实现了三维适形放疗，放射治疗学进入了从二维到三维治疗的崭新时代； 14) 20 世纪80 年代：出现了多叶光栅 (即多叶准直器)，可调节X 射线的
强度，开创了调强放射治疗( IMRT) ； 15) 最近十年，广泛开展了立体定向放射外科(SRS)、三维适形放疗 (3-dimentional conformal radio- therapy, 3D-CRT) 、调强适形放疗( intensity modulated radiotherapy, IMRT) 和图象引导放疗 ( image-guided radiotherapy, IGRT) 等新技术。
加速器原理总结 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
加速器原理总结 第一章：绪论 1、加速器的分类： 1) 按加速粒子的种类分: ①电子加速器;②离子加速器;③全粒子加速器. 2) 按粒子运动轨道形状分: ①直线加速器;②回旋加速器;③环形加速器. 3) 按加速电场的种类分 ①高压;②感应;③高频共振加速器; 2、加速器束流品质 （1）粒子的品种（电子、离子、全粒子） （2）束流能量及可调范围; （3）束流的能散度：E E ? （4）束流强度及时间特性：I，直流束或脉冲束。 （5）束流的发射度： ' (,) S r r ε π =() mm mrad ? 3、粒子运动参数的相对论表达式 相对速度：v c β= 粒子质量： m= 粒子能量：
2 0mc ε=; 22 mc ε== = 001)W εεε=-=- 2 0() w P mv m c mc c c βεβ β+==== 由：22 mc ε== = 1 2 220 ()βεεε=- ? 1112222 2 00001122000111()[()()][()]11 [(2)][(2)]P w c c c w w w c c εεεεεεεεεεεε=-=-+=+=-+=+ 第二章 带电粒子的产生→电子枪和离子源 1、电子枪-基本结构和工作原理 （1）热发散电子枪的结构及工作原理 （2）场致式电子枪的结构及工作原理 2、离子源-基本结构和工作原理 （1）高频离子源的结构及工作原理; （2）双等离子源的结构及工作原理; （3）ECR 离子源的结构及工作原理. （4）离子源中产生等离子体的基本过程：电离、离解过程；复合过程；动态平衡。 3、离子源的束流品质 （1）束流强度； （2）束流的发射度；
加速器发展历史 ?1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α粒子束（即氦核），轰击厚度仅为0.0004 厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构。 ?静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。 ?1932年美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为 0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。这是历史上第 一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。 ?1933年美国科学家凡德格拉夫发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。 ?奈辛于1924年，维德罗于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯 (https://www.doczj.com/doc/651836196.html,wrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位 素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。 ?1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。 自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。
粒子加速器的基本知识 2010-10-28 | 【大中小】【打印】【关闭】 粒子加速器是用来产生和加速带电离子的装置。粒子加速器一般包括用于产生带电粒子的离子源、用于传输束流的束运线、加速装置和实验终端等。 粒子加速器的主要设备包括各类磁铁元件、电源、真空设备、高频、注入引出元件、诊断元件和控制系统等。其中，二极磁铁用于改变带电粒子的运动方向，四极磁铁用于对带电粒子束进行聚焦，通常还包括六极磁铁、八极磁铁和校正磁铁等。加速器的磁铁大都是电磁铁，需要专用电源对其供电。此外，由于带电粒子与气体分子碰撞会损失能量，受到散射而损失，带电粒子的传输需要在真空环境下进行，这就意味着从离子源经过束运线，最终到实验终端的整个传输过程都必须维持真空环境，所以加速器的真空系统往往十分庞大。很多粒子加速器都采用高频腔来产生交变电场来加速或捕获带电离子，所以高频系统是粒子加速器的重要部件之一。注入引出元件分别用于带电离子的注入和引出；诊断元件用来测量束流的位置、强度、发射度、能量和Q值等信息，是加速器调束人员和物理实验人员的“眼睛”；控制系统用于远程获取和控制加速器各设备的运行状态，在同步加速器中，由于各相关设备必须统一按照预设的运行模式同步运行，快速、可靠的控制系统就显得尤为重要。 核物理实验一般都是采用一定能量的粒子束轰击打靶，改变靶原子核的状态，通过分析靶原子核状态改变后的结果，可以了解微观物质的组成和运动的规律。早期的核物理实验所用的粒子都是由天然的钋和镭的放射性同位素产生的，深入进行核物理研究需要粒子种类可变、能量更高和束流更强的粒子束，这就对用人工的方法产生不同种类，能量可变的高能粒子束提出了迫切的要求，由此推动了粒子加速器技术的发展。随着科学技术的进步，粒子加速器所提供的离子种类越来越多，能量范围越来越高，粒子加速器已经成为人类认识微观世界的重要手段。 根据所加速粒子种类的不同，粒子加速器可以分为电子加速器和重离子加速器。其
加速器概述 accelerator 定义 定义：一种使带电粒子增加速度（动能）的装置。加速器可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。粒子增加的能量一般都在0.1兆电子伏以上。加速器的种类很多，有回旋加速器、直线加速器、静电加速器、粒子加速器、倍压加速器等。加速器是用人工方法把带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。利用这些直接被加速的带电粒子与物质相作用，还可以产生多种带电的和不带电的次级粒子，象γ粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等。目前世界上的加速器大多是能量在100兆电子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用于原子
核和核工程研究方面外，大部分用于其他方面，象化学、放射生物学、放射医学、固体物理等的基础研究以及工业照相、疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其他食品的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核爆炸等。近年来还利用加速器原理，制成各种类型的离子注入机。以供半导体工业的杂质掺杂而取代热扩散的老工艺。使半导体器件的成品率和各项性能指标大大提高。很多老工艺不能实现的新型器件不断问世，集成电路的集成度因此而大幅度提高。加速器的发展 1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。 静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。 粒子加速器particle accelerator 用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和
粒子 摘要：本文简要介绍了粒子加速器的发展历史和在其他领域的应用，介绍了国内外加速器的 发展现状，以及加速器的未来发展趋势。 关键词：加速器、粒子、发展、应用 自卢瑟福1919年利用天然放射性元素放射出来的α射线轰击金属箔，实现了人类科学史上第一次人工核反应后，物理学家认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来轰击原子核。在粒子加速器问世之前，人们用于研究原子核结构的粒子束有两种[1]：天然放射性核素发出的射线和来自天外的宇宙射线。然而，前者放射线粒子的流强太低，能量不高，因而产生核 反应的几率很小。宇宙射线粒子的能量可高达21 10eV，但其强度太弱，并且实验结果难以预料。因此，粒子加速器因运而生。粒子加速器引（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置，是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在医疗卫生、工农业生产、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。 1、粒子加速器的发展 1.1直线加速器 第一代加速器属于直线加速器[2]。一个电子经过电势差为1伏特的电场加速后的能量是1电子伏特（简写为1eV）。借助一个很强的电场，质子或者电子被加速。这种加速器的主要目标是要获得尽可能高的电压。 1932年美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造成世界上第一台直流加速器——柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器[3]，以能量为40万电子伏特的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，二人因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。 虽然直线加速器取得了一系列的成果，但是要进一步提高加速粒子的能量就要进一步提高电压，这成了直线加速器发展的瓶颈。直线加速器所加速的粒子能量比较低，这对于探索原子核、发现新粒子起不了很大的作用，物理学家迫切需要更高能量的粒子来轰击原子核，探索更深层次的物理世界。 1.2 回旋加速器
电磁加速器的原理及应用 摘要： 当代物理学发展极其迅速，各种新奇的机械装置都是层出不穷，极大地提高了我们的生活水平，并且节约了能源。这都要归功于人类的智慧以及对物理学的深入研究。电磁学作为物理学中的一大板块，对人类来说自然是很重要而且极具发展前途的，依据电磁学的原理,人们已经制出了包括电磁铁起重机、电视的显像管、回转加速器和电磁加速器等等的一系列应用到电磁感应的原理来工作的装置。其中的电磁加速器是现在各个大国都在研究的热门领域，利用电磁加速可以在更加环保的条件下获得更好的加速效果，在战略性武器和航空航天领域都有着十分广阔的前景。下面我们来探究一下电磁学原理在电磁加速器中的应用。 关键词： 物理学、电磁学、电磁加速器、原理及应用、前景； 正文： 要了解电磁加速器的原理，首先要了解电磁学的原理和什么是电磁加速器。 需要了解的电磁学知识： 1. 电流磁效应：通电导体周围会形成磁场，由丹麦物理学家奥斯特提出。 2. 安培力：通电导体在磁场中所受的磁场力，为纪念物理学家安培而得以命名。 3. 磁感应强度：描述磁场强弱的物理量，符号B 。磁感应强度的单位是特斯拉，简称特，符号T ，1 T =1 N/A ·m 。 4. 判断电流周围磁感应强度方向的右手定则和判断安培力方向的左手定则，由科学家们通过观察并总结而得，原理较简单，在此不做详细说明。 电磁加速器：利用电磁力提升和推动物体,或者把物体加速到超高速 ( > 3km/s )的装置。基本原理如图。 电源 物体 电流 电流 电流 开关 导轨 导轨 回 路 导轨 电枢 磁感线 电流 图１
如图，高压电源，开关，导轨和物体（若物体本身不导电，则在物体底面加上一个可以导电的电枢）组成回路（如图1），使两导轨有反向电流通过，根据安培右手定则可知导轨中间会产生很大的同向磁场（如图2，方向向下），再根据左手定则，可知电枢受一个如图2所示的，方向向前的力Ｆ。 根据安培力公式： Ｆ＝ＩＬＢ 又根据动量定理： ｖ＝Ｆｔ／ｍ 可知加速物体至一个很大的速度，需要有足够长的导轨（提供时间）和足够大的电流，并尽可能减少轨道与物体间的摩擦。 这便是简单的电磁加速器的原理。 接下来就来看看电磁加速器的应用吧，高端的技术只有用在合适的地方才能凸显其高端所在。 应用一：电磁轨道炮 电磁轨道炮（磁轨炮）我们经常在很多影视作品中看到，我们也为其绚丽的效果和巨大杀伤力所震骇。而在实际中，各国也将磁轨炮的发展作为重点研究对象。磁轨炮作为一种利用电磁发射技术制成的一种先进的高科技设备在许多发面都有着重要的应用，而与传统的大炮在原理上有着重要的区别。 美国于1982年研制成功实验级磁轨炮,弹丸质量317g 、初速4200m/ s 。 1992 年夏,美国研制成功世界上第一套完整的9MJ 靶场磁轨炮,并在陆军试验场进行了发射试验,迈出了电磁炮走出实验室的第一步。该炮是一个连续发射物体 图２
2012年3月（上） 科技创新科技创新与应用电子加速器及其应用领域 梁宏斌张玉宝王强斯琴图雅 （黑龙江省科学院技术物理研究所，黑龙江哈尔滨150086） 1国外电子加速器发展 英国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿在1932年建成世界上第一台直流加速器—— —直流高压加速器。1933年美国科学家范德格拉夫发明了静电加速器。这两种加速器都属直流高压型，能量最高只能到10MeV。1932年美国科学家劳伦斯建成了回旋加速器，通过它获得了人工放射性同位素。1952年柯隆李温斯顿和史耐德发表了强聚焦原理的论文，使加速器能够获得更高的能量。之后，强聚焦原理在环形或直线加速器中被普遍采用。1940年世界上第一个电子感应加速器诞生，其能量可以达到100MeV。1960年陶歇克首次提出了采取两束加速粒子对撞的方式，用于高能反应或新粒子的产生，并通过对掩机上的实验验证了这一原理。 至今全世界已建成1300多台电子辐照加速器。美国、俄罗斯、日本、法国、比利时等多个国家能够生产电子辐照加速器。国外辐射加工产业的电子辐照加速器发展呈现如下特点：（1）电子辐照加速器装置在数量上大幅度增加的同时，产品质量在不断提高，结构紧凑，易操作，维修方便，并且长期运行稳定性、可靠性及智能化水平等有明显提高；（2）电子辐照加速器向低能段和高能段延伸，地那米电子加速器从500kV 至5.5MeV、60-100mA；梅花瓣型电子加速器能量10MeV、功率500-700kW已进入市场；（3）新型电子辐照加速器研发成功。法国帕莱索技术研究所研发成功桌面型电子加速器；美国RPC公司研制成功的"宽束机"全新型多灯丝电子帘加速器；俄罗斯成功地研发出EA10/10型环形电子加速器，其能量5-10MeV，电子束流5-10mA,束功率25-100kW可调。 2我国电子加速器的发展 我国目前主要的电子加速器研制生产单位超过10家，电子加速器生产有了长足的进步。 上海应用物理研究所，主要产品有以下几类：1)EBS-300-15电子帘加速器。能量0.3MeV，束流50mA，应用于橡胶硫化和表面固化等领域。 2)DGB-0.8烟气脱硫脱硝电子加速器，最高能量0.8MeV，束流300mA，扫描宽度2000mm，应用于水处理和燃煤烟气脱硫脱硝。3)高频高压加速器。能量1.5-5.0MeV，束流20～40mA，扫描宽度900～1200mm，广泛应用于电线电缆和热缩材料辐射交联，以及食品保鲜、医疗用品消毒、海关检疫等领域。 江苏达胜加速器制造有限公司，其生产的高频高压加速器，能量范围1.5-4.0MeV，束流30-60mA，主要应用于电线电缆、热缩材料、发泡片材、电子元件等领域。 中国原子能科学研究院，主要产品有以下3种：1)自屏蔽式电子束灭菌加速器。能量为2-2.5MeV，平均束功率大于1．0Kw，具有自屏蔽、体积小、重量轻、生动化程度高、工作稳定的特点。能将邮件中的生物细菌灭杀，还可用于医疗用品的辐射消毒灭菌和食品保鲜等方面。2)工业无损探伤加速器。工业无损探伤直线电子加速器，能量2-9MeV，经转换成x射线后探伤范围达38-380mm，广泛应用于工业无损探伤。3)高能大功率电子加速器。最高能量达10MeV，功率达到15kw。可广泛应用于医疗用品消毒、食品保鲜、海关检疫等领域。 无锡爱邦辐射技术有限公司2004年组建爱邦加速器研究所，开始研发市场需求的新型高频高压电子加速器。现有0.5MeV、0.8MeV、1.0MeV、1.5MeV、2.0MeV、2.5MeV、3.0MeV、4.0MeV等九种型号的高频高压电子加速器。 3电子加速器的应用 3.1辐射交联，辐射交联已经作为一项产业化技术被广泛用于电线电缆及汽车、家电、飞机、航天等电子设备线路。由于经过电子射线辐照后，电线电缆的外皮材料聚乙烯或聚氯乙烯发生交联反应，从而使材料的绝缘性、耐热性、抗化学腐蚀、抗老化及机械强度等都得到明显改善。辐射交联技术应用的另一种重要产品是热收缩材料。它是通过电子射线辐射交联聚乙烯等高分子材料，然后加热后扩张，再经过冷却定型，当重新加热到熔点以上时，热缩材料又新收缩到未扩张前状态，利用它这种可收缩的形状记忆特性来做电线电缆接头以及管道防腐。 3.2辐射固化，辐射固化与传统的化学固化比较，具有无污染、能耗低、速度快、品质均一等优点。而且辐射固化不使用化学溶剂不会造成污染，是一种环保型固化方法。目前辐射固化应用比较成熟的领域有纸张、磁带、陶瓷、金属等产品的表面处理。 3.3辐射硫化，天然胶乳或橡胶在电子射线作用下可发生交联反应，这一过程与橡胶硫化的过程相类似，也称作辐射硫化。在辐射硫化的过程中不需要添加硫化剂和促进剂等加工助剂，同时与传统的化学热硫化方法相比较，避免了交联剂在橡胶基材内部分布不均导致的交联不均匀，同时也避免了温度梯度影响导致的材料性能下降。 3.4辐射降解，高分子聚合物在高能电子作用下，其分子结构发生主链断裂，称为辐射降解。与辐射交联一样辐射降解同样具有工业应用价值，如辐射降解型废塑料的处理和橡胶的辐射再生利用。聚四氟乙烯废料及加工后的边角料经辐射降解处理后，再经粉碎得到的超细粉可用作各种润滑剂及耐磨改进剂使用。 3.5辐射接枝改性，辐射接枝技术是应用广泛的一种高分子粉碎改性方法。通过辐射接枝能够研制出各种性能优异的新型高分子材料，或通过辐射改性改善原有材料的性能。辐射接枝是通过射线辐照引发，不需要向体系添加引发剂，因此接枝聚合物非常纯，完全医用高分子材料的要求。聚乙烯以及聚丙烯类高分子材料性能优良、价格低廉，经过辐射接枝改性后，就可以得到如离子交换树脂、共混增容剂等更有价值的新材料。聚乙烯表面通过辐射接枝上极性分子，可以改善其表面亲水性，使材料在粘接、印刷及涂装过程中的加工性能得到改善。在天然纤维或丝绸上接枝丙烯酰胺或丙烯类单体，可有效改善织物的表面性能，提高其抗皱性。天然橡胶通过接枝改性，再制备粉末橡胶的研究已取得一定进展进展，改性后的粉末橡胶可作为增韧剂和增容剂，用于工程塑料的增韧等方面。 4结束语 21世纪，纳米材料的制备和开发应用已成为材料研究的热点，辐射技术同样可用于纳米材料的制备。它具有合成工艺简单，可在常温常压下操作，成本低廉等优势。我国开发成功的γ辐射合成法，可用于制备纳米氧化物、纳米合金、纳米金属及纳米复合材料等。其中，纳米复合材料是一种新型功能材料，它在非线性光学材料、导电复合材料、屏蔽材料及抗电磁干扰等方面极具潜力。在市场经济快速发展的今天，利用辐射技术，有望为人类开发出更多性能优异的新材料。 参考文献 [1]我国电线电缆辐射加工应用现状及发展趋势[J].电线电缆，2004(1). [2]我国电子加速器辐照装备发展现状与技术评估[C].2009年全国辐射交联线缆及加速器装置发展研讨会.2009. [3]辐射交联高分子材料的进展[C].2005全国辐照交联线缆产业发展问题研讨会，2005. 摘要：我国的电子加速器制造和使用，近年来有了快速发展，目前生产制造企业多达十几家。电子加速器广泛应用于热缩材料、电线电缆、发泡材料、有机PTC材料的辐射交联和辐射接枝；中药、医疗用品、食品、粮食等的辐照消毒、灭菌、杀虫、保鲜；海关检疫、表面固化、水处理、燃煤烟气脱硫脱等各个领域。 关键词：辐射加工；电子加速器；应用 放射事故的发生。本系统中设有多种防护措施，针对辐照装置可能出现的事故情况，设置了多种独立防护措施，并且每种防护措施的触发装带动另一种措施触发，使系统具有联动性。此系统的设计体现了“纵深防御、冗余性、多样性、独立性”的安全设计原则,大大地降低了放射事故发生的概率。 参考文献 [1]殷炳来，段晨旭，王继祥，等.辐照工场电气控制系统中安全措施的实现[J].山东科学.2001,(1):63-66 [2]邱公伟．可编程控制器网络通信及应用[M]．北京：清华大学出版社，1999：20-30. [3]GB17279-1998,水池贮源型γ辐照装置设计安全准则[S]. 3 --
加速器发展历程 ——放疗技术的发展历程 一、从国际上 1)1895年：伦琴发现了X 线。 2)1896年：用X 线治疗了第1 例晚期乳腺癌； 3)1896年：居里夫妇发现了镭； 4)1913年：研制成功了X线管，可控制射线的质和量； 5)1922年：生产了深部X线机； 6)1923年：首次在治疗计划中应用等剂量线分布图； 7)1934年：应用常规分割照射, 沿用至今； 8)1951年：制造了钴60远距离治疗机和加速器，开创了高能X线治疗深 部恶性肿瘤的新时代； 9)1953年：第一台行波电子直线加速器在英国使用； 10)1957年：在美国安装了世界上第一台直线加速器，标志着放射治疗形成 了完全独立的学科； 11)1959年：Takahashi 教授提出了三维适形概念； 12)20 世纪50 年代：开始应用高能射线大面积照射霍奇金淋巴瘤, 使其成 为可治愈的疾病； 13)20世纪70 年代：随着计算机的应用和CT、MRI 的出现, 制造出三维治 疗计划系统和多叶光栅，实现了三维适形放疗，放射治疗学进入了从二 维到三维治疗的崭新时代； 14)20世纪80 年代：出现了多叶光栅（即多叶准直器），可调节X 射线的 强度，开创了调强放射治疗( IMRT)； 15)最近十年，广泛开展了立体定向放射外科（SRS）、三维适形放疗 (3-dimentional conformal radio- therapy, 3D-CRT) 、调强适形放疗 ( intensity modulated radiotherapy, IMRT) 和图象引导放疗 ( image-guided radiotherapy, IGRT) 等新技术。
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)。
《加速器原理及应用》教学大纲 Principle of Accelerator 一、课程基本信息 课程名称：加速器原理及应用 Principle of Accelerator 课程代码：0805080220201 课程类别：专业课 学时：40学时 学分：3个学分 考核方式：考查 二、教学目的及要求 本课程重点讲述加速器基本概念、基本原理及其应用.希望学生通过本课程学习,深入了解各类加速器的工作原理、结构性能特点、及其主要应用领域. 三、教材 《加速器物理基础》陈佳洱编著，原子能出版社，1993年。 四、参考文献 1、《加速器原理》，徐建铭编著，科学出版社，1973年 2、《粒子加速器原理》, 杜伟燮编著，原子能出版社，1984年 3、《神通广大的射线装置-带电粒子加速器》,方守贤编著，清华大学出 版社，2001年 4、《加速器理论》，刘乃泉主编，清华大学出版社，2004年 五、先修课程 要求学生具备《高等数学》、《大学物理》、《数学物理方法》、《线性代数》、《电动力学》、《理论力学》、《高频电子学》等课程基础。 六、成绩评定 平时成绩、期末成绩各占30%和70%。 七、主要教学内容
第一章绪论(4学时) 一、加速器的基本构成 二、加速器的发展简史 三、加速器的分类 四、加速器的应用 五、粒子运动参量的相对论述 第二章带电粒子源(4个学时) 一、带电粒子束的主要参数 二、离子源的工作原理及结构 三、离子源的主要类型 四、电子和正电子源 第三章高压加速器(4学时) 一、概述 *二、高压发生器 三、高压电场与绝缘介质 四、加速管 五、高压加速器的其它技术 *六、典型高压加速器及其应用 第四章带电粒子在恒定磁场中的运动与聚焦(4学时) 一、粒子的封闭轨道和运动方程 二、带电粒子在均匀磁场中的运动方程 三、带电粒子在常梯度磁场中的运动 四、带电粒子在交变梯度磁场中的运动 第五章感应型加速器(4学时) *一、电子感应加速器工作原理 二、电子感应加速器的结构 三、电子束的性能及电子感应加速器的应用 四、直线感应加速器 第六章回旋加速器(8学时) 一、前言
粒子加速器 particle accelerator 用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。 自从E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV），天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为1014电子伏特（ eV ）的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器，性能不断提高。应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子，建立粒子物理学。近20多年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速器广泛用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速器，其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究，它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展；其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”型加速器。 粒子加速器的结构一般包括 3个主要部分：①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。②真空加速系统，其中有一定形态的加速电场，并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速，整个系统放在真空度极高的真空室内。③导引、聚焦系统，用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。 加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于108eV）、中能加速器（能量在108～109eV）、高能加速器（能量在109～1012eV）和超高能加速器（能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。 粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。 １９２９年，英国物理学家科克罗夫特和沃尔顿一起，设计制造出了一个“电压倍加器”，从而制造出了世界上第一台增加质子能量的装置，他们把它叫做“静电粒子加速器”。这台加速器利用高电压，能把质子加速到将近４０万电子伏的能量，便锂原子发生了核分裂，从而首次用人造粒子炮弹实现了核分裂。为经，科克罗夫特和沃尔顿一起获得了１９５１年的诺贝尔物理学奖。但是不久，人们就发现静电粒子加速器在电压太高时会产生巨大的电火花。这样，要再进一步增大粒子炮弹的能量就不可能了。 然而，正是在首创的“静电粒子加速器”的基础上，科学家们不断努力探索，后来又研制成功了直线粒子加速器、回旋粒子加速器、同瞳回旋加速器、质子同
加速器原理总结 第一章：绪 论 1、加速器的分类： 1) 按加速粒子的种类分: ①电子加速器;②离子加速器;③全粒子加速器. 2) 按粒子运动轨道形状分: ①直线加速器;②回旋加速器;③环形加速器. 3) 按加速电场的种类分 ①高压;②感应;③高频共振加速器; 2、加速器束流品质 （1）粒子的品种（电子、离子、全粒子） （2）束流能量及可调范围; （3）束流的能散度： E E ? （4）束流强度及时间特性：I ，直流束或脉冲束。 （5）束流的发射度：'(,) S r r επ = ()mm mrad ? 3、粒子运动参数的相对论表达式 相对速度：v c β= 粒子质量：0 1m β =- 粒子能量：
2 0mc ε=; 22 mc ε== = 001)W εεε=-= 2 0() w P mv m c mc c c βεβ β+==== 由：22 mc ε== = 1 2 220 ()βεεε=- ? 1112222 2 00001122000111()[()()][()]11 [(2)][(2)]P w c c c w w w c c εεεεεεεεεεεε=-=-+=+=-+=+ 第二章 带电粒子的产生→电子枪和离子源 1、电子枪-基本结构和工作原理 （1）热发散电子枪的结构及工作原理 （2）场致式电子枪的结构及工作原理 2、离子源-基本结构和工作原理 （1）高频离子源的结构及工作原理; （2）双等离子源的结构及工作原理; （3）ECR 离子源的结构及工作原理. （4）离子源中产生等离子体的基本过程：电离、离解过程；复合过程；动态平衡。 3、离子源的束流品质 （1）束流强度； （2）束流的发射度；