[科普中国]-电子回旋加速器

历史沿革

电子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。

早期的电子回旋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。为此，象R. Wideröe等一些加速器的先驱者在20年代，就探索利用同一电压多次加速带电粒子，并成功地演示了用同一高频电压使钠和钾离子加速二次的直线装置，并指出重复利用这种方式，原则上可加速离子达到任意高的能量（实际上由于受到狭义相对论影响，实际只能加速到25-30MeV）。但由于受到高频技术的限制，这样的装置太大，也太昂贵，也不适用于加速轻离子如质子、氘核等进行原子核研究，结果未能得到发展应用。2

结构原理电子回旋加速器的主体结构是安放在两个磁极之间的一个扁圆盒形真空室。图3—13所示为电子回旋加速器的结构示意图。这种加速器是利用恒定的磁场和高频电场，使电子沿具有公切点的逐渐加大的圆运动，当电子被加速到所需要的能量时，从圆周轨道将电子引出，使其撞击在靶上产生x射线。电子回旋加速器的能量可在较宽的范围变化，能量的分散度小，焦点尺寸也小，束流强度比较大，束流的准直性好。

加速原理在普通回旋加速器里，随着粒子能量的增加，回旋周期也逐渐增大，从而引起粒子加速相角的改变．加速到一定能量以后，粒子的相角就移到减速区域，不能继续被加速．电子的静止能量很小，相移现象更为显著，所以在普通回旋加速器里，不能把电子加速到较高的能量(如数兆电子伏左右)．但是，如果适当地选择加速器的参数，就有可能利用在大致均匀的磁场里电子回旋周期随能量改变很大的特点，来建造一种加速电子的回旋加速器，这就是电子回旋加速器。

在这种加速器里，加速电压频率固定不变，随着能量的增加，电子的迥旋周期也逐渐增大．适当地选择加速器的参数，使得每加速一次电子迥旋周期的增加量恰好是加速电压周期的整数倍，因而起始条件满足谐振加速要求的电子，在每一次加速后，相角都增大2π的整数倍，从谐振加速的观点来看，等于电子没有发生相移，电子可以在固定的相角上继续加速，只是倍增系数逐渐增大．这种加速原理是1944年提出来的。3

电子回旋加速器采用谐振腔作它的加速设备，加速电压的频率很高，波长在10厘米以下．这样每加速一次，电子回旋周期的增加量才能等于加速电压周期的整数倍。谐振腔安装在磁场的可用范围的边缘，主导磁场是恒定的，大致均匀分布。电子从装在谐振腔里面的阴极发射出来(或者利用附加设备入射到谐振腔里面去)，开始被加速．随着电子能量的提高，轨道半径也逐渐增大，这些半径逐渐增大的轨道都以谐振腔的加速间隙作它们的公切点，

下图是在回旋加速器里电子轨道分布情况的示意图。电子每回旋一圈，就加速—次，所以只要粒子回旋周期等于加速电压周期的整数倍，就有可能进行谐振加速。如果粒子的起始回旋周期等于加速电压周期的整数倍，并且每加速一次回旋周期的增加量也等于高频周期的整数倍，谐振加速条件就能被满足。在不同相角下通过加速间隙的粒子的能量增加量是不相同的，回旋周期的增长量也不相同。所以，并不是所有的电子都能严格地满足谐振加速条件，不过由于有自动稳相现象，很多非严格同步的电子，也能被加速到最终能量。

特点①电子回旋加速器能量的稳定度和精确度高，能大范围、连续、精细地调节能量，且在调节流强时可以保持能量不变。②电子回旋加速器可采用与电子直线加速器相同的微波功率源，却能将电子能量加速到电子直线加速器的2倍以上。③磁场与电子轨道的调整比较麻烦。电子回旋加速器有多个磁铁，设备质量大，轨道所占空间较大。