[科普中国]-等时性回旋加速器

发展历史

1938 年托马斯（L.H.Thomas）提出的用沿方位角调变的磁场来提供轴向聚焦。托马斯最初建议的磁场具有四重对称性（N=4),这个建议被搁置了十多年未能付诸实施，部分原因是由于当时有关周期场中粒子动力学的理论还不成熟，加上产生托马斯场的磁极形状过于复杂，难于加工。

结果依照1944 年发现的自动稳相原理建造的同步回旋加速器反而先于托马斯加速器问世。

到了50 年代，强聚焦原理的发现、计算机及粒子轨道动力学的进展使人们对托马斯加速器的实施有了新的认识和动力。正是在这样的基础上，人们成功地发展了用磁极上的各种平面扇形叶片提供聚焦力的扇形聚焦回旋加速器(Sector focusingCyclotrons），包括直边扇形（Radial Sector）和卷边的螺旋扇形（Spiral Sector）加速器等以及由若干独立的扇形构成的分离扇（Split Sector）加速器。它们的磁极形状简单、易于加工而且聚焦性能也比托马斯加速器更为优异。

于是60 年代中期掀起了一个兴建扇形聚焦回旋加速器的世界性的高潮。扇形聚焦加速器不仅开拓了中能区等新领域而且在低能区完全取代了经典型的回旋加速器。

80 年代中期建造的7台大型等时性加速器中，有5 台是超导的，其中最大的能量常数K=1200（美国橡树岭国家实验室）。看来在今后的发展中超导回旋加速器的潜力是很大的。

近十年来，超导的等时性回旋加速器的发展，越来越令人瞩目。迄今已建造的超导回旋加速器有加拿大巧克河（Chalk River）原子核研究所的等时性加速器，意大利米兰大学的回旋加速器以及美国密执安州立大学（MSU）的双级超导回旋加速器系统等。

原理到限制回旋加速器能量提高的主要障碍来自离子的滑相。为了打破这个障碍人们曾考虑过多种消除滑相的途径，其中一种比较直接的做法是采用具有弯曲边界的高频电极。它能缩短和调整离子在相邻二次加速之间的路程，抵消因相对论效应或磁场降落引起的滑相，因而有可能用来提高离子的能量。不过这样的办法有相当大的局限性。因为随着离子能量的增高，电极边界的曲率要不断增大，结果电隙中电场的加速成分，即方位角向的电场迅速衰减，而不能用来加速离子的径向电场却越来越大。最后电场全部转为径向，离子的加速完全终止。可见这样的方法并不能加速离子至更高能量。1

迄今在克服滑相上比较成功的途径是让离子在所谓等时性的磁场中加速。这种磁场的强度沿半径方向与离子的能量同步增长，使离子的旋转周期在加速过程中始终保持恒定，不随能量而变。

结构等时性回旋加速器的结构和普通回旋加速器很相似。主要区别是，为了形成沿方位角调变的等时性磁场，在磁极表面有特殊形状的垫铁和垫补磁场用的线圈.环形垫铁及环形线圈可以用来垫补平均磁场沿半径的分布情况；扇形磁铁及线圈可用来垫补磁场沿方位角的调变情况。

有些等时性回旋加速器的磁铁不是整个的，而是分成若千段，如四、六或八段，由磁场沿轨道调变的周期数目决定。各段磁铁之间，可以装D形电极或引出、注入粒子。

有些加速器，特别是加速负离子、极化离子及重离子的加速器，多把离子源放在加速器外边，离子源内形成离子，经过适当的离子光学系统入射到回旋加速器里面。入射的方法有两种：一种方法是在磁极中心沿轴线方向穿一个孔，粒子沿这个孔注入到真空室.在真空室中心平面附近，设有一对偏转电极板.电极板平面与加速器中心平面成45°夹角

粒子先穿过栅网状的电极板，这块栅网电极是接地的。另一块电极板接在高压电源上，其极性与入射的粒子的电荷相同，在它与栅网电极之间形成了偏转电场.粒子穿过朽网，进入偏转电场.在电场的作用下，偏转90°角，沿平行于中心平面的方向，再穿出栅网，进入D形电极加速。

用途等时性迥旋加速器，是流强比较大的中能加速器，可产生100或数百微安的粒子流。在中能核物理研究方面发挥重要的作用。

它能产生很强的介子流，又被称为介子工厂。除用来进行介子物理、原子核物理研究外，还能用来进行放射化学，放射生物学、固体物理等方面的研究.又能用来进行用犷介子治疗癌症的研究.另外，强质子流和铀靶作用能产生很强的快中子流，可用来进行中子物理、原子能方面需用的材料试验等研究工作。

三种等时性回旋加速器介绍1、小尺寸等时性回旋加速器

小尺寸的紧密结构型回旋加速器最初由美国回旋加速器公司推出，用于放射性同位素生产或中子治疗等，它可产生26 MeV 的质子，15MeV 的氘或38MeV 的He-3 离子以及30MeV的α 粒子，内束流强90-300μA，外束40-100μA，离子的能散度1%，发射度（50mm-mrad，加速器高2.13m，占地面积仅3.3mX2.41m 。

近年来比利时IBA公司推出新颖的“旋流30" (Cyclone30)型加速器，它可产生30MeV的质子，且能量可在15-30MeV范围内连续变化，引出的外束流强可达350-500μA,适用于生产11C,13N，15O，18F，67Ga，111In,123I和201TI等核医学用同位素，它的一个与众不同的特点是可同时引出二束束流，供同时生产的两种不同的放射性同位素之用。外束流的发射度5-10πmm-m rad,束流品质明显地优于一般的回旋加速器。

旋流型加速器采用负离子加速的技术，在加速终了时用碳箔剥离靶将H-离子转变成质子，引出器外。这是该型加速器的最基本的特点，并由此带来一系列的优点。例如通过调整剥离靶的径向位置可以使离子束的能量在15-30 MeV内连续可调，而无需改变主磁场的磁感应强度和加速电场的频率。又如利用部分阻挡束流的二个碳箔可以同时在二个方向上引出两束束流。此外由于负离子的引出效率接近100%，因此即使引出的束流高达500μA,加速器的残余放射性活度也在允许范围之内。

“旋流30”所加速的负离子由一个在加速器外的大功率弧源产生，H-的产额可达2mA。负离子由一个轴向注入系统引导，穿过磁轭注入加速器内，注入效率可达35%。加速器的磁铁有四个张角为54º-58º（随半径增大）的扇形由于采取了加速电极放在谷区内的设计，因而磁铁具有小的峰场间隙、强的垂直聚焦和良好的引出束光学性能。峰场区的磁感应强度为1.7T，谷区为0.12T。轴向自由振动频率zν =0.54-0.63,整个磁体重49 t,激磁功率7.2 kW。

二个加速电极的张角为30º，都放在磁体谷区之中，由上下垂直插入谷区内的共振线来支撑，这样的结构具有较小的对地电容，空载时只需用5.5 kW的功率就可产生50 kV的电压。加速电场的频率为65.5 MHz，工作在H-离子回旋频率的四次谐波上。高频系统的驱动放大器功率为2 kW，末级功放的功率为26 kW,可提供的束流加速功率为15 kW。

2、兰州重离子加速系统

这是我国最大的一个等时性回旋加速器系统，它包括一台能量常数K=450 的大型分离扇加速器和一台作为注入器的K=69 的扇聚焦等时性回旋加速器。这个系统可以加速周期表上从碳至氙元素的离子至每核子100 MeV（轻离子）或5MeV/A（重离子），束流强度1012~1014粒子/s，束流能散度5 x 10-3，发射度10πcm·mrad。

主加速器的磁铁系统由四个张角为52o的直边扇形磁铁组成。每个重500 t，由12 块低碳钢锻件组成。每台磁铁的气隙为10 cm，隙中最高磁感应强度可达1.6 T。离子注进磁场的平均半径为ri=1m，引出半径re=3.21 m。最高平均磁场B=0.99 T。上、下磁极表面装有36 对调补线圈，其中等时性场的调补线圈25 对，局部缺陷补偿线圈5 对，另有6 对用来补偿注入元件对主磁场的扰动。通过这些线圈垫补之后，实际场分布对于各种加速离子的等时

性场的偏差都≤1×10-3。磁铁主磁场的激磁电流4000 A，电流稳定度5x 10-6，总功率550 kW。调补线圈的激磁电流100-300 A，稳定度1 x 10-4，总功率110kW。

主加速器的高频系统包括二个燕式谐振腔，每个腔由一个张角为30º的加速电极、二个倾斜的内杆、一个波纹状的调谐板和外罩筒所组成。谐振腔的工作频率范围为6-15MHz,相应的Q值在6000-10000 之间，每个腔的馈送功率为120 kW,在12.8 MHz 时,加速电极上小半径处的电压幅值Va=220 k V，大半径处Va=245 kV。可见加速电压随半径逐渐增大。该系统设有频率自动调谐、稳幅和锁相装置。工作时腔的调谐精度Δf/f =±5x10-6,振幅稳定度ΔV/V=5x10-4，相位稳定度Δφ≤1º。

分离扇加速器的真空室是由μ