[科普中国]-同步回旋加速器

概况

由于相对论性效应，随着速度增大，粒子的质量增大，使绕行半圈的时间变长，以致逐渐偏离了交变电场的加速状态，因而粒子的能量达到一定的限度就不能再增大。技术上有两种解决办法：一种是使磁极外圈的磁场逐渐增强，抵消相对论性效应的影响；另一种是调节加速电场的变化频率，使之适应相对论性效应的影响。这两种方法都是为了使粒子在磁场中作圆周运动的频率与加速电场的变化频率维持同步。前一种改进措施发展成为扇形聚焦回旋加速器，后一种改进措施发展成为同步回旋加速器。在回旋加速器中粒子回旋的轨道半径逐渐地由小到大，因而磁体本身必须是实心的圆柱，极为笨重，耗资昂贵。改进后的同步加速器只需要一个环形的磁极，带电粒子先在一个较小的加速器中加速，然后引入同步加速器进一步加速。目前美国费米国家加速器实验室最大的质子同步加速器的加速管道圈的直径为2千米 ，质子加速可达500吉电子伏特，进一步使用超导强磁场，能量可提高到1000吉电子伏特。

工作原理同步回旋加速器之所以又被称稳相加速器，是因为它与著名的“自动稳相原理”有关。V.韦克斯勒和E.麦克米伦在1944—1945年分别提出了这一原理：回旋频率与加速电场频率保持严格同步的粒子（称同步粒子）周围，有一群非同步粒子，只要它们与同步粒子在能量上和相位上的差别在一定的范围内，也可得到稳定加速。如设同步粒子处在高频电场下降的相区内，当某一非同步粒子的相位落后于同步粒子时，则会得到比同步粒子稍小的能量增益，它的回旋周期开始减小，因而在下一次到达加速电场区域时，其相位较前一次更接近同步粒子。如此往复，使非同步粒子的相位总是在同步相位附近作稳定相振荡，并获得与同步粒子相同的平均能量增益。同步回旋加速器在结构上与经典回旋加速器十分相似，主要区别是在起加速作用的“D形电极”的共振回路中使用可变电容器，以调变频率。频率调变的幅度通常在2∶1左右，调制的重复频率约为60—100赫。1

性能结构调频技术的采用，使加速器的能量上限由几十兆电子伏上升到几百乃至上千兆电子伏；但采用频率调变不再可能连续加速粒子，使粒子束不再是连续束，而成为脉冲束，因而使平均流强下降到0.1%—1%。它限制了束流的强度。这一缺点后被不变频的扇形聚焦回旋加速器所克服。另外，由于磁铁重量近似同能量E3成比例，能量增大时磁铁迅速变大，结果建造大磁铁的经济性成为新的限制。为了克服这个困难，在高能范围，一般采用具有环形磁铁的同步加速器结构（见粒子加速器）。12

研究应用超导同步回旋加速器

随着超导技术的发展,采用极高的磁场,同步回旋加速器可小型化,并且由于其结构简单,非常方便安装于医院环境下用于质子治疗。中国原子能科学研究院计划建造一台230 MeV超导同步回旋加速器,该项目被列入核工业集团"龙腾2020"的核心技术能力提升专项,其关键技术的研究为串列升级工程部近几年的重要方向之一3。

正****超导同步回旋加速器

正超导同步回旋加速器作为具有超小型结构、造价更低廉、更适用于医院环境使用的新一代质子治疗系统的核心装置,相对于现有的质子治疗系统,可以降低癌症的质子治疗费用、惠及大众健康,有巨大的经济效益与社会效益,因此日益得到各国先进加速器研究机构及高端医疗设备研发企业的重视4。

医用回旋加速器

医用回旋加速器控制系统是在HIRFL—CSR控制系统上总结完善出来的，医用回旋加速器控制系统是一个基于网络的分布式控制系统，它由许多分控制系统组成。磁铁电源控制系统是回旋加速器控制系统中一个重要部分，它是一个集波形发生、数据采集、状态监测与一体的系统。输出波形的参数由实验需要而计算得到。因为加速器所有的运行激励都由电源所控制，电源控制着磁场的状态，磁场的状态决定着加速器的状态，所以控制系统的直接控制对象就是磁场电源。在整个控制系统中最重要的就是控制波形的同步和波形的精度，这是同步加速器控制系统的关键所在。波形的同步由同步时序系统控制，这是回旋加速器成功运行的先决条件。数据的采集、电源状态的监测由数据采集模块CPLD+ARM负责完成，CPLD与ARM控制器结合，形成数据的上行通道。采集到的数据均存放在中央控制室的数据库中，以供参考、后期分析及应用。论文论述了对医用回旋加速器电源控制器软件的设计实现。对磁铁电源控制系统，主要从系统的结构、I/O部件的硬件设计和软件设计这几个方面进行论述；对软件系统，主要描述各类硬件驱动设计、对数据预处理和与数据库通信的设计实现。本文的工作在医用回旋加速器控制系统中具有很重要的意义，为重离子束治疗肿瘤做了基础准备5。