回旋加速器原理及应用资料共21页文档
回旋加速器的机理及其应用(李秀菊1126857027)文稿资料
物理系11级 物理教育 Z1101班 1126857027 李秀菊
目录
回旋加速器的发展史 回旋加速器的有关计算公式 回旋加速器的作用 回旋加速器的应用 回旋加速器的应用发展趋向 参考文献
回旋加速器的发展史
早期加速器 回旋加速器的理论 二个重要的阶段 等时性回旋加速器
地形研 究回 旋加 速器
静电回 旋加 速器
亚原子回旋加速器
小型回旋加速器 质子回旋加速器周长600米
回旋加速器的发展趋向
第十次国际回旋加速器及其应用会议由美国密执安大学国家超导回旋加 速器实验室(NscL)主如198盛年4月30日到5月3日举行,会期共4天。参加 会议的有17个国家的200余名学者,我国四川大学720所和中国科学院上 海原子核所的代表参加了会议。趋向：竞向高能和加速全粒子。
磁场作用
带电粒子以某一速度垂直进入匀强磁场时，只 在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期 与速率和半径无关，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。
电场作用
回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在 周期性的变化的并垂直于两D形盒直径的匀强 电场，加速就是在这个区域完成的
交变电压
为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速， 使其能量不断提高，要在狭缝处加一个与粒子 运动的周期一致的交变电压
在医学上
1995年中国原子能科学研究院与比利时IBA共同研 制的cyc-30型回旋加速器投入使用，生产各种医用同 位素。 2006年6月23日，中国首台西门子eclipse HP/RD医 用回旋加速器在位于广州军区总医院内的正电子药物 研发中心正式投入临床运营。 回旋加速器是产生正电子放射性药物的装置，该药物 作为示踪剂注入人体后，医生即可通过PET/CT显像 观察到患者脑、心、全身其它器官及肿瘤组织的生理 和病理的功能及代谢情况。所以PET/CT依靠回旋加 速器生产的不同种显像药物对各种肿瘤进行特异性显 像，达到对疾病的早期监测与预防。
第二章回旋加速器20页
三、发展趋势
1.采用等时性原理 2.小型化、商品化 3.高能、超导
第二节 带电粒子在恒定磁 场中的运动
一、运动方程
1.普通运动方程
d(m v)qE eq(evB ) dt
2.柱坐标运动方程
轴向 d d(m td d)z tq ed dB r tqe r(rB d d )tqe z E
径向 辐向
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关心的是Δz与Δr
Δz = zz0 = z0 = z Δr = rr0 = rrc= x
2.轴向运动稳定条件
Br(z)B zrczB rzcz
泰勒展开
保守力场
∴
d dt
(m
dz dt
)
qeB
rr
d dt
qe B z zr d r c dt
m 2 rc B z z Bc r c
m 2 nz
此处
n
rc Bc
←Brz 磁c 场降落指数
于是
d(mdz)m2nz
dt dt
当n > 0，为简谐振动方程，稳定
（短时间内dm/dt≈0）
当n < 0，解为双曲函数，发散
故稳定条件为n
>
0，即
B z r
0
3.zB v
其中
mv2 r
Er EEZ0
2）运动方程
（忽略加速效应）
轴向 径向 辐向
d (mdz) 0 dt dt
d d(m t d d)r tm(d d r )t2qe zrd B d t
dd(tm2rdd)tqezrBd drt
3）闭轨
若粒子初速度沿辐向，则形成闭轨
此时
选修-回旋加速器课件-文档资料
回旋加速器
黎城一中 常晓刚
问题：
如何知道一个核桃内部是什么样子？ 学生讨论：用锤子将它砸开。
思考与讨论
我们如何能知道原子核内部的情况？ 答：用高能粒子作为“炮弹”去轰击原子核。
如何获得高能粒子呢？
+ -
通过电场使带电粒子加速
电场加速粒子带来的问题
一般情况下我轰击原子核需要的粒子的能 量很高，也就是说需要一个高速的粒子。
• 同步加速器 • 环形加速器 • 电子回旋加速器
世界最大直线加速器观测 宇宙最微观粒子
世界上最长的直线加速器位于美国斯坦福大学一座毫不 起眼的灰色建筑群内。美国斯坦福大学直线加速器实验室 的科学家们曾获得过三次诺贝尔奖，它发出的X射线自由电 子激光将比现有X射线源强大约100亿倍，从而使研究人员
由
1 2 qU 2 qU mv v 2 m
可知所需粒子速度越高，则加速电压就越高
猜想：多个电场加速
+ - + - + + -
一级
二级
三级
n级
多级直线加速器
缺点： 1加速装置很长，占地面积大； 2造价很高。
创新：回旋加速器
发明者： Earnest O. Lawrence （1901-1958） 美国
• 构造：D形盒、强电磁铁、交流 电源、粒子源、导出装置 • 用途：给粒子加速获得高能粒子 回旋加速器演示
电场作用：给带电粒子加速； 磁场作用：使带电粒子发生偏转； 加速条件：交流电的周期和带电粒子在磁 场中的圆周运动的周期相等。
• 优点：占地面积小； • 缺点：获得的粒子的能量不高
其他加速器
们可以在化学反应期间拍摄原子和分子影片。
回旋加速器
速度变化引起质量变化，从而改变周期难以同步；
同一个加速器，最大速度由半径决定：
2 vm qvm B m R
ห้องสมุดไป่ตู้
qBR vm m
加速电压大小决定了转过的圈数（时间）
带电粒子在复合场中的运动
回旋加速器
粒子的加速
1、意义： 在原子物理领域的研究与实验中，往往需要 “高能”粒子，即：速度很大的粒子。 2、原理： 在电场中，电场力对带电粒子做正功，使其 动能增大，速度增大。
L +q m
1 2 Uq mv 2
-
+
U
1
U的增大是有一定限度的，如何获得更大的速度呢？
直线多级加速器
1、原理： 使带电粒子分别通过多个直线排列的加速电 场，通过多级加速获得较大速度，
1、复合场：
2、三种常见场： 重力场、匀强电场、匀强磁场 3、解题的要点： （1）分析清楚复合场的构成 （2）分析清楚带电粒子的受力 （3）分析清楚带电粒子的运动类型 （3）根据不同的运动类型选择不同的物理规律解决问题。
空间中存在两种或两种以上的场同时对物体产生力的作用。
匀速直线运动： G+E； G+B； E+B； G+E+B；
例：《学习指导》最后一页 最后一题
匀变速（直线、曲线）运动： G+E； 匀速圆周运动： G+E+B且G与Eq平衡；
带电粒子在组合场中的运动
1、组合场：
空间中不同区域内存在不同的场，粒子先后通过不同的 区域，受到不同的力的作用。 2、本质： 多阶段、多过程的运动学 3、解题的要点： （1）分析清楚粒子在每个场内的受力 （2）分析清楚粒子在每个场内的运动类型及过程 （3）应用不同的物理规律研究各个阶段的运动 （4）注意各个阶段运动之间的联系
回旋加速器课件
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形盒半径的限制。
加速电压的大小只能影响带电粒子在D形盒内加速的次数。
④带电粒子在回旋加速器内的运动时间。
带电粒子在回旋加速器内运动时间的长短，与带电粒子做匀速圆周运动的周期有关，同时还与带电粒子在磁场中转动的圈数有关。
回旋加速器原理与应用-复旦大学附属华山医院PET中心
回旋加速器原理与应用复旦大学附属华山医院PET 中心刘平回旋加速器主要用于放射性药物的生产。
它是用高频电场加速带电粒子的共振加速器，它最初是1930年由美国E.O. Lawrence 建议建造的。
相对于后来的回旋加速器，我们称之为常规回旋加速器或经典回旋加速器。
其基本结构为两个半圆柱D 盒置于扁圆柱形的真空室中，上下有一对圆柱形磁极，极间是大体均匀的恒定磁场。
一、回旋加速器的原理一个荷电q 、质量m 的带电粒子在恒定磁场B 中以速度v 在与之垂直的平面上运动，将受到磁场劳仑茨（Lorentz ）力F L 的作用而作圆周运动：F L =vBq设曲率半径为r ，则离心力F 0为：F 0=mv 2/r在平衡条件下：F L = F 0，即：vBq=mv 2/r由此可得： mqB r v c ==ω=常数 可以看出，任意一种既定的带电粒子，在恒定的磁场中运动时，与其对应的回旋角频是一个常数，这一规律称为拉摩定律。
拉摩定律揭示的运动粒子在恒定磁场中回旋角频c ω与粒子本身所具有的速度v 无关这一重要特征，成为回旋共振加速方案可行性的重要依据。
产生于中央区的离子源在电场的作用下开始运动，而磁场则使运动的带电粒子沿着一定的轨道运动。
在非相对论范围内，整个加速过程中的粒子回旋角频c ω保持不变，因此粒子的回旋周期c T 和频率c f 也将保持不变： mqB T qB m v r T c c c πππ2122====为了实现共振加速，要求高频频率rf f 或rf T 与粒子回旋频率c f 或周期c T 之间应满足如下相等或成奇整数倍的关系： rf f =k c fc T =k rf T这就是共振加速的必要条件。
二、回旋加速器的结构回旋加速器主要由以下子系统组成：1．磁场系统：磁场系统包括上、下磁轭、线路极片、磁场线圈、磁场电源。
在维修时，上磁轭可以用液压装置将其升起。
磁场靠安装在上下磁轭之间的线圈上的电流获得能量。
第六节 回旋加速器
例：如图所示的磁流体发电机，已知横截面积为矩形 如图所示的磁流体发电机， 的管道长为 宽为a,高为 长为l， 高为b，上下两个侧面是绝缘体 绝缘体， 的管道长为 ，宽为 高为 ，上下两个侧面是绝缘体， 前后两个侧面是电阻可忽略的导体 分别与负载电阻R 导体， 前后两个侧面是电阻可忽略的导体，分别与负载电阻 的一端相连，整个装置放在垂直于上、 的一端相连，整个装置放在垂直于上、下两个侧面的 匀强磁场中，磁感应强度为B。含有正、 匀强磁场中，磁感应强度为 。含有正、负带电粒子的 电离气体持续匀速地流经管道， 电离气体持续匀速地流经管道，假设横截面积上各点 流速相同，已知流速与电离气体所受的摩擦力成正比， 流速相同，已知流速与电离气体所受的摩擦力成正比， 且无论有无磁场存在时，都维持管两端电离气体的压 且无论有无磁场存在时，都维持管两端电离气体的压 B 强差为P。 强差为 。如果无磁场存在时电离气体 的流速为v 的流速为 0，那么有磁场存在时 b 此磁液体发电机的电动势E的 ，此磁液体发电机的电动势 的 大小是多少？ 大小是多少？已知电离气体的平 R v 均电阻率为ρ。 均电阻率为 。 a l
+ + +
+
一级
+
+
二级
三级
当电源频率恒定时，也有可能满足同步条件， 当电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只 要使得极板的间距随着粒子速度的增大而相应地增大 就行了 。
同 步 加 速 器
二、回旋加速器
（1）回旋加速器的基本结构和原理
2πｍ T= qB 回旋加速器（劳伦斯1939获Nobel prize） 回旋加速器（劳伦斯 获 ）
回旋加速器原理及新进展
回旋加速器原理及新进展1.引言1.1 概述回旋加速器是一种用于加速离子粒子的设备，其原理利用磁场和电场的力来加速带电粒子。
该设备的应用广泛，包括核物理研究、放射治疗、材料科学等领域。
本文将着重介绍回旋加速器的原理和最新进展。
在概述部分，我们将对回旋加速器进行简要概述，以帮助读者更好地理解后续内容。
回旋加速器是一种环形结构，由多个电极和磁铁构成。
当带电粒子进入回旋加速器后，它们会受到电场和磁场的作用力，从而始终保持在环形轨道上运动。
电场将粒子加速到一定速度，而磁场则被用来限制运动轨迹，使粒子保持在环形轨道上。
回旋加速器在粒子物理研究中起着重要作用。
通过加速高能离子粒子，科学家能够探索更深层次的物质结构和宇宙奥秘。
此外，回旋加速器还被应用于放射治疗，用于治疗癌症等疾病。
它也在材料科学中有重要的应用，可以用于表征材料的结构和性质。
近年来，回旋加速器领域取得了一些新的进展。
新型回旋加速器设计采用了更先进的技术和更高能量的粒子束。
这些新进展使得回旋加速器的加速效率大大提高，同时也提高了加速器的精度和可靠性。
在本文的后续部分，我们将详细介绍回旋加速器的原理和应用，并对最新的研究进展进行展望。
通过了解回旋加速器的原理和新进展，我们可以更好地了解其在科学研究和应用领域的重要性和潜力。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍整篇文章的组织结构，让读者对即将阅读的内容有一个清晰的了解。
本文分为引言、正文和结论三个主要部分。
引言部分从概述、文章结构和目的三个方面入手，引导读者对回旋加速器原理及新进展的内容有一个整体的认识。
首先，在概述中，我们将简要介绍回旋加速器的背景和基本概念，包括其作为一种粒子加速器的重要性以及其在科学研究和应用领域中的广泛应用。
接下来，文章结构部分将详细说明本文的组织结构。
我们将分为引言、正文和结论三个部分，每个部分都有相应的子标题，以便读者能够快速定位和理解文中的内容。
最后，我们会阐明本文的目的。
回旋加速器资料.
3 回旋加速器的应用
伽玛刀
研究原子核内部结构
伽玛刀
伽玛刀又称立体定向伽玛射线放射治疗系统，是一种融合现代计算机 技术、立体定向技术和外科技术于一体的治疗性设备，它将钴-60发出 的伽玛射线几何聚焦，集中射于病灶，一次性、致死性的摧毁靶点内 的组织，而射线经过人体正常组织几乎无伤害，并且剂量锐减，因此 其治疗照射范围与正常组织界限非常明显，边缘如刀割一样，人们形 象的称之为“伽玛刀”，它的最大优点是，能量更高而且可调剂量率 更高，可开可停，安全可靠。也可以使用质子束或中子射线，但不论 使用哪种粒子，都需要回旋加速器对粒子进行加速。
2 回旋加速器的原理
• 当电荷被缝隙的电场加速进入某一个 D 形 腔时，加速过程开始，一旦电荷进入该腔， 将沿半圆形路径运动
• 在腔内运动时，带电粒子速度保持不变， 振荡器的频率为
• 那么带电粒子到达空隙的时候外加电压极性正好改变，缝隙中的电场方向随 之改变，使粒子得到加速又进入另一 D 形腔，这时粒子运动的半径也就大了 一些。这样，粒子每次通过空隙都获得一些动能，从而进入更大半径的运动 轨道。这一过程一直重复到粒子从 D 形腔的边界射出。射出速度为
但由于相对论效应所引起的矛盾和限制，经典回旋加速器的能量难以超过20Mev的能量 范围，另外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,这是极为笨重的,而且耗资昂贵。
回旋加速器的加速原理
回旋加速器的加速原理
回旋加速器是一种粒子加速器，它利用强大的磁场将带电粒子加速到接近光速的高能状态。
这种高能粒子被广泛用于物理学、生命科学和医学等领域的实验研究和治疗。
回旋加速器的加速原理是基于质量-能量等价原理。
根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，物体的质量和能量是等价的。
因此，如果我们能够将物体的能量增加到足够高的水平，那么它的质量也会相应地增加，从而使其更难加速。
回旋加速器利用等离子体相对论效应将加速度限制在可接受范围内。
它包括一个环形管道和一系列磁铁。
在环形管道中放置一个带电粒子束，然后通过磁铁产生不断变化的磁场来引导粒子沿着管道高速旋转。
由于粒子束旋转速度愈来愈快，它将被强大的电场加速，同时被限制在管道中。
磁铁会产生一个稳定的磁场，使粒子束始终保持在管道中心。
这样，粒子能够被迫集中在一个极小的空间内，从而加速到极高的能量水平。
回旋加速器还包括一个粒子探测器，它能够测量粒子束的特定属性，如速度、能量、方向和质量等。
这些数据是科学家研究粒子性质和加速器性能的重要信息。
总而言之，回旋加速器的加速原理建立在等离子体相对论效应和质量-能量等价原理之上。
通过不断变化的磁场引导带电粒子旋转，利用稳定的磁场将粒子束限制在管道中心，最终将粒子加速到极高的能量水平。
这种加速器是现代科学研究和治疗领域的重要工具，其原理和技术也得到了广泛应用和不断发展。