回旋加速器的原理及應(yīng)用

1、指導(dǎo)教師：楊曉梅課題組長：馬學(xué)利（12008243618） 組員：楊云 （12008243579） 班級(jí)：08級(jí)物理師范2班 日期：2009年10月27日 1 回旋加速器的發(fā)展史回旋加速器的發(fā)展史 1 回旋加速器的發(fā)展史回旋加速器的發(fā)展史 二二 回旋加速器的結(jié)構(gòu)及原理回旋加速器的結(jié)構(gòu)及原理 1 回旋加速器的結(jié)構(gòu)圖 2 回旋加速器的工作原理及相關(guān)計(jì)算 三三 回旋加速器的應(yīng)用回旋加速器的應(yīng)用 1 在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用 2 在科學(xué)方面的應(yīng)用 四四 心得體會(huì)心得體會(huì) 五 參考文獻(xiàn) 六 結(jié)束語一：發(fā)展史勞倫斯勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence)是是美國著名物理學(xué)家、回旋加速器的發(fā)明者，美

2、國著名物理學(xué)家、回旋加速器的發(fā)明者，1901年年8月月8日出生于美國達(dá)科他州南部日出生于美國達(dá)科他州南部的坎頓的坎頓。 1930年，年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理論，他提出了回旋加速器的理論，他設(shè)想用磁場使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉(zhuǎn)，設(shè)想用磁場使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉(zhuǎn)，多次反復(fù)地通過高頻加速電場，直至達(dá)到多次反復(fù)地通過高頻加速電場，直至達(dá)到高能量。高能量。1931年，他和他的學(xué)生利文斯年，他和他的學(xué)生利文斯頓（頓（M. S. Livingston）一起，研制了世）一起，研制了世界上第一臺(tái)回旋加速器，這臺(tái)加速器的磁界上第一臺(tái)回旋加速器，這臺(tái)加速器的磁極直徑只有極直

3、徑只有10cm，加速電壓為，加速電壓為2kV，可，可加速氘離子達(dá)到加速氘離子達(dá)到80keV的能量，向人們的能量，向人們證實(shí)了他們所提出的回旋加速器原理。證實(shí)了他們所提出的回旋加速器原理。Earnest O. Lawrence隨后，經(jīng)隨后，經(jīng)M. Stanley Livingston資助，建造了一資助，建造了一臺(tái)臺(tái)25cm直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的能量可達(dá)到能量可達(dá)到1MeV?；匦铀倨鞯墓廨x成就不僅在?；匦铀倨鞯墓廨x成就不僅在于它創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)人工加速帶電粒子的能量記錄，更于它創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)人工加速帶電粒子的能量記錄，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式

4、奠定了人們重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人們研發(fā)各種高能粒子加速器的基礎(chǔ)。研發(fā)各種高能粒子加速器的基礎(chǔ)。30年代以來，回旋加速器的發(fā)展經(jīng)歷了二個(gè)年代以來，回旋加速器的發(fā)展經(jīng)歷了二個(gè)重要的階段。前重要的階段。前20年，人們按照勞倫斯的原理建年，人們按照勞倫斯的原理建造了一批所謂經(jīng)典回旋加速器，其中最大的可生產(chǎn)造了一批所謂經(jīng)典回旋加速器，其中最大的可生產(chǎn)44MeV的的粒子或粒子或22MeV的質(zhì)子。但由于相對論的質(zhì)子。但由于相對論效應(yīng)所引起的矛盾和限制，經(jīng)典回旋加速器的能量效應(yīng)所引起的矛盾和限制，經(jīng)典回旋加速器的能量難以超過每核子難以超過每核子20多多MeV的能量范圍。后來，人的能量范圍。

5、后來，人們基于們基于1938年托馬斯（年托馬斯（L. H. Thomas）提出的建）提出的建議，發(fā)展了新型的回旋加速器。因此，在議，發(fā)展了新型的回旋加速器。因此，在1945年年研制的同步回旋加速器通過改變加速電壓的頻率，研制的同步回旋加速器通過改變加速電壓的頻率，解決了相對論的影響。利用該加速器可使被加速粒解決了相對論的影響。利用該加速器可使被加速粒子的能量達(dá)到子的能量達(dá)到700MeV。使用可變的頻率，回旋加。使用可變的頻率，回旋加速器不需要長時(shí)間使用高電壓，速器不需要長時(shí)間使用高電壓，世界第一臺(tái)回旋加速器 幾個(gè)周期后也同樣可獲得最大的能量。在同步回旋加速幾個(gè)周期后也同樣可獲得最大的能量。在同

6、步回旋加速器中最典型的加速電壓是器中最典型的加速電壓是10kV，并且，可通過改變加速，并且，可通過改變加速室的大?。ㄈ绨霃?、磁場），限制粒子的最大能量。室的大?。ㄈ绨霃?、磁場），限制粒子的最大能量。60年代后，在世界范圍掀起了研發(fā)等時(shí)性回旋加速年代后，在世界范圍掀起了研發(fā)等時(shí)性回旋加速器的高潮。等時(shí)性回旋加速器（器的高潮。等時(shí)性回旋加速器（Isochronous cyclotron）是由）是由3個(gè)扇極組合（個(gè)扇極組合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可變，以第一和第三偕波）的回旋加速器，能量可變，以第一和第三偕波模式對正離子進(jìn)行加速。模式對正離子進(jìn)行加速。 二：結(jié)

7、構(gòu)及原理 1：結(jié)構(gòu)圖檢測器是加速器中最重要的設(shè)備部件，它們用來觀測碰撞后的粒子和輻射。檢測器有許多類型從氣泡室、云室到固態(tài)電子檢測器。對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)室可能在加速器的不同部分放置多種檢測器。 （1） 云室檢測器在室內(nèi)裝有飽和的水蒸氣。當(dāng)高能粒子通過水蒸氣時(shí)，水蒸汽會(huì)離子化，形成一個(gè)蹤跡，這與噴氣式飛機(jī)穿過云層時(shí)留下的蹤跡非常相像。在SLAC還有一種檢測器是SLAC大型檢測器（SLD）。 （2）SLD是一種多層檢測器。每層都能看到一個(gè)不同的事件，SLD是一種大型的桶形固態(tài)檢測器，豎起來時(shí)比四層樓還高，重量超過4000噸！ （3）頂點(diǎn)探測器檢測粒子軌跡的位置 （4）漂移檢測器是加速器中最重要的設(shè)備部件，

8、它們用來觀測碰撞后的粒子和輻射。電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) ：粒子加速器需要使用大量電能。在有些地方會(huì)通過當(dāng)?shù)氐碾娏緛硖峁?，有些加速器則在現(xiàn)場配備有發(fā)電機(jī)。銅管銅管 ：粒子加速器的主要結(jié)構(gòu)是銅管。銅管內(nèi)部有強(qiáng)大真空，粒子通過該真空管道行進(jìn)。管是由銅制成的， 奧特曼粒子加速器世界上最大的加速器 2：工作原理回旋加速器是利用帶電粒子在電場中被加速、在勻強(qiáng)磁場中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不斷增大，而周期不變的特點(diǎn)，使粒子在磁場中每轉(zhuǎn)半周即能在電場中加速一次，從而使粒子獲得高速的裝置。 在回旋加速器中心部位的離子源（Ion Source）經(jīng)高壓電弧放電而使氣體電離發(fā)射出粒子束流，該粒子束流在稱為Dees的半圓形電

9、極盒（簡稱D型盒）中運(yùn)動(dòng)。D型盒與高頻振蕩電源相聯(lián)為加速粒子提供交變的電場。在磁場和電場的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的軌道中運(yùn)動(dòng)飛行被加速的粒子在近似于螺旋的軌道中運(yùn)動(dòng)飛行。 在回旋加速器中心區(qū)域，粒子被拉出后經(jīng)電場的加速而獲得較低的初速度v1，同時(shí)，磁場也對這些粒子產(chǎn)生作用，兩種場作用的結(jié)果是粒子在Dee間隙（gap）內(nèi)按螺旋軌道飛行。經(jīng)過非常短的時(shí)間后，粒子經(jīng)gap進(jìn)入另一個(gè)Dee電極盒，回旋加速器原理 此后，粒子在該Dee電極盒一邊飛行到等電勢的另一邊。每越過一個(gè)gap后，其軌道半徑將比前一次的軌道半徑大。粒子運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)軌道半徑將隨時(shí)間t的增加而增大，粒子運(yùn)動(dòng)速度的平方與粒子旋轉(zhuǎn)的圈

10、數(shù)成比例。被加速粒子運(yùn)動(dòng)的螺旋軌道半徑r與運(yùn)行時(shí)間t的平方根成正比。帶電粒子經(jīng)多次加速后，圓周軌道半徑達(dá)到最大并獲得最大的能量，在該點(diǎn)處粒子將被束流提取裝置提取引出。 若粒子的質(zhì)量為m，所帶電荷為q，所具有的運(yùn)動(dòng)速度為v，運(yùn)動(dòng)方向垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁力線，粒子受到垂直于v和B的勞侖茲（Lorentz）力的作用，使粒子沿著曲率半徑為r的軌道作圓周運(yùn)動(dòng)1，2。 依力的平衡條件， 離子運(yùn)動(dòng)的最大速度為： Vmax=BRq/m。 運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場中所受的洛侖茲力為：F=Bqv 帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為：F=mv2 /R 將兩式聯(lián)立得：mv2/R=Bqv R=mv/Bq 則粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周

11、期為：T=2R/v T=2m/Bq 由此可見，粒子運(yùn)動(dòng)的周期與其速度是無關(guān)的，我們只 要每隔半個(gè)周期調(diào)整兩極板間的電壓方向，就可以實(shí)現(xiàn)對帶 電粒子的不斷加速。這也是為什么要使用交流電的原因。在上式中，若D形盒的半徑為R，則粒子所能獲得的最大速度為Vmax=BRq/m。為了使粒子獲得較高的能量，通常要加大加速電磁鐵的重量和D形盒的直徑。 不過由于相對論的效應(yīng)，當(dāng)粒子的速度太大時(shí)，q/m不再是常量，從而回旋共振周期將隨粒子的速率的增長而增長，如果加于D形盒兩極的交變電場頻率不變的話，粒子由于每次遲到一點(diǎn)而不能保證總被加速。上述回旋加速的理論就不再適用了。 對于同樣的動(dòng)能，質(zhì)量愈小的粒子速率愈大，相

12、對論效應(yīng)也愈顯著。因此回旋加速器更適用于加速較重的粒子，但其速率始終不能無限制的提高。回旋加速器原理公式推導(dǎo) 三 ： 回旋加速器的應(yīng)用 1 ：在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用：在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用 目前回旋加速器主要被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。粒子加速器技術(shù)的目前回旋加速器主要被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。粒子加速器技術(shù)的發(fā)展，使其造價(jià)和體積都減小，適合在醫(yī)院環(huán)境下使用，利用加發(fā)展，使其造價(jià)和體積都減小，適合在醫(yī)院環(huán)境下使用，利用加速器作為放療用的射線源，尤其是電子類加速器，已經(jīng)大量普及，速器作為放療用的射線源，尤其是電子類加速器，已經(jīng)大量普及，并部分取代了并部分取代了60Co治療機(jī)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是，能量更高而且可調(diào)，治療機(jī)，它的最大

13、優(yōu)點(diǎn)是，能量更高而且可調(diào)，劑量率高，可開可停，安全可靠。這就是我們所熟悉的劑量率高，可開可停，安全可靠。這就是我們所熟悉的刀刀 。 無論是鈷源還是電子類加速器射線源，在放療中，由于無論是鈷源還是電子類加速器射線源，在放療中，由于X或或射線的性質(zhì)，在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)，都會(huì)對周圍的正常細(xì)胞，產(chǎn)射線的性質(zhì)，在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)，都會(huì)對周圍的正常細(xì)胞，產(chǎn)生較大的損傷。生較大的損傷。 因此有人提出因此有人提出利用質(zhì)子束、中子射線代替伽利用質(zhì)子束、中子射線代替伽瑪射線。它們的最大優(yōu)點(diǎn)是吸瑪射線。它們的最大優(yōu)點(diǎn)是吸收劑量相對集中收劑量相對集中 。但不論用。但不論用何種粒子，都需要回旋加速器何種粒子，都需要回旋

14、加速器對其進(jìn)行加速。對其進(jìn)行加速。 醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的具體發(fā)展現(xiàn)狀醫(yī)用回旋加速器行業(yè)風(fēng)醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的具體發(fā)展現(xiàn)狀醫(yī)用回旋加速器行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及策略分析三部分。第一部分的中國醫(yī)療衛(wèi)生以及醫(yī)療器械的險(xiǎn)及策略分析三部分。第一部分的中國醫(yī)療衛(wèi)生以及醫(yī)療器械的整體情況主要分為四個(gè)章節(jié)，第一章主要概括了中國醫(yī)療衛(wèi)生事整體情況主要分為四個(gè)章節(jié)，第一章主要概括了中國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的整體情況，從衛(wèi)生資源、醫(yī)療服務(wù)、農(nóng)村與社區(qū)衛(wèi)生方面、業(yè)的整體情況，從衛(wèi)生資源、醫(yī)療服務(wù)、農(nóng)村與社區(qū)衛(wèi)生方面、疾病控制、婦幼保健以及重點(diǎn)城市的醫(yī)藥價(jià)格情況等不同角度進(jìn)疾病控制、婦幼保健以及重點(diǎn)城市的醫(yī)藥價(jià)格情況等不同角度進(jìn)行了細(xì)致而全

15、面的概括分析；第二章主要介紹了我國醫(yī)療器械行行了細(xì)致而全面的概括分析；第二章主要介紹了我國醫(yī)療器械行業(yè)的政策環(huán)境及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；第三章，報(bào)告主要從醫(yī)療器械行業(yè)市業(yè)的政策環(huán)境及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；第三章，報(bào)告主要從醫(yī)療器械行業(yè)市場供求狀況、各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、進(jìn)出口狀況及重點(diǎn)地區(qū)的運(yùn)行情況場供求狀況、各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、進(jìn)出口狀況及重點(diǎn)地區(qū)的運(yùn)行情況入手對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析；第四章詳細(xì)介紹了國家對醫(yī)療器入手對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析；第四章詳細(xì)介紹了國家對醫(yī)療器械行業(yè)的投入情況。械行業(yè)的投入情況。 報(bào)告的第二部分從醫(yī)用回報(bào)告的第二部分從醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的具體情況入手，旋加速器行業(yè)的具體情況入手，首先根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局、國家發(fā)

16、首先根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局、國家發(fā)改委的權(quán)威數(shù)據(jù)闡述了行業(yè)的改委的權(quán)威數(shù)據(jù)闡述了行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)效益的表現(xiàn)等發(fā)展現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)效益的表現(xiàn)等客觀情況，并根據(jù)行業(yè)所面臨客觀情況，并根據(jù)行業(yè)所面臨的問題提出有效的解決之道；的問題提出有效的解決之道；其次，在區(qū)域市場方面，其次，在區(qū)域市場方面，報(bào)告從消費(fèi)總量和消費(fèi)企業(yè)構(gòu)成兩個(gè)角度進(jìn)行了調(diào)查分報(bào)告從消費(fèi)總量和消費(fèi)企業(yè)構(gòu)成兩個(gè)角度進(jìn)行了調(diào)查分析；另外，根據(jù)中國海關(guān)的相關(guān)數(shù)據(jù)，報(bào)告中介紹了我析；另外，根據(jù)中國海關(guān)的相關(guān)數(shù)據(jù)，報(bào)告中介紹了我國醫(yī)用回旋加速器行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的貿(mào)易情況；最后，報(bào)國醫(yī)用回旋加速器行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的貿(mào)易情況；最后，報(bào)告根據(jù)醫(yī)用回旋加速器行業(yè)中重點(diǎn)企業(yè)

17、的經(jīng)營狀況及經(jīng)告根據(jù)醫(yī)用回旋加速器行業(yè)中重點(diǎn)企業(yè)的經(jīng)營狀況及經(jīng)營策略，經(jīng)分析得出對相關(guān)企業(yè)的關(guān)鍵性和戰(zhàn)略性的指營策略，經(jīng)分析得出對相關(guān)企業(yè)的關(guān)鍵性和戰(zhàn)略性的指導(dǎo)建議。導(dǎo)建議。報(bào)告的第三部分，首先對醫(yī)用回旋加速器行業(yè)在營報(bào)告的第三部分，首先對醫(yī)用回旋加速器行業(yè)在營銷、服務(wù)、市場渠道等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析；其次是銷、服務(wù)、市場渠道等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析；其次是醫(yī)用回旋加速器行業(yè)在環(huán)境、政策、產(chǎn)業(yè)鏈、市場等方醫(yī)用回旋加速器行業(yè)在環(huán)境、政策、產(chǎn)業(yè)鏈、市場等方面的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分析；最后，報(bào)告給出了醫(yī)用回旋加速器面的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分析；最后，報(bào)告給出了醫(yī)用回旋加速器行業(yè)在發(fā)展、技術(shù)、企業(yè)競爭力以及應(yīng)對金融危機(jī)的最行

18、業(yè)在發(fā)展、技術(shù)、企業(yè)競爭力以及應(yīng)對金融危機(jī)的最佳策略和醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的投資機(jī)會(huì)和發(fā)展機(jī)會(huì)。佳策略和醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的投資機(jī)會(huì)和發(fā)展機(jī)會(huì)。對行業(yè)概況的客觀描述、采用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確權(quán)威以及系統(tǒng)對行業(yè)概況的客觀描述、采用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確權(quán)威以及系統(tǒng)全面的分析是本報(bào)告的特色，相信會(huì)對醫(yī)用回旋加速器全面的分析是本報(bào)告的特色，相信會(huì)對醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的相關(guān)企業(yè)以及即將進(jìn)入醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的相行業(yè)的相關(guān)企業(yè)以及即將進(jìn)入醫(yī)用回旋加速器行業(yè)的相關(guān)人士起到重要的指導(dǎo)性作用。關(guān)人士起到重要的指導(dǎo)性作用。2 :在科學(xué)方面的應(yīng)用 回旋加速器在核物理研究中發(fā)揮過重要的作用回旋加速器在核物理研究中發(fā)揮過重要的作用,現(xiàn)在和將來仍然是核物理研究領(lǐng)域的主要工具之一