[科普中國(guó)]-電子回旋加速器

歷史沿革

電子回旋加速器是一種粒子加速器。回旋加速器通過高頻交流電壓來加速帶電粒子。大小從數(shù)英吋到數(shù)米都有。它是由歐內(nèi)斯特·勞倫斯于1929年在柏克萊加州大學(xué)發(fā)明。

早期的電子回旋加速器只能使帶電粒子在高壓電場(chǎng)中加速一次，因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。為此，象R. Wider?e等一些加速器的先驅(qū)者在20年代，就探索利用同一電壓多次加速帶電粒子，并成功地演示了用同一高頻電壓使鈉和鉀離子加速二次的直線裝置，并指出重復(fù)利用這種方式，原則上可加速離子達(dá)到任意高的能量（實(shí)際上由于受到狹義相對(duì)論影響，實(shí)際只能加速到25-30MeV）。但由于受到高頻技術(shù)的限制，這樣的裝置太大，也太昂貴，也不適用于加速輕離子如質(zhì)子、氘核等進(jìn)行原子核研究，結(jié)果未能得到發(fā)展應(yīng)用。2

結(jié)構(gòu)原理電子回旋加速器的主體結(jié)構(gòu)是安放在兩個(gè)磁極之間的一個(gè)扁圓盒形真空室。圖3—13所示為電子回旋加速器的結(jié)構(gòu)示意圖。這種加速器是利用恒定的磁場(chǎng)和高頻電場(chǎng)，使電子沿具有公切點(diǎn)的逐漸加大的圓運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子被加速到所需要的能量時(shí)，從圓周軌道將電子引出，使其撞擊在靶上產(chǎn)生x射線。電子回旋加速器的能量可在較寬的范圍變化，能量的分散度小，焦點(diǎn)尺寸也小，束流強(qiáng)度比較大，束流的準(zhǔn)直性好。

加速原理在普通回旋加速器里，隨著粒子能量的增加，回旋周期也逐漸增大，從而引起粒子加速相角的改變．加速到一定能量以后，粒子的相角就移到減速區(qū)域，不能繼續(xù)被加速．電子的靜止能量很小，相移現(xiàn)象更為顯著，所以在普通回旋加速器里，不能把電子加速到較高的能量(如數(shù)兆電子伏左右)．但是，如果適當(dāng)?shù)剡x擇加速器的參數(shù)，就有可能利用在大致均勻的磁場(chǎng)里電子回旋周期隨能量改變很大的特點(diǎn)，來建造一種加速電子的回旋加速器，這就是電子回旋加速器。

在這種加速器里，加速電壓頻率固定不變，隨著能量的增加，電子的迥旋周期也逐漸增大．適當(dāng)?shù)剡x擇加速器的參數(shù)，使得每加速一次電子迥旋周期的增加量恰好是加速電壓周期的整數(shù)倍，因而起始條件滿足諧振加速要求的電子，在每一次加速后，相角都增大2π的整數(shù)倍，從諧振加速的觀點(diǎn)來看，等于電子沒有發(fā)生相移，電子可以在固定的相角上繼續(xù)加速，只是倍增系數(shù)逐漸增大．這種加速原理是1944年提出來的。3

電子回旋加速器采用諧振腔作它的加速設(shè)備，加速電壓的頻率很高，波長(zhǎng)在10厘米以下．這樣每加速一次，電子回旋周期的增加量才能等于加速電壓周期的整數(shù)倍。諧振腔安裝在磁場(chǎng)的可用范圍的邊緣，主導(dǎo)磁場(chǎng)是恒定的，大致均勻分布。電子從裝在諧振腔里面的陰極發(fā)射出來(或者利用附加設(shè)備入射到諧振腔里面去)，開始被加速．隨著電子能量的提高，軌道半徑也逐漸增大，這些半徑逐漸增大的軌道都以諧振腔的加速間隙作它們的公切點(diǎn)，

下圖是在回旋加速器里電子軌道分布情況的示意圖。電子每回旋一圈，就加速—次，所以只要粒子回旋周期等于加速電壓周期的整數(shù)倍，就有可能進(jìn)行諧振加速。如果粒子的起始回旋周期等于加速電壓周期的整數(shù)倍，并且每加速一次回旋周期的增加量也等于高頻周期的整數(shù)倍，諧振加速條件就能被滿足。在不同相角下通過加速間隙的粒子的能量增加量是不相同的，回旋周期的增長(zhǎng)量也不相同。所以，并不是所有的電子都能嚴(yán)格地滿足諧振加速條件，不過由于有自動(dòng)穩(wěn)相現(xiàn)象，很多非嚴(yán)格同步的電子，也能被加速到最終能量。

特點(diǎn)①電子回旋加速器能量的穩(wěn)定度和精確度高，能大范圍、連續(xù)、精細(xì)地調(diào)節(jié)能量，且在調(diào)節(jié)流強(qiáng)時(shí)可以保持能量不變。②電子回旋加速器可采用與電子直線加速器相同的微波功率源，卻能將電子能量加速到電子直線加速器的2倍以上。③磁場(chǎng)與電子軌道的調(diào)整比較麻煩。電子回旋加速器有多個(gè)磁鐵，設(shè)備質(zhì)量大，軌道所占空間較大。