回旋加速器的工作原理

1、在回旋加速器中心部位的离子源(Ion Source)经高压电弧放电而使气体电离发射出粒子束流，该粒子束流在称为Dees的半圆形电极盒(简称D型盒)中运动。

2、D型盒与高频振荡电源相联为加速粒子提供交变的电场。

3、在磁场和电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。

4、 在回旋加速器中心区域，粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度v1，同时，磁场也对这些粒子产生作用，两种场作用的结果是粒子在Dee间隙(gap)内按螺旋轨道飞行。

5、经过非常短的时间后，粒子经gap进入另一个Dee电极盒，此后，粒子在该Dee电极盒一边飞行到等电势的另一边。

6、每越过一个gap后，其轨道半径将比前一次的轨道半径大。

7、粒子运动的瞬时轨道半径将随时间t的增加而增大，粒子运动速度的平方与粒子旋转的圈数成比例。

8、被加速粒子运动的螺旋轨道半径r与运行时间t的平方根成正比。

9、带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量，在该点处粒子将被束流提取装置提取引出。

10、 若粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁感应强度为B的磁力线，粒子受到垂直于v和B的劳仑兹(Lorentz)力的作用，使粒子沿着曲率半径为r的轨道作圆周运动[1，2]。

11、 依力的平衡条件，离子的运动速度为: v= Bqr/m (1) 粒子的动能为 E=m*v*v/2=B*B*q*q*r*r/2m (2) 相同q/m的不同粒子，如氘核和氦核，用相同射频(RF)和磁场强度，可以加速到相同的速度，而氘核的动能是氦核动能的一半。

12、在回旋加速器中，为了加速质子达到与氘核相同的速度，往往在设计中使磁场强度B减低一半。

13、 加速所需的高频频率F和磁场强度B取决于粒子的质量和带电电荷q。

14、通常根据所需的核反应能量及粒子的质量来设计加速电场频率和磁场强度。

15、但随着粒子旋转速度的提高和能量的增加，相对论作用使得粒子质量将不再是一个常数，即m≠m0，当粒子的速度增加时，它的相对质量(Relativistic mass)也增加。

16、因此，在匀强磁场中其旋转周期也不是一个常数，并且粒子会逐渐进入减速状态。

17、因此，为了使粒子获得较高的能量，或增加磁场强度或改变F，这在一个普通的回旋加速器中是不可能达到的，而且质子在这样的回旋加速器中是不可能被加速到20MeV以上。

18、所以传统的回旋加速器只能加速粒子到一定的能量。

19、为此出现了等时性回旋加速器或调频加速器。

20、 在回旋加速器中，带电粒子经多次加速后，圆周轨道直径达到最大而接近Dees的边缘并具有最大的能量，在该点粒子被束流提取装置提取出。

21、一个粒子从回旋加速器中心飞行到提取装置的总时间约为5ms。

22、在PETtrace回旋加速器中，质子达到16.5MeV的能量约飞行200圈，氘核达到8.5MeV的能量约飞行80圈。