回旋加速器的工作原理

1、在回旋加速器中心部位的離子源(Ion Source)經高壓電弧放電而使氣體電離發射出粒子束流，該粒子束流在稱為Dees的半圓形電極盒(簡稱D型盒)中運動。

2、D型盒與高頻振蕩電源相聯為加速粒子提供交變的電場。

3、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動飛行被加速的粒子在近似于螺旋的軌道中運動飛行。

4、 在回旋加速器中心區域，粒子被拉出后經電場的加速而獲得較低的初速度v1，同時，磁場也對這些粒子產生作用，兩種場作用的結果是粒子在Dee間隙(gap)內按螺旋軌道飛行。

5、經過非常短的時間后，粒子經gap進入另一個Dee電極盒，此后，粒子在該Dee電極盒一邊飛行到等電勢的另一邊。

6、每越過一個gap后，其軌道半徑將比前一次的軌道半徑大。

7、粒子運動的瞬時軌道半徑將隨時間t的增加而增大，粒子運動速度的平方與粒子旋轉的圈數成比例。

8、被加速粒子運動的螺旋軌道半徑r與運行時間t的平方根成正比。

9、帶電粒子經多次加速后，圓周軌道半徑達到最大并獲得最大的能量，在該點處粒子將被束流提取裝置提取引出。

10、 若粒子的質量為m，所帶電荷為q，所具有的運動速度為v，運動方向垂直于磁感應強度為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的軌道作圓周運動[1，2]。

11、 依力的平衡條件，離子的運動速度為: v= Bqr/m (1) 粒子的動能為 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，用相同射頻(RF)和磁場強度，可以加速到相同的速度，而氘核的動能是氦核動能的一半。

12、在回旋加速器中，為了加速質子達到與氘核相同的速度，往往在設計中使磁場強度B減低一半。

13、 加速所需的高頻頻率F和磁場強度B取決于粒子的質量和帶電電荷q。

14、通常根據所需的核反應能量及粒子的質量來設計加速電場頻率和磁場強度。

15、但隨著粒子旋轉速度的提高和能量的增加，相對論作用使得粒子質量將不再是一個常數，即m≠m0，當粒子的速度增加時，它的相對質量(Relativistic mass)也增加。

16、因此，在勻強磁場中其旋轉周期也不是一個常數，并且粒子會逐漸進入減速狀態。

17、因此，為了使粒子獲得較高的能量，或增加磁場強度或改變F，這在一個普通的回旋加速器中是不可能達到的，而且質子在這樣的回旋加速器中是不可能被加速到20MeV以上。

18、所以傳統的回旋加速器只能加速粒子到一定的能量。

19、為此出現了等時性回旋加速器或調頻加速器。

20、 在回旋加速器中，帶電粒子經多次加速后，圓周軌道直徑達到最大而接近Dees的邊緣并具有最大的能量，在該點粒子被束流提取裝置提取出。

21、一個粒子從回旋加速器中心飛行到提取裝置的總時間約為5ms。

22、在PETtrace回旋加速器中，質子達到16.5MeV的能量約飛行200圈，氘核達到8.5MeV的能量約飛行80圈。