核技术利用讲座《加速器，认识世界改造世界的工具》课件

1、加速器,认识世界改造世界的工具,参考书目 1陈佳洱，加速器物理基础，原子能出版社(1993) 2徐建铭，加速器原理，科学出版社(1981) 3桂伟燮，荷电粒子加速器原理，清华大学出版社(1994） 4谢家麟，加速器与科技创新，清华大学出版社，暨南大学出版社(2000) 5 冼鼎昌，神奇的光一同步辐射，湖南教育出版社(1994） 6方守贤，梁岫如，神通广大的射线装置-带电粒子加速器，清华大学出版社 (2001) 7顾本广，医用加速器 8 W.Scharf, Particle Accelerators and Their Uses，Harwood Academic Publishers(1986） 9 P.Metcalfe, the Physics of Radiotherapy X-Rays from Linear Accelerators, Medical Physics Publishing (1977） 10 M.S.Livingston, High-Energy Accelerator, Interscience Publishers, Inc. New York (1954)

2、11 C.J.Karzmark, C.S.Nunan, E.Tanabe, Medical Electron Accelerators, McGRAW-HILL, INC.(1993）,第一章 绪论,第一节 加速器的基本构成,第二节 加速器的发展历史,第三节 加速器的分类,第四节 加速器的应用,第五节 粒子运动参量的相对论表述,第一节加速器的基本构成,粒子加速器 particle accelerator,用人工方法借助于各种不同形态的电场，将各种不同种类的带电粒子加速到更高能量的电磁装置,产生各种高能量的带电粒子束，是人们变革原子核和“基本”粒子、认识物质深层结构的重要工具；在工农业生产、医疗卫生、科学技术、国防建设等各个方面都有重要而广泛的应用。,研制各种加速器的目的,入射粒子与靶物质作用后产生的粒子或射线 探测和分析这些出射粒子可获得核过程信息。,1 离子源,2 加速 聚焦,3 偏转,4 靶物质,加速器 人工方法产生高能量带电粒子束的机器,加速器基本结构和工作原理,基本要求和功能 1 提高带电粒子的能量 2 增加带电粒子束的强度 3 使粒子束同靶物质作用 4 带电粒子在真空管道中行

3、进,产物,加速器的基本构成,1 粒子源 如电子枪、离子源、极化粒子源等，用以提供所需加速的各种粒子。,2 真空加速系统 a) 加速管或加速腔；b) 控制束流运动轨道的导引、聚焦系统电磁场系统；c) 真空系统。带电粒子的加速过程必须在真空条件下进行，以免与气体分子碰撞而损失。,3 束流输运 分析系统 多数加速器还设有由若干弯转磁铁和电磁四极透镜等组成的，用以在源和加速器之间、加速器和靶之间，或当多个加速器串接工作时，在加速器之间输运和分析所需的粒子束。,4 辅助系统 电源系统、控制系统、冷却系统等。,1919年E.卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源实现了第一个人工核反应 用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2109厘米/秒的高速 粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了第一个人工核反应 。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求用人造快速粒子源来变革原子核的设想。,第二节加速器的发展历史,1928年G.伽莫夫关于量子隧道效应的计算后。静电加速器（1928年） 、回旋加速器（1929年）

4、 、 倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。,1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第一台700keV直流加速器命名为柯克罗夫特-沃尔顿高压被加器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到 粒子和氦的核反应实验。实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反应,Li (p,) He。“点石成金” ，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。,隧道效应,高压直线加速器,离子源,电 场,靶物质,抽真空,探测器 做实验,能量 E = q V,+,世界上第一台高压倍压加速器 1932年,高压倍加器,高压倍加器,高压倍加器组成：升压变压器、高压电容、高反压整流器,高能物理研究所750keV预注入器,串激倍压电路,高压倍加器： 1 串激倍压加速器 2并激倍压加速器 （高频高压加速器） 3绝缘磁芯加速器 4电子帘加速器 5强脉冲加速器 （Marx加速器）,高频高压加速器,1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器命名为

5、凡德格拉夫静电加速器。它的能量均匀度高,被誉为核结构研究的精密工具。 高压加速器和静电加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。,静电加速器,上海生产的32兆伏电子静电加速器,越王勾践剑进行质子 X射线荧光分析（非真空分析）时的实验装置照片 宝剑右方为外束引出管道，左方为探测仪器,北大4.5 MV 单级静电加速器,北大4.5 MV 单级静电加速器,静电加速器,静电加速器,串列静电加速器 tandem electrostatic accelerator,多级静电加速器。其中最基本的为两级串列加速器。两级以上如三级和四级串列加速器，不过是由两台两级串列加速器（或由一台两级串列加速器和一台单级静电加速器）组合而成的加速系统。,水平式、直立式、倒置的字母U式。串列加速器常作为注入器，同其他类型的加速器，如扇形聚焦回旋加速或分离扇回旋加速器串连起来联合运行。,北大21.7 MV 串列静电加速器,北大26 M V 串列静电加速器,奈辛(G.Ising)于1924年，维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当

6、时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。,但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，他们通过人工加速的p、d和等粒子轰击靶核得到高强度的中子束，首次制成了24Na、32P、131I等医用同位素。为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。,回旋加速器,回旋加速器,中国第一台回旋加速器,1939年后，利用劳伦斯等人研制的60英寸回旋加速器发现了一系列的超铀元素(A92)。为此美国加州大学辐射实验室的麦克米伦(E.MMcMillan)和西博格(G.T.Seaborg)于1951年获诺贝尔化学奖。,第一批粒子加速器的运行显示了人工方法产生快速粒子束的巨大优越性：不仅其强度远高于放射性元素、宇宙射线等天然快速粒子源，而且粒子的品种、能量以及粒子束的方向等都可任意选择、精确调节。但这些加速器的粒子能量低, 回旋加速器是唯一能将氘和粒子加速到2050MeV的加速器.,突破回旋加速器极限能量限制的方法,调节高频电场频率：调频回旋加速器，严格满足同步条件的粒子才能得以持续加速？ （稳相加

7、速器）,磁场强度沿半径与离子能量同步增长：等时性回旋加速器，n0 轴向不稳定！（托马斯加速器）,此时人类对物质微观结构“探源”的追求，发展到要研究原子核结构的阶段。原子核中的中子和质子 靠什么力(短程力)联系在一起的？1935年汤川秀树(Yukawa)提出粒子之间是通过交换一种叫介子的媒介子来实现的。并估计其质量介于质子质量和电子质量之间，约(故称介子)。 证实这个问题，就要寻找介子，即要求粒子加速器能量达到200300MeV以上。,1945年，前苏联科学家维克斯列尔(V.I.Veksler)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建议建造基于此原理的加速器稳相加速器。,自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随被加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等

8、。,Uppsala, Sweden, a cyclotron accelerates protons to 185 MeV,最高能量的稳相加速器是前苏联于1967年在列宁格勒(现彼得堡)建成的，其能量为1000MeV，直径的6米，而且整个的加速器重10,000 吨，与埃菲尔塔的重量相当。稳相加速器能量都在中能范围中，主要用于产生中子、介子及光子 ，,300MeV500MeV的电子同步加速器和稳相加速器(或称调频回旋加速器)的出现极大地推动着 介子实验研究(其时，把在核 相互作用中产生和吸收的介子，称为 介子)，用这些加速器研究 介子 性质(质量，平均寿命)，测量其次级反应的截面。当时人们认为质子，中子，介子( )和轻子 是构成物质世界的基本粒子。,托马斯(L.H.Thomas)于1938年想出了一个解决的办法，他提出可以让回旋加速器的磁场强度沿半径是增加的，增加的数值和粒子质量增加的数值( )相适应 。轴向运动是不稳定的。为提供一个轴向运动的聚焦力，托马斯提出一种设想，让磁场沿方位角调变。,托马斯建议的等时性磁场,离子径迹的曲率半径周期性地变化着，形成一种围绕参考圆振动的具有多重顶点的

9、旋转对称轨道。轨道离轴心的最远距离位于磁场峰区的中线上，而最近距离在谷区中线上。由谷区进入峰区离子有向外的经向速度，与辐向磁场产生轴向聚焦力。反之也是聚焦。,我国研制的等时性回旋加速器,等时性回旋加速器正面图,世界上最大的等时性回旋加速器。温哥华, 提供600MeV负氢离子，照片显示离子在缝隙内部的加速。TRIUMF,分离扇型回旋加速器 将方位角磁场的深度调制推到极限，就是沿方位角有些地方有很高的磁场，而在有些地方没有磁场，从而发展成分离扇型回旋加速器，图给出了它的工作原理图。其束流由另外一台小型等时性回旋加速器注入。在无磁场的区域可插入射频加速腔。,分离扇型回旋加速器可大大提高加速粒子的能量。中科院兰州近代物理研究所于1988年建成我国最大的，在国际上有相当影响的分离扇型回旋加速器。它能加速重离子，加速轻离子时，每个粒子的能量可达100MeV。其主加速器系统是由四个张角为52的直边扇形磁铁组成，其重2000吨。近期它被改建为重离子冷却储存环的注入器。,能量高的分离扇加速器，大多是重离子核物理研究的需要而建造的，能加速周期表上各种元素的离子（包括铀离子）至高能量。还有二台分离扇加速器（加拿大的TRIUMF和瑞士的SIN）可加速质子至500MeV，它们用来产生强的介子束，故称“介子工厂”。这些分离扇加速器都带有一至二个串级静电、直线或回旋加速器构成的注入器，二者联合运转，形成多级加速。,超导等时性回旋加速器： 80年代中期建造的7台大型等时性加速器中，有5台是超导的，其中最大的能量常数K=1200（美国橡树岭国家实验室，ORIC，可变能量多粒子加速器，1962年建成 ）,用于生物医药和材料科学的应用性的小尺寸加速器(Compact Cyclotron),它们结构紧凑，占地面积小，价格便宜，每台5060万美元，且运行维护方便。美国的回旋加速器公司（Cyclotron Corp），法国的CSFThompson和比利时的应用离子束公司（Ion Beam Application Corp）等都有这类加速器产品。,用于生产11C，13N，15O，18F，67Ga,111In,123I和201T

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