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加速器的种类
( 发表时间:2006/6/19 13:46:15)

  加速器的种类繁多,不同类型的加速器有着不同的结构和性能特点,也有着不同的适用范围。除了依加速粒子的能量来划分加速器外,常常还依加速粒子的种类或加速电场和粒子轨道的形态来区分加速器
 
 
 
电子加速器
加速粒子种类
轻离子加速器
重离子加速器
微粒子团加速器
 
 
 
  电子是最常见的一种带电粒子,它易于以大量自由电子的形式获得,也易于加速,它的静止能量为,0.511MeV,是常见加速粒子中最低的(表1)。电子在加速时容易达到相对论速度,在相同的加速能量下,电子加速器的尺寸、规模和造价在同类加速器中往往是最低的。
  轻离子型加速器加速质子、氘和α粒子以及H-、D-等负离子。氢离子的静止能量为938MeV,是轻离子中最小的,而它的荷质比(电荷数与质量数之比)为1,比氘和α高,是各种粒子中最高的。
  原子序数Z>2的各原子的(正或负)离子称为重离子。一般重离子的荷质比小,飞行速度低,难于达到相对论的速度。现有的加速器可加速元素周期表上的各种重元素的离子,包括铀离子,但重离子的加速效率低,加速设备的规模一般都比较大,造价昂贵。
 
 
表1. 常见加速粒子的主要特性粒子
 静止质量(kg)
 静止能量(MeV)
 电荷(×10-19C)
 
e
 9.109×10-31
 0.511
 -1.602
 
p
 9.109×10-27
 938
 +1.602
 
d
 9.109×10-27
 1877
 +1.602
 
α
 9.109×10-27
 3733
 +3.204
 
 
 直流高压加速器
电磁感应加速器
直线共振加速器
回旋共振加速器 
 
 
 加速电场和粒子的轨道形态是反映加速原理,决定加速器结构的关键因素。这四类加速器分别适用于加速不同能量范围、不同粒子,它们在性能上各有特色,相互竞争,相互补充,不断发展完善,而许多大的粒子加速器设备则往往由多种不同类型的加速器互相串接组合而成。
  直流高压型加速器是利用直流高压电场加速带电粒子,包括单级和串列静电加速器;后者按电源电路的结构又可分为串激倍压加速器、并激高频倍压加速器、Marx脉冲倍压加速器等。这类加速器的主要特点是可以加速任意一种带电粒子且能量易于平滑调节;然而这类加速器的加速电压直接接受介质击穿的限制,一般不超过30~50MeV的加速能量,因此,加速器的能量不高。
  电磁感应型加速器用交变电磁场所产生的涡流电场加速带电粒子,包括电子感应加速器和直线感应加速器。前者的能量范围在15~50MeV,具有流强低(一般不超过0.5μA)、不宜加速离子的缺点。后者在脉冲状态下工作,既可加速电子也可加速离子,脉冲流强可达数十千安培。
  直线共振型加速器利用射频波导或谐振腔中的高频电场加速沿直线形轨道运动的电子和各种粒子,这类加速器的主要优点是粒子束的流强高,并且它的能量可以逐节增高,不受限制。加速器的工作频率随加速粒子的静止质量的增加而降低,加速电子的典型频率为3GHz,质子为200MHz,而重粒子则在70MHz以下。为了使加速器的长度比较合理,通常要求加速电场的振幅达1~10MMeV/m以上,结果导致加速器的高频功耗高达兆瓦级。近几年研发的超导直线加速器可使运行成本降低2/3~4/5,其加速电子的最高能量达50GeV,质子达800MeV。
 
 
可调导引磁场
 
 
经典回旋加速器
扇形聚焦回旋加速器
同步回旋加速器
电子回旋加速器
 
 
 
  回旋共振型加速器应用高频电场加速沿园弧轨道作回旋运动的电子、质子或其它粒子。1930年劳伦斯提出回旋加速器的理论后,经多次反复的研究后于1931年和他的研究生利文斯顿(M. S. Livingston)成功的研制出了世界上第一台回旋加速器,这台加速器的磁极直径为10cm,加速电压为2kV,可使氘离子加速到80keV。几年后,劳伦斯的回旋加速器所达到的能量已超过天然放射性和当时其它加速器的能量。此后,人们按劳伦斯理论建造的经典回旋加速器可产生44MeV的α粒子或22MeV的质子。然而,由于相对论效应所引起的矛盾和限制,经典回旋加速器的能量难以超过20MeV。后来,研究人员根据1938年托马斯(L. H. Thomas)提出的建议,到60年代后建造了新型的等时性扇形聚焦回旋加速器(Sector Focusing Isochronous Cyclotron),70年代后,建造了大批能加速相对论性粒子的回旋加速器,尤其是在质子同步加速器基础上发展起来的贮存环和对撞机,在质心系统的有效作用能可达到2~40TeV。电子同步回旋加速器由于同步辐射的限制,其能量不高于8GeV。
  回旋加速器已成为现代分子核医学研究和应用的重要工具[6]。目前全世界约有二百多台医用回旋加速器分布在PET中心,根据加速粒子种类将现代医用回旋加速器分为正离子回旋加速器、负离子回旋加速器、单粒子加速器(Single-particle accelerator)和多粒子加速器(Multi-particle accelerator);根据提供束流加速平面与地平面是平行还是垂直而分为水平加速平面回旋加速器(卧式加速器)(horizontal-cyclotron)和垂直加速平面回旋加速器(立式加速器)(vertical-cyclotron)。
 
 
 
①正离子回旋加速器在回旋加速器中生产正电子核素的许多核反应是由正离子介入来完成的,因此可用正离子回旋加速器直接加速正离子来轰击(Bombardment)靶核生产正电子核素。但加速正离子后得到的高能粒子束需要由金属电极偏转板形成的偏转电场来完成束流的引出,在引出过程中,高能粒子束与金属电极板以及屏蔽材料之间发生碰撞会引起附加的辐射。
 
②负离子回旋加速器负离子回旋加速器则利用碳剥离膜(stripping foil)(简称碳膜)来完成高能粒子束的引出。碳膜被驱动装置定位在回旋加速器内粒子旋转轨道半径上,当粒子束流的能量达到所需的最大能量时,所有出现在提取碳膜区域的负离子束必须穿过碳膜,在穿过碳膜期间,两个约束松弛的外层电子被剥离,负离子失去电子,转变为正离子。由于轴向磁场恒定不变,改变了电极性的粒子束受到与原来相反方向的磁场力的作用而改变了在磁场中运动方向,从而被引出而进入靶室。提取膜的位置直接确定束流的能量,并能够调整引出的束流引导进入任意的同位素生产靶。
 
单粒子加速器和多粒子加速器单粒子加速器器仅加速单一的离子,如JSW006回旋加速器为6MeV的氘核(d)加速器,以d为加速粒子,进行经d介入核反应来完成正电子核素的生产,如利用14N(d, n)15O核反应生产15O-H2O;而MINItrace回旋加速器则是利用单一的质子(p),分别以16O(p, α)13N和18O(p, n)18F来生产13N和18F正电子核素。多粒子束加速器可以对两种以上的带电粒子进行加中心速,以多种核反应谱来完成正电子核素的生产,如PETtrace回旋加速器可加速质子和氘核,利用不同的靶材料按特定的核反应谱来生产11C,13N,15O和18F正电子核素;SCANDITRONIX公司生产的MC32回旋加速器则是多能量、多粒子的回旋加速器,除生产用于PET研究的正电子核素外,还用于生产其他同位素。该加速器除可加速氢核和氘核的正负离子外,还可加速氦核-3和α粒子。
 
卧式加速器和立式加速器立式加速器有较好的场地和维修服务优势,其场地优势包括着地点(footprint)小和所需要的空间高度低;虽然立式加速器的机体比卧式加速器高,但它的磁轭门(Yoke)可以像冰箱门一样向一边打开,而卧式加速器需要较高的空间限度,并且在维修服务期间需要昂贵的液压起重系统向上打开另一半磁轭(Yoke)。立式加速器的维修服务优势是容易进入真空室内部,能清楚地观察中心区域的装置,并顺畅地进行维修和更换元件。再者,立式加速器可以使靶局限化,这样靶产生的放射性局限在一个区域,而卧式加速器的靶常常在回旋加速器的周围,因此,回旋加速器的四周都分布有放射性。GE公司的PETtrace回旋加速器属于立式加速器,其外型尺寸为6×4×4英尺(高×宽×厚);IBA公司的Cyclone系列回旋加速器为卧式加速器。

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