回旋加速器是“粒子加速器”的*种,其设计、制造的理论基础是拉摩尔定律和劳伦斯回旋加速理论。现代回旋加速器则结合了托马斯提出的磁场强度随方位角变*的AVF 原理,**规律变*的磁场系统,医用回旋加速器工作原理修正粒子加速过程中的相位移动、相对速度减慢和粒子回旋频率变*等,提*粒子加速*率和聚焦度。现代医用回旋加速器多**分离扇形磁铁调变磁场技术,属等时性回旋加速器范畴。医用回旋加速器的工作原理是:带电粒子在磁场和交变电场作用下,反复在磁场做弯曲*动(回旋) 并被交变电场反复加速,直*达到预期所需粒子能量,通过粒子束流引出系统,轰击靶系统中的靶材料,获得所需正电子放射性核素。
经典劳伦斯(E.O.Lawrence) 回旋加速器
回旋加速器的核心结构是磁场系统和射频(RF)系统,性能要求很*。为防止带电粒子*动中与其他原子碰撞损失能量,需置于真空(系统),因此对真空条件的要求也很*。经典的E.O.Lawrence 回旋加速器原理示意图,两块磁铁上、下隔开放置,在两磁*间形成*个均匀磁场(B),两个半圆形的金属扁盒(D形盒) 隔开相对放置其中,医用回旋加速器工作原理D形盒与*频振荡电源相联,在两个D形盒的间隙处产生为粒子加速的交变。
交变电场的中心位置是粒子源(Ion Source),整个系统置于真空室内。粒子源产生的带电粒子在D形盒间隙电场作用下被加速,飞入D形盒,进入D形盒中的带电粒子不受电场作用,但受磁*间磁场的洛伦兹力作用,其*动遵循拉摩尔定律。拉摩尔定律是带电粒子被反复回旋加速的理论基础之*,即恒定磁场中带电粒子的*动角频率是*个常数,与粒子本身*动速度无关。
托马斯(L.H.Thomas)等时性回旋加速器
根据相对论理论,随着粒子被加速而不断向光速接近,不仅其动能**,其相对论质量也会随之**。在匀强磁场中,随着粒子不断被加速,其相对论质量**,在*频频率保持恒定时,则会导致其*动速度相对减慢、偏向圆心发生加速相位移动、粒子回旋频率发生改变(即回旋周期或时间不等)。受此限制,经典回旋加速器的粒子能量难以超过每核子20多MeV的能量范围,且束流聚焦度降低。为克服上述不足,1938年托马斯(L.H.Thomas) 提出了磁场强度随方位角变*的AVF原理,并初步提出了扇形聚焦回旋加速器的概念,他建议**规律排列的扇形磁铁使磁场沿方位角调变(调变磁场,即磁场强度沿方位角按*定规律周期性变*),使粒子沿平衡轨道受到*个沿方位角周期性变*的磁场作用力,保证粒子轴向*动的稳定性,医用回旋加速器工作原理同时平均磁场沿半径扩大逐渐增强以保持严格谐振加速,满足回旋周期保持不变的等时性磁场要求。这种调变磁场回旋加速器称为托马斯型回旋加速器。因为加速粒子的回旋频率(周期) 保持不变,所以又称为等时性回旋加速器。现代回旋加速器根据磁场分布形式,通过径向扇形磁铁结构、螺旋扇形磁铁结构、分离扇形磁铁结构等方式形成调变磁场。等时性回旋加速器的出现,可以人工生产出多种放射性的同位素,加速了医学**研究的发展 。
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