回旋加速器

（1）磁场的作用

带电粒子以某一速度垂直进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速率和半径无关，使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间（半个周期）后，平行于电场方向进入电场中加速。

（2）电场的作用

回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性的变化的并垂直于两D形盒直径的匀强电场，加速就是在这个区域完成的。

（3）交变电压

为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使其能量不断提高，要在狭缝处加一个与粒子运动的周期一致的交变电压。

早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。为此，象R. Wideröe等一些加速器的先驱者在20年代，就探索利用同一电压多次加速带电粒子，并成功地演示了用同一高频电压使钠和钾离子加速二次的直线装置，并指出重复利用这种方式，原则上可加速离子达到任意高的能量。但由于受到高频技术的限制，这样的装置太大，也太昂贵，也不适用于加速轻离子如质子、氘核等进行原子核研究，结果未能得到发展应用。

1930年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电 粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。1931年，他和他的学生利文斯顿（M. S. Livingston）一起，研制了世界上第一台回旋加速器，这台加速器的磁极直径只有10cm，加速电压为2kV，可加速氘离子达到80keV的能量，向人们证实了他们所提出的回旋加速器原理。随后，经M. Stanley Livingston资助，建造了一台25cm直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能量可达到1MeV。回旋加速器的光辉成就不仅在于它创造了当时人工加速带电粒子的能量记录，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人们研发各种高能粒子加速器的基础。

30年代以来，回旋加速器的发展经历了两个重要的阶段。前20年，人们按照劳伦斯的原理建造了一批所谓经典回旋加速器，其中最大的可生产44MeV的α粒子或22MeV的质子。但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每核子20多MeV的能量范围。后来，人们基于1938年托马斯（L. H. Thomas）提出的建议，发展了新型的回旋加速器。因此，在1945年研制的同步回旋加速器通过改变加速电压的频率，解决了相对论的影响。利用该加速器可使被加速粒子的能量达到700MeV。使用可变的频率，回旋加速器不需要长时间使用高电压，几个周期后也同样可获得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速电压是10kV，并且，可通过改变加速室的大小（如半径、磁场），限制粒子的最大能量。

60年代后，在世界范围掀起了研发等时性回旋加速器的高潮。等时性回旋加速器（Iso chronous cyclotron）是由3个扇极组合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可变，以第一和第三偕波模式对正离子进行加速。在第一偕波中，质子被加速到6 MeV~ 30 MeV, 氘核在12,5 MeV~25 MeV, α粒子在25 MeV~50 MeV, He3 +2离子在18 MeV ~62 MeV 。磁场的变化通过9对圆形的调节线圈来完成，磁场的梯度与半径的比率为(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁场方位角通过六对偕波线圈进行校正。RF系统由180°的两个Dee组成，其操作电压达到80kV，RF振荡器是一种典型的6级振荡器，其频率范围在8,5 - 19 MHz 。通常典型的离子源呈放射状，并且可以通过控制系统进行遥控，在中心区域有一个可以活动的狭缝进行相位调节和中心定位。使用非均匀电场的静电偏转仪（electrostatic deflector）和磁场屏蔽通道进行束流提取，在偏转仪上的最大电势可达到70 kV 。

对30 MeV强度为15 mA质子在径向和轴向的发射度（Emittance）为16p mm.mrad 。能量扩散为0.6%，亮度高，在靶内的束流可达到几百mA。用不同的探针进行束流强度的测量，这些探针有普通TV的可视性探针；薄层扫描探针和非截断式（non-interceptive）束流诊断装置。系统对束流的敏感性为1mA ，飞行时间精确到0,2 ns 。束流可以传送到六个靶位，可完成100%的传送。该回旋加速器最早在1972年由INP建造，它可使质子加速达到1 MeV，束流强度为几百mA，主要用于回旋加速器系统（离子源、磁场等）的研究。

70年代以来，为了适应重离子物理研究的需要，成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全离子、可变能量的等时性回旋加速器，使每台加速器的使用效益大大提高。此外，近年来还发展了超导磁体的等时性回旋加速器。超导技术的应用对减小加速器的尺寸、扩展能量范围和降低运行费用等方面为加速器的发展开辟新的领域。目前的同步加速器可以产生笔尖型（pencil-thin ）的细小束流，其离子的能量可以达到天然辐射能的100，000倍。通过设计边缘磁场来改变每级加速管的离子轨道半径。最大的质子同步加速器是Main Ring（500GeV）和Tevatron（1TeV）在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago ；较高级质子同步加速器的是在Geneva的 European Laboratory for Particle Physics (CERN)安装应用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。

劳伦斯(E.O.Lawrence,1901-1958)因此获得1939年诺贝尔物理学奖。

早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量 受到高压技术的限制。

为此，像R. Wideröe等一些加速器的先驱者在20年代，就探索利用同一电压多次加速带电粒子。

成功地演示了用同一高频电压使钠和钾离子加速二次的直线装置。

并指出重复利用这种方式原则上可加速离子达到任意高的能量（实际上由于受到狭义相对论影响，实际只能加速到25-30MeV）。

但由于受到高频技术的限制，这样的装置太大，也太昂贵。

不适用于加速轻离子如质子、氘核等进行原子核研究，结果未能得到发展应用。

当带电粒子(通常是电子)垂直注入均匀的恒磁场绕磁力线作圆周运动时,即使粒子的速率恒定,它也具有向心加速度，从而产生电磁辐射。由非相对论性(vc)低能电子发射的，叫回旋加速器辐射，由相对论性(v≈c)高能电子发射的，叫同步加速器辐射。它们首先是在回旋加速器和同步加速器中被观察到的，因而得名。有的文献中将两者统称回旋加速器辐射，苏联文献中常称为磁轫致辐射。

此两种辐射的偏振状态相似，都在垂直于磁场的方向上线偏振，在沿磁场的方向上圆偏振，在斜方向上一般是椭圆偏振(见光的偏振)。

两种辐射的频谱和角分布的特点有很大不同。回旋加速器辐射的谱是由拉莫尔角频率Ω0,及其谐频组成的分立谱(e和m0分别是电子的电荷和静止质量,B为磁感应强度，с为光速)。能量主要集中在基频,谐频成分极弱;辐射的方向性不强。相对论性电子的能量为γm0с2, 其中v是电子速度。 由于相对论效应,随着电子能量的增大，电子的质量m=m0γ增大，拉莫尔角频率的数值减小，并因电子速度上的差异而有所分散，从而使回旋加速器辐射的谱线间隔减小，线宽加大。在极端相对论性条件下，辐射谱变为连续的，这便是同步加速器辐射。与回旋加速器辐射相比，同步加速器辐射具有以下一些不同的特征:

① 存在一个临界角频率(R为粒子轨道半径),在其附近能谱有极大值。ωωc时,辐射功率谱正比于ω时;ωωc时，正比于

(ω/ωc)┩exp(-ω/ωc)。

随着γ 的增大，能谱的极大值向更高级的谐频转移。

② 对于给定的磁场，总辐射功率正比于γ2;对于给定轨道半径，它正比于γ4，即总辐射功率随粒子能量的增大而急剧增强。

③ 辐射的方向性极强，它像探照灯似地分布在以粒子运动方向为轴的极窄角锥内,锥的半角宽度θ~1/γ(见图)。 电子回旋运动产生电磁辐射的最早理论研究要追溯到20世纪初，G.A.肖脱于1912年计算了经典原子模型的辐射。40年代,Д.Д.伊万年科和И.Я.坡密朗丘克以及J.S.施温格曾考虑了这类辐射对设计圆形粒子加速器的重要性。尔后朱洪元(1948)和施温格(1949)发展了有关回旋加速器辐射的理论，这些理论公式已列入标准的教科书。理论计算表明，同步加速器中带电粒子能量U因辐射而产生的损耗率为q为电荷。此式表明,随U的增加极快。此外,对于质量小的电子,这种辐射消耗特别严重(∞m0-4)。这种辐射是高能圆形轨道加速器中最主要的能量损失机制。为了减少它，通常要采用很大的半径R。

同步加速器辐射为人们提供了一种高度准直并可连续调谐的强光光源。特别是在真空紫外和X射线波段,尚无可用的激光器与之匹敌。50年代同步加速器辐射已被广泛研究,60年代前期，美国国家标准局(NBS)的K.科德林、R.P.马登和他们的合作者开始把180MeV的同步加速器当作辐射源用于原子光谱的研究。近年来美国、苏联、日本和西欧许多国家都开展了这方面的工作，用同步加速器或储存环发出的同步加速器辐射来进行光化学、生物学、固体及其表面、材料学、光子散射、非线性光学、X射线全息、X射线显微学、X 射线光刻等多方面的探索和研究。这方面的研究以前多借助于粒子物理学的装置，近年来一批专用的设备正在设计或制造中。

同步加速器辐射是天体物理学中一种重要辐射机制。目前普遍认为，很多具有幂律谱和偏振的非热宇宙射电辐射来源于高能粒子的同步加速器辐射。这类射电源中最著名的例子是为中国《宋史》记载的蟹状星云中心1054年爆发的超新星遗迹。

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