回旋加速器是什么 回旋加速器周期

　　导语：回旋加速器是什么？回旋加速器是一种重要的实验设备，它在现代物理学研究中扮演着至关重要的角色，其核心功能在于通过特定设计的电磁场，实现对带电粒子能量的高效加速，进而为科学研究提供高能粒子束，下面就一起去看看回旋加速器周期吧！

　　回旋加速器是什么

　　利用直线加速器加速带电粒子时，粒子是沿着一条近于直线的轨道运动和被逐级加速的，因此当需要很高的能量时，加速器的直线距离会很长。有什么办法来大幅度地减小加速器的尺寸吗?办法说起来也很简单，如果把直线轨道改成圆形轨道或者螺旋形轨道，一圈一圈地反复加速，这样也可以逐级谐振加速到很高的能量，而加速器的尺寸也可以大大地缩减。

　　1930年E.O.劳伦斯在直线加速器谐振加速工作原理的启发下，提出了研制回旋加速器的建议。劳伦斯建议在回旋加速器里采用一个轴向磁场，使带电粒子不再沿着直线运动，而沿着近似于平面螺旋线的轨道运动。1931年建成了之一台回旋加速器，磁极直径约10厘米，用2千伏的加速电压工作，把氘核加速到80keV，证实了回旋加速器的工作原理是可行的。在1932年又建成了磁极直径为27厘米的回旋加速器，可以把质子加速到1MeV。回旋加速器的电磁铁的磁极是圆柱形的，两个磁极之间形成接近均匀分布的主导磁场。

　　磁场是恒定的，不随时间而变化。在磁场作用下，带电粒子沿着圆弧轨道运动，粒子能量不断地提高，轨道的曲率半径也不断地提高，运动轨道近似于一条平面螺旋线。两个磁极之间是真空室。里面装有两个半圆形空盒状的金属电极，通称为“D形电极”。D形电极接在高频电源的输出端上，2个D形电极之间的空隙(加速间隙)有高频电场产生。粒子源安装在真空室中心的加速间隙中。

　　D形电极内部没有高频电场，粒子进入D形电极之内就不再被加速，在恒定的主导磁场作用下做圆周运动。只要粒子回旋半圆的时间等于加速电压半周期的奇整数倍，就能够得到谐振加速。用一个表达式可以表示成：Tc=KTrt式中Tc是粒子的回旋周期，Trt是加速电压的周期，K应该是奇整数。这类利用轴向磁场使带电粒子做回旋运动，周期性地通过高频电场加速粒子的回旋加速器又可以分为两类：之一类是没有自动稳相机制的。等时性回旋加速器就是属于这一类。

　　D形电极间加有频率固定的高频加速电场，粒子能量低时，回旋频率能保持与高频电场谐振，而当能量高时，粒子的回旋频率会随着能量的提高而越来越低于高频电场频率，最终不能再被谐振加速。为了克服这个困难，可以使磁场沿半径方向逐步增加，以保持粒子的回旋频率恒定。然而磁场沿半径方向递增却又导致粒子束流轴向散开。为解决这一矛盾，60年代初研制成功了扇形聚焦回旋加速器，在磁极上巧妙地装上边界弯曲成螺旋状的扇形铁板，它可以产生沿方位角变化的磁场，即使加速粒子轴向聚焦，又使磁场随半径增大而提高，保证粒子的旋转频率不变，即旋转一周的时间不变，因此被称为等时性回旋加速器。第二类是有自动稳相机制的。属于这一类型的加速器有：

　　回旋加速器

　　(1)稳相加速器。轴向磁场保持恒定，而使高频加速电场的频率随着粒子回旋频率的降低而同步降低，从而使带电粒子仍能继续被谐振加速。这类加速器又名调频回旋加速器或稳相加速器。采用自动稳相机制以后，在理论上可以将质子加速到无限高的能量，然而由于技术上和经济上的原因，历史上更大的稳相加速器的能量只达到700MeV。这一类型的加速器用来加速质子，有的用于加速掺氘核、α粒子甚至氮离子。

　　(2)电子回旋加速器。又称为微波回旋加速器，专门用于加速电子。这一类型的加速器中，轴向磁场是均匀的，加速电场的频率也是恒定的，而所不同的是让加速间隙位于磁极的一端，电子的轨道为一系列与加速间隙中心线相切的圆。电子每回旋一圈，就被加速一次，只要回旋周期等于加速电压周期的整数倍，就有可能进行谐振加速。电子回旋加速器的能量都不是很高，更大的也不过几十MeV，束流强度为30～120微安，大多数用于医疗和射线剂量学等方面。

　　(3)同步加速器。它的主导磁场是随时间改变的以保证带电粒子在恒定轨道上回旋。为此，磁铁做成环形的，可使磁铁重量减轻。加速电场是交变的，其频率随着带电粒子回旋频率的改变而改变，以保证谐振加速。同步加速器既能加速电子，称为电子同步加速器;又能用于加速质子，称为质子同步加速器或同步稳相加速器。用于加速重离子的同步加速器，顾名思义应称为重离子同步加速器。

　　回旋加速器周期

　　回旋加速器的周期T可以通过公式T=2πm/Bq计算得出，其中m是粒子质量，B是磁场的强度，q是粒子的电荷量。这个周期表示粒子在回旋加速器中完成一次完整循环所需的时间。此外，回旋加速器的电场变化周期与粒子在电场中的加速时间有关，而粒子在磁场中的运动时间则由T磁=BRm^2π/2U给出。