等時性迴旋加速器

1938 年托馬斯（L.H.Thomas）提出的用沿方位角調變的磁場來提供軸向聚焦。托馬斯最初建議的磁場具有四重對稱性（N=4),這個建議被擱置了十多年未能付諸實施，部分原因是由於當時有關週期場中粒子動力學的理論還不成熟，加上產生托馬斯場的磁極形狀過於複雜，難於加工。

結果依照1944 年發現的自動穩相原理建造的同步迴旋加速器反而先於托馬斯加速器問世。

到了50 年代，強聚焦原理的發現、計算機及粒子軌道動力學的進展使人們對托馬斯加速器的實施有了新的認識和動力。正是在這樣的基礎上，人們成功地發展了用磁極上的各種平面扇形葉片提供聚焦力的扇形聚焦迴旋加速器(Sector focusingCyclotrons），包括直邊扇形（Radial Sector）和卷邊的螺旋扇形（Spiral Sector）加速器等以及由若干獨立的扇形構成的分離扇（Split Sector）加速器。它們的磁極形狀簡單、易於加工而且聚焦性能也比托馬斯加速器更為優異。

於是60 年代中期掀起了一個興建扇形聚焦迴旋加速器的世界性的高潮。扇形聚焦加速器不僅開拓了中能區等新領域而且在低能區完全取代了經典型的迴旋加速器。

80 年代中期建造的7台大型等時性加速器中，有5 台是超導的，其中最大的能量常數K=1200（美國橡樹嶺國家實驗室）。看來在今後的發展中超導迴旋加速器的潛力是很大的。

近十年來，超導的等時性迴旋加速器的發展，越來越令人矚目。迄今已建造的超導迴旋加速器有加拿大巧克河（Chalk River）原子核研究所的等時性加速器，意大利米蘭大學的迴旋加速器以及美國密執安州立大學（MSU）的雙級超導迴旋加速器系統等。

到限制迴旋加速器能量提高的主要障礙來自離子的滑相。為了打破這個障礙人們曾考慮過多種消除滑相的途徑，其中一種比較直接的做法是採用具有彎曲邊界的高頻電極。它能縮短和調整離子在相鄰二次加速之間的路程，抵消因相對論效應或磁場降落引起的滑相，因而有可能用來提高離子的能量。不過這樣的辦法有相當大的侷限性。因為隨着離子能量的增高，電極邊界的曲率要不斷增大，結果電隙中電場的加速成分，即方位角向的電場迅速衰減，而不能用來加速離子的徑向電場卻越來越大。最後電場全部轉為徑向，離子的加速完全終止。可見這樣的方法並不能加速離子至更高能量。 ^[1] 

迄今在克服滑相上比較成功的途徑是讓離子在所謂等時性的磁場中加速。這種磁場的強度沿半徑方向與離子的能量同步增長，使離子的旋轉週期在加速過程中始終保持恆定，不隨能量而變。

等時性迴旋加速器的結構和普通迴旋加速器很相似。主要區別是，為了形成沿方位角調變的等時性磁場，在磁極表面有特殊形狀的墊鐵和墊補磁場用的線圈.環形墊鐵及環形線圈可以用來墊補平均磁場沿半徑的分佈情況；扇形磁鐵及線圈可用來墊補磁場沿方位角的調變情況。

有些等時性迴旋加速器的磁鐵不是整個的，而是分成若千段，如四、六或八段，由磁場沿軌道調變的週期數目決定。各段磁鐵之間，可以裝D形電極或引出、注入粒子。

有些加速器，特別是加速負離子、極化離子及重離子的加速器，多把離子源放在加速器外邊，離子源內形成離子，經過適當的離子光學系統入射到迴旋加速器裏面。入射的方法有兩種：一種方法是在磁極中心沿軸線方向穿一個孔，粒子沿這個孔注入到真空室.在真空室中心平面附近，設有一對偏轉電極板.電極板平面與加速器中心平面成45°夾角

粒子先穿過柵網狀的電極板，這塊柵網電極是接地的。另一塊電極板接在高壓電源上，其極性與入射的粒子的電荷相同，在它與柵網電極之間形成了偏轉電場.粒子穿過朽網，進入偏轉電場.在電場的作用下，偏轉90°角，沿平行於中心平面的方向，再穿出柵網，進入D形電極加速。

等時性迥旋加速器，是流強比較大的中能加速器，可產生100或數百微安的粒子流。在中能核物理研究方面發揮重要的作用。

它能產生很強的介子流，又被稱為介子工廠。除用來進行介子物理、原子核物理研究外，還能用來進行放射化學，放射生物學、固體物理等方面的研究.又能用來進行用獷介子治療癌症的研究.另外，強質子流和鈾靶作用能產生很強的快中子流，可用來進行中子物理、原子能方面需用的材料試驗等研究工作。

1、小尺寸等時性迴旋加速器

小尺寸的緊密結構型迴旋加速器最初由美國迴旋加速器公司推出，用於放射性同位素生產或中子治療等，它可產生26 MeV 的質子，15MeV 的氘或38MeV 的He-3 離子以及30MeV的α 粒子，內束流強90-300μA，外束40-100μA，離子的能散度1%，發射度（50mm-mrad，加速器高2.13m，佔地面積僅3.3mX2.41m 。

近年來比利時IBA公司推出新穎的“旋流30" (Cyclone30)型加速器，它可產生30MeV的質子，且能量可在15-30MeV範圍內連續變化，引出的外束流強可達350-500μA,適用於生產¹¹C,¹³N，¹⁵O，¹⁸F，⁶⁷Ga，¹¹¹In,¹²³I和²⁰¹TI等核醫學用同位素，它的一個與眾不同的特點是可同時引出二束束流，供同時生產的兩種不同的放射性同位素之用。外束流的發射度5-10πmm-m rad,束流品質明顯地優於一般的迴旋加速器。

旋流型加速器採用負離子加速的技術，在加速終了時用碳箔剝離靶將H-離子轉變成質子，引出器外。這是該型加速器的最基本的特點，並由此帶來一系列的優點。例如通過調整剝離靶的徑向位置可以使離子束的能量在15-30 MeV內連續可調，而無需改變主磁場的磁感應強度和加速電場的頻率。又如利用部分阻擋束流的二個碳箔可以同時在二個方向上引出兩束束流。此外由於負離子的引出效率接近100%，因此即使引出的束流高達500μA,加速器的殘餘放射性活度也在允許範圍之內。

“旋流30”所加速的負離子由一個在加速器外的大功率弧源產生，H-的產額可達2mA。負離子由一個軸向注入系統引導，穿過磁軛注入加速器內，注入效率可達35%。加速器的磁鐵有四個張角為54º-58º（隨半徑增大）的扇形由於採取了加速電極放在谷區內的設計，因而磁鐵具有小的峯場間隙、強的垂直聚焦和良好的引出束光學性能。峯場區的磁感應強度為1.7T，谷區為0.12T。軸向自由振動頻率zν =0.54-0.63,整個磁體重49 t,激磁功率7.2 kW。

二個加速電極的張角為30º，都放在磁體谷區之中，由上下垂直插入谷區內的共振線來支撐，這樣的結構具有較小的對地電容，空載時只需用5.5 kW的功率就可產生50 kV的電壓。加速電場的頻率為65.5 MHz，工作在H-離子迴旋頻率的四次諧波上。高頻系統的驅動放大器功率為2 kW，末級功放的功率為26 kW,可提供的束流加速功率為15 kW。

2、蘭州重離子加速系統

這是我國最大的一個等時性迴旋加速器系統，它包括一台能量常數K=450 的大型分離扇加速器和一台作為注入器的K=69 的扇聚焦等時性迴旋加速器。這個系統可以加速週期表上從碳至氙元素的離子至每核子100 MeV（輕離子）或5MeV/A（重離子），束流強度10¹²~10¹⁴粒子/s，束流能散度5 x 10^-3，發射度10πcm·mrad。

主加速器的磁鐵系統由四個張角為52o的直邊扇形磁鐵組成。每個重500 t，由12 塊低碳鋼鍛件組成。每台磁鐵的氣隙為10 cm，隙中最高磁感應強度可達1.6 T。離子注進磁場的平均半徑為ri=1m，引出半徑re=3.21 m。最高平均磁場B=0.99 T。上、下磁極表面裝有36 對調補線圈，其中等時性場的調補線圈25 對，局部缺陷補償線圈5 對，另有6 對用來補償注入元件對主磁場的擾動。通過這些線圈墊補之後，實際場分佈對於各種加速離子的等時

性場的偏差都≤1×10^-3。磁鐵主磁場的激磁電流4000 A，電流穩定度5x 10^-6，總功率550 kW。調補線圈的激磁電流100-300 A，穩定度1 x 10^-4，總功率110kW。

主加速器的高頻系統包括二個燕式諧振腔，每個腔由一個張角為30º的加速電極、二個傾斜的內杆、一個波紋狀的調諧板和外罩筒所組成。諧振腔的工作頻率範圍為6-15MHz,相應的Q值在6000-10000 之間，每個腔的饋送功率為120 kW,在12.8 MHz 時,加速電極上小半徑處的電壓幅值Va=220 k V，大半徑處Va=245 kV。可見加速電壓隨半徑逐漸增大。該系統設有頻率自動調諧、穩幅和鎖相裝置。工作時腔的調諧精度Δf/f =±5x10^-6,振幅穩定度ΔV/V=5x10^-4，相位穩定度Δφ≤1º。

分離扇加速器的真空室是由μ<1.01 的316 L型不鏽鋼製成的。這是一個八邊形加筋折板拼焊成的整體結構，最大橫寬~10 m,最大豎高~4.5 m,容積100m³,淨重65 t,真空室的工作真空為1.3 x 10^-5Pa(1 x 10^-7 mmHg)，為此配置了一套有效抽速為140 m³/s的抽氣系統。它包括8 台作為主抽泵的RKP-800 型低温泵和4 台作為輔助泵的TPH-500 型渦輪分子泵。

注入器系統使用二種離子源，一種是普通的潘寧弧源，用以產生週期表上由碳至氙各種元素的離子，還有一種是微波電子迴旋共振源即ECR 源，它可產生各種高電荷態的離子，因此可使注入器的離子範圍由氙擴展至鉭。注入器本身是由一台1.5m 經典迴旋加速器改建的扇聚焦加速器，經它加速的離子通過65 m 長的輸運線進入主加速器的注入系統，後者包括二個彎曲磁鐵、兩個磁通道和一個靜電偏轉電極，注入系統入口端的光學性能與來自輸運線的束流相適配，而出口端與注入半徑上初始加速軌道相適配。

主加速器的引出系統也由一個靜電偏轉電極、二個磁通道和二個彎曲磁鐵組成。這個系統的入口端與引出半徑上的束流相匹配，出口端與後輸運線上的束流相適配，為了提高引出效率，引出區設有一次諧波線圈，用以激發軌道中心的進動，擴大束流圈間距。

這個加速器組合系統的一個特點是充分配備有各種束流探針用以監測各個階段的束流狀態。例如主加速器上沿四台扇形磁鐵的中心線設有4 只可移動的徑向探針，能從注入半徑到引出半徑的範圍內測量束流的大小、徑向軌道分佈和垂直分佈等，還有15 只沿徑向設置的容性感應探針，可用以監測各圈束流的中心相位，放在引出區的探針則可以測出引出前十多圈的束流軌道分佈等等。這些探針可以使運行人員在加速器系統載束運轉的條件下方便地判斷各部分束流的形態，籍以優化各種部件的運行參數，提高束流注入、加速和引出的效率，改善束流的品質，這對於加速器的調試和運行都是非常重要的。

3、超導等時性迴旋加速器

迄今已建造的超導迴旋加速器有加拿大巧克河（Chalk River）原子核研究所的等時性加速器，意大利米蘭大學的迴旋加速器以及美國密執安州立大學（MSU）的雙級超導迴旋加速器系統等。前二者都以串級靜電加速器作為注入器，後者則由二個能量常數K=500 和K=800 的超導迴旋加速器組合運行。

巧克河加速器的能量常數K=520,它用來加速週期表上由Li3+至U33+等各種元素的離子至每核子 10 MeV的能量。這台加速器的磁場為四扇形的結構，它由Nb Ti和Cu合金製成的超導線圈來激勵，在4 .5K的低温下，最高的磁感應強度可達5.0T左右。整個激磁繞組包容在一個直徑約3m、高3m的大磁軛之中，磁軛四周和上、下都開有一些孔道，備註入、引出離子束或插入磁場調補杆和探測靶等之用。超導線圈的冷卻由一台製冷功率100 W的液氦機來完成，由室温冷卻至4.5K的時間約為150 h，為了使液氦和超導體的表面充分接觸，線圈各層沿徑向開有槽路，引導液氦流經導體，工作時除超導線圈外，加速器的其他部件仍處於室温狀態。

經BMV 串級靜電加速器預加速的離子，穿過軛鐵上的注入孔道沿中心對稱平面進入超導磁場，入射離子束在注入半徑上經電子剝離後進入初始加速軌道，沿着軌道設有四對1/4波長加速結構，每圈的加速電壓總計達0.6-0.8 MV，高頻加速電場的頻率範圍為33-62 MHz，加速至終能量的粒子，由設在半徑r=0.65 m 上的偏轉引出系統引出器外。

這台加速器的磁鐵上安有四個卷邊的扇形鐵塊，用以提供軸向聚焦。在5.0T 的高磁場下，扇形磁極處於完全飽和的狀態，它們所產生的調變度是有限的，在這樣的條件下，離子所能達到的最高能量可能因軸向聚焦力不足而受到限制。 ^[2]