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粒子迴旋加速器

粒子迴旋加速器. 老師 : 莫定山 姓名 : 蔡忠祐 黃冠勳 學號 : 4970B014 4970B031. 目錄. 作者介紹 ……………………………….. 經歷過程 ……………………………….. 迴旋加速器原理 …………………………. 如何組成 ………………………………… 應用 …….....……………………………. 作者介紹. 姓名 歐內斯特 · 奧蘭多 · 勞倫斯 出生 1901 年 8 月 8 日 出生地 美國南達科他州坎頓 逝世 1958 年 8 月 27 日

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粒子迴旋加速器

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Presentation Transcript

  1. 粒子迴旋加速器 老師:莫定山 姓名: 蔡忠祐 黃冠勳 學號: 4970B014 4970B031

  2. 目錄 作者介紹 ……………………………….. 經歷過程 ……………………………….. 迴旋加速器原理 …………………………. 如何組成 ………………………………… 應用 …….....…………………………….

  3. 作者介紹 • 姓名 歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯 • 出生1901年8月8日 • 出生地 美國南達科他州坎頓 • 逝世 1958年8月27日 • 研究機構 • 加利福尼亞大學伯克利分校 • 勞倫斯伯克利國家輻射實驗室(為了紀念勞倫斯) • 母校 • 聖奧拉夫學院 • 南達科他大學 • 耶魯大學

  4. 過程 • 1929年勞倫斯提出磁共振加速器（即迴旋加速器）的構造原理，即利用一個均勻磁場，使加速帶電粒子沿螺旋形路徑運動。在運動平面內，粒子將越過一個加速間隙，間隙里有一外加射頻電場，其變化頻率與離子迴旋頻率同相，以保證粒子每一次通過加速區時都能得到加速。 • 1932年，勞倫斯和他的學生埃德爾森（N.E.Edlefson）和李文斯頓（M.S.Livingston）建成了第一台迴旋加速器（直徑只有27厘米，可以拿在手中，能量可達1MeV）並開始運行。後來，在勞倫斯的領導下，在美國建成了一系列不同的迴旋加速器。

  5. 40年代初，這類加速器的能量達到40MeV，遠遠超過了天然放射源的能量。可以用於加速質子、α粒子和氖核，由此發現了許多新的核反應，產生了幾百種穩定的和放射性的同位素。迴旋加速器對核裂變及核力的研究起著特別重要的作用。40年代初，這類加速器的能量達到40MeV，遠遠超過了天然放射源的能量。可以用於加速質子、α粒子和氖核，由此發現了許多新的核反應，產生了幾百種穩定的和放射性的同位素。迴旋加速器對核裂變及核力的研究起著特別重要的作用。 • 勞倫斯由於發明了迴旋加速器以及借此取得的成果而於1939年獲得諾貝爾物理學獎。

  6. 迴旋加速器原理 兩個處於磁場中的半圓D型盒和D型盒之間的交變電場。帶電粒子在電場的作用下加速進入磁場，由於受到勞侖茲力F = Bqv（其中B為磁感應強度，q為帶電粒子所帶電荷）而進行勻速圓周運動，每運動到兩個D型盒之間的電場時在電場力作用下加速，之後再次進入磁場進行勻速圓周運動。在不考慮愛因斯坦的狹義相對論時，由於在磁場中迴旋半徑R = mv / Bq與速度成正比，故當迴旋半徑大於迴旋加速器半徑時，帶電粒子達到最大速度。實際上，根據狹義相對論，帶電粒子的質量隨速度的增加而增加，故實際應用中帶電粒子的迴旋周期並非恆定。

  7. 早期 近期

  8. 迴旋加速器之基本組成 迴旋加速器由四個主要部份所組成。 • 離子源 • 磁鐵 • 射頻高壓電加速系統 • 抽取器

  9. 離子源 • 是用單純穩定的氣體來製造離子以便加速；碳、氮、氧和氟核種是由高能量的質子（即游離的氫氣）或氘之原子核（即游離的氘氣）打擊靶原子所產生。這些離子（如果他們的電子被拿掉，就成為正離子；如果另外加上電子，就成為負離子）從離子源被取出來，向迴旋加速器磁鐵的外緣加速前進。

  10. 離子源測試站 • 測試站的系統組成除了離子源組件外，另外亦含電源供應器、真空系統、控制系統、冷卻水系統、射束診斷系統等

  11. 磁鐵 • 迴旋加速器的磁鐵是使帶電的粒子或離子能在圓形軌道上移動。 • 圖為88英寸回旋加速器磁鐵構造實體圖

  12. 離子經由兩個 "dee" 電極間的電場梯度而加速，這個 "dee" 電極的構造和英文的大寫字母 "D" 相似。梯度是由這些 "dee" 電極充電至高電壓而產生的，就像大電容器充電一樣。當一個離子被一個 "dee" 電極電荷之極性相斥，同時被一個 "dee" 電極電荷之相反極性吸引時，這個離子穫得了動能，它的速度也因而增加了。當一個離子進到了傳導性的 "dee" 構造內，這個離子不再受靜電力影響，轉而受磁場的作用使它沿著圓形軌道向另一個 "dee" 構造運動。這個時候，這兩個 "dee" 電極的極性自動的反向。這交互電壓週期是 10 到 30 MHz 之射頻，因此每一次離子經過兩個 "dee" 電極之間，這個離子就因為吸引的靜電子及排斥的靜電力而加速。離子每行經一個完整的圓周軌道，它就穫得兩倍的 "dee" 電極間電壓差。如果兩個 "dee" 電極間電壓差為 100 keV ，那麼一個質子每行經一個完整的圓周軌道就穫得 200 keV，一般約須繞行 130 周才能穫得最大的能量，故在迴旋加速器中，質子可穫得最大能量是 26 MeV。 射頻高壓電加速系統與抽取器

  13. 在這段期間質子是以螺旋路徑的方式行進，從迴旋加速器的中心逐漸增加前行的軌道半徑，一直向磁場的邊緣接近，最後可用一個靜電偏向板從磁場邊緣牽引正離子出來到一個定點，然後從這一定點自迴旋加速器萃取出正離子。負離子通過薄碳箔去除了多出的電子後即可被萃取出來。這些離子曾是負離子，而現在變成了正離子，因此在均勻磁場的影響下，它們會以相反的方向繞行，所以這些粒子就很容易地從迴旋加速器萃取出來。離子源依照 "dee" 電極的射頻電壓週期射出一團團的離子，它們到達抽取器與射頻的頻率同步。這一團團的離子束被聚集，並被導往靶物質以製造正子放射同位素。這些由靶物質以製造正子放射同位素可能是固態、液態或氣態，它可以是連續地或分批地製造出來。

  14. 環形加速器 • 加速的粒子以一定的能量在一圓形結構裡運動，粒子運行的圓形軌道是由磁偶極（dipole magnet）所控制。和直線加速器(Linac)不一樣，環形加速器的結構可以持續地將粒子加速，粒子會重複經過圓形軌道上的同一點。但是粒子的能量會以同步輻射方式發散出去。 • 同步輻射是當任何帶電粒子加速時，所發出的一種電磁輻射。粒子在圓形軌道裡運動時都有一個向心加速度，會讓粒子持續輻射。此時必須提供電場加速以補充所損失的能量。

  15. 直線加速器 • 帶電粒子在直線中加速，運行到加速器的末端。較低能量的加速器例如陰極射線管及X光產生器，使用約數千伏特的直流電壓（DC）差的一對電極板。在X光產生器的靶本身是其中一個電極。 • 較高能的直線加速器使用在一直線上排列的電極板組合來提供加速電場。當帶電粒子接近其中一個電極板時，電極板上帶有相反電性的電荷以吸引帶電粒子。當帶電粒子通過電極板時，電極板上變成帶有相同電性的電荷以排斥推動帶電粒子到下一個電極板。所以帶電粒子束加速時，必須小心控制每一個板上的交流（AC）電壓，讓每一個帶電粒子束可以持續加速。 • 當粒子接近光速時，電場的轉換速率必須變得相當高，須使用微波（高頻）共振腔來運作加速電場。

  16. 直線加速器

  17. 應用 • 利用迴旋加速器產製同位素進行醫學及生命科學等的應用研究，近二十年來有長足的進展。由迴旋加速器產製之放射性同位素普遍具有質子過剩的特性，衰變模式常為正子釋出（b+ decay）或電子捕獲，且為短半衰期（迴旋加速器以質子、氘子或氦核轟擊照射靶之時間通常僅數分鐘至一、二小時，不利於產製長半衰期同位素），因此十分適合醫學診斷用途。 • 尤其自1966年正子電腦斷層攝影儀問世以來，無論靈敏度及解析度均優於單光子電腦斷層攝影，在器官或組織功能檢查及病灶之三度空間定位上均更為精確，加上生物體內含量最多之元素如碳、氫、氧、氮、硫、磷，其中碳、氮、氧三者均有半衰期適中之正子放射同位素（C-11，N-13，O-15），更使得以正子放射核醫藥物配合正子電腦斷層攝影進行各種腫瘤或疾病診斷、尤其是精神官能症或神經系統失調病症等之研究，成為近二十年來核子醫學界最熱門的課題。

  18. 謝謝聆聽

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