自动加速

[color=#990000][size=16px]摘要：现有的[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]加速量热仪普遍存在单热电偶温差测量误差大造成绝热效果不好，以及样品球较大壁厚造成热惰性因子较大，都使得[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]测量精度不高。为此本文提出了技术改进解决方案，一是采用多只热电偶组成的温差热电堆进行温差测量，二是采用样品球外的压力自动补偿减小样品球壁厚，三是用高导热金属制作样品球提高球体温度均匀性，四是采用具有远程设定点和串级控制高级功能的超高精度[/size][size=16px]PID[/size][size=16px]控制器，解决方案可大幅度提高[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]精度。[/size][/color][align=center][size=16px][color=#990000][b]==============================[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 加速量热仪（Accelerating Rate Calorimeter）简称ARC，是一种用于危险品评估的热分析仪器，可以提供绝热条件下化学反应的时间-温度-压力数据。加速量热仪（ARC）基于绝热原理，能精确测得样品热分解初始温度、绝热分解过程中温度和压力随时间的变化曲线，尤其是能给出DTA和DSC等无法给出的物质在热分解初期的压力缓慢变化过程。典型的加速量热仪的结构如图1所示。为了保证加速量热计的测量精度，ARC装置需要实现以下两个重要条件：[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热计典型结构,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121740385310_8045_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 ARC加速量热仪典型结构[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）被测样品始终处于绝热环境。绝热环境的实施需采用等温绝热方式，即样品球周围的护热加热器温度始终与样品球温度保持一致，两者的温差越小，样品散失或吸收的热量则越小，量热仪测量精度越高。[/size][size=16px] （2）空心结构样品球（样品池或样品容器）的壁厚越薄越好，以最大限度减少热惰性因子，减少球体吸热和放热影响。[/size][size=16px] 在目前的各种商品化ARC加速量热仪中，并不能很好的实现上述两个边界条件，主要存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）样品温度和护热温度仅采用了两只热电偶温度传感器，而热电偶的测温精度和一致性本身就较差，仅靠两只热电偶测温和控温，很难保证达到很好的等温效果，往往会造成漏热严重的现象，导致测量精度较差。热电偶在使用一段时间后，这种现象会更加突出。[/size][size=16px] （2）因为化学反应过程中会产生高温高压，使得现有ARC的样品球壁厚必须较厚以具有较大的耐压强度，避免样品球或量热池产生形变或破裂，但这势必增大了热惰性因子。这种壁厚较厚和较大热惰性因子，是造成ARC加速量热仪测量误差较大的另一个主要原因。[/size][size=16px] （3）由于首先要保证壁厚和耐压强度，量热池所用材质往往是高强度金属，但这些金属材质相应的热导率往往较低，较低的热导率则会影响量热池侧壁温度的快速均匀。这种低导热材质所带来的样品球温度非均匀性问题，又会造成周边护热温度控制的误差，所带来的连锁效果会进一步降低测量精度。[/size][size=16px] 为了解决目前ARC加速量热仪存在的上述问题，本文提出了以下解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案主要包括两方面的技术改进，一是采用多只热电偶构成温差热电堆来提高温差检测的灵敏度和更好的保证绝热环境，二是在样品球外增加气体压力自动补偿。改进后的ARC加速量热仪的结构及控制装置如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图,550,283]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121741195817_6742_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在如图2所示的高温高压控制装置中，采用了4对热电偶组成的热电堆来检测样品球与护热加热器之间的温差，这样可以使温差测量灵敏度提高4倍，即可使原来采用单只热电偶的量热计测量精度得到大幅提高。在实际应用中，热电堆中的热电偶数量并不限制于4只，可以根据ARC结构和体积采用更多的热电偶，由此可进一步提高温差测量灵敏度，但在选择热电偶时，需要采用尽可能细的热电偶丝，以减少热量通过热电偶丝进行传递。[/size][size=16px] 对于补偿压力的控制，如图2所示，在ARC中增加了一路高压气路。压力控制回路由压力传感器、压力调节器和PID控制器构成，通过压力调节器将来自高压气源（如氮气）的压力进行自动减压控制，使得高温高压腔体内的压力始终跟踪样品球内的压力变化，从而尽可能降低样品球内外的压力差。压力调节器是一个内置压力传感器、PID控制器和两只高速进出气阀门的压力控制装置，可直接接收外部压力设定信号进行快速和准确的压力控制，非常适用于像ARC量热仪高温高压腔这样的密闭腔室的气体压力控制。压力调节器的压力控制范围为0~5MPa（表压），如需要更高压力调节，则需增加一个高压背压阀，但压力调节还是通过压力调节器。[/size][size=16px] 在图2所示的高温高压控制装置中，温差传感器的灵敏度、压力传感器测量精度以及压力调节器控制精度都决定了ARC加速量热计边界条件是否精确，但这些部件对ARC的最终测量精度贡献还需PID控制器来决定。PID控制器作为ARC绝热量热仪的核心仪表，需要满足以下要求才能真正保证最终精度：[/size][size=16px] （1）在量热仪绝热实现方面，采用温差热电堆，可灵敏检测出样品球与护热加热器之间的微小温差变化，但温差灵敏度最终是要通过PID控制器的检测精度得以保证，由此要求PID控制器应有尽可能高的采集精度。同样，绝热控制的最终效果是温差越小越好，这也对PID控制器的控制输出提出了很高的要求，即要求控制精度越高越好。本解决方案中选择了VPC2021系列的超高精度PID控制器，这是目前国际上最高精度的工业用小尺寸PID调节器，具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比，可完全满足微小温差热电势信号高精度检测和高精度温度控制的要求。[/size][size=16px] （2）在量热仪高压补偿控制方面，需要对高温高压腔室内的气体压力进行跟踪控制以尽可能的减小样品球内外的压力差。在压力控制回路中，压力传感器用来检测样品球内部的压力变化，同时此传感器的输出压力值又作为高温高压腔室压力控制的设定值，PID控制器根据此设定值来动态控制高温高压腔室压力，这就要求PID控制器具有远程设定点功能，并具有与压力调节器组成串级控制回路的功能，而本解决方案配置的VPC2021系列PID控制器则具备这种高级控制功能。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本解决方案采用了温差热电堆和压力补偿两种技术手段对现有ARC加速量热仪进行改进，改进后的ARC加速量热仪具有以下特点：[/size][size=16px] （1）温差热电堆可明显提高温差检测灵敏度，可更好的实现绝热效果。[/size][size=16px] （2）压力补偿可使得样品球的壁厚更薄，并降低了样品球材质的强度要求，样品球就可以采用高导热金属，在降低样品球热惰性因子的同时，更能提高样品球整体的温度均匀性，可显著提高量热仪测量精度。[/size][size=16px] （3）采用了具有远程设定点和串级控制这些高级功能的超高精度PID控制器，可充分发挥上述技术改进措施的优势，真正使ARC加速量热仪测量精度的提高得到了保障。[/size][size=16px] （4）所采用的技术手段，可推广应用到其它形式的热反应量热仪中。[/size][align=center][color=#990000][b][/b][/color][/align][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][/size]

PCT高压加速老化试验箱用于国防、航天、汽车部件、电子零配件、塑胶、磁铁行业、制药线路板,多层线路板、IC、LCD、磁铁、灯饰、照明制品等产品之密封性能的检测,相关之产品作加速寿命的试验。　　我们知道了PCT高压加速老化试验箱的用途,那么请问知道PCT这三个字母的意义吗?其实很简单:P是压力,C是蒸煮;T是测试。　　PCT高压加速老化试验箱内外箱均采用304不锈钢板,圆型内箱,不锈钢圆型试验内箱结构,符合工业安全容器标准,可防止试验中结露滴水设计。精密设计,气密性良好,耗水量少,每次加水可连续200h。自动门禁,圆型门自动温度与压力检知安全门禁锁定控制,专利安全门把设计,箱内有大于常压时测试门会被反压保护。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/04/201704211554_01_3081755_3.jpg

[/center]常用的商品化回旋加速器的主要性能参数[/center] 不同的回旋加速器具有不同的性能参数，表1为国内目前常用的几种医用回旋加速器的几项主要性能参数。能量在8MeV到19MeV的加速器能够提供许多的PET同位素，而能量在30MeV以上的加速器同时可以提供SPECT同位素（TI-201，Ga-67，In-111等）。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211260_01_1623423_3.jpg[/img] 现代医用回旋加速器多数具有双束流（Double beam）轰击的功能，即利用同一粒子介入的相同和/或不同核反应谱来同时生产相同和/或不同的正电子核素。这样，一方面由于提高了粒子束流的利用率而大大提高了回旋加速器的工作效率，另一方面可以用双束流同时轰击两个靶体内的相同靶核生产同一正电子核素，既能够成倍的提高同位素的产量，也避免为获得高产量的核素进行较长时间的轰击而缩短靶体和/或整个系统的使用寿命。如GE的PETtrace回旋加速器具有双束流轰击的功能，利用质子除同时生产3~4Ci的18F外，还可同时生产18F和11C或11C和13N；用氘核可同时生产18F2和15O2。 回旋加速器集电子工程、机械控制、核物理、核化学、计算机等技术与一体，因此其结构和功能比一般的医疗设备要复杂的多。传统回旋加速器是通过操纵各种仪表来完成其运行的。由于计算机技术的发展，现代回旋加速器的运行是在计算机的控制下自动完成，操作时只需按动计算机操作控制界面中菜单按钮，即可自动启动回旋加速器，建立磁场、建立并调整射频（RF）系统、装载靶材料、调整束流并轰击靶材料、传输运送正电子核素以及完成正电子放射性药物的生产合成等过程均可全部在计算机的控制下自动完成。其自动化操作的优越性在于既保证了操作控制的稳定性、可靠性和安全性，使回旋加速器各系统有序而稳定的进行工作，也使放射性药物的生产过程易于规范和标准化，还可使操作人员减少不必要的辐射。

[center]真空系统[/center]真空系统为对真空敏感的负离子加速提供了非常高的真空环境，为了避免在真空状态下由磁铁表面产生真空脱气的影响，与真空室接触的磁铁避免都镀有铜并且保持最小化的内部空间。真空系统设计要求①有非常快速的抽空时间，在维护保养或维修服务后机械运行时间短；②真空箱和相对的磁极间用容易进行密封操作的“O”圈密封，使操作维护人员所受的辐射降到最低；③系统运行要全自动化，并由微处理控制器控制，便于回旋加速器控制系统在关闭的情况下真空系统仍进行24h的运行。该系统一般由真空箱、真空泵（包括高真空泵和前级真空泵）和真空计组成。PETtrace和MINtrace加速器的真空系统不受加速器控制单元（Accelerator Control Unit ACU）控制，由独立的真空控制单元（Vacuum Control Unit VCU）来控制，独立的VCU保证了真空系统的安全和自动操作。真空系统24小时运行。在真空箱中连接了2个真空计，Pirani Gauge控制1bar~10-3mbar（0.1Pa~10-5Pa）的压力范围，Penning Gauge 控制10-3mbar（0.1Pa）的高真空范围。高真空泵是带有阻尼栅板的油扩散泵，在油扩散泵和前级真空泵之间连接一个Pirani Gauge，用来监测油扩散泵的前级真空压力（Backing pressure）。[center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911021239_179834_1623423_3.jpg[/img][/center]

加速器的种类繁多，不同类型的加速器有着不同的结构和性能特点，也有着不同的适用范围。除了依加速粒子的能量来划分加速器外，常常还依加速粒子的种类或加速电场和粒子轨道的形态来区分加速器。[center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112111445_01_1623423_3.jpg[/img][/center] 电子是最常见的一种带电粒子，它易于以大量自由电子的形式获得，也易于加速，它的静止能量为，0.511MeV，是常见加速粒子中最低的（表1）。电子在加速时容易达到相对论速度，在相同的加速能量下，电子加速器的尺寸、规模和造价在同类加速器中往往是最低的。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211728_01_1623423_3.jpg[/img] 轻离子型加速器加速质子、氘和α粒子以及H-、D-等负离子。氢离子的静止能量为938MeV，是轻离子中最小的，而它的荷质比（电荷数与质量数之比）为1，比氘和α高，是各种粒子中最高的。 原子序数Z2的各原子的（正或负）离子称为重离子。一般重离子的荷质比小，飞行速度低，难于达到相对论的速度。现有的加速器可加速元素周期表上的各种重元素的离子，包括铀离子，但重离子的加速效率低，加速设备的规模一般都比较大，造价昂贵。 加速电场和粒子的轨道形态是反映加速原理，决定加速器结构的关键因素。这四类加速器分别适用于加速不同能量范围、不同粒子，它们在性能上各有特色，相互竞争，相互补充，不断发展完善，而许多大的粒子加速器设备则往往由多种不同类型的加速器互相串接组合而成。 直流高压型加速器是利用直流高压电场加速带电粒子，包括单级和串列静电加速器；后者按电源电路的结构又可分为串激倍压加速器、并激高频倍压加速器、Marx脉冲倍压加速器等。这类加速器的主要特点是可以加速任意一种带电粒子且能量易于平滑调节；然而这类加速器的加速电压直接接受介质击穿的限制，一般不超过30~50MeV的加速能量，因此，加速器的能量不高。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211100_01_1623423_3.jpg[/img] 电磁感应型加速器用交变电磁场所产生的涡流电场加速带电粒子，包括电子感应加速器和直线感应加速器。前者的能量范围在15~50MeV，具有流强低（一般不超过0.5μA）、不宜加速离子的缺点。后者在脉冲状态下工作，既可加速电子也可加速离子，脉冲流强可达数十千安培。 直线共振型加速器利用射频波导或谐振腔中的高频电场加速沿直线形轨道运动的电子和各种粒子，这类加速器的主要优点是粒子束的流强高，并且它的能量可以逐节增高，不受限制。加速器的工作频率随加速粒子的静止质量的增加而降低，加速电子的典型频率为3GHz，质子为200MHz，而重粒子则在70MHz以下。为了使加速器的长度比较合理，通常要求加速电场的振幅达1~10MMeV/m以上，结果导致加速器的高频功耗高达兆瓦级。近几年研发的超导直线加速器可使运行成本降低2/3~4/5，其加速电子的最高能量达50GeV，质子达800MeV。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112111025_01_1623423_3.jpg[/img] 回旋共振型加速器应用高频电场加速沿园弧轨道作回旋运动的电子、质子或其它粒子。1930年劳伦斯提出回旋加速器的理论后，经多次反复的研究后于1931年和他的研究生利文斯顿（M. S. Livingston）成功的研制出了世界上第一台回旋加速器，这台加速器的磁极直径为10cm，加速电压为2kV，可使氘离子加速到80keV。几年后，劳伦斯的回旋加速器所达到的能量已超过天然放射性和当时其它加速器的能量。此后，人们按劳伦斯理论建造的经典回旋加速器可产生44MeV的α粒子或22MeV的质子。然而，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20MeV。后来，研究人员根据1938年托马斯（L. H. Thomas）提出的建议，到60年代后建造了新型的等时性扇形聚焦回旋加速器（Sector Focusing Isochronous Cyclotron），70年代后，建造了大批能加速相对论性粒子的回旋加速器，尤其是在质子同步加速器基础上发展起来的贮存环和对撞机，在质心系统的有效作用能可达到2~40TeV。电子同步回旋加速器由于同步辐射的限制，其能量不高于8GeV。

低加速电压下的能谱分析----X射线扩散区域随加速电压的变化常规的能谱分析通常在20kV加速电压下进行，这也是大多数用户固定的能谱工作条件。但是20kV并不能适合所有的样品。因为对于同样的样品，加速电压越高，X射线的扩展区域就越大，反之则越小。所以能谱分析时要根据样品的不同来选择不同的加速电压。下图是利用蒙特卡洛模拟程序，对Ni在不同加速电压下X射线扩展区域的模拟。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/04/201204121219_360844_1820053_3.jpgNi，20kV下X射线你扩展区域为1um，10kV时缩小为400nm，5kV时则不到100nm了。可见如果要对非均相样品中微小的相或颗粒进行更准确的分析，要优先选择低加速电压。

[b]前处理“加速器”[/b][align=center][img=,600,351]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909160946206323_215_932_3.png!w404x237.jpg[/img][/align]前处理在分析检测实验中是最为关键，也是最为耗时的一个环节。通常情况下，样品前处理耗时平均会占到整个实验的60%以上。同时，有将近1/3的实验误差来源于前处理。所以，在仪器设备高速发展的今天，您是否有足够的时间与耐心关注前处理呢？今天，我们为大家带来一款前处理“加速器”产品——多管涡旋混合仪（B100250）。涡旋混合，一种将样品溶液充分混合均匀的前处理方式，几乎出现于每一个化学分析实验。这款涡旋混合仪是一款多管、自动、便捷、效率突出的混合仪。[align=center][img=,600,527]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909160946236353_6941_932_3.jpg!w454x399.jpg[/img][/align][color=#f96e57][b][/b][/color][color=#f96e57][b]特点：[/b][/color][list][*][b]同时处理样品多，最多同时涡旋50个样品；[/b][*][b]LED屏显示方便、快捷，直接调节“上”、“下”键可实现转速与定时的精确控制，没有复杂操作；[/b][*][b]规格模块转换方便，只需更换适应不同离心管规格的泡沫试管架即可实现轻松转换。[/b][/list][b]可选泡沫试管架配件：[/b][align=center][img=,600,228]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909160948559013_3455_932_3.png!w573x218.jpg[/img][/align]口说无凭，接下来，我们为大家计算一下具体的效率，以GB 5009.28-2016 《食品安全国家标准 食品中苯甲酸、山梨酸和糖精钠的测定》为例，假设有50个一般性样品，按国标处理，我们来看一下涡旋所需要的时间：[align=center][img=,600,195]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909160949171763_7619_932_3.png!w574x187.jpg[/img][/align]效率可见一斑，而且，这种效率在样品越多越能体现哦！现在，大家知道我们为什么说它是前处理的“加速器”了吧。说到这里，大家是不是还在使用单管涡旋混合仪一个一个排队涡旋混合呢，来吧，换一个工具，让你的双手充分解放，大大提高效率的同时，也许还会有意想不到的收获哦！

[center]常用的商品化回旋加速器的类型[/center] 回旋加速器已成为现代分子核医学研究和应用的重要工具。分布在全世界PET中心的医用回旋加速器，根据加速粒子种类分为正离子回旋加速器、负离子回旋加速器；根据加速粒子种类的多少分为单粒子加速器（Single-particle accelerator）和多粒子加速器（Multi-particle accelerator）；根据提供束流加速平面与地平面是平行还是垂直而分为水平加速平面回旋加速器（卧式加速器）（horizontal-cyclotron）和垂直加速平面回旋加速器（立式加速器）（vertical-cyclotron）。 正离子回旋加速器生产正电子核素的许多核反应是由正离子介入来完成的，因此可用正离子回旋加速器直接加速正离子来轰击（Bombardment）靶核生产正电子核素。但加速正离子后得到的高能粒子束需要由金属电极偏转板形成的偏转电场来完成束流的引出，在引出过程中，高能粒子束与金属电极板以及屏蔽材料之间发生碰撞会引起附加的辐射。 负离子回旋加速器则利用碳剥离膜（stripping foil）（简称碳膜）来完成高能粒子束的引出。碳膜被驱动装置定位在回旋加速器内粒子旋转轨道半径上，当粒子束流的能量达到所需的最大能量时，所有出现在提取碳膜区域的负离子束必须穿过碳膜，在穿过碳膜期间，两个约束松弛的外层电子被剥离，负离子失去电子，转变为正离子。由于轴向磁场恒定不变，改变了电极性的粒子束受到与原来相反方向的磁场力的作用而改变了在磁场中运动方向，从而被引出而进入靶室。提取膜的位置直接确定束流的能量，并能够调整引出的束流引导进入任意的同位素生产靶。 单粒子加速器仅加速单一的离子，如EBCO TR19和GE MINItrace回旋加速器以质子（p）为加速粒子，进行经p介入核反应来完成正电子核素的生产，如利用16O（p, α）13N和18O（p, n）18F核反应分别生产13N和18F正电子核素。多粒子加速器可以加速两种以上的带电粒子，以多种核反应谱来完成正电子核素的生产，如PETtrace回旋加速器可加速质子和氘核，利用不同的靶材料按特定的核反应谱来生产11C，13N，15O和18F正电子核素；SCANDITRONIX公司生产的MC32回旋加速器则是多能量、多粒子的回旋加速器，除生产用于PET研究的正电子核素外，还用于生产其他同位素。该加速器除可加速氢核和氘核的正负离子外，还可加速氦核-3和α粒子。 立式加速器有较好的场地和维修服务优势，其场地优势包括着地点（footprint）小和所需要的空间高度低；虽然立式加速器的机体比卧式加速器高，它的磁轭门（Yoke）可以单向水平打开，而卧式加速器需要较高的空间限度以保证Yoke向上提升，因此需要昂贵的液压起重系统。立式加速器的维修服务优势是容易对中心区域的装置进行顺畅地维修和更换。再者，立式加速器的靶位往往局域化，这样因靶位而产生的放射性局限在一个区域，而卧式加速器的靶位常常在回旋加速器的周边，因此，回旋加速器的四周都分布有放射性。图1所示国内常用的几种医用回旋加速器。[center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112112145_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211220_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112112214_01_1623423_3.jpg[/img][/center]

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. Widerö e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（图1），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。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_625814_1623423_3.jpg[/img] 30年代以来，回旋加速器的发展经历了二个重要的阶段。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（Isochronous 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。（图2，3所示的超导加速器）[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211241_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211258_01_1623423_3.jpg[/img]

在回旋加速器中心部位的离子源（Ion Source）经高压电弧放电而使气体电离发射出粒子束流，该粒子束流在称为Dees的半圆形电极盒（简称D型盒）中运动。D型盒与高频振荡电源相联为加速粒子提供交变的电场。在磁场和电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105351_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105415_01_1623423_3.jpg[/img] 在回旋加速器中心区域，粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度v1，同时，磁场也对这些粒子产生作用，两种场作用的结果是粒子在Dee间隙（gap）内按螺旋轨道飞行。经过非常短的时间后，粒子经gap进入另一个Dee电极盒，此后，粒子在该Dee电极盒一边飞行到等电势的另一边。每越过一个gap后，其轨道半径将比前一次的轨道半径大。粒子运动的瞬时轨道半径将随时间t的增加而增大，粒子运动速度的平方与粒子旋转的圈数成比例。被加速粒子运动的螺旋轨道半径r与运行时间t的平方根成正比。带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量，在该点处粒子将被束流提取装置提取引出。 若粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁感应强度为B的磁力线，粒子受到垂直于v和B的劳仑兹（Lorentz）力的作用，使粒子沿着曲率半径为r的轨道作圆周运动。不同能量的离子在等时性磁场中沿各自的平衡轨道运行时，其回旋的周期与高频电场的周期相等。已知，一个带电量为q的粒子在磁场B中的回旋频率为[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105649_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105726_01_1623423_3.jpg[/img] 粒子的能量、磁场强度和粒子轨道半径是加速器的三个主要参数 相同q/m的不同粒子，如氘核和氦核，用相同射频（RF）和磁场强度，可以加速到相同的速度，而氘核的动能是氦核动能的一半。在回旋加速器中，为了加速质子达到与氘核相同的速度，往往在设计中使磁场强度B减低一半。加速所需的高频频率F和磁场强度B取决于粒子的质量和带电电荷q。通常根据所需的核反应能量及粒子的质量来设计加速电场频率和磁场强度。但随着粒子旋转速度的提高和能量的增加，相对论作用使得粒子质量将不再是一个常数，即m≠m0，当粒子的速度增加时，它的相对质量（Relativistic mass）也增加。因此，在匀强磁场中其旋转周期也不是一个常数，并且粒子会逐渐进入减速状态。因此，为了使粒子获得较高的能量，或增加磁场强度或改变F，这在一个普通的回旋加速器中是不可能达到的，而且质子在这样的回旋加速器中是不可能被加速到20MeV以上。所以传统的回旋加速器只能加速粒子到一定的能量。为此出现了等时性回旋加速器或调频加速器。 在回旋加速器中，带电粒子经多次加速后，圆周轨道直径达到最大而接近Dees的边缘并具有最大的能量，在该点粒子被束流提取装置提取出。一个粒子从回旋加速器中心飞行到提取装置的总时间约为5ms。在PETtrace回旋加速器中，质子达到16.5MeV的能量约飞行200圈，氘核达到8.5MeV的能量约飞行80圈。