回旋式大型摇瓶机

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]

[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]

[center]一、磁场系统[/center] 磁场系统提供被加速的带电粒子在所控制的轨道中做圆周运动所需要的磁场强度，由磁铁、线圈、磁场电源配给系统（Magnet Power Supply PSMC）等组成。 现代医用回旋加速器的磁场结构设计根据粒子动力学和LH Thomas的轴向聚焦理论采用与传统回旋加速器的平面磁极不同的扇形磁极，其形成的深谷磁场代替了传统的匀强磁场。常用的扇形磁极有直边扇形磁极、螺旋扇形磁极和分离扇形磁极等。回旋加速器的磁体常见的有方形和C形两种结构，前者由两个横梁和两个立柱组成的磁轭加上两个磁极构成，是普通回旋加速器普遍采用的结构。而分离扇形的等时性回旋加速器则常采用后者，它可提供较多的空间来安放束流的其它设备。回旋加速器的磁铁通常由含碳量极低的工业纯铁或低碳钢制成。（一） 磁感应强度的选择[center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911021206_179795_1623423_3.jpg[/img][/center] 回旋加速器的工作磁场B愈高，其基本造价就愈低。从经济的观点看，B愈高愈好。然而，磁场过高时，磁体钢材的导磁率将迅速下降，发生“磁饱和”现象，此时不仅磁体激磁的效率大大下降，从而可使造价和运行费用反而升高，更重要的是磁场的分布将随激励水平的高低而发生显著变化，这将会给加速离子能量和品种的调节造成巨大的困难。因此，通常将B选择在1.2~2.0T之间。离子种类和能量固定的加速器的磁感应强度往往选在2.0T附近，离子和能量可变的加速器则选择在低限附近。 回旋加速器的磁铁通常用磁钢的锻件制成，也可用若干厚钢板迭焊后再进行加工而制成。为了达到高的磁感应强度B，所用的材料必须是饱和磁感应强度高的磁钢。钢材中的杂质（主要为碳）可造成饱和磁感应强度下降，因此通常采用含碳量极低的工业纯铁（“阿姆科”软铁）或低碳钢作为回旋加速器主磁铁铁芯的材料。 近年来，由于超导磁体技术的进展，已成功地将该技术应用于回旋加速器，建成了超导回旋加速器，这类加速器的磁体主线圈是用铌钛和铜的合金材料制成。当液氮将线圈冷却到4.2K时，通过的电流高达34000A，可产生约5.0T的强磁场。在这样的条件下，回旋加速器的尺寸只是常规型的1/3~1/2左右，而磁体的运行费用仅为常规的1/10。（二） 磁体设计与激励效率由Maxwell定律可以证明，磁通量与激磁绕组的安匝数之间存在着一种类似于欧姆定律的关系式，即[center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911021213_179805_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911021213_179806_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911021213_179807_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911021214_179808_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911021214_179810_1623423_3.jpg[/img][/center]