线性加速器

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简介

加速度被称为速度变化率或单位时间内速度的变化。回旋加速器是一种产生高速离子的装置。劳伦斯和利文斯顿建造了这个装置。它使用同步加速原理。使用像电子和质子这样的粒子来攻击原子核，这些粒子由加速器加速。粒子加速器用作预加速器，首先将粒子加速到一定的电压，然后注入加速器粒子。当带电粒子穿过固体时，在其路径上会出现一系列的电离和激发原子。这些可以被检测或计数。探测器基于此原理工作。大多数探测器使带电粒子穿过材料。

什么是线性加速器？

离子沿着线性路径由沿路径电极之间的电压差加速。加速器用于增加离子和电子的动能。使用像电子和质子这样的粒子来攻击原子核，这些粒子由加速器加速。线性粒子加速器使用电磁场将带电粒子加速到接近光速，并将其限制在明确定义的半径内。大型加速器用于粒子物理学的基础研究。

工作原理

通过对串联通道施加振荡电场，可以终止带电粒子。这种新理论称为共振加速。这里在正确的时间给出低电压脉冲。线性加速器就是这种类型。因此，共振加速是线性加速器的原理。

构造和操作

线性加速器由几个放置在充满真空的长形腔室中的圆柱形电极组成。这些管子称为漂移管。在此管道的纵向方向上，流动呈直线。每个管的长度始终更大。奇数编号的管连接到射频振荡器的端部，偶数编号的管连接到射频振荡器的另一端。因此，连续的管具有反向电场。来自放电管一端的离子穿过圆柱形电极的轴线，并在到达两个圆柱体之间的间隙时加速。因为圆柱体内存在恒定电压，所以在管内离子不会加速。

线性加速器

希腊塞萨洛尼基 - 2018 年 11 月 21 日：希腊北部塞阿吉尼尔医院放射肿瘤科第一个线性加速器技术 IMRT、IGRT、VMAT 的正式启用

令带正电的粒子从左向右移动。当离子穿过第一个圆柱体并到达第一个和第二个圆柱体之间的间隙时，它会加速。现在圆柱体 2 变成正电压。如果电压为 v，粒子的电荷为 e，则

$$\mathrm{ev\:=\:\frac{1}{2}\:mv_1^2}$$

$$\mathrm{v_1\:=\:\sqrt\frac{2ev}{m}}$$

离子以该速度在第二个管中匀速运动。管的长度应进行适当的安排，以便穿过管的长度所需的时间为交流电压持续时间的一半。因此，当脉冲到达第二个和第三个管间隙时，电场发生变化。因此，粒子加速并到达第三个管。在此，粒子的速度𝑣2可以表示为

$$\mathrm{e.2v\:=\frac{1}{2}\:mv_2^2}$$

$$\mathrm{v_2^2\:=\:\sqrt\frac{4ev}{m}}$$

$$\mathrm{v_2^2\:=\:2\sqrt\frac{4ev}{m}}$$

$$\mathrm{=\:\sqrt2\:\sqrt\frac{2ev}{m}}$$

$$\mathrm{v_2\:=\:\sqrt2v_1}$$

由于它以高速穿过管子，因此穿过管子所需的时间是恒定的。管的长度已相应增加。粒子穿过每个圆柱体所需的时间应为交流电压周期的二分之一。因此，管的纵向比率为 1:√2:√3；... 并且粒子被加速以及时到达间隙，并且能量增加。管的总数为“n”，如果交流电源的反向电压为 v，则粒子获得的能量等于一次作用于粒子的 nv 伏特获得的能量。

如果振荡频率为 t，2T=f。因此，穿过第 n 个管道的時間为，

$$\mathrm{T\:=\:\frac{1}{2f}\:=\:\frac{L_n}{v_n}}$$

$$\mathrm{but\:v_n\:=\:\frac{2nev}{m}}$$

$$\mathrm{\therefore\:L_n\:\frac{v_n}{2f}\:=\:\sqrt\frac{2nev}{m}\:\frac{1}{2f}}$$

$$\mathrm{L_{n}\:=\:\frac{(\frac{nev}{2m})^{\frac{1}{2}}}{f}}$$

从上式可以计算出第 n 个管道的长度。线性加速器的两个缺点如下：（1）长度非常高。（2）离子电流浓度低。

线性加速器的类型

最常见的类型是 Cockcroft-Walton 发电机和 Van de Graff 发电机

Cockcroft-Walton 发电机

这种高压装置的原理非常简单。当并联电容器以低电压充电然后串联放电时，放电电压的值等于每个电容器上电荷的总和。该装置的结构如图所示。

该装置中的电容器设置在柱中。由于变压器提供的电压的振荡优势和整流器的自动开关特性，电荷被加载到柱的顶部。这两个整流器在第一个半周期内导通电流。电流在下一个半周期内导通。这些整流器在下一个半周期内不导通电流。现在反馈电容器

通过接下来的两个整流器与其他电容器共享电荷。此过程持续到所有电容器完全充电为止。在这种情况下，柱上下端的电压差等于每个电容器电压的总和。因此，可以通过增加两个导体中电容器的数量来获得所需的高电压，因此称为电压倍增器。输出将在 DD 之间获取。

Van de Graff 发电机

当带电粒子穿过两个电极之间由高电压产生的电场时，它会被加速到高电压。它基于 Van de Graff 开发的这一原理。它可用于获得高达 400 万伏的电压。这种高电压可用于加速带电粒子。

待加速的带电粒子由气体放电离子源 I 生成。该源放置在壳体 S 中的加速管 T 中。加速管被抽真空，并由串联排列的几个绝缘圆柱体组成，并带有小的间隙。在该管上端靠近离子源处施加高电压，末端接地。从管的上端到管的下端出现电势梯度。从上到下移动的离子在圆柱体之间的间隙中加速。该间隙中的电场将粒子集中成束。使该束落在放置在管底部的靶标 G 上。

应用

• 使用线性加速器，可以将电子和质子等粒子加速到数百万电子伏特。

• 线性加速器的优点是它不需要任何类型的磁铁来引导粒子。

• 从这些粒子中出来的粒子会自动很好地对齐并形成光束，以便可以直接用它击中目标。

结论

回旋加速器是一种产生高速离子的装置。劳伦斯和利文斯顿建造了这个装置。它使用同步加速原理。使用像电子和质子这样的粒子来攻击原子核，这些粒子由加速器加速。线性粒子加速器使用电磁场将带电粒子加速到接近光速，并将其限制在明确定义的半径内。大型加速器用于粒子物理学的基础研究。使用线性加速器，可以将电子和质子等粒子加速到数百万电子伏特。线性加速器的优点是它不需要任何类型的磁铁来引导粒子。最常见的类型是 Cockcroft-Walton 发电机和 Van de Graff 发电机。

常见问题解答

1：什么是盖革-弥勒计数器？

盖革-弥勒计数器由卢瑟福和凯格于 1908 年建立，用于计算放射性物质在给定时间内发射的阿尔法粒子。1928 年，盖革和弥勒对该系统进行了修改。

2：解释电子感应加速器

电子感应加速器（Betatron）用于将电子加速到非常高的能量。由于β粒子是电子，因此这种加速器被称为电子感应加速器。它可以用来将电子加速到300兆电子伏特。

3：闪烁计数器的用途是什么？

配备无机磷光体的闪烁计数器对于检测质子、氘核和α粒子非常有效。钨酸钙被用作检测伽马射线的磷光体。

4：云室的原理是什么？

当充满水蒸气的空气突然绝热膨胀时，温度会突然下降。如果空气中存在任何灰尘，就会出现水滴。在无尘空气中不会出现水滴。但如果空气中存在任何带电粒子，就会出现轨迹。威尔逊云室是离子液滴形成的约束器。离子是由α和β等粒子穿过云室产生的。

5：什么是探测器？

当带电粒子穿过固体时，在其路径上会出现一系列电离和激发的原子。这些可以被探测或计数。探测器的运作原理就是基于此。