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回旋加速器


背景

现代回旋加速器使用两个中空的 D 形电极,置于真空中的电磁铁两极之间。然后向每个电极施加高频交流电压。在电极之间的空间中,离子源根据配置产生正离子或负离子。这些离子通过静电引力加速进入一个电极,当交流电从正极变为负极时,离子加速进入另一个电极。由于强电磁场,离子沿圆形路径行进。每次离子从一个电极移动到另一个电极时,它们都会获得能量,它们的旋转半径会增加,并且会产生螺旋轨道。这种加速一直持续到它们从电极上逸出。当加速粒子到达螺旋加速路径的末端时,它们被从回旋加速器中取出。这种加速亚原子粒子束可用于轰击各种目标材料以产生放射性同位素。

各种同位素在医学中用作示踪剂,注射到体内和用于某些类型癌症的放射治疗。回旋加速器还用于学术和工业环境中的研究目的,以及正电子发射断层扫描 (PET)。正电子发射断层扫描 (PET) 是一种用于测量活体组织内正电子发射放射性同位素浓度的技术。 PET 的用处在于,在一定限度内,它具有评估体内生化变化的能力。任何出现异常生化变化的身体区域都可以通过 PET 看到。 PET对脑血管疾病、癫痫、脑肿瘤等神经系统疾病的临床应用产生了巨大的影响。

历史

EO Lawrence 和他在加州大学伯克利分校的研究生在 1929 年获得成功之前尝试了许多不同配置的回旋加速器。最早的回旋加速器非常小,使用电极、产生 10 瓦功率的射频振荡器、真空、氢气离子和一个 4 英寸(10 厘米)的电磁体。第一个回旋加速器的加速室直径为 5 英寸(12.7 厘米),根据设置将氢离子提升至 5-45 MeV 的能量。一兆电子伏特 (MeV) 是 1.602 × 1013 J。(J 代表焦耳,能量的标准单位。)越来越大的回旋加速器的设计、构造和操作涉及越来越多的物理学家、工程师和化学家。劳伦斯从来不确定他的研究应该归类为核物理还是核化学。

原材料

回旋加速器中的磁铁由 25 吨低碳钢制成,带有两个镀镍磁极。物理上,回旋加速器重 55 吨,位于内部拱顶内,内部拱顶有混凝土墙和约 6.6 英尺(2 米)厚的门,以在机器运行时保护周围环境免受核辐射的影响。幸运的是,大部分这种辐射的半衰期只有几秒到几分钟,因此不存在长期的废物处理问题。实际尺寸约为 100 × 100.5 × 39 英尺(30.5 × 30.6 × 11.9 米)。线圈由退火铜制成,用玻璃纤维绝缘并用环氧树脂覆盖。铝制真空罐由聚氨酯 O 型圈密封。离子源使用钨丝为氢气提供能量,硼酸聚乙烯填料用于减少回旋加速器组件周围热中子的积聚。目标变换器允许回旋加速器操作员在要照射的每条光束线上选择不同的目标,主要由铝制成,使用最少的不锈钢以最大限度地减少中子活化。

设计

回旋加速器的设计根据购买者的规格而变化。 Ebco Technologies Inc. 制造了两种不同类型的负离子回旋加速器,一种能够将质子加速到最大能级 19 MeV (TR19),另一种能够将质子加速到 32 MeV (TR32)。 TR19 回旋加速器的标准配置是带有两条外部光束线,但有一个缩小版本,可选择一条光束线。 TR19 标准目标配置有两条外部光束线和八个目标。一个光束线上有两个到四个目标的设计选项,以后可以升级到多达八个目标。 TR19 还提供自屏蔽或非屏蔽配置。自屏蔽功能消除了对回旋加速器拱顶或对现有设施进行重大升级的需要。此外,TR19 中的磁隙是垂直的,以最大限度地减少空间。

射频 (RF) 系统由射频放大器、从射频放大器到回旋加速器的同轴传输线、电源、仪器和回读设备、示波器、电流/电压、功率计以及与计算机控制系统。质量流量控制器、针阀和气动阀调节气体压力和流量。

钨丝放置在离子源内,加热时会使氢气电离。等离子过滤器放置在离子源孔上,以增强产生负离子的条件。

产生的负离子将被注入回旋加速器的 X 轴。喷射系统由一组转向磁铁制成,通过倾斜的螺旋偏转器将负离子聚焦到加速平面上。

欧内斯特·奥兰多·劳伦斯。

欧内斯特·奥兰多·劳伦斯 1901 年 8 月 8 日出生于南达科他州。他于 1922 年获得南达科他大学物理学学士学位。劳伦斯进入明尼苏达大学研究生院,在一年内完成了硕士学位。他获得了博士学位。 1925 年在耶鲁大学,作为国家研究委员会的研究员在那里呆了三年,然后担任助理教授。 1928年,他成为加州大学伯克利分校的副教授。两年后,劳伦斯成为伯克利最年轻的正教授。

劳伦斯在 1929 年构思了他最著名的发明,回旋加速器。他意识到要获得核实验所需的几 MeV(百万电子伏特)的粒子能量,他可以通过叠加磁场将粒子的线性轨迹转换为圆形轨迹与粒子路径成直角。劳伦斯立即证明了粒子的旋转频率仅取决于磁场强度和粒子的荷质比,而不取决于其轨道半径。这是回旋加速器的基本原理,劳伦斯于 1930 年秋季首次报道了该原理。

1932 年,劳伦斯结婚并育有六个孩子。 He was elected to the National Academy of Sciences in 1934, awarded the Nobel Prize in physics in 1939, and received the Medal of Merit in 1946 and the Fermi Award in 1957. Lawrence remained at Berkeley until his death August 27, 1958 from an intestinal溃疡。

制造
过程

  1. 项目团队协调导管、电缆桥架、地板管道和相关设备 真空加速室的特写示例。在回旋加速器及其子系统的运输、索具和安装之前。
  2. 制造过程从 25 吨钢磁铁开始。它由 10 英寸(25.4 厘米)厚的板坯加工而成,并放置在强大的电磁铁的两极之间,直到精确测量磁场面积。
  3. 两个镀镍磁极由低碳钢锻造而成。
  4. 两个电磁线圈组件由退火空心铜制成,弯曲成型后硬化。它们安装在磁体的轭中,连接到水冷集管,用玻璃纤维绝缘,并涂有环氧树脂。
  5. 铝制真空罐放置在镀镍杆之间并用螺栓固定到位。真空罐具有外部螺栓连接的低温泵,可将罐冷却至接近 -459°F (-273°C) 以冻结可能存在的任何气体。
  6. 电极由单个 0.06 英寸(1.6 毫米)低电阻铜片加工而成(以优化从射频系统到加速氢离子的能量传输)、切割并使用钻孔工具和钻头蚀刻.
  7. 接下来,在将铜电极安装在罐内后,用聚氨酯 0 环密封罐。使用尼龙螺钉和垫片将电极固定到一块圆形的工业 lisex 尼龙中。在尼龙上钻了几个孔。两个用于振荡器接线。第三个用于真空泵;还有一个真空计连接到这个端口。
  8. 在尼龙的顶部和电极周围是一圈聚氯乙烯 (PVC) 管。它钻了几个孔,其中最大的是探测器存储管。这种材料中还有小孔,足以为偏转板提供电压源,用于控制其位置所需的固定螺钉,以及用于将整个设备悬挂在一组亥姆霍兹线圈。
  9. PVC 管的顶部是一块工业强度的透明塑料。这既是为了让人们看到机构的内部运作,如果出现任何问题,以及增加外壳的强度。
  10. PVC 的两侧是硅胶,以在主腔周围保持足够的密封。这是为了使真空尽可能有效。需要真空是因为 alpha 粒子会受到任何类型粒子的严重影响,尤其是空气。这就是为什么 alpha 粒子被认为如此安全的原因。当他们通过任何媒介接触到一个人时,他们的能量已经受到如此严重的影响,他们无法造成伤害。
  11. 壁由在顶板和底板的正面切割的薄 I 引导到位,两个电极使用 2 英寸(5.1 厘米)尼龙螺钉固定在一起。在这些部件中没有使用焊料,以尽可能保持内腔的清洁和恒定。在一堵墙上开一扇窗户,大约 0.79 英寸(2 厘米)长。
  12. 在尼龙螺丝上枢转的是一块稍小的铜板(偏转器),与组件的其余部分电隔离。外围的固定螺钉可以控制偏转器的位置,并且它和每个电极都具有电气连接。这是为了允许将振荡器提供给电极并且将大的负电荷放置在偏转板上。
  13. RF 系统组装在 19 英寸(48 厘米)见方、6 英尺(1.8 米)高的金属底盘内。在这里,电阻器、发射器、开关、调谐电路、电感器和电容器都是手工组装的。
  14. 为水冷目标和磁铁、离子源、低温泵和水电路购买和组装电源柜。
  15. 离子源将在回旋加速器组装后注入。一个直径为 4 英寸(10 厘米)、长为 4.7 英寸(12 厘米)的磁柱包含离子源。氢气将通过毛细管注入。
  16. 倾斜的螺旋形偏转器由接地的螺旋形电极包围。电极在固定轴铣床上加工。
  17. 接下来,靶体由高纯度银、铝和钛制成,并设计有氦冷却薄箔窗口。两个箔窗将目标材料与回旋加速器内的高真空隔开。
  18. 再循环闭环冷却系统放置在目标服务金属柜中,以使用高速氦气流冷却箔窗。
  19. 管道连接、电磁阀、水冷光束停止器和电隔离准直器组装并连接到目标组件。
  20. 目标组件有一个实心铝塞,上面有一个 4 英寸(10 厘米)的孔,用作目标准直器。
  21. 塞子外侧加工有凹槽,安装 O 形圈以在靶体和四位靶变换器之间形成真空密封。
  22. 准直盘放置在插头和靶体之间,两侧各有一个窗口。
  23. 最后,整个系统与监控软件集成,以控制和监控 PLC 硬件。

质量控制

必须对制造过程的每个步骤进行监控,以确保零件质量达到标准。如果任何组件有裂缝或泄漏,辐射可能会进入环境。回旋加速器磁铁中使用的钢经过仔细监控,以确保其具有所需的特性。通过核磁共振 (NMR) 不断检查磁场。

副产品/废物

制造过程在生产过程中会产生 2-3 吨金属废料。这将被回收用于未来的制造过程。由于零件数量的原因,回旋加速器制造过程中的多余材料很大。如果发现任何有缺陷的零件,它们将尽其所能进行抢救,但大多数都会报废。

未来

密封回旋加速器单元的改进要求在安装地点提供更少的混凝土屏蔽并提供更安全和更紧凑的回旋加速器单元。更强大的回旋加速器正在设计用于商业同位素生产。最新系列的回旋加速器是最先进的、紧凑的、强聚焦的、四扇形负离子回旋加速器,带有外部离子源、低温泵、高精度电源和控制系统,以及卓越的制造质量。无论回旋加速器的大小和类型如何,它们现在都采用模块化设计并共享通用技术。

哪里可以了解更多

书籍

劳伦斯、欧内斯特 0. 和欧文朗缪尔。 分子膜:回旋加速器和 新生物学。 新不伦瑞克:罗格斯大学出版社,1942 年。

期刊

Burgerjon, J. J. 和 A. Strathdee,编辑。 回旋加速器 1972 年。 纽约:美国物理研究所,1972 年。

邦尼 P. 麦克莱恩


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