線性加速器

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簡介

加速度被稱為速度變化率或單位時間內速度的變化。迴旋加速器是一種產生高速離子的裝置。勞倫斯和利文斯頓建造了這個裝置。它使用同步加速原理。使用像電子和質子這樣的粒子來攻擊原子核，這些粒子由加速器加速。粒子加速器用作預加速器，首先將粒子加速到一定的電壓，然後注入加速器粒子。當帶電粒子穿過固體時，在其路徑上會出現一系列的電離和激發原子。這些可以被檢測或計數。探測器基於此原理工作。大多數探測器使帶電粒子穿過材料。

什麼是線性加速器？

離子沿著線性路徑由沿路徑電極之間的電壓差加速。加速器用於增加離子和電子的動能。使用像電子和質子這樣的粒子來攻擊原子核，這些粒子由加速器加速。線性粒子加速器使用電磁場將帶電粒子加速到接近光速，並將其限制在明確定義的半徑內。大型加速器用於粒子物理學的基礎研究。

工作原理

透過對串聯通道施加振盪電場，可以終止帶電粒子。這種新理論稱為共振加速。這裡在正確的時間給出低電壓脈衝。線性加速器就是這種型別。因此，共振加速是線性加速器的原理。

構造和操作

線性加速器由幾個放置在充滿真空的長形腔室中的圓柱形電極組成。這些管子稱為漂移管。在此管道的縱向方向上，流動呈直線。每個管的長度始終更大。奇數編號的管連線到射頻振盪器的端部，偶數編號的管連線到射頻振盪器的另一端。因此，連續的管具有反向電場。來自放電管一端的離子穿過圓柱形電極的軸線，並在到達兩個圓柱體之間的間隙時加速。因為圓柱體記憶體在恆定電壓，所以在管內離子不會加速。

線性加速器

希臘塞薩洛尼基 - 2018 年 11 月 21 日：希臘北部塞阿吉尼爾醫院放射腫瘤科第一個線性加速器技術 IMRT、IGRT、VMAT 的正式啟用

令帶正電的粒子從左向右移動。當離子穿過第一個圓柱體併到達第一個和第二個圓柱體之間的間隙時，它會加速。現在圓柱體 2 變成正電壓。如果電壓為 v，粒子的電荷為 e，則

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

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

離子以該速度在第二個管中勻速運動。管的長度應進行適當的安排，以便穿過管的長度所需的時間為交流電壓持續時間的一半。因此，當脈衝到達第二個和第三個管間隙時，電場發生變化。因此，粒子加速併到達第三個管。在此，粒子的速度𝑣2可以表示為

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

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

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

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

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

由於它以高速穿過管子，因此穿過管子所需的時間是恆定的。管的長度已相應增加。粒子穿過每個圓柱體所需的時間應為交流電壓週期的二分之一。因此，管的縱向比率為 1:√2:√3；... 並且粒子被加速以及時到達間隙，並且能量增加。管的總數為“n”，如果交流電源的反向電壓為 v，則粒子獲得的能量等於一次作用於粒子的 nv 伏特獲得的能量。

如果振盪頻率為 t，2T=f。因此，穿過第 n 個管道的時間為，

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

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

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

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

從上式可以計算出第 n 個管道的長度。線性加速器的兩個缺點如下：（1）長度非常高。（2）離子電流濃度低。

線性加速器的型別

最常見的型別是 Cockcroft-Walton 發電機和 Van de Graff 發電機

Cockcroft-Walton 發電機

這種高壓裝置的原理非常簡單。當並聯電容器以低電壓充電然後串聯放電時，放電電壓的值等於每個電容器上電荷的總和。該裝置的結構如圖所示。

該裝置中的電容器設定在柱中。由於變壓器提供的電壓的振盪優勢和整流器的自動開關特性，電荷被載入到柱的頂部。這兩個整流器在第一個半週期內導通電流。電流在下一個半週期內導通。這些整流器在下一個半週期內不導通電流。現在反饋電容器

透過接下來的兩個整流器與其他電容器共享電荷。此過程持續到所有電容器完全充電為止。在這種情況下，柱上下端的電壓差等於每個電容器電壓的總和。因此，可以透過增加兩個導體中電容器的數量來獲得所需的高電壓，因此稱為電壓倍增器。輸出將在 DD 之間獲取。

Van de Graff 發電機

當帶電粒子穿過兩個電極之間由高電壓產生的電場時，它會被加速到高電壓。它基於 Van de Graff 開發的這一原理。它可用於獲得高達 400 萬伏的電壓。這種高電壓可用於加速帶電粒子。

待加速的帶電粒子由氣體放電離子源 I 生成。該源放置在殼體 S 中的加速管 T 中。加速管被抽真空，並由串聯排列的幾個絕緣圓柱體組成，並帶有小的間隙。在該管上端靠近離子源處施加高電壓，末端接地。從管的上端到管的下端出現電勢梯度。從上到下移動的離子在圓柱體之間的間隙中加速。該間隙中的電場將粒子集中成束。使該束落在放置在管底部的靶標 G 上。

應用

• 使用線性加速器，可以將電子和質子等粒子加速到數百萬電子伏特。

• 線性加速器的優點是它不需要任何型別的磁鐵來引導粒子。

• 從這些粒子中出來的粒子會自動很好地對齊並形成光束，以便可以直接用它擊中目標。

結論

迴旋加速器是一種產生高速離子的裝置。勞倫斯和利文斯頓建造了這個裝置。它使用同步加速原理。使用像電子和質子這樣的粒子來攻擊原子核，這些粒子由加速器加速。線性粒子加速器使用電磁場將帶電粒子加速到接近光速，並將其限制在明確定義的半徑內。大型加速器用於粒子物理學的基礎研究。使用線性加速器，可以將電子和質子等粒子加速到數百萬電子伏特。線性加速器的優點是它不需要任何型別的磁鐵來引導粒子。最常見的型別是 Cockcroft-Walton 發電機和 Van de Graff 發電機。

常見問題解答

1：什麼是蓋革-彌勒計數器？

蓋革-彌勒計數器由盧瑟福和凱格於 1908 年建立，用於計算放射性物質在給定時間內發射的阿爾法粒子。1928 年，蓋革和彌勒對該系統進行了修改。

2：解釋電子感應加速器

電子感應加速器（Betatron）用於將電子加速到非常高的能量。由於β粒子是電子，因此這種加速器被稱為電子感應加速器。它可以用來將電子加速到300兆電子伏特。

3：閃爍計數器的用途是什麼？

配備無機磷光體的閃爍計數器對於檢測質子、氘核和α粒子非常有效。鎢酸鈣被用作檢測伽馬射線的磷光體。

4：雲室的原理是什麼？

當充滿水蒸氣的空氣突然絕熱膨脹時，溫度會突然下降。如果空氣中存在任何灰塵，就會出現水滴。在無塵空氣中不會出現水滴。但如果空氣中存在任何帶電粒子，就會出現軌跡。威爾遜雲室是離子液滴形成的約束器。離子是由α和β等粒子穿過雲室產生的。

5：什麼是探測器？

當帶電粒子穿過固體時，在其路徑上會出現一系列電離和激發的原子。這些可以被探測或計數。探測器的運作原理就是基於此。