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日聯科技x-ray：射線源的種類的發展
欄目：業界資訊 發布時間：2021-04-15
天然射線源一般強度比較低，而且難以根據需要任意調節，不能很好滿足科技工作的需要。為此，人們探索能夠產生強度大、能量高、性能好、容易調節和控制的射線源，研制出各種粒子加速器。
我們知道，許多粒子如電子、質子、α粒子等等都是帶電的，它們可在電磁場中被加速而獲得很高的能量。這種能夠使帶電粒子在電磁場作用下加速并獲得很高能量的機器就是粒子加速器。
按帶電粒子所走的軌跡來分，有直線型、圓型和螺旋型。按加速器電場分類，則有利用直流高壓電場加速的，利用高頻諧振電場加速的和利用磁場變化所產生的感應電場加速的等。按被加速的帶電粒子種類來分，則有電子、質子、氘核和各種重元素離子加速器。它們各自都有適用于自己的粒子品種、能量范圍以及性能特色。幾十年來，它們在相互競爭中不斷地發展、完善和更新，同時也在競爭和發展中相互補充。許多大中型的粒子加速器（如重離子加速器和高能加速器）往往采用多種粒子加速器的組合，例如先用直流高壓型加速器作預加速器，再用直流諧振式加速器將帶電粒子加速到中能，最后再注入到回旋諧振式加速器加速到高能。
帶電粒子加速器的研制是在核物理研究的興趣開始高漲的本世紀30年代初開始發展起來的。1932年世界上第1臺范德格喇夫加速器（靜電加速器），第1臺考克饒夫-瓦爾頓加速器（高壓倍加速器）和第1個回旋加速器幾乎同時問世。為了將帶電粒子加速到能量為幾個MeV，這些粒子加速器的原理和結構是簡明而巧妙的。它們打開了加速器研究和開發的道路，成為現代科學技術中一個相當重要的領域。幾位著名的研制加速器的先驅者R.J.范德格喇夫、J.D.考克饒夫、E.T.S.瓦爾頓和E.O.勞倫斯后來分別獲得了諾貝爾物理學獎。第一批粒子加速器的運行，顯示了這種用人工方法制造的粒子射線源的很大的優越性，主要有以下一些：
（1）天然的射線源一般只能產生有限的幾種射線，如中子、γ射線、β射線、α射線等，而粒子加速器所能產生的射線種類要多得多，例如重離子加速器可以產生出從氫到鈾的所有元素的離子束。
（2）由加速器產生的射線束的能量和強度可以根據需要任意選擇和精確控制。
（3）加速器產生的粒子束流強度高、性能好。
（4）加速器可以根據需要隨時運行和停機，停機以后就不再產生射線，便于管理和維修。
隨著原子核物理和基本粒子物理研究的不斷深入，以及各種科學技術對粒子加速器需求的不斷增長，許多科學家進一步提出了很多種新的加速原理和技術，研制成功了一批各具特色的新加速器。
1940年D.W.克斯特成功利用電磁感應產生的渦旋電場加速到很高能量的電子感應加速器。1945年B.U.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自獨立提出了諧振加速的自動穩相原理，為高能粒子加速器的發展開辟了道路。二戰期間，L.W.阿爾瓦雷茨和漢森分別研制成功第一臺質子駐波直線加速器和電子行波直線加速器，為直線加速器的發展奠定了基礎。1956年克斯特提出了一種通過高能粒子束之間的對頭碰撞（對撞）來提高粒子束的有效作用能新的建議，從而導致了高能對撞機這種新穎高能加速器的問世。本世紀60年代后期，重離子加速器的發展，使得可加速的粒子從最初的一些輕元素離子發展到元素周期表上的全部天然元素的離子。
人們利用粒子加速器發現了絕大多數的新的超鈾元素，合成了上千種新的放射性核素，極大地促進了原子核物理學的發展。高能加速器的發展，以宇宙射線難以比擬的速度發現了上百種基本粒子，包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子，大大地促進了基本粒子物理學的形成和發展。近30年來，粒子加速器這種能夠產生各種射線的機器，主要是低能粒子加速器，已經遠遠地超出了原子核物理學和基本粒子物理學的范疇，在半導體、材料科學、表面科學、生物學、醫學等其它科技領域如同位素生產、疾病的診斷和治療、射線消毒與保鮮、材料的輻照改性、粒子束表面分析、離子注入等等發揮著日益重要的作用。
迄今被廣泛應用的粒子加速器不下20種，每種加速器都有各自適用的能量范圍和粒子種類。為了滿足科學技術和實際應用的日益增長的需求，世界各地已先后建造了數以千計的粒子加速器，其中主要是能量在100MeV以下的低能加速器。這許多種粒子加速器在加速原理和構造上可以說是異彩紛呈，各具特色，但是它們在主要組成部分上仍然有許多共同之處。作為一個粒子加速器應該具有以下3個組成部分：
（1）帶電粒子源，如電子槍和離子源等，是粒子加速器的源頭，用以提供所需的各種帶電粒子。
（2）真空加速系統，是裝有加速電場產生機構的真空室，如加速管、加速槍等，用以向帶電粒子施加一定形態的加速電場，同時保證帶電粒子在加速的過程中不至于受到空氣分子碰撞的影響。
（3）帶電粒子束的導引和聚焦系統，應用某種形式的電磁場來引導和約束被加速的粒子束，使之沿著既定軌道加速和前進。本書只概要地介紹幾種主要加速器的工作原理、特性及其主要應用范圍
粒子加速器有很多種。按粒子最終可獲得的能量來分，有低能、中能和高能粒子加速器。粒子的能量單位是電子伏特，通常把帶一個電荷的粒子在電場中經過1伏特電位差時所獲得的能量定為1電子伏特，用符號eV表示。常用的單位是千電子伏特（keV）、兆電子伏特（MeV）和吉電子伏特（GeV，109eV）。通常把能量在100MeV以下的稱為低能粒子加速器，能量在0.1～1GeV之間的稱為中能粒子加速器，而能量在1GeV以上的稱為高能粒子加速器。
帶電粒子加速器的研制是在核物理研究的興趣開始高漲的本世紀30年代初開始發展起來的。1932年世界上第1臺范德格喇夫加速器（靜電加速器），第1臺考克饒夫-瓦爾頓加速器（高壓倍加速器）和第1個回旋加速器幾乎同時問世。為了將帶電粒子加速到能量為幾個MeV，這些粒子加速器的原理和結構是簡明而巧妙的。它們打開了加速器研究和開發的道路，成為現代科學技術中一個相當重要的領域。幾位著名的研制加速器的先驅者R.J.范德格喇夫、J.D.考克饒夫、E.T.S.瓦爾頓和E.O.勞倫斯后來分別獲得了諾貝爾物理學獎。第一批粒子加速器的運行，顯示了這種用人工方法制造的粒子射線源的很大的優越性，主要有以下一些：
（1）天然的射線源一般只能產生有限的幾種射線，如中子、γ射線、β射線、α射線等，而粒子加速器所能產生的射線種類要多得多，例如重離子加速器可以產生出從氫到鈾的所有元素的離子束。
（2）由加速器產生的射線束的能量和強度可以根據需要任意選擇和精確控制。
（3）加速器產生的粒子束流強度高、性能好。
（4）加速器可以根據需要隨時運行和停機，停機以后就不再產生射線，便于管理和維修。
隨著原子核物理和基本粒子物理研究的不斷深入，以及各種科學技術對粒子加速器需求的不斷增長，許多科學家進一步提出了很多種新的加速原理和技術，研制成功了一批各具特色的新加速器。
1940年D.W.克斯特成功利用電磁感應產生的渦旋電場加速到很高能量的電子感應加速器。1945年B.U.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自獨立提出了諧振加速的自動穩相原理，為高能粒子加速器的發展開辟了道路。二戰期間，L.W.阿爾瓦雷茨和漢森分別研制成功第一臺質子駐波直線加速器和電子行波直線加速器，為直線加速器的發展奠定了基礎。1956年克斯特提出了一種通過高能粒子束之間的對頭碰撞（對撞）來提高粒子束的有效作用能新的建議，從而導致了高能對撞機這種新穎高能加速器的問世。本世紀60年代后期，重離子加速器的發展，使得可加速的粒子從最初的一些輕元素離子發展到元素周期表上的全部天然元素的離子。
人們利用粒子加速器發現了絕大多數的新的超鈾元素，合成了上千種新的放射性核素，極大地促進了原子核物理學的發展。高能加速器的發展，以宇宙射線難以比擬的速度發現了上百種基本粒子，包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子，大大地促進了基本粒子物理學的形成和發展。近30年來，粒子加速器這種能夠產生各種射線的機器，主要是低能粒子加速器，已經遠遠地超出了原子核物理學和基本粒子物理學的范疇，在半導體、材料科學、表面科學、生物學、醫學等其它科技領域如同位素生產、疾病的診斷和治療、射線消毒與保鮮、材料的輻照改性、粒子束表面分析、離子注入等等發揮著日益重要的作用。
迄今被廣泛應用的粒子加速器不下20種，每種加速器都有各自適用的能量范圍和粒子種類。為了滿足科學技術和實際應用的日益增長的需求，世界各地已先后建造了數以千計的粒子加速器，其中主要是能量在100MeV以下的低能加速器。這許多種粒子加速器在加速原理和構造上可以說是異彩紛呈，各具特色，但是它們在主要組成部分上仍然有許多共同之處。作為一個粒子加速器應該具有以下3個組成部分：
（1）帶電粒子源，如電子槍和離子源等，是粒子加速器的源頭，用以提供所需的各種帶電粒子。
（2）真空加速系統，是裝有加速電場產生機構的真空室，如加速管、加速槍等，用以向帶電粒子施加一定形態的加速電場，同時保證帶電粒子在加速的過程中不至于受到空氣分子碰撞的影響。
（3）帶電粒子束的導引和聚焦系統，應用某種形式的電磁場來引導和約束被加速的粒子束，使之沿著既定軌道加速和前進。本書只概要地介紹幾種主要加速器的工作原理、特性及其主要應用范圍
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