关于扇形聚焦回旋加速介绍

[拼音]：shanxing jujiao huixuan jiasuqi

[外文]：sector-focused cyclotron

它又称磁场强度随方位角变化的回旋加速（简称AVF），是一种能克服经典回旋加速的能量限制， 提高加速粒子能量的圆形加速。

为了克服经典回旋加速的能量限制，1938年L.H.托马斯提出了扇形聚焦回旋加速的初步概念，他建议使磁场沿方位角调变来保证轴向聚焦，平均磁场沿半径增长以保持严格谐振加速。最初的扇形回旋加速是采用直边扇形垫片来产生磁场的方位角调变，叫做托马斯型回旋加速。60年代又进一步发展了螺旋线回旋加速和分离扇回旋加速。螺旋线型回旋加速的磁铁如图1所示，它的磁极面由一块块等厚的边缘为螺旋线形的垫铁安装而成，平均磁场随半径增加，而轴向聚焦力则由扇形磁极所产生的方位角变化磁场提供。这类加速的主平面为pp。在此面上的磁场强度用B表示，由于粒子的运动轨道不再是一个圆，在磁铁扇块边缘上，当粒子斜越时，B作用在速度为v的粒子上的力指向 pp面，这就是所谓边缘聚焦，力的大小和方向由扇块边缘形状决定。只要边缘形状选择恰当，即使在加速其他区域是轴向散焦的，粒子回旋一圈后，其总的效果仍然可以是轴向聚焦的。

扇形聚焦回旋加速的粒子回旋频率不随粒子能量增加而变化。同固定的高频频率始终匹配，因此它又称为等时性回旋加速。

此外，利用扇形垫块或电流垫补线圈可以将这种加速的平均磁场在很大范围内垫补成为满足加速具有不同能量的各种粒子所需的等时场分布。

自1958年建成世界上第一台12MeV质子扇形聚焦回旋加速以来，这类加速的建造数目剧增，许多实验室相继把原有的经典回旋加速改建为这类加速。

扇形聚焦回旋加速的束流能量分辨本领和能量平滑可调性能够同现代的串列静电加速相媲美。

扇形聚焦加速的结构同经典回旋加速的差别是：在磁极表面有扇形垫铁和圆形调谐线圈，在两个相邻扇形垫铁之间的谷中，装有补偿一次谐波的谐波线圈。在中心区设有增强磁场的垫补铁盘或圆形线圈，以利用其随半径减弱的桶形磁场获得轴向聚焦。有些加速，为了更充分地利用磁极间隙，而将D形电极做成扇形的安置于极面上两扇形铁块之间的谷内，相应于这种D形电极系统将要求其高频系统为多相的，或者是倍频的。在加速某些粒子，特别是加速极化离子时，离子源放在加速外边，离子通过适当的离子光学系统注入到加速中。

分离扇回旋加速的工作原理与扇形聚焦回旋加速相同，图2是一个四扇直边分离扇回旋加速的示意图。分开的扇形磁铁对称地沿环形安装。磁铁之间为无场区域，称之为谷区域。固定频率的大功率高频腔可安装在这些区域中，使得粒子获得较高的能量增益。一般高频腔的峰值电压为250kV，因此粒子轨道的圈间距增大，便于注入和单圈引出，从而使束流品质提高。在加速的中心区域，由于有较大的空间，可以安装有较大偏转能力的磁元件。磁铁之间气隙也较小，容易获得较高的磁场强度。如果在极面上安装有若干对垫补电流线圈，通过调整电流能得到加速不同能量的各种粒子所需的等时场。

这种加速在若干加速构成的组合系统中，可作为较理想的主加速。特别是对重离子加速系统，如果用圆形加速作为主加速的话，一般是分离扇回旋加速。

这种加速一般都需要有一个小型加速作为它的注入器，很少单独使用。

参考书目

1. K.Siegbahn，ed.，Proceeding of the International Conference of Sector-Focusing Cyclotrons， North-Holland，Amsterdam， 1962.