直线加速器物理Part(精品)

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直线加速器物理Part(精品)

x'' Fx qgx gx
pzvz
pz
B
磁刚度： B mv mvz qq
定义四极磁铁聚焦强度：K g q By q By
B mv x m0c x
单位： m2
则横向运动方程可以写成： x''Kx 0
y''Ky 0
x''Kx 0 y''Ky 0
粒子在四极磁铁中的横向运动方程称作Mathier-Hill方程。
令 k 2 (z) K(z) qg(z) g(z)
m0c B
横向运动方程也可写成：
d2x dz2
hk
2
(z)x
0
d2y dz2
hk
2
(
z)
y
0
h 1,0
虽然四极磁铁只在一个方向聚焦（如x方向），另一个方向（y方向）散焦，但是通过聚焦和散焦磁铁的交错排列（交变梯度聚焦），可以最终做到对两个方向（x和y方向）的聚焦（强聚焦原理）。这种磁铁的排列组合，通常被称作Lattice（磁聚焦结构）。
根据哈密顿方程解的唯一性，可知相空间中粒子的相轨迹彼此互不相交。由此可知处于区域内的相点不会移到区域的外边，原来边界上的相点也不会移动到区域内部，这样，束流相图边界的运动、变化就可以代表区域内所有相点的集体运动行为，也就代表了整个束流的运动行为。
位置-斜率束流相空间
通常把组成束流的大量粒子的“质心”定义为参考粒子，参考粒子的运动轨迹与束轴（z轴）始终重合。任意粒子的运动可看作参考粒子的运动与任意粒子相对于参考粒子的运动的叠加。
Bn
cos(t
2n
Lc
z
0 )
上式表示Ez场由一系列波数和相速各不相同的空间谐波分量组成，波

直线加速器原理

直线加速器原理
直线加速器是一种物理实验装置，用于加速带电粒子（如电子、质子等）至高能状态，从而进行粒子物理学研究或应用。

直线加速器的工作原理基于两个主要步骤：加速和聚焦。

首先，加速器中的高频电场通过加速腔以驱动带电粒子在直线加速器中移动。

这个高频电场是由RF（射频）发射器产生的，其频率通常在几百兆赫兹至几十吉赫兹之间。

当带电粒子进入直线加速器时，它们会通过一系列电极和加速腔。

在每一个加速腔中，带电粒子会被高频电场加速，并获得额外的能量。

带电粒子跨越每个加速腔的时间很短，通常在纳秒至微秒的量级，因此直线加速器能够在极短的时间内将粒子加速到极高的速度。

为了保持粒子束的稳定性和准直度，直线加速器还配备了一系列聚焦磁铁。

这些磁铁通过产生磁场来控制带电粒子的轨道，以确保它们保持在一条直线上。

直线加速器的加速和聚焦步骤被反复进行，直到带电粒子达到所需的高能状态。

当粒子达到最终的目标速度后，它们可以用于各种粒子物理实验，例如高能物理学研究、医学放射治疗和工业辐射应用等。

总的来说，直线加速器通过利用高频电场和聚焦磁场的作用，
将带电粒子加速到高能状态，为粒子物理学研究和应用提供了重要的工具。

第十讲直线加速器

L/4
L/ 4 Ezmdz
L
/4
cosd
/4
L/2
L/4
2 sin /4
/ 4
L
0.9
相运动特点
Ea
eVa cos eVs s
s
T Ts
横向散焦问题：当非同步粒子加速相位（速度相位）为负时，即它们进入加速电场时，受时间散焦区的影响，产生横向散焦作用
解决方法： 1 阿尔法瑞兹法，用钨网膜放置于漂移管入口，改变电场分布，有利于聚焦； 2 漂移管中放置四极透镜
能量调频方式
盘荷尺寸(a和b)虽然一般固定不变，但当增大微波频率时，对该盘荷来说，皱褶深度相对增大，导致相速度减小。故一般采用微波调频的方式来改变相速度，从而调节最终粒子加速能量
相运动特点
Ea
rf ,t
eVa cos eVs s
s
T Ts
Ea
z
s
s
非同步粒子能自动稳相之条件：
rf ,z s
对于光滑波导，满足
rf ,z
c
cos
p rf ,z c
c 1 ( kc )2
k
为了慢波以加速电子，则有
p rf ,z
c c 1 ( kc )2
k
kc为虚数，令kc＝iKc
Ez Ez0 J0 (iKcr) cos(rf t kz z)
零阶虚贝赛尔函数
2.28
1
1.266
J0 ( x)
fc 2 k 2 b
c
2
2.405 b
fc
c
g
慢波原理
如输电线路过长，可将线路视为负载。如50Hz交流电的波长达6000km
线间距
线半径

直线加速器物理-Part4

因此Zeff比Zs更能表述驻波加速结构的效率。
对质子直线加速器，加速效率与加速间隙的几何尺寸和质子速度相关，因此从低能加速到高能，需要在不同的能量段采用不同的加速结构，以提高加速效率。
sin(g ) T g
质子直线加速器常用的加速结构
Energy
0.045 -- 3.0 MeV 3.0 -- 100 MeV 100 -- 1000 MeV
原10MeV段 9.68 60 50-100 1,2,5,12.5 7.27 1.55-2.08 -35 ~ -30 0.6 1.13 6-8
< ±0.6%
35MeV整机 35.51 60 50-100 1,2,5,12.5 21.83 1.65-2.18 -40 ~ -25 2.8 4.89 6-8
可以得到每个模的群速：
d vg 0 dk d vg a kc Lc / 2 dk
0模和模
/2模
因此/2模的群速最大，能量传递也最快，这对于克服强流加速器中的束流负载效应及瞬态微扰都是有利的。 /2模所有反向谐波的相速与粒子运动速度相反，对粒子的能量增益没有贡献，全部损耗在腔壁上，分路阻抗最小，只相当于行波结构的一半；模处在通带的边缘，正向谐波和反向谐波的相速相同，对粒子的加速均有贡献，与行波结构的分路阻抗相当，具有最大的分路阻抗；
• 结构紧凑、体积小、使用方便
• 正负离子均可加速，应用广泛
DESY – RFQ-1
四杆型（Four – Rod） RFQ
Four – Vane RFQ at IHEP ( 3.5 MeV )
漂移管型直线加速器（DTL－Drift Tube Linac）
束流在经过间隙时加速（Ez>0），当Ez<0时在束流进入漂移管内。周期长度为

直线加速器工作原理及应用

直线加速器工作原理及应用直线加速器是一种具有很高加速能力的粒子加速器，它是通过在直线上施加电场或磁场来加速带电粒子。

直线加速器的工作原理可以简单分为两个步骤：加速和聚焦。

在加速阶段，带电粒子首先从起始点进入加速腔室。

加速腔室内部通常设有一系列的电极或磁铁。

在这些电极或磁铁之间，建立一个交变电场或者静磁场。

带电粒子在这个电场或磁场中会被加速，并且沿着直线方向运动。

通常每个腔室的电场或磁场逐渐增加，以达到足够高的粒子能量。

在聚焦阶段，为了使粒子束保持紧凑和稳定，必须对粒子束进行聚焦。

聚焦通常通过感应电场或磁场来实现。

这些电场或磁场可以根据粒子的位置和运动状态，对粒子束进行调整和纠正，以确保粒子束在整个加速器中保持稳定。

直线加速器的应用非常广泛。

它主要用于核物理研究、高能粒子物理研究和医学领域。

在核物理研究中，直线加速器被用来研究原子核结构、核反应和核衰变等现象。

它可以产生高能的质子、中子、重离子或电子束，以探测和分析原子核结构。

通过对高能粒子的相互作用进行研究，可以揭示物质的基本组成和性质。

在高能粒子物理研究中，直线加速器被用来研究基本粒子的性质和相互作用。

例如，欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就是通过将两个直线加速器从不同方向加速的质子束对撞，从而产生高能的对撞事件。

通过对这些对撞事件的观测和分析，可以研究基本粒子的性质、相互作用和宇宙学等问题。

在医学领域，直线加速器被用于肿瘤放疗。

直线加速器可以利用高能粒子束，直接瞄准和杀灭肿瘤组织，减少对正常组织的伤害。

通过控制电子束的剂量和能量，可以精确地照射肿瘤部位，提高放疗效果。

此外，直线加速器还可以应用于工业领域。

例如，在食品工业中，直线加速器可以用来杀菌和杀虫。

通过高能电子束对食品进行辐照处理，可以有效地杀死细菌和寄生虫，延长食品的保质期。

总之，直线加速器作为一种高能粒子加速器，具有很高的加速能力和广泛的应用领域。

它在核物理研究、高能粒子物理研究、医学和工业等领域都起到了重要的作用。

直线加速器

直线加速器案例：医用直线加速器是当代医学界中的一类高精度设备,涉及机械、电子及高能物理等学科的知识,仪器的复杂程度很高.该设备是一放射治疗设备,是目前有效治疗肿瘤的手段之一,所以对设备的工作、运行条件要求很高。

相关章节：1-1 质点运动的描述；3-6 功能原理机械能守恒定律；14-3 狭义相对论的时空观；相关知识点：参考系质点；机械能守恒定律；长度的收缩；原理：（1）图为直线加速器的意图。

（2）如图所示，金属圆管为加速管（又称漂移管），总共有N+1个。

每个漂移管的长度依次递增，排列在奇数或偶数位置的漂移管分别与高频振荡器的两端相连。

带电粒子（重离子或电子）只是处在两管之间的间隙中时才受到电场的加速作用。

在漂移管中，由于为等电势区，电场强度为零，带电粒子在其中作匀速直线运动。

为使粒子在两管的间隙中能得到不断的加速，漂移管长度的设计有严格的要求。

（3）问题1：已知f为振荡频率，V n是粒子通过第n+1个漂移管的速度，则第L n+1个漂移管的长度是多少？答：L n+1=V n t=V n/2f（4）问题2：设入射离子的能量是E0,，经过n个间隙的加速后离子在第n+1个漂移管的能量是多少？（离子质量为m0，速度为V n）答：根据能量守恒定律E n=E0+neZV0=m0c2/√1-(V n/c)2（5）问题3：若该装置为初速度为0 的匀直线加速器，则漂移管之间长度之比应为多少？答：1:3:5.....(2n+1)（6）问题4：若离子的初始速率为v0，给间隙添加一个大小为U的电场，则离子进入第二个漂移管的速率是多少？答：根据能量守恒可得mv02/2=mv2/2+eUv=√v02-2qU/m（7）问题5：静止时看离子直线加速器的长为L，经直线加速器加速后的电子相对其静止的惯性系看直线加速器的总长L，是多少？答：根据洛伦兹变换式可得L，=L√1-β2。

直线加速器工作原理

直线加速器工作原理直线加速器是一种高能粒子加速器，主要用于粒子物理学、核物理学和医学领域的研究。

其工作原理是利用一定的电场和磁场将带电粒子加速至高速度，以达到所需的能量。

直线加速器由加速腔和加速器管组成。

加速腔是加速器管中的一部分，其内部空间被两个金属板构成。

这两个金属板具有高频电场，当高频电场传入时，强烈的电场使带电粒子被加速。

由于粒子前进的方向为直线，因此称之为直线加速器。

直线加速器应用电磁学中的电场和磁场相互协作的基本原理，将极弱的带电粒子加速到高速度。

在正常情况下，一枚带电粒子会因为静电斥力而遵循圆周运动，这种运动需要将粒子引导进一个能使其绕圆运动的磁场中。

但是直线加速器中的磁场是一个恒定的磁场，无法使粒子绕圆运动。

为了克服这一问题，直线加速器的加速腔中应用了高频电场，可以产生助推作用，与磁场一起让带电粒子向前加速。

直线加速器的工作过程大致如下：首先，通过可控的电压源使加速卡在加速器管中，然后加入一定频率的高频电场，电场与磁场协作，启动电子并加速运动。

在粒子通过加速管时，高频电场会不断地影响带电粒子，使其呈波浪形向前运动。

粒子运动越快，电场也需要越强，从而使粒子能够持续加速。

最终，由于质量和电荷量限制，粒子到达了其极限速度，加速过程就结束了。

通过直线加速器，可以将粒子加速到非常高的速度，达到亿级电子伏能级别，可用于探索基本粒子的性质、直接观察物质的结构和反应过程。

在医学领域，直线加速器被广泛应用于肿瘤治疗，其原理是用高能光子或电子束直接打断肿瘤细胞的DNA，以达到治疗目的。

总之，直线加速器的工作原理是利用电场和磁场调控带电粒子的移动轨迹，使其加速到高速度。

其在粒子物理学、核物理学和医学领域的应用具有重要意义。

直线加速器系统讲义108页文档

13、遵守纪律的风气的培养，只有领导者本身在这方面以身作则才能收到成效。—— 马卡连柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅精神以及同全世界劳动者的团结一致，是取得最后胜利的保证。—— 列宁摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
பைடு நூலகம்
直线加速器系统讲义
11、战争满足了，或曾经满足过人的好斗的本能，但它同时还满足了人对掠夺，破坏以及残酷的纪律和专制力的欲望。 ——查·埃利奥特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段。纪律是教育过程的结果，首先是学生集体表现在一切生活领域—— 生产、日常生活、学校、文化等领域中努力的结果。— —马卡连柯(名言网)

高中物理直线加速器工作原理

高中物理直线加速器工作原理直线加速器是一种用于加速带电粒子的装置，在物理科学研究和医学放射治疗等领域有着重要的应用。

本文将介绍高中物理直线加速器的工作原理。

1. 概述直线加速器是一种加速带电粒子的加速装置，通过不断增加粒子的动能，使其达到较高速度。

其基本组成包括电磁场产生器、加速腔和束流管等部分。

2. 工作原理2.1 电磁场产生器直线加速器中的电磁场产生器通常是由高电压电源和磁铁组成。

磁铁会产生一个稳定的磁场，而高电压电源则提供加速粒子所需的电场。

这两者共同作用下，形成一个稳定的电磁场。

2.2 加速腔加速腔是直线加速器中的主要部分，其内部充满了交变电场。

当带电粒子进入加速腔时，会受到电场的驱动而被加速。

通过频率控制和电场强度调节，可以实现对粒子的准确加速。

2.3 粒子束流管粒子在加速腔中受到加速后，会形成一束流。

粒子束流管的作用是将粒子束流引导到需要的位置，例如目标或探测器。

粒子束流管通常包括磁场和聚焦器等组件，用于保持粒子束流的稳定和方向性。

3. 实现加速过程在直线加速器中，粒子的加速过程主要受到电磁场的影响。

当带电粒子进入加速腔后，会受到电场的作用而加速运动，直至达到所需的能量和速度。

通过不断调节电场的强度和频率，可以实现对粒子的精确加速。

4. 应用领域直线加速器在科学研究和医学领域有着重要的应用。

在基础物理研究中，直线加速器可用于产生高能量的带电粒子束，研究粒子物理和核物理等领域。

同时，直线加速器还被广泛应用于放射治疗，用于肿瘤的放射疗法。

5. 结语高中物理直线加速器的工作原理是基于电磁场的加速原理，通过电场和磁场的作用，实现对带电粒子的加速。

直线加速器在科学研究和医学领域有着广泛的应用前景，对于推动科学发展和改善人类生活质量具有重要意义。

直线加速器的原理

直线加速器的原理直线加速器（Linac）是一种粒子加速器，利用电磁场将带电粒子加速到高速度。

其原理是利用电场的力作用在带电粒子上，使其受到加速，然后在电磁场的引导下沿着一条直线路径加速，最终达到所需的特定速度。

直线加速器主要由四部分组成：加速腔、驱动器、电源和调制器。

加速腔是加速带电粒子的装置，驱动器是产生高频电磁场的装置，电源提供能量给驱动器，调制器调节能量输出的时间和强度，以控制加速的速度和粒子束的时间结构。

在直线加速器中，带电粒子会被放置在加速腔中，该腔可以产生高频电磁场，使粒子受到加速。

当粒子进入加速腔时，电磁场会将粒子加速到一个高速度，然后使其继续沿直线加速，直至达到所需的速度。

加速腔内部有一组周期性电场和磁场，它们会相互作用来推动带电粒子。

当带电粒子通过加速腔时，它们会与电场和磁场交互作用，因此被加速到更高的速度。

驱动器是产生高频电磁场的关键部件，该电磁场与粒子相互作用，从而产生加速。

电磁场的生成通常是通过使用射频（RF）电源来实现的。

射频波通过一系列组成加速腔的结构，并在其中形成高频电磁场。

这个电磁场在加速腔中反复交替变化，这就是高频场。

然后带电粒子通过加速腔中的高频电磁场，并被加速到更高的速度。

电源是供能给驱动器的设备，负责提供所需的能量。

在直线加速器中，电源的能量输入必须与加速器的设计速度和加速器的设计结构匹配。

通常，发射电极（gun）输入一个简单的恒流（常量），以便产生增加速度的初始加速。

然后，射频能量加到加速腔的结构中。

例如，当加速器需要达到1MeV时，就需要一个1 MeV 电源，并且它需要将电能传输给射频驱动器。

调制器是能量调节的装置，用于调整射频功率以控制粒子束的时间结构。

调制器会修改电源中的射频能量输出，从而产生所需的能量波形，以确保电磁场在各个特定时序将被正常地传递到加速腔中。

调制器通常使用一些简单的电子器件，例如晶体管、二极管和电容器，这些器件能频繁地改变电流和电压，以产生所需的时间波形。

直线加速器物理 part1

The Large Hadron Collider (LHC) sits in a circular tunnel 27 km in circumference. The tunnel is buried around 50 to 175 m. underground. It straddles the Swiss and French borders on the outskirts of Geneva. (~ 6.3 billion dollars)
? ?B ?dS ??
? 0 ? j ?dS ?
1 c2
?? ?
?E ?dS
? Hamiltonian 力学
? 一个n个自由度的系统，存在一个函数H(q, p, t)，称为Hamiltonian ，其变量为n个一般的坐标q;
? 这些q的n个共轭动量，以及时间t，满足2n个运动方程 — Hamilton's 方程:
中国散裂中子源（CSNS）（~14+5亿元）
装置建设包括一台强流质子直线加速器(80MeV)、一台快循环同步加速器(1.6GeV)、一个靶站、3台中子谱仪等设施和科学实验测试系统。
集装箱检测
花瓣型加速器 Rhodotron Accelerator
主要内容
1. 射频直线加速器概述射频直线加速器特点及应用
?? 1 ,
1?
v2 c2
?? v ? v ?v
? 真空中，Maxwell's方程的表达式（微分方程）
? ?
?
?
? ?E ?
?
1
?0
?
? (r,t)
?? ? ? ??
?B ? 0
? ?E? ?
? ?B

直线加速器的工作原理

直线加速器的工作原理直线加速器是一种用于产生高能粒子束的重要科学仪器，广泛应用于粒子物理实验、核医学、材料科学等领域。

它的工作原理基于电场加速和磁场聚焦的基本原理，通过多个加速腔和磁铁组成的结构，将电子或离子束加速到极高的能量和速度。

直线加速器的结构通常包括加速腔、磁铁、束流管、电源和控制系统等几个关键部分。

首先，加速腔是直线加速器中最重要的组成部分之一。

加速腔通常由一系列金属腔体组成，这些腔体中通过射频电场产生电磁波，用于将电子或离子束加速。

在加速过程中，射频电场的频率和幅度会逐渐增大，从而使束流获得越来越高的能量。

然后，磁铁是直线加速器中的另一个关键组件。

磁铁主要起到聚焦束流的作用，通过在束流周围产生强磁场来控制束流的传输和聚焦。

磁铁通常由一系列线圈组成，这些线圈通过通电产生磁场，使束流沿着预定轨道传输。

通过调整磁场的强度和分布，可以实现束流的聚焦和精确控制。

束流管是将电子或离子束引入加速器的通道，它起到引导和保持束流的作用。

束流管通常由金属或陶瓷材料制成，具有良好的真空密封性和电绝缘性能。

束流在束流管中传输时，会受到加速腔和磁铁的作用，逐渐获得更高的能量和速度。

电源和控制系统是直线加速器的关键支撑设施。

电源主要提供加速腔和磁铁所需的电能，保证加速器正常工作。

控制系统则负责监测和调节加速器的参数，保证加速过程的稳定性和精确性。

通过精密的控制系统，可以实现对束流能量、速度和强度等参数的精确控制，以满足不同实验和应用的需求。

在直线加速器的工作过程中，电子或离子束首先进入加速腔，受到射频电场的加速作用，逐渐获得能量。

然后，束流通过磁铁的聚焦作用，沿着预定轨道传输，并逐渐加速。

在加速过程中，加速腔和磁铁的参数会根据需要进行调整，以实现对束流能量和速度的精确控制。

最终，束流达到预定的能量和速度后，可以用于进行各种实验和应用。

直线加速器是一种基于电场加速和磁场聚焦原理的高能粒子束产生装置。

它通过加速腔和磁铁的作用，将电子或离子束加速到极高的能量和速度，满足不同实验和应用的需求。

直线加速器原理

直线加速器原理直线加速器是一种用于加速带电粒子（如电子、质子等）的装置，它在医学诊断、科学研究和工业应用中起着重要作用。

直线加速器的原理是基于电场和磁场的相互作用，通过不断改变电场和磁场的方向和大小，从而使带电粒子获得加速。

本文将介绍直线加速器的原理及其应用。

首先，直线加速器中的核心部件是加速腔。

加速腔是由一系列金属筒状结构组成的，其中夹杂着一定数量的电磁场装置。

当带电粒子进入加速腔时，电磁场装置会产生电场和磁场，从而对带电粒子施加力，使其获得加速。

在加速腔内，电场和磁场的方向和大小会不断变化，以确保带电粒子能够持续加速。

这种不断变化的电场和磁场的作用方式，被称为相位同步加速。

其次，直线加速器的原理基于洛伦兹力。

当带电粒子进入电场或磁场中时，会受到洛伦兹力的作用，从而产生加速运动。

在直线加速器中，通过不断改变电场和磁场的方向和大小，可以使带电粒子不断受到洛伦兹力的作用，从而实现加速。

这种原理使得直线加速器能够将带电粒子加速到很高的能量，用于医学放射治疗和粒子物理研究等领域。

此外，直线加速器还可以通过改变电场和磁场的频率来实现加速。

在加速腔内，电场和磁场的频率会根据带电粒子的速度和能量不断调整，以确保带电粒子能够持续加速。

这种频率调整的原理被称为谐振加速，它可以使直线加速器对带电粒子进行精确控制，实现高效的加速效果。

最后，直线加速器在医学、科学和工业领域有着广泛的应用。

在医学诊断中，直线加速器可以用于产生高能X射线，用于肿瘤治疗和影像学检查。

在科学研究中，直线加速器可以用于加速带电粒子，进行高能物理实验和核物理研究。

在工业应用中，直线加速器可以用于材料表面处理和工业探测等领域。

综上所述，直线加速器是一种利用电场和磁场相互作用的装置，通过相位同步加速、洛伦兹力和谐振加速等原理，实现对带电粒子的加速。

它在医学诊断、科学研究和工业应用中有着重要的作用，是现代科技领域不可或缺的重要装置之一。

加速器物理课件第10章直线加速器

2014-4-14 79 29
行波加速器
行波加速器运行在n=0的空间谐波情况下。一般适宜加速短脉冲和速度接近于光速的粒子，比如电子。行波加速器---盘荷波导、螺旋波导等结构
盘荷波导：
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79
30
盘荷波导：
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31
螺旋波导
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32
驻波加速器
2014-4-14
79
8
在传播方向上z方向，两个临界波峰之间的距离λp比实际的波长λ要长。这就意味着在Z的方向上波现象以大于C的速度在传输。
在只有一个边界时，入射波可以以任何方向入射均可传输
2014-4-14 79
图
9
两个导体壁的情况，就又多了一条限制，为了在每个边界都满足条件，只有一个角度入射的波才能够传输。两个壁之间的距离必须是半波长的整数倍此时波的纵向行为为行波，横向行为为驻波。
其中A是常数，在半径为a的边界上，我们有：
Bessel 函数有许多根，每一个根对应一个TM波的模式，第一个根为TM01，0指无方位上的变化，1指径向一个半波长。因为 kr=2.405/a 所以为了满足边界条件kr是一个固定的数。
2014-4-14
79
15
色散关系曲线
相速
群速
在这个曲线上的任意一点同原点的连线的斜率给出了该点的相速双曲线上所有的点都有 Vph>c，他们全在Vph=c的直线的上方。 d 双曲线上所有的点的斜率给出了该点的群速。 vg dk 在ω=ωc处，vg=0 色散曲线相对于原点是对称的，即波可以沿±z两个方向传播。
位置 n
p
k
n 0,1,2,3,..

直线加速器物理-Part1

质子和电子相比，静止能量相差很多，要获得相同的速度需要比电子高得多的能量。同步辐射（synchrotron radiation）：相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时所发出的电磁辐射。由于它最初是在同步加速器上观察到的，便被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射” 。电子在环形加 4 速器中每圈辐射的能量为 32 E[eV ] U 0 [eV ] 8.8510 R[m]
The Large Hadron Collider (LHC) sits in a circular tunnel 27 km in circumference. The tunnel is buried around 50 to 175 m. underground. It straddles the Swiss and French borders on the outskirts of Geneva. (~ 6.3 billion dollars)
1 0 0 2 , c
B 0 H M
j E
0 8.85 10 12 [ F/m]
0 4 10 7 [H/m ],
Maxwell’s方程的积分形式为
1 E dS dV 0 B dS 0 E dl B dS 1 B dl 0 j dS c 2 E dS
行波（Traveling Wave）加速结构
驻波（Standing Wave）加速结构
射频直线加速器因被加速粒子速度（能量）的不同，加速方式和加速结构有所不同：超相对论能区（接近1）、短脉冲结构行波加速行波的优点是：束流随电场峰值一起运动，加速效率高、但RF功率利用率不高，高（ 0.8）结构，一般采用盘荷波导加速结构，行波加速方式；其余情况应采用驻波加速

直线加速器(LA)物理师部分11

For personal use only in study and research; not for commercial use直线加速器（LA）物理师部分第一章放射物理基础1.1 介绍基本物理常数重要推导物理常数物理量和单位四种基本作用力基本粒子非电离辐射和电离辐射光子致电离辐射质能关系辐射量和单位1.2 原子与原子核结构原子结构组成和特性卢瑟福原子模型玻尔氢原子模型及四个假定玻尔氢原子模型能级结构多电子原子壳层模型核结构核反应放射性放射性活度放射性衰变衰变常数半衰期比放射性活度平均寿命递次衰变核素活化放射性衰变方式及特点1.3 电子相互作用电子与轨道电子相互作用电子与原子核相互作用阻止本领总质量能量阻止本领质量阻止本领质量碰撞阻止本领质量辐射阻止本领限制性阻止本领质量散射本领传能线密度1.4 光子相互作用间接电离光子辐射光子束衰减性质半价层十分之一价层线性衰减系数质量衰减系数原子和电子衰减系数能量转移系数能量吸收系数光子相互作用类型光电效应相干（瑞利）散射康普顿效应对效应光致核反应各种效应的相对优势第二章剂量学原则，量和单位2.2 光子注量和能量注量粒子注量能量注量粒子注量率能量注量率粒子注量谱能量注量谱；2.3 比释动能比释动能2.4 CEMACema2.5 吸收剂量吸收剂量2.6 阻止本领阻止本领阻止本领比线性阻止本领质量阻止本领非限制性质量碰撞阻止本领限制性质量碰撞阻止本领软性碰撞硬性碰撞2.7 不同剂量学量间的关系能量注量和比释动能的关系碰撞比释动能辐射比释动能总比释动能注量和吸收剂量的关系比释动能和吸收剂量的关系碰撞比释动能和照射量的关系2.8 空腔理论Bragg-Gray 空腔理论Spencer－Attix 空腔理论Burlin 空腔理论第三章辐射剂量计3.1 介绍辐射剂量计及剂量测量3.2 剂量计的特点准确度精确度不确定度测量误差A类标准不确定度B类标准不确定度、合成不确定度展伸不确定度剂量响应线性剂量率的依赖性能量依赖性方向依赖性空间分辨率和物理尺寸数据读出的方便性使用的方便性3.3 电离室剂量测定系统电离室辐射束校准电离室的基本结构及特性静电计圆柱形电离室平行板电离室近距离治疗电离室（井形电离室或凹形电离室）外推电离室3.4 胶片剂量计透明度光学密度剂量-OD曲线胶片的gamma 宽容度感光度、辐射显色胶片3.5 发光剂量计发光现象光致发光空穴储存陷阱复合中心热释光剂量计工作原理光致荧光剂量测量系统3.6 半导体剂量计硅半导体剂量测量系统MOSFET剂量测量系统3.7 其它剂量测量系统丙胺酸/电子顺磁共振剂量测量系统塑料闪烁体剂量测量系统金刚石剂量计凝胶剂量测量系统3.8 一级标准一级标准空气比释动能的一级标准水吸收剂量的一级标准水量热计离子浓度测量标准化学剂量测定标准Fricke剂量计辐射化学产额量热法标准石墨量热计3.9 常用剂量测定系统的总结四种常用剂量计系统的主要优点与缺点第四章辐射监测仪器4.1 介绍外照射检测辐射监测的范围4.2 辐射监测中用到的量环境剂量当量定向剂量当量个人剂量当量4.3 场所辐射测量仪气体探测器的离子电压收集曲线电离室正比计数器中子测量仪GM计数器闪烁探测器半导体探测器的特点场所检测仪的一般特性场所监测计量仪校准的方法和步骤场所监测计量仪的灵敏度能量依赖性方向依赖性剂量当量范围响应时间过载特性长期稳定性区别辐射类型的能力不确定度4.4 个人剂量监测个人胶片剂量计热释光剂量计放射光致发光玻璃系统光释光系统和直读式个人剂量计的特点个人剂量计的校准方法和步骤个人剂量计的特性能量依赖性不确定度当量剂量范围方向依赖性区别不同辐射类型的能力第五章体外照射放射治疗设备5.1 体外放疗设备简介外照射放射治疗设备发展历史5.2 X射线束与X射线机临床使用的X射线束能量范围 X射线束的产生 X射线的组成5.2.1 特征X射线特征辐射荧光产额特征X射线能谱5.2.2 轫致辐射X射线轫致辐射轫致辐射X射线能谱5.2.3 X射线靶薄靶厚靶浅层X射线深部X射线兆伏级X射线5.2.4 临床X射线束临床X射线能谱 X射线束成分入射电子与产生的光子方向5.2.5 X 射线质的描述半价层标称加速电压有效能量5.2.6 放射治疗机X射线放射治疗X线机组成5.3 伽玛射线束和伽玛射线单位5.3.1 伽玛射线的基本特性外照射放射治疗用同位素特性比活度空气比释动能率远距离外照射放射治疗的γ辐射源5.3.2 远距离治疗机远距离治疗机定义远距离治疗机的组成5.3.3 远距离治疗辐射源常用辐射源强度、半衰期、射线能量5.3.4 远距离治疗辐射源容器（治疗头）治疗头结构辐射源驱动辐射源容器防护要求5.3.5 远距离治疗照射剂量计时器与剂量关系照射时间的计算5.3.6 准直器与半影照射野范围几何半影与辐射源结构关系5.4 粒子加速装置粒子加速的基本条件粒子加速装置分类各种加速器结构与原理5.5 电子直线加速器工作原理发展和更代安全性要求现代电子直线加速器组成各分系统结构、工作原理与要求临床光子射线与电子射线的产生射线束准直系统剂量监测系统5.6 粒子（质子、中子与重离子）放射治疗质子、中子与重离子的产生粒子治疗的优势5.7 外照射放射治疗的防护屏蔽射线类型与屏蔽材料5.8 60钴远距离治疗机与电子直线加速器比较60钴远距离治疗机特点现代电子直线加速器特点5.9 模拟机与CT模拟机模拟定位的作用模拟定位的主要步骤5.9.1 放射治疗模拟定位机模拟机的组成与结构要求现代模拟机功能要求5.9.10 CT模拟机CT模拟机系统组成 DRR BEV DCR CT模拟机与模拟机比较5.10 放射治疗设备的培训要求设备培训应包括的重要内容第六章外照射光子射线：物理方面6.1 介绍产生治疗光子射线的主要来源6.2 描述光子的物理量光子的通量和通量率，能量通量和通量率，空气中的比释动能和照射量6.3 光子射线源单能光子线的半价层6.4 平方反比定律平方反比定律6.5 入射到体模或病人的光子射线表面剂量，建成区，最大剂量深度，出射剂量6.6 放射治疗参数射野面积/周长比，准直器因子，峰值散射因子，相对剂量因子6.7 水中的中心轴深度剂量：源皮距摆位百分深度剂量，散射函数6.8 水中的中心轴百分深度剂量：源轴距摆位组织空气比，组织空气比和百分深度剂量之间的关系，空气散射比，组织体模比和组织最大比，组织体模比和百分深度剂量之间的关系，散射最大比6.9 离轴比和射线的等剂量曲线射野剂量曲线的区域定义，散射半影，穿透半影，几何半影和物理半影，射野平坦度和对称性6.10 水体模中的等剂量分布水体模中的等剂量分布的特点6.11 病人的单野剂量分布病人体内的等剂量分布的修正法则，不规则轮廓和斜入射的剂量校正方法，楔形板的作用，楔形角，楔形因子，使用补偿器的作用和影响，组织填充物（Blous）的作用和影响，不均匀组织对剂量的影响和几种经验修正方法6.12 克拉森积分克拉森积分的基本原理6.13 指形电离室测量相对剂量光子射线表面剂量、建成区剂量和最大剂量深度后的剂量测量方法，影响电离室剂量测量的主要因素，6.14 单野照射的剂量传输单野照射的剂量跳数的计算6.16 端效应端效应的计算第七章光子射线外照射放射治疗的临床治疗计划7.2 体积的定义三维治疗计划需要定义的主要的靶区体积，肿瘤区，临床靶区，内靶区、计划靶区和危及器官7.3 剂量规范靶区最小剂量，靶区最大剂量，靶区平均剂量，剂量参考点（剂量规定点）和位置建议7.4 病人数据的获取和模拟需要的病人数据，二维治疗计划，三维治疗计划，治疗模拟的任务，CT模拟和常规模拟机，病人的体位固定方式和作用，照射野几何参数的确定，病人单层或数层层面的获取方式，基于病人数据获取的CT扫描和虚拟模拟，数字重建的射野影像，射野方向观，CT模拟的具体过程，CT模拟和常规模拟的差别，用于治疗计划的核磁共振影像，7.5 光子射线临床应用的思考等剂量线，楔形板的类别和作用，楔形因子的定义，补偿膜的的作用，补偿器厚度的计算，人体曲面修正的方法，不均匀组织的修正方法，多野照射技术的临床应用，旋转照射技术，射野衔接技术，7.6 计划评估等剂量线的评估，剂量统计，剂量－体积直方图，射野胶片和在线射野影像7.7 治疗时间和跳数的计算源皮距摆位技术的治疗时间和跳数计算, 等中心照射技术的治疗跳数和时间的计算, 剂量分布的归一方法，包含在剂量分布中的输出参数，X射线机和钴-60治疗机治疗时间的计算第八章电子束:物理和临床方面8.1 中心轴深度剂量曲线深度剂量曲线、电子与物质的相互作用反平方定律(虚源位置) 高能电子束射野剂量学建成区(表面剂量到最大剂量之间的深度) 不同能量电子束的百分深度剂量曲线8.2 电子束剂量学参数电子线能量说明不同深度的剂量参数百分深度剂量照射野对百分深度剂量的影响斜入射电子束百分深度剂量输出因素R90治疗范围Profiles和离轴比平坦度和对称性8.3 电子束治疗的临床应用剂量说明和报告小射野选择等剂量曲线射野形状低熔点铅档不规则表面修正填充物不均性修正电子束射野衔接电子束弧形照射电子束治疗计划第九章光子和电子束的剂量校准9.1 前言量热法化学剂量计电离室计量计石墨量热计密封水量热计弗瑞克剂量计参考剂量计医用射线束的校准与测量9.2 电离室剂量学系统电离室的构成电离室基本原理指形电离室平行板电离室模体材料水等效9.3 影响电离室剂量校准的参数电离室的方向性电离室的饱和效应电离室的漏电流电离室的杆效应电离室的复合效应电离室的极化效应气压温度修正9.4 使用校准电离室测量吸收剂量电离室吸收剂量测量规程基于空气比释动能的校准系数的规程基于水中吸收剂量的校准系数的规程9.5 阻止本领率电子阻止本领率光子阻止本领率9.6 质能吸收系数率质能吸收系数率9.7 扰动校准因子扰动校准因子有效测量点电离室壁的扰动因子中心电极的扰动因子9.8 射线质的描述低能X线，中低能X线，高能（MV级）X线，高能电子束辐射质9.9 高能光子和电子束的剂量校准高能X线吸收剂量校准高能电子束吸收剂量校准IAEA TRS 277报告IAEA TRS 398报告9.10 中低能X射线吸收剂量校准中低能X射线吸收剂量校准9.11 电离室测量偏差和不确定性分析不确定性分类校准过程的不确定性第十章验收测试和临床测试10.1 简介放疗设备使用前测试项目10.2 测量设备辐射环境检测仪，离子计型剂量测定设备，胶片，半导体，模体（辐射野分析器和固体水模体）10.3 验收测试安全检查（联锁、警告信号灯和病人监护设备；辐射防护探测；准直器和头漏射）机械检查（准直轴的旋转轴，运动，灯光与射野的一致性，臂架的旋转，治疗床的旋转，等中心旋转，光距尺，臂架角度，准直器大小指示，治疗床的运动）剂量测量光子射野（能量，射野平坦度和射野对称性，半影），电子射野（能量，电子线污染，均匀性，半影），剂量刻度，弧度治疗10.4 临床测试光子射野测量：中心轴PDD，输出因子，挡块托盘因子，多叶准直器，中心轴楔形野穿透因子，动态楔形板，离轴比曲线/离轴能量改变，入射剂量和界面剂量学，虚源位置电子射野测量：中心轴PDD，输出因子，离轴比曲线，虚源位置10.5 临床测试需要的时间第十一章光子射线外照射计算机治疗计划系统11.1 治疗计划系统的硬件TPS基本硬件组成11.2 治疗计划系统的配置11.3 系统软件和计算算法计算算法：算法的发展，分析模型法，Milan–Bentley模型，Clarkson积分法，卷积方式，蒙特卡罗或随机取样方法，笔形束算法射野修饰的影响：光子束修饰器（光栏，挡块，补偿器，MLC，楔形板）和电子束修饰器（限光筒，挡块，bolus等）组织不均匀修正，图像显示（BEV、REV、DRR、DCR）和剂量体积直方图（积分DVH、微分DVH、natural DVH），优化和MU计算，记录与验证系统，生物模型11.4 数据获取与输入治疗机数据（机械运动与限制、楔形板的限制、MLC、物理补偿的材料、电子窗），射野数据获得和输入，病人数据（影像、输入方式、CT值转换）11.5 临床验证与质量保证错误，验证，抽样调查，归一化和射野权重的选择，剂量体积直方图与优化，培训和归档，定期的质量保证，需注意的特殊技术第十二章放射治疗的质量保证12.1 前言定义放射治疗的质量保证要求精确放射治疗的需求放射治疗事故12.2 质量保证管理指标12.3 放射治疗设备的质量保证钴-60治疗机的质量保证质量控制指标医用加速器的质量保证指标模拟定位机的质量保证指标CT扫描和CT模拟的质量保证指标治疗计划系统的质量保证质量控制指标12.4 治疗实施病历射野成像射野成像技术未来射野影像的发展12.5 质量核查定义实际的质量审核样式放射剂量测量比对在哪一方面质量核查随访应该仔细检查第十三章近距离治疗物理和临床特点13.1 前言近距离治疗的方式近距离治疗的分类近距离治疗的特点13.2 光子放射源特点临床要求光子放射源的物理特性放射源的机械特性参考空气比释动能率空气比释动能强度显活度毫克镭当量β射线源参考吸收剂量率13.3 临床应用和剂量学系统13.3.1 妇科肿瘤腔内近距离治疗放射源的类型曼彻斯特系统ICRU系统直肠和膀胱的剂量监测13.3.2 组织间近距离治疗剂量学系统Patterson-Parker（Manchester）系统Quimby（Memorial）系统巴黎系统巴黎系统设置放射源规则巴黎系统标称（参考）剂量率巴黎系统基准剂量率13.3.3 远距离后装治疗系统远距离后装治疗装置的优点远距离后装治疗系统的基本部件远距离后装治疗装置常用的放射源远距离后装治疗装置类型及特点13.3.4 前列腺的永久性植入治疗前列腺植入治疗的放射源治疗计划技术预计划籽粒植入剂量分布植入后的剂量评估13.3.5 眼敷贴器眼敷贴器治疗技术13.3.6 血管内照射血管内照射技术13.4 剂量定义和报告腔内治疗组织间治疗13.5 放射源周围剂量分布剂量率常数几何因子径向剂量函数各向异性函数Meisberger多项式Sievert积分13.6 剂量计算过程和方法剂量的手工累加方法放射源的定位剂量分布的优化参考点的选择衰减校正13.7 近距离治疗计算机治疗计划系统的临床应用测试重建过程的检测物理量和单位一致性检测单一放射源计算机与手工剂量计算衰减校正的检测13.8 放射源的临床应用测试接触检测活度的自动放射影像和均匀性检测校准链13.9 质量保证第十四章基础放射生物学14.1 前言放射生物学细胞体细胞胚细胞细胞分裂体细胞的分类组织器官器官系统14.2 放射生物学中辐射的类型线性能量传递(LET) 照射中常用的典型LET值低LET辐射（稀疏电离辐射）高LET辐射（致密电离辐射）14.3 细胞周期和细胞死亡有丝分裂期(M) DNA合成期(S) G1和G2期细胞周期时间细胞死亡14.4 细胞的照射辐射的生物效应辐射对细胞损伤的直接作用辐射对细胞损伤的间接作用受照射细胞的命运14.5 辐射损伤的类型放射的早期效应放射的晚期效应致死损伤亚致死损伤潜在致死损伤躯体效应遗传效应随机效应注定(非随机)效应急性效应晚期效应全身照射反应胎儿的辐射14.6 细胞存活曲线细胞存活曲线线性二次模型α/β比值多靶单击模型14.7 剂量效应曲线剂量效应曲线早反应组织晚反应组织14.8 组织放射损伤的测量克隆形成分析功能分析死亡率分析14.9 正常和肿瘤细胞：治疗比肿瘤控制概率（TCP）正常组织并发症概率（NTCP）治疗比14.10 氧效应氧增强比(OER) 再氧合14.11 相对生物效应相对生物效应（RBE）RBE变化特点14.12 剂量率和分次放射治疗中使用的剂量率5个主要生物学因素(5Rs) 常规分割以增进治疗比为目的分次方案14.13 放射防护剂和放射增敏剂放射防护剂剂量修饰因子（DMF）放射增敏剂含硼化合物第十五章放射治疗特殊技术与方法15.1 概述熟悉临床各种放射治疗技术。

直线加速器物理-1

电子加速器：电子，正电子。强子加速器：包含至少一个原子核在内的带电粒子，外层电子部分被剥离或全剥离的单原子、吸附一个电子的单原子、失去一个电子的分子或团簇等，如质子、反质子、重离子等。
时变电磁场的频率：一般为0.1GHz－－几十GHz。
加速方式和加速结构：因被加速粒子的电荷量、质量、能量（速度）的不同而不同。
4. D.H. Whittum, Introduction to Electrodynamics for Microwave Linear Accelerators, SLAC-PBU-7802, April 1998.
5. A.W. Chao and M. Tigner, Eds., Handbook of Accelerator Physics and Engineering, World Scientific, 1998.
2. G. A. Loew and R. Talman, Elementary principles of linear accelerators, AIP Conf. Proc. 105, 1983.
3. T. P. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators, Jone Wiley & Sons, Inc. 1998.
1
v2 c2
v
v
v
✓ 真空中，Maxwell’s方程的表达式（微分方程）

E

1
0
(r, t)
B 0
E B
B
t
0
j(
r,
t
)

1 c2
E t
微分形式中的第4式还可以写成

直线加速器

直线加速器
第二次世界大战结束后，军用技术转为民用，使放疗设备出现了戏剧性的变化。

被限制发展雷达微波设备的德国利用交变磁场对电子的作用开发了感应加速器分支，而英、美等国却充分利用雷达技术发展了行波和驻波直线加速器。

随着高能核物理学的发展，还建造了功率大、能量高的粒子回旋加速器和巨型高能直线加速器，以宏大的设备，研究原子的微观世界。

一、电子直线加速器的基本结构和系统
电子直线加速器是指电子被加速径迹成直线，按微波传输的特点电子直线加速器又分为行波和驻波直线加速器两类。

图1-4-7展示了直线加速器的基本结构和系统，它包括：电子枪、微波功率源（磁控管或速调管）、波导管（隔离器、RF监测器、相移器、RF吸收负载、RF 窗）、DC直流电源（射频发生器、脉冲调制器、枪发射延时电路）、真空系统（真空泵）、伺服系统（聚焦线圈、对中线圈）、偏转系统（偏转室、偏转磁铁）、剂量监测系统、治疗机头、治疗床等。

二、电子在直线加速器中的加速过程
电子被加速的过程分三个阶段：一是电子枪发射初始速度大约为0﹒45倍光速的电子，并被注入加速管；二是聚束段（Bunching Section）电子被持续稳定的加速，速度和能量不断地提升；第三阶段称谓相对论段，当光子接近光速c（300，000，000m/s）时，电子从微波中按相对论方式获取能量，这时电子的速度不再增长，而依质能转换规律使质量不断增加。

例如电子能量从1MeV增至5MeV时，速度仅增长
6%，即由0.94c升至0.996c，而能量却提升了五倍。

直线加速器物理-Part2

d 2 1 1 [ ] dz 0 0 2 qE0TLb 1 2 3 3 m0 c 0 0 L f
max
qE0TLb 3 m0c 2 0 0
Lf就是纵向聚焦长度。
d 1 dz Lf
1 2 qE 0TLb 3 Lf m0 c 2 0 03
A kV V A V s Hz
Triode 2 ~120 6.4 5.5 50 500 3.0 625
能量回收型直线加速器（ERL）对电子枪的要求：（1）高平均电流在俄罗斯的低频常温装置BINP上，得到20mA的电子束流，在美国 JLAB的1.3GHz光阴极、超导ERL设备上已经得到9.1mA的束流。高平均电流，就要求加速器必须工作在CW（Continuous Wave）模式，或者长脉冲模式。100mA的平均流强成为当前研制ERL的目标。（2）短脉冲、低发射度的电子枪与储存环同步辐射光源相比，ERL能够产生高品质的电子束流，即脉冲长度短至ps、亚ps量级，归一化发射度可小于2 mmmrad。现在已经运行的BINP－ERL装置和JAERI－ERL装置采用的是热阴极直流高压枪，束流发射度在30 mmmrad左右，JLAB－ERL装置采用的光阴极高压直流注入系统，束流品质得到极大提高，束流发射度减小到10 mmmrad以下。正在设计中的ERL装置，束流发射度的设计目标均在 1 mmmrad左右。 ERL: Energy Recovery Linac
JLAB: Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab)
超导微波电子枪以德国的Rossendorf超导微波电子枪为代表。因为腔体置于低温环境，可以保持高真空度。枪内加速梯度峰值已经实现20MV/m，有利于对空间电荷效应的抑制，Rossendorf超导微波电子枪采用3.5cell 结构，在枪出口直接得到几个MeV的能量。不需要聚束器，不需要加速组元进一步提高能量。但是系统复杂，造价高。非超导的阴极材料置于超导枪内，超导部分与非超导部分需要严格隔离，阴极材料是否对超导腔造成污染，提高流强就需要提高馈入的激光能量，是否会引起失超等等一直是人们担心的问题。