回旋加速器

回旋加速器是一種粒子加速器。回旋加速器通過高頻交流電壓來加速帶電粒子。大小從數英吋到數米都有。它是由歐內斯特·勞倫斯于1929年在柏克萊加州大學發明。

許多原子核、基本粒子的性質有關的資訊，均是利用高能粒子轟擊原子靶（atomic target）而獲得的。1932年，約翰·柯克勞夫與歐內斯特·沃吞在英國制造了第一臺“原子擊破器”（atom smasher）。他們乃是利用700,000V的高電壓對質子加速，然后再拿它們轟擊鋰靶。

他們采用的方法雖然較為野蠻，但確實是建構出了這么個高電壓。在1929年時，勞倫斯就已經考慮過這種可能性：將粒子重復地經由一“相對小電壓”做加速，而不是一次就用一個巨大電壓去做加速。他于是與李明斯頓（M.S.Livingston）合作，發展出了回旋加速器（cyclotron）。第一部回旋加速器建于1930年，稍后的改良則于1934年完成。[1]

早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一次，因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制。

為此，像R. Wideröe等一些加速器的先驅者在20年代，就探索利用同一電壓多次加速帶電粒子。

成功地演示了用同一高頻電壓使鈉和鉀離子加速二次的直線裝置。

并指出重復利用這種方式原則上可加速離子達到任意高的能量（實際上由于受到狹義相對論影響，實際只能加速到25-30MeV）。

但由于受到高頻技術的限制，這樣的裝置太大，也太昂貴。

不適用于加速輕離子如質子、氘核等進行原子核研究，結果未能得到發展應用。[2]

1930年勞倫特提出回旋加速器的理論，1932年首次研制成功。它的主要結構是在磁極間的真空室內有兩個半圓形的金屬扁盒（D形盒）隔開相對放置，D形盒上加交變電壓，其間隙處產生交變電場。置于中心的粒子源產生帶電粒子射出來，受到電場加速，在D形盒內不受電場，僅受磁極間磁場的洛倫茲力，在垂直磁場平面內作圓周運動。繞行半圈的時間為πm/qB，其中q是粒子電荷，m是粒子的質量，B是磁場的磁感應強度。如果D形盒上所加的交變電壓的頻率恰好等于粒子在磁場中作圓周運動的頻率，則粒子繞行半圈后正趕上D形盒上電壓方向轉變，粒子仍處于加速狀態。由于上述粒子繞行半圈的時間與粒子的速度無關，因此粒子每繞行半圈受到一次加速，繞行半徑增大。經過很多次加速，粒子沿螺旋形軌道從D形盒邊緣引出，能量可達幾十兆電子伏特（MeV ）。回旋加速器的能量受制于隨粒子速度增大的相對論效應，粒子的質量增大，粒子繞行周期變長，從而逐漸偏離了交變電場的加速狀態。進一步的改進有同步回旋加速器。

（1）磁場的作用

帶電粒子以某一速度垂直進入勻強磁場時，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其中周期與速率和半徑無關，使帶電粒子每次進入D形盒中都能運動相等時間（半個周期）后，平行于電場方向進入電場中加速。

（2）電場的作用

回旋加速器的兩個D形盒之間的窄縫區域存在周期性的變化的并垂直于兩D形盒直徑的勻強電場，加速就是在這個區域完成的。

（3）交變電壓

為了保證每次帶電粒子經過狹縫時均被加速，使其能量不斷提高，要在狹縫處加一個與粒子運動的周期一致的交變電壓。

1995年中國原子能科學研究院與比利時IBA共同研制的cyc-30型回旋加速器投入使用，生產各種醫用同位素。2006年6月23日，中國首臺西門子eclipse HP/RD醫用回旋加速器在位于廣州軍區總醫院內的正電子藥物研發中心正式投入臨床運營。

eclipse HP/RD采用了深谷技術、靶體及靶系統技術、完全自屏蔽等多項前沿技術，具有高性能、低消耗、高穩定性的優點。

回旋加速器是產生正電子放射性藥物的裝置，該藥物作為示蹤劑注入人體后，醫生即可通過PET/CT顯像觀察到患者腦、心、全身其它器官及腫瘤組織的生理和病理的功能及代謝情況。所以PET/CT依靠回旋加速器生產的不同種顯像藥物對各種腫瘤進行特異性顯像，達到對疾病的早期監測與預防。

早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一次，因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制。為此，象R. Wideröe等一些加速器的先驅者在20年代，就探索利用同一電壓多次加速帶電粒子，并成功地演示了用同一高頻電壓使鈉和鉀離子加速二次的直線裝置，并指出重復利用這種方式，原則上可加速離子達到任意高的能量。但由于受到高頻技術的限制，這樣的裝置太大，也太昂貴，也不適用于加速輕離子如質子、氘核等進行原子核研究，結果未能得到發展應用。

1930年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理論，他設想用磁場使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉，多次反復地通過高頻加速電場，直至達到高能量。1931年，他和他的學生利文斯頓（M. S. Livingston）一起，研制了世界上第一臺回旋加速器，這臺加速器的磁極直徑只有10cm，加速電壓為2kV，可加速氘離子達到80keV的能量，向人們證實了他們所提出的回旋加速器原理。隨后，經M. Stanley Livingston資助，建造了一臺25cm直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的能量可達到1MeV。回旋加速器的光輝成就不僅在于它創造了當時人工加速帶電粒子的能量記錄，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人們研發各種高能粒子加速器的基礎。

30年代以來，回旋加速器的發展經歷了兩個重要的階段。前20年，人們按照勞倫斯的原理建造了一批所謂經典回旋加速器，其中最大的可生產44MeV的α粒子或22MeV的質子。但由于相對論效應所引起的矛盾和限制，經典回旋加速器的能量難以超過每核子20多MeV的能量范圍。后來，人們基于1938年托馬斯（L. H. Thomas）提出的建議，發展了新型的回旋加速器。因此，在1945年研制的同步回旋加速器通過改變加速電壓的頻率，解決了相對論的影響。利用該加速器可使被加速粒子的能量達到700MeV。使用可變的頻率，回旋加速器不需要長時間使用高電壓，幾個周期后也同樣可獲得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速電壓是10kV，并且，可通過改變加速室的大小（如半徑、磁場），限制粒子的最大能量。

60年代后，在世界范圍掀起了研發等時性回旋加速器的高潮。等時性回旋加速器（Isochronous cyclotron）是由3個扇極組合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可變，以第一和第三偕波模式對正離子進行加速。在第一偕波中，質子被加速到6 MeV~ 30 MeV, 氘核在12,5 MeV~25 MeV, α粒子在25 MeV~50 MeV, He3 +2離子在18 MeV ~62 MeV 。磁場的變化通過9對圓形的調節線圈來完成，磁場的梯度與半徑的比率為(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁場方位角通過六對偕波線圈進行校正。RF系統由180°的兩個Dee組成，其操作電壓達到80kV，RF振蕩器是一種典型的6級振蕩器，其頻率范圍在8,5 - 19 MHz 。通常典型的離子源呈放射狀，并且可以通過控制系統進行遙控，在中心區域有一個可以活動的狹縫進行相位調節和中心定位。使用非均勻電場的靜電偏轉儀（electrostatic deflector）和磁場屏蔽通道進行束流提取，在偏轉儀上的最大電勢可達到70 kV 。

對30 MeV強度為15 mA質子在徑向和軸向的發射度（Emittance）為16p mm.mrad 。能量擴散為0.6%，亮度高，在靶內的束流可達到幾百mA。用不同的探針進行束流強度的測量，這些探針有普通TV的可視性探針；薄層掃描探針和非截斷式（non-interceptive）束流診斷裝置。系統對束流的敏感性為1mA ，飛行時間精確到0,2 ns 。束流可以傳送到六個靶位，可完成100%的傳送。該回旋加速器最早在1972年由INP建造，它可使質子加速達到1 MeV，束流強度為幾百mA，主要用于回旋加速器系統（離子源、磁場等）的研究。

70年代以來，為了適應重離子物理研究的需要，成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全離子、可變能量的等時性回旋加速器，使每臺加速器的使用效益大大提高。此外，近年來還發展了超導磁體的等時性回旋加速器。超導技術的應用對減小加速器的尺寸、擴展能量范圍和降低運行費用等方面為加速器的發展開辟新的領域。目前的同步加速器可以產生筆尖型（pencil-thin ）的細小束流，其離子的能量可以達到天然輻射能的100，000倍。通過設計邊緣磁場來改變每級加速管的離子軌道半徑。最大的質子同步加速器是Main Ring（500GeV）和Tevatron（1TeV）在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago ；較高級質子同步加速器的是在Geneva的 European Laboratory for Particle Physics (CERN)安裝應用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。

勞倫斯(E.O.Lawrence,1901-1958)因此獲得1939年諾貝爾物理學獎。