簡析回旋加速器

楊博翔

摘 要：粒子加速器是用人工方法產生快速帶電粒子束的裝置，它利用電磁場將帶電粒子束（如電子、正電子、質子等）加速到很高的能量，所以稱為加速器。回旋加速器相較于早期的加速器，能夠重復利用同一電壓加速帶電粒子，并且作為我們在高中物理學習中接觸到的比較高端的物理設備，不僅原理較簡單，而且優勢明顯。本文將簡要介紹回旋加速器的產生、原理和應用。

關鍵詞：回旋加速器 勞倫斯 高頻震蕩器 同位素

中圖分類號：TL5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）08-0-01

回旋加速器是現行高中物理教材中重點介紹的電學器件，它是用來加速帶電粒子獲得“高能炮彈”的儀器。回旋加速器不僅僅是研究物理的利器，也是高考中常見的給同學們設置的題目背景。了解回旋加速器，不僅僅能增進自己對物理的了解，也能夠對高考有一定的幫助。

一、回旋加速器的誕生

最早的加速器產生于30年代初，是物理學家們為了研究原子核和物質深層結構而制造的。在現在我們的生活中，隨處可見由純研究引起的應用，而這些應用有了越來越廣泛的利用后，回過頭來又驅動研究的進步，回旋加速器也是這樣的。1932年，勞倫斯在美國的伯克利大學建造了第一臺回旋加速器，這是加速器歷史上的一個重大發展。利用回旋加速器，人們可以獲得中子束流，同時還發現了人工制造的放射性同位素[1]。勞倫斯和他的兄弟很快認識到了回旋加速器在醫學方面重要的應用前景，并且成功的使用了回旋加速器產生的中子治療了自己母親的癌癥。

二、回旋加速器的構造

如圖所示，回旋加速器由D1、D2兩個D型盒組合而成，兩盒之間留了一定寬度的間隙，整個裝置放置于真空之中。裝置的垂直方向上是由大型電磁鐵產生的勻強磁場。高頻振蕩器產生的交變電壓加在兩個D型盒之間。這個電壓可以在空隙中加速帶電粒子，而盒內由于電磁屏蔽效應的原因電場強度趨近于零。這樣產生的結果是帶電粒子在盒內僅受到洛倫茲力的作用做勻速圓周運動，等粒子運動到間隙中，電場就會加速粒子，電場根據粒子運動的周期不斷變化，就能夠持續給粒子加速到一個很高的程度。

不知道同學們有沒有這樣一個疑問，為什么交變電場要在粒子離開D型盒的時候才能改變？我們知道交變的電場會產生交變的磁場，如果電場改變的時間不能與粒子的運動周期完美符合，就會使勻強的磁場受到影響，粒子在D型盒內的運動就不能夠保證是勻速圓周運動，因此必需要在粒子剛離開D型盒的時候改變電場。

三、回旋加速器中的物理量

回旋加速器中有五個需要注意的物理量，它們是回旋加速器所加的高頻交變電壓的頻率f，被加速的帶電粒子在磁場中的回旋半徑r，回旋加速器能加速到的最大動能，回旋加速器在電場中加速的次數n，帶電粒子在回旋加速器中運動的時間t。這五個物理量之間有著密切的聯系。有興趣的同學可以嘗試下推導出每個物理量的表達形式，對深入了解回旋加速器有著非常有力的幫助。

四、回旋加速器加速的限制

回旋加速器加速到接近光速的時候會產生相對論效應，我們都知道，根據相對論，物體的質量與速度有如下關系：，而回旋加速器必需滿足條件。當m隨v增大而增大的時候，T顯然是在不斷增大的。若f恒定，那么就會破壞這個條件，最終的結果就是加速器可能不但不能加速，反而會降低粒子的速度。因此為了避免相對論效應的影響，一般回旋加速器僅僅加速那些質量較大的粒子[2]。

五、回旋加速器的應用

1.同位素生產

使用放射性藥物的病人中約有20%接受藥品注射，這些藥品是由回旋加速器生產的，全世界有200多臺回旋加速器，其中35臺是由商業部門運行的，專門生產放射性藥物，另有25臺生產醫用同位素。與研究用的大家伙不同，商用的回旋加速器是用戶化了的小型機器，它們具有效益小，高頻系統小，引出質子束強度高，自動化計算機控制，高可靠性等特點，便于生產的同時也能保證操作人員所受到的輻射劑量最小。加速器生產的同位素也是大有講究：同位素的生命既要足夠長，能夠允許有較長的生產過程和運輸的時間，又要足夠的短，以免劑量過大造成病人的不適。

2.正電子發射斷層掃描

隨著現代核醫學的迅速發展，正電子發射斷層攝像（PET）已是分子水平上醫學研究的最先進手段。PET利用回旋加速器產生的短壽命發射性的同位素制成藥物注入人體。通過一系列反應可以標注人體的代謝底物，如葡萄糖、氨基酸等，可以從體外無損傷，極度精確、動態地觀察物質在人體內的生理生化變化。這種手段已經成為診斷和指導腫瘤，腦部疾病、冠心病的最優手段，是上世紀末生命科學的一項重大突破。

3.質子治療用回旋加速器

我們都知道，癌癥是人類死亡的主要疾病之一，我國目前每年新增加腫瘤患者160萬，占世界腫瘤病人五分之一，每年死于癌癥的患者約130萬人。放射治療是治療癌癥的重要手段，大約70%的腫瘤病人采用放療[3]。目前主流使用電子直線加速器進行放射治療，這種治療方法會對腫瘤前后的正常組織造成損傷，因此不是理想的治療手段。而質子帶正電荷，質子的作用范圍可以約束在腫瘤的附近，幾乎對腫瘤后面和側面的正常組織不造成傷害，有利于體內深處癌癥的治療。

結語

回旋加速器不僅僅是科學研究的儀器，在醫學上也有著巨大的作用。它的原理并不復雜，甚至在高中階段的我們就可以開始嘗試理解這種儀器。希望大家都能夠好好學習物理，以后能夠為世界變得更加美好貢獻自己的一份力量。

參考文獻

[1]朱愛民. 加速器的應用[J]. 現代物理知識，1996，（03）：9-22.

[2]馬永毅. 回旋加速器面面觀[J]. 物理教學探討，2011，（09）：66-68.

[3]曹養書，孫官清. 回旋加速器的應用[J]. 物理，2001，（06）：361-367.