迴旋加速器

迴旋加速器(Cyclotron)為一種荷電粒子加速器。

目錄

發展

最早的粒子加速器可以回溯到1870年由威廉‧克魯克斯（William Crookes）所發明的陰極射線管。當時的陰極射線管包含了一個陽極和一個陰極的金屬板，板上跨有直流電壓。因陰極加熱而釋放出的粒子會受陽極的正電壓吸引而朝陽極金屬板加速移動，在陽極和陰極中間又擺置了一個十字型屏障。 第一個製作成功的迴旋加速器的直徑只有4.5英寸，到了1946年間，一個可以讓質子加速到40 MeV的迴旋加速器終於建造成功。但是根據愛因斯坦的相對論，當粒子的速度越接近光速時，它的質量會隨之變大。因此當動能超過40 MeV時，粒子質量顯著增加，在粒子動能加大但磁場強度不變下，粒子所受到的向心加速度由於質量增加反而變小。粒子的迴旋半徑變大了，以至於粒子到達電場加速間隙的時間和射頻電場變化的頻率無法保持同步相位，因此增加粒子動能的能力也就無法再往上提升。

結構原理

迴旋加速器(Cyclotron)操作原理包含一分為二的短金屬圓筒，稱為D型極(Ds)，這些D型極為高度真空，並放置在DC磁鐵的磁極之間，產生一恆定磁場。當在兩D型極間施加交流電壓時，例如質子或氘的帶正電荷電粒子，會被射入到兩D型極中心的腔室。在磁場的作用下，粒子在圓形軌道中行進。交流電壓的頻率會調整成粒子從一個D型極通過另一個D型極時的頻率。當調整至正確極性時，粒子會被電場加速。當粒子每通過兩D型極間一次，其能量及行進的軌道半徑都會增加，因此在多次迴旋後，氘等粒子將會獲得高達30Mev的動能。

迴旋加速器(Cyclotron)
原圖鏈接 

在上述過程中，粒子所獲得的能量將有所限制。根據相對論，當粒子達到高速(在相對論的範圍中)，若更進一步的加速將使粒子質量增加，這會造成粒子與供給D型極交流電的頻率不同步。但此問題已由同步迴旋加速器改善，同步迴旋加速器會調整電壓頻率，以補償粒子質量增加所造成的頻率差異。

臨床應用

使用迴旋加速器 (Cyclotron) 製造的超短半衰期的正子放射性核種，用來合成各種核醫藥物，以評估生物活體內的腦神經系統各種代謝分佈藥物作用，也可用來偵測惡性腫瘤及炎症組織。