回旋加速器

回旋加速器(Cyclotron)为一种荷电粒子加速器。

目录

发展

最早的粒子加速器可以回溯到1870年由威廉‧克鲁克斯（William Crookes）所发明的阴极射线管。当时的阴极射线管包含了一个阳极和一个阴极的金属板，板上跨有直流电压。因阴极加热而释放出的粒子会受阳极的正电压吸引而朝阳极金属板加速移动，在阳极和阴极中间又摆置了一个十字型屏障。 第一个制作成功的回旋加速器的直径只有4.5英寸，到了1946年间，一个可以让质子加速到40 MeV的回旋加速器终于建造成功。但是根据爱因斯坦的相对论，当粒子的速度越接近光速时，它的质量会随之变大。因此当动能超过40 MeV时，粒子质量显著增加，在粒子动能加大但磁场强度不变下，粒子所受到的向心加速度由于质量增加反而变小。粒子的回旋半径变大了，以至于粒子到达电场加速间隙的时间和射频电场变化的频率无法保持同步相位，因此增加粒子动能的能力也就无法再往上提升。

结构原理

回旋加速器(Cyclotron)操作原理包含一分为二的短金属圆筒，称为D型极(Ds)，这些D型极为高度真空，并放置在DC磁铁的磁极之间，产生一恒定磁场。当在两D型极间施加交流电压时，例如质子或氘的带正电荷电粒子，会被射入到两D型极中心的腔室。在磁场的作用下，粒子在圆形轨道中行进。交流电压的频率会调整成粒子从一个D型极通过另一个D型极时的频率。当调整至正确极性时，粒子会被电场加速。当粒子每通过两D型极间一次，其能量及行进的轨道半径都会增加，因此在多次回旋后，氘等粒子将会获得高达30Mev的动能。

回旋加速器(Cyclotron)
原图链接 

在上述过程中，粒子所获得的能量将有所限制。根据相对论，当粒子达到高速(在相对论的范围中)，若更进一步的加速将使粒子质量增加，这会造成粒子与供给D型极交流电的频率不同步。但此问题已由同步回旋加速器改善，同步回旋加速器会调整电压频率，以补偿粒子质量增加所造成的频率差异。

临床应用

使用回旋加速器 (Cyclotron) 制造的超短半衰期的正子放射性核种，用来合成各种核医药物，以评估生物活体内的脑神经系统各种代谢分布药物作用，也可用来侦测恶性肿瘤及炎症组织。