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回旋加速器的发明及其延伸发展
调研成果简介
- 加速器是用人工方法使带电粒子受电磁场作用而加速到较高能量的装置。目前加速器类型已达20多种，回旋加速器是其中之一。教科书上的常客——回旋加速器引起了我们调研小组的兴趣。于是，我们通过相关论文、期刊以及会议资料的查阅，总结了回旋加速器的原理和局限、发展历史以及应用。
调研内容
回旋加速器的原理
- 即使同步回旋加速器解决了周期变化的问题，但仍有一个严峻的问题摆在它面前……
经典回旋加速器能否加速电子？
- 很遗憾，在相对论误差范围内，加速所得电子能量太小，没有实际用处。
回旋加速器的发展历史
诺奖装置——回旋加速器
回旋加速器的研究工作于1930年前后开始。1929年，E.O.Lawrence构想了多次加速带电粒子的装置。1930年，E.O.Lawrence和他的学生M.S.Livingston开始研制工作。1931年，首台“将轻离子多次加速到高速度的装置”，在伯克利的加利福尼亚研究室建造成功，当时就被称为回旋加速器。1932年，这台回旋加速器已用于物理实验工作。随后，建成了许多台回旋加速器，在1959年的总结中统计出了48台。1937年，H.E.Bethe等人预言经典回旋加速器的最高能量限制，对于质子为12MeV，对于α粒子为34MeV。
目前，经典回旋加速器仅存在于教科书和幻灯片中。
劳伦斯和他的回旋加速器
劳伦斯于1924年在耶鲁完成他的博士学位，论文研究光电效应。
劳伦斯从挪威工程师威德洛（Rolf.Wideroe）所发表的论文中得到了灵感，发明了有名的回旋加速器。
威德洛的概念是要使用相同电位势两次，为了先推后拉离子，将正电位转换为负电位，即可产生双倍能量。
劳伦斯认为威德洛的直线设计对于轻的原子粒子不实际，因为这样需要使用长达数公尺的真空管。
但这也给了他灵感，研究是否能不只一次地重复多次使用相同的电位势。
最先建构好的装置是馅饼状的，由玻璃、封装用的蜡以及铜等东西凑成，为了操作方便里面还放有一个厨房椅子和一个由电线绕成的架子。这个原型证明了此概念是可行的。
劳伦斯和他的学生利文斯顿（M.S.Livingston）于1931年夏天建造完成第一部回旋加速器的加速腔，它的直径为4.5英寸，可以将氢离子加速至80000eV。
放射线实验室第一个加速器的27英寸加速腔很快地就被37英寸的加速腔所取代，能够加速的能量为重氢子8MeV，α粒子16MeV。
至1936年止已经可以使用这个机器来制造放射性同位素，以及第一个人造元素锝。
劳伦斯还在这时邀他的医师兄弟约翰加入实验室，探究放射性同位素于生物与医学研究上的用途。
他们最终建造了克罗克实验室，加速腔直径高达60英寸，于1939年开始运转，同年劳伦斯也因他的革命性装置获得诺贝尔物理学奖。
回旋加速器的应用
概述
核物理是探索物质微观世界，研究原子核的性质、结构、核力以及核与核、核与粒子间相互作用规律的科学。在串列加速器建成以前，从数MeV到20MeV能区的核物理实验主要依靠回旋加速器。随着等时性回旋加速器、重离子回旋加速器的建成，使超铀核合成、新的核反应机制探索及核物理前沿研究成为现实。国内有关核科研单位的研究人员利用回旋加速 器开展了不同能区的大量核科学技术研究工作。
放射性束与回旋加速器
放射性束是指具有一定衰变寿命的不稳定核构成的束流。目前有两种产生放射性束的方法：弹核裂变法和在线同位素分离法，两种方法都需要运用加速器，特别是回旋加速器，是产生和加速放射性束的不可缺少的基本设备。
放射性同位素与回旋加速器
放射性同位素在核医学上主要用于诊断和治疗疾病，在核医学临床应用上有着十分重要的作用。回旋加速器是生产医用同位素的主要设备，绝大多数加速器生产的同位素都是或都能由回旋加速器生产。全世界的回旋加速器有50%以上生产同位素，而且所生产的放射性同位素80%以上都用于医学。
正电子发射断层成像
随着核医学的迅速发展，正电子发射断层成像（PET）已是分子水平上医学研究的最先进手段，正电子发射断层成像显像技术利用回旋加速器生产的短寿命放射性同位素11C、13N、15O、18F制成的药物注入人体，利用符合探测原理，由正电子湮没辐射的511keV光子构成影像，具有很高的灵敏度和分辨率。
质子治疗
质子治疗是放射肿瘤学中一种新兴的放射治疗方法，由于质子束具有优良的剂量分布，使得质子治疗在全世界范围得到较快的发展。质子治疗用的质子束能量要求在几十MeV到205MeV范围，回旋加速器是获得这种质子束的首选装置之一。
回旋加速器质谱计
这种质谱计既具有串列加速器质谱计的优点，又保持了回旋加速器优良的质量分辨特点，效率高，设备体积小、重量轻、低磁场、低能耗，且无放射性污染。
射线环境模拟研究
用回旋加速器加速的带电粒子引发的核反应事件，特别是反应产生的高通量、连续能谱的中子场是一种良好的核爆环境模拟方式，对核爆现场使用的相关仪器、设备的校验及防护措施的实施提供模拟实验条件。
核反应分析
回旋加速器加速的p、α离子可以对C、O、Fe、N、Al、Ba、F、B、Mg等元素进行核反应分析具有较高的灵敏度。
带电粒子辐照效应研究
回旋加速器可作为带电粒子辐射源，提供辐照效应研究，尤其是重离子加速器。
参考文献
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