杨博翔

摘 要：粒子加速器是用人工方法产生快速带电粒子束的装置，它利用电磁场将带电粒子束（如电子、正电子、质子等）加速到很高的能量，所以称为加速器。回旋加速器相较于早期的加速器，能够重复利用同一电压加速带电粒子，并且作为我们在高中物理学习中接触到的比较高端的物理设备，不仅原理较简单，而且优势明显。本文将简要介绍回旋加速器的产生、原理和应用。

关键词：回旋加速器 劳伦斯 高频震荡器 同位素

中图分类号：TL5 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）08-0-01

回旋加速器是现行高中物理教材中重点介绍的电学器件，它是用来加速带电粒子获得“高能炮弹”的仪器。回旋加速器不仅仅是研究物理的利器，也是高考中常见的给同学们设置的题目背景。了解回旋加速器，不仅仅能增进自己对物理的了解，也能够对高考有一定的帮助。

一、回旋加速器的诞生

最早的加速器产生于30年代初，是物理学家们为了研究原子核和物质深层结构而制造的。在现在我们的生活中，随处可见由纯研究引起的应用，而这些应用有了越来越广泛的利用后，回过头来又驱动研究的进步，回旋加速器也是这样的。1932年，劳伦斯在美国的伯克利大学建造了第一台回旋加速器，这是加速器历史上的一个重大发展。利用回旋加速器，人们可以获得中子束流，同时还发现了人工制造的放射性同位素[1]。劳伦斯和他的兄弟很快认识到了回旋加速器在医学方面重要的应用前景，并且成功的使用了回旋加速器产生的中子治疗了自己母亲的癌症。

二、回旋加速器的构造

如图所示，回旋加速器由D1、D2两个D型盒组合而成，两盒之间留了一定宽度的间隙，整个装置放置于真空之中。装置的垂直方向上是由大型电磁铁产生的匀强磁场。高频振荡器产生的交变电压加在两个D型盒之间。这個电压可以在空隙中加速带电粒子，而盒内由于电磁屏蔽效应的原因电场强度趋近于零。这样产生的结果是带电粒子在盒内仅受到洛伦兹力的作用做匀速圆周运动，等粒子运动到间隙中，电场就会加速粒子，电场根据粒子运动的周期不断变化，就能够持续给粒子加速到一个很高的程度。

不知道同学们有没有这样一个疑问，为什么交变电场要在粒子离开D型盒的时候才能改变？我们知道交变的电场会产生交变的磁场，如果电场改变的时间不能与粒子的运动周期完美符合，就会使匀强的磁场受到影响，粒子在D型盒内的运动就不能够保证是匀速圆周运动，因此必需要在粒子刚离开D型盒的时候改变电场。

三、回旋加速器中的物理量

回旋加速器中有五个需要注意的物理量，它们是回旋加速器所加的高频交变电压的频率f，被加速的带电粒子在磁场中的回旋半径r，回旋加速器能加速到的最大动能，回旋加速器在电场中加速的次数n，带电粒子在回旋加速器中运动的时间t。这五个物理量之间有着密切的联系。有兴趣的同学可以尝试下推导出每个物理量的表达形式，对深入了解回旋加速器有着非常有力的帮助。

四、回旋加速器加速的限制

回旋加速器加速到接近光速的时候会产生相对论效应，我们都知道，根据相对论，物体的质量与速度有如下关系：，而回旋加速器必需满足条件。当m随v增大而增大的时候，T显然是在不断增大的。若f恒定，那么就会破坏这个条件，最终的结果就是加速器可能不但不能加速，反而会降低粒子的速度。因此为了避免相对论效应的影响，一般回旋加速器仅仅加速那些质量较大的粒子[2]。

五、回旋加速器的应用

1.同位素生产

使用放射性药物的病人中约有20%接受药品注射，这些药品是由回旋加速器生产的，全世界有200多台回旋加速器，其中35台是由商业部门运行的，专门生产放射性药物，另有25台生产医用同位素。与研究用的大家伙不同，商用的回旋加速器是用户化了的小型机器，它们具有效益小，高频系统小，引出质子束强度高，自动化计算机控制，高可靠性等特点，便于生产的同时也能保证操作人员所受到的辐射剂量最小。加速器生产的同位素也是大有讲究：同位素的生命既要足够长，能够允许有较长的生产过程和运输的时间，又要足够的短，以免剂量过大造成病人的不适。

2.正电子发射断层扫描

随着现代核医学的迅速发展，正电子发射断层摄像（PET）已是分子水平上医学研究的最先进手段。PET利用回旋加速器产生的短寿命发射性的同位素制成药物注入人体。通过一系列反应可以标注人体的代谢底物，如葡萄糖、氨基酸等，可以从体外无损伤，极度精确、动态地观察物质在人体内的生理生化变化。这种手段已经成为诊断和指导肿瘤，脑部疾病、冠心病的最优手段，是上世纪末生命科学的一项重大突破。

3.质子治疗用回旋加速器

我们都知道，癌症是人类死亡的主要疾病之一，我国目前每年新增加肿瘤患者160万，占世界肿瘤病人五分之一，每年死于癌症的患者约130万人。放射治疗是治疗癌症的重要手段，大约70%的肿瘤病人采用放疗[3]。目前主流使用电子直线加速器进行放射治疗，这种治疗方法会对肿瘤前后的正常组织造成损伤，因此不是理想的治疗手段。而质子带正电荷，质子的作用范围可以约束在肿瘤的附近，几乎对肿瘤后面和侧面的正常组织不造成伤害，有利于体内深处癌症的治疗。

结语

回旋加速器不仅仅是科学研究的仪器，在医学上也有着巨大的作用。它的原理并不复杂，甚至在高中阶段的我们就可以开始尝试理解这种仪器。希望大家都能够好好学习物理，以后能够为世界变得更加美好贡献自己的一份力量。

参考文献

[1]朱爱民. 加速器的应用[J]. 现代物理知识，1996，（03）：9-22.

[2]马永毅. 回旋加速器面面观[J]. 物理教学探讨，2011，（09）：66-68.

[3]曹养书，孙官清. 回旋加速器的应用[J]. 物理，2001，（06）：361-367.