簡(jiǎn)析回旋加速器

楊博翔

摘 要：粒子加速器是用人工方法產(chǎn)生快速帶電粒子束的裝置，它利用電磁場(chǎng)將帶電粒子束（如電子、正電子、質(zhì)子等）加速到很高的能量，所以稱為加速器?；匦铀倨飨噍^于早期的加速器，能夠重復(fù)利用同一電壓加速帶電粒子，并且作為我們?cè)诟咧形锢韺W(xué)習(xí)中接觸到的比較高端的物理設(shè)備，不僅原理較簡(jiǎn)單，而且優(yōu)勢(shì)明顯。本文將簡(jiǎn)要介紹回旋加速器的產(chǎn)生、原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：回旋加速器 勞倫斯 高頻震蕩器 同位素

中圖分類號(hào)：TL5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）08-0-01

回旋加速器是現(xiàn)行高中物理教材中重點(diǎn)介紹的電學(xué)器件，它是用來(lái)加速帶電粒子獲得“高能炮彈”的儀器?；匦铀倨鞑粌H僅是研究物理的利器，也是高考中常見的給同學(xué)們?cè)O(shè)置的題目背景。了解回旋加速器，不僅僅能增進(jìn)自己對(duì)物理的了解，也能夠?qū)Ω呖加幸欢ǖ膸椭?/p>

一、回旋加速器的誕生

最早的加速器產(chǎn)生于30年代初，是物理學(xué)家們?yōu)榱搜芯吭雍撕臀镔|(zhì)深層結(jié)構(gòu)而制造的。在現(xiàn)在我們的生活中，隨處可見由純研究引起的應(yīng)用，而這些應(yīng)用有了越來(lái)越廣泛的利用后，回過(guò)頭來(lái)又驅(qū)動(dòng)研究的進(jìn)步，回旋加速器也是這樣的。1932年，勞倫斯在美國(guó)的伯克利大學(xué)建造了第一臺(tái)回旋加速器，這是加速器歷史上的一個(gè)重大發(fā)展。利用回旋加速器，人們可以獲得中子束流，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了人工制造的放射性同位素[1]。勞倫斯和他的兄弟很快認(rèn)識(shí)到了回旋加速器在醫(yī)學(xué)方面重要的應(yīng)用前景，并且成功的使用了回旋加速器產(chǎn)生的中子治療了自己母親的癌癥。

二、回旋加速器的構(gòu)造

如圖所示，回旋加速器由D1、D2兩個(gè)D型盒組合而成，兩盒之間留了一定寬度的間隙，整個(gè)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(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。高頻振蕩器產(chǎn)生的交變電壓加在兩個(gè)D型盒之間。這個(gè)電壓可以在空隙中加速帶電粒子，而盒內(nèi)由于電磁屏蔽效應(yīng)的原因電場(chǎng)強(qiáng)度趨近于零。這樣產(chǎn)生的結(jié)果是帶電粒子在盒內(nèi)僅受到洛倫茲力的作用做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，等粒子運(yùn)動(dòng)到間隙中，電場(chǎng)就會(huì)加速粒子，電場(chǎng)根據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)的周期不斷變化，就能夠持續(xù)給粒子加速到一個(gè)很高的程度。

不知道同學(xué)們有沒有這樣一個(gè)疑問，為什么交變電場(chǎng)要在粒子離開D型盒的時(shí)候才能改變？我們知道交變的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，如果電場(chǎng)改變的時(shí)間不能與粒子的運(yùn)動(dòng)周期完美符合，就會(huì)使勻強(qiáng)的磁場(chǎng)受到影響，粒子在D型盒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)就不能夠保證是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，因此必需要在粒子剛離開D型盒的時(shí)候改變電場(chǎng)。

三、回旋加速器中的物理量

回旋加速器中有五個(gè)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(chǎng)中的回旋半徑r，回旋加速器能加速到的最大動(dòng)能，回旋加速器在電場(chǎng)中加速的次數(shù)n，帶電粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t。這五個(gè)物理量之間有著密切的聯(lián)系。有興趣的同學(xué)可以嘗試下推導(dǎo)出每個(gè)物理量的表達(dá)形式，對(duì)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(shí)候會(huì)產(chǎn)生相對(duì)論效應(yīng)，我們都知道，根據(jù)相對(duì)論，物體的質(zhì)量與速度有如下關(guān)系：，而回旋加速器必需滿足條件。當(dāng)m隨v增大而增大的時(shí)候，T顯然是在不斷增大的。若f恒定，那么就會(huì)破壞這個(gè)條件，最終的結(jié)果就是加速器可能不但不能加速，反而會(huì)降低粒子的速度。因此為了避免相對(duì)論效應(yīng)的影響，一般回旋加速器僅僅加速那些質(zhì)量較大的粒子[2]。

五、回旋加速器的應(yīng)用

1.同位素生產(chǎn)

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(chǎn)的，全世界有200多臺(tái)回旋加速器，其中35臺(tái)是由商業(yè)部門運(yùn)行的，專門生產(chǎn)放射性藥物，另有25臺(tái)生產(chǎn)醫(yī)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(jī)器，它們具有效益小，高頻系統(tǒng)小，引出質(zhì)子束強(qiáng)度高，自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制，高可靠性等特點(diǎn)，便于生產(chǎn)的同時(shí)也能保證操作人員所受到的輻射劑量最小。加速器生產(chǎn)的同位素也是大有講究：同位素的生命既要足夠長(zhǎng)，能夠允許有較長(zhǎng)的生產(chǎn)過(guò)程和運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，又要足夠的短，以免劑量過(guò)大造成病人的不適。

2.正電子發(fā)射斷層掃描

隨著現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，正電子發(fā)射斷層攝像（PET）已是分子水平上醫(yī)學(xué)研究的最先進(jìn)手段。PET利用回旋加速器產(chǎn)生的短壽命發(fā)射性的同位素制成藥物注入人體。通過(guò)一系列反應(yīng)可以標(biāo)注人體的代謝底物，如葡萄糖、氨基酸等，可以從體外無(wú)損傷，極度精確、動(dòng)態(tài)地觀察物質(zhì)在人體內(nèi)的生理生化變化。這種手段已經(jīng)成為診斷和指導(dǎo)腫瘤，腦部疾病、冠心病的最優(yōu)手段，是上世紀(jì)末生命科學(xué)的一項(xiàng)重大突破。

3.質(zhì)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(guó)目前每年新增加腫瘤患者160萬(wàn)，占世界腫瘤病人五分之一，每年死于癌癥的患者約130萬(wàn)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(jìn)行放射治療，這種治療方法會(huì)對(duì)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(zhì)子帶正電荷，質(zhì)子的作用范圍可以約束在腫瘤的附近，幾乎對(duì)腫瘤后面和側(cè)面的正常組織不造成傷害，有利于體內(nèi)深處癌癥的治療。

結(jié)語(yǔ)

回旋加速器不僅僅是科學(xué)研究的儀器，在醫(yī)學(xué)上也有著巨大的作用。它的原理并不復(fù)雜，甚至在高中階段的我們就可以開始嘗試?yán)斫膺@種儀器。希望大家都能夠好好學(xué)習(xí)物理，以后能夠?yàn)槭澜缱兊酶用篮秘暙I(xiàn)自己的一份力量。

參考文獻(xiàn)

[1]朱愛民. 加速器的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代物理知識(shí)，1996，（03）：9-22.

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

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