回旋加速器是一種粒子加速器。它使用磁場和電場將質(zhì)子或離子等帶電粒子加速到非常高的速度?；匦铀倨魍苿又纳莆覀?nèi)粘Ｉ畹脑S多工具、治療和發(fā)現(xiàn)。
如果您曾經(jīng)在醫(yī)院做過正電子發(fā)射斷層掃描（PET），或者聽說過癌癥或腦腫瘤的放射治療，那么很有可能涉及回旋加速器。
但什么是回旋加速器，它是如何使用的呢？
讓我們分解一下。
回旋加速器是一種粒子加速器。它使用磁場和電場將質(zhì)子或離子等帶電粒子加速到非常高的速度。這使得粒子能夠與靶材碰撞，通過核反應(yīng)產(chǎn)生放射性同位素。
放射性同位素有多種用途，包括用于救生治療、科學(xué)研究甚至清潔能源技術(shù)。
回旋加速器是1931年由美國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·勞倫斯和他的學(xué)生斯坦利·利文斯頓在加州大學(xué)伯克利分校發(fā)明的。他們早期的原型雖然只有大約10厘米寬，但已經(jīng)能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀俚胶芨叩哪芰克?。勞倫斯的開創(chuàng)性工作為他贏得了1939年諾貝爾物理學(xué)獎。
這個過程始于正離子或負離子等帶電粒子被注入回旋加速器的中心，在那里它們開始以螺旋路徑向外運動。
回旋加速器內(nèi)部有兩個空心D形金屬電極，稱為“dee”，放置在一個大磁鐵的兩極之間。磁場迫使粒子進入圓形路徑，而每當粒子穿過兩個dee之間的間隙時，交變電場就會增強粒子的能量。隨著粒子獲得速度和能量，它們繼續(xù)向外螺旋。
一旦粒子到達回旋加速器的外緣，它們就會被導(dǎo)向一個靶。當加速粒子與靶碰撞時，它們能夠引起核反應(yīng)，產(chǎn)生放射性同位素。
回旋加速器已發(fā)明近一個世紀，但由于其可靠性、效率和多功能性，需求仍然很大。
粒子加速器在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和研究中有多種應(yīng)用。這些機器將電子和質(zhì)子等帶電粒子加速到高速，有時甚至接近光速。
雖然所有粒子加速器都有一個共同的目標 － 提高粒子的能量，但它們實現(xiàn)這一目標的方式不同。
回旋加速器使用恒定磁場和交變電場沿螺旋路徑加速粒子。螺旋設(shè)計是回旋加速器的主要優(yōu)勢之一，這使得能夠在相對較小的空間內(nèi)連續(xù)加速。因此，回旋加速器通常比其他加速器更小，通常只有房間大小，而且價格更便宜。它們可以安裝在醫(yī)院或大學(xué)實驗室中，而不需要龐大的設(shè)施?；匦铀倨饕卜浅＿m合生產(chǎn)醫(yī)學(xué)成像和癌癥治療所需的特定類型放射性同位素，以及研究或工業(yè)中的其他本地化應(yīng)用。
相比之下，直線加速器使用一系列電場推動粒子沿直線運動。雖然直線加速器的設(shè)計可能更簡單，但它們通常需要更多的空間來達到與回旋加速器相同的能量水平。直線加速器通常用于放射治療，使用精確的定向輻射束治療腫瘤。
另一種類型的加速器是同步加速器，這是一種見于國家研究中心的更大、更復(fù)雜的機器。像回旋加速器一樣，它們引導(dǎo)粒子沿圓形路徑運動，但具有可變的磁場和射頻加速度。這些機器可以達到極高能量，因此適用于粒子物理學(xué)、材料科學(xué)甚至藥物開發(fā)領(lǐng)域的研究。然而，由于其尺寸和成本，它們通常由國家或國際研究中心使用，而不是由醫(yī)院或小型實驗室使用。
雖然它們各自發(fā)揮著重要作用，但回旋加速器仍然是常規(guī)醫(yī)療應(yīng)用中部署最廣泛和最用戶友好的加速器。
回旋加速器推動著改善我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多工具、治療和發(fā)現(xiàn)。它們體積小、效率高、相對容易操作，是生產(chǎn)醫(yī)用放射性同位素的理想選擇；發(fā)射輻射的不穩(wěn)定原子被用于診斷和治療癌癥。
放射性同位素生產(chǎn)的一個重要考慮因素是同位素的有效壽命，即它們在生產(chǎn)后保持放射性和適合醫(yī)療用途的時間。
用于治療的放射性同位素通常擁有持續(xù)幾天的半衰期，使它們能夠有效地殺死癌細胞。它們也可以在這么短的時間內(nèi)從生產(chǎn)現(xiàn)場運到醫(yī)院和治療中心。
相比之下，其他診斷性同位素的半衰期極短，這意味著它們在幾小時內(nèi)迅速衰變失去效力，并且不能遠距離運輸。
回旋加速器之所以有價值，是因為它們可以在現(xiàn)場或附近生產(chǎn)同位素，確保患者得到快速、準確的診斷和及時的治療。
這些掃描有助于醫(yī)生在早期階段高精度地檢測癌癥、阿爾茨海默氏癥等疾病和心臟病等心血管疾病。早期檢測可改善診斷并有助于更好的治療規(guī)劃。
（圖片來源：Guilherme/原子能機構(gòu)）
回旋加速器在現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療保健和研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
如今，有數(shù)千臺回旋加速器在世界各地特別是醫(yī)院、癌癥中心和研究機構(gòu)運行。隨著對正電子發(fā)射斷層掃描和單光子發(fā)射計算機斷層掃描（SPECT）等非侵入性診斷工具的需求增加，對回旋加速器和尋求生產(chǎn)無鈾放射性同位素的研究設(shè)施的需求也在增加。
以前，許多醫(yī)用放射性同位素是在核反應(yīng)堆中使用鈾生產(chǎn)的，這一過程會產(chǎn)生長壽命放射性廢物，并引起安全和安保關(guān)切。為了找到更清潔、更安全的方法來生產(chǎn)這些重要材料，各國正在轉(zhuǎn)向無需使用鈾就能制造放射性同位素的回旋加速器。
新一代緊湊型低能耗回旋加速器使較小的醫(yī)院和機構(gòu)有可能利用這項技術(shù)。研究人員繼續(xù)探索放射性同位素在環(huán)境科學(xué)、材料工程和國土安全方面的新用途。
雖然自20世紀30年代以來，回旋加速器背后的核心原理一直未變，但這項重要技術(shù)仍在不斷發(fā)展和適應(yīng)21世紀的需要。