回旋粒子加速器

[center]常用的商品化回旋加速器的类型[/center] 回旋加速器已成为现代分子核医学研究和应用的重要工具。分布在全世界PET中心的医用回旋加速器，根据加速粒子种类分为正离子回旋加速器、负离子回旋加速器；根据加速粒子种类的多少分为单粒子加速器（Single-particle accelerator）和多粒子加速器（Multi-particle accelerator）；根据提供束流加速平面与地平面是平行还是垂直而分为水平加速平面回旋加速器（卧式加速器）（horizontal-cyclotron）和垂直加速平面回旋加速器（立式加速器）（vertical-cyclotron）。 正离子回旋加速器生产正电子核素的许多核反应是由正离子介入来完成的，因此可用正离子回旋加速器直接加速正离子来轰击（Bombardment）靶核生产正电子核素。但加速正离子后得到的高能粒子束需要由金属电极偏转板形成的偏转电场来完成束流的引出，在引出过程中，高能粒子束与金属电极板以及屏蔽材料之间发生碰撞会引起附加的辐射。 负离子回旋加速器则利用碳剥离膜（stripping foil）（简称碳膜）来完成高能粒子束的引出。碳膜被驱动装置定位在回旋加速器内粒子旋转轨道半径上，当粒子束流的能量达到所需的最大能量时，所有出现在提取碳膜区域的负离子束必须穿过碳膜，在穿过碳膜期间，两个约束松弛的外层电子被剥离，负离子失去电子，转变为正离子。由于轴向磁场恒定不变，改变了电极性的粒子束受到与原来相反方向的磁场力的作用而改变了在磁场中运动方向，从而被引出而进入靶室。提取膜的位置直接确定束流的能量，并能够调整引出的束流引导进入任意的同位素生产靶。 单粒子加速器仅加速单一的离子，如EBCO TR19和GE MINItrace回旋加速器以质子（p）为加速粒子，进行经p介入核反应来完成正电子核素的生产，如利用16O（p, α）13N和18O（p, n）18F核反应分别生产13N和18F正电子核素。多粒子加速器可以加速两种以上的带电粒子，以多种核反应谱来完成正电子核素的生产，如PETtrace回旋加速器可加速质子和氘核，利用不同的靶材料按特定的核反应谱来生产11C，13N，15O和18F正电子核素；SCANDITRONIX公司生产的MC32回旋加速器则是多能量、多粒子的回旋加速器，除生产用于PET研究的正电子核素外，还用于生产其他同位素。该加速器除可加速氢核和氘核的正负离子外，还可加速氦核-3和α粒子。 立式加速器有较好的场地和维修服务优势，其场地优势包括着地点（footprint）小和所需要的空间高度低；虽然立式加速器的机体比卧式加速器高，它的磁轭门（Yoke）可以单向水平打开，而卧式加速器需要较高的空间限度以保证Yoke向上提升，因此需要昂贵的液压起重系统。立式加速器的维修服务优势是容易对中心区域的装置进行顺畅地维修和更换。再者，立式加速器的靶位往往局域化，这样因靶位而产生的放射性局限在一个区域，而卧式加速器的靶位常常在回旋加速器的周边，因此，回旋加速器的四周都分布有放射性。图1所示国内常用的几种医用回旋加速器。[center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112112145_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211220_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112112214_01_1623423_3.jpg[/img][/center]

在回旋加速器中心部位的离子源（Ion Source）经高压电弧放电而使气体电离发射出粒子束流，该粒子束流在称为Dees的半圆形电极盒（简称D型盒）中运动。D型盒与高频振荡电源相联为加速粒子提供交变的电场。在磁场和电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105351_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105415_01_1623423_3.jpg[/img] 在回旋加速器中心区域，粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度v1，同时，磁场也对这些粒子产生作用，两种场作用的结果是粒子在Dee间隙（gap）内按螺旋轨道飞行。经过非常短的时间后，粒子经gap进入另一个Dee电极盒，此后，粒子在该Dee电极盒一边飞行到等电势的另一边。每越过一个gap后，其轨道半径将比前一次的轨道半径大。粒子运动的瞬时轨道半径将随时间t的增加而增大，粒子运动速度的平方与粒子旋转的圈数成比例。被加速粒子运动的螺旋轨道半径r与运行时间t的平方根成正比。带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量，在该点处粒子将被束流提取装置提取引出。 若粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁感应强度为B的磁力线，粒子受到垂直于v和B的劳仑兹（Lorentz）力的作用，使粒子沿着曲率半径为r的轨道作圆周运动。不同能量的离子在等时性磁场中沿各自的平衡轨道运行时，其回旋的周期与高频电场的周期相等。已知，一个带电量为q的粒子在磁场B中的回旋频率为[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105649_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112105726_01_1623423_3.jpg[/img] 粒子的能量、磁场强度和粒子轨道半径是加速器的三个主要参数 相同q/m的不同粒子，如氘核和氦核，用相同射频（RF）和磁场强度，可以加速到相同的速度，而氘核的动能是氦核动能的一半。在回旋加速器中，为了加速质子达到与氘核相同的速度，往往在设计中使磁场强度B减低一半。加速所需的高频频率F和磁场强度B取决于粒子的质量和带电电荷q。通常根据所需的核反应能量及粒子的质量来设计加速电场频率和磁场强度。但随着粒子旋转速度的提高和能量的增加，相对论作用使得粒子质量将不再是一个常数，即m≠m0，当粒子的速度增加时，它的相对质量（Relativistic mass）也增加。因此，在匀强磁场中其旋转周期也不是一个常数，并且粒子会逐渐进入减速状态。因此，为了使粒子获得较高的能量，或增加磁场强度或改变F，这在一个普通的回旋加速器中是不可能达到的，而且质子在这样的回旋加速器中是不可能被加速到20MeV以上。所以传统的回旋加速器只能加速粒子到一定的能量。为此出现了等时性回旋加速器或调频加速器。 在回旋加速器中，带电粒子经多次加速后，圆周轨道直径达到最大而接近Dees的边缘并具有最大的能量，在该点粒子被束流提取装置提取出。一个粒子从回旋加速器中心飞行到提取装置的总时间约为5ms。在PETtrace回旋加速器中，质子达到16.5MeV的能量约飞行200圈，氘核达到8.5MeV的能量约飞行80圈。

早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。为此，象R. Widerö e等一些加速器的先驱者在20年代，就探索利用同一电压多次加速带电粒子，并成功地演示了用同一高频电压使钠和钾离子加速二次的直线装置，并指出重复利用这种方式，原则上可加速离子达到任意高的能量。但由于受到高频技术的限制，这样的装置太大，也太昂贵，也不适用于加速轻离子如质子、氘核等进行原子核研究，结果未能得到发展应用。 1930年，Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。1931年，他和他的学生利文斯顿（M. S. Livingston）一起，研制了世界上第一台回旋加速器，这台加速器的磁极直径只有10cm，加速电压为2kV，可加速氘离子达到80keV的能量（图1），向人们证实了他们所提出的回旋加速器原理。随后，经M. Stanley Livingston资助，建造了一台25cm直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能量可达到1MeV。回旋加速器的光辉成就不仅在于它创造了当时人工加速带电粒子的能量记录，更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人们研发各种高能粒子加速器的基础。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_625814_1623423_3.jpg[/img] 30年代以来，回旋加速器的发展经历了二个重要的阶段。前20年，人们按照劳伦斯的原理建造了一批所谓经典回旋加速器，其中最大的可生产44MeV的α粒子或22MeV的质子。但由于相对论效应所引起的矛盾和限制，经典回旋加速器的能量难以超过每核子20多MeV的能量范围。后来，人们基于1938年托马斯（L. H. Thomas）提出的建议，发展了新型的回旋加速器。因此，在1945年研制的同步回旋加速器通过改变加速电压的频率，解决了相对论的影响。利用该加速器可使被加速粒子的能量达到700MeV。使用可变的频率，回旋加速器不需要长时间使用高电压，几个周期后也同样可获得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速电压是10kV，并且，可通过改变加速室的大小（如半径、磁场），限制粒子的最大能量。 60年代后，在世界范围掀起了研发等时性回旋加速器的高潮。等时性回旋加速器（Isochronous cyclotron）是由3个扇极组合（compact-pole 3 sector）的回旋加速器，能量可变，以第一和第三偕波模式对正离子进行加速。在第一偕波中，质子被加速到6 MeV~ 30 MeV, 氘核在12.5 MeV~25 MeV, α粒子在25 MeV~50 MeV, He3 +2离子在18 MeV ~62 MeV 。磁场的变化通过9对圆形的调节线圈来完成，磁场的梯度与半径的比率为(4.5 – 3.5)×10-3 T/cm。磁场方位角通过六对偕波线圈进行校正。RF系统由180°的两个Dee组成，其操作电压达到80kV，RF振荡器是一种典型的6级振荡器，其频率范围在8.5 - 19 MHz 。通常典型的离子源呈放射状，并且可以通过控制系统进行遥控，在中心区域有一个可以活动的狭缝进行相位调节和中心定位。使用非均匀电场的静电偏转仪（electrostatic deflector）和磁场屏蔽通道进行束流提取，在偏转仪上的最大电势可达到70 kV 。对30 MeV强度为15 mA质子在径向和轴向的发射度（Emittance）为16p mm.mrad 。能量扩散为0.6%，亮度高，在靶内的束流可达到几百mA。用不同的探针进行束流强度的测量，这些探针有普通TV的可视性探针；薄层扫描探针和非截断式（non-interceptive）束流诊断装置。系统对束流的敏感性为1mA，飞行时间精确到0.2 ns 。束流可以传送到六个靶位，可完成100%的传送。该回旋加速器最早在1972年由INP建造，它可使质子加速达到1 MeV，束流强度为几百mA，主要用于回旋加速器系统（离子源、磁场等）的研究。 70年代以来，为了适应重离子物理研究的需要，成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全离子、可变能量的等时性回旋加速器，使每台加速器的使用效益大大提高。此外，近年来还发展了超导磁体的等时性回旋加速器。超导技术的应用对减小加速器的尺寸、扩展能量范围和降低运行费用等方面为加速器的发展开辟新的领域。目前的同步加速器可以产生笔尖型（pencil-thin ）的细小束流，其离子的能量可以达到天然辐射能的100，000倍。通过设计边缘磁场来改变每级加速管的离子轨道半径。最大的质子同步加速器是Main Ring（500GeV）和Tevatron（1TeV）在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago；较高级质子同步加速器的是在Geneva的European Laboratory for Particle Physics (CERN)安装应用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。（图2，3所示的超导加速器）[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211241_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211258_01_1623423_3.jpg[/img]