图片来源：中国原子能科学研究院

9月21日，我国自主研发的超导回旋加速器质子束能量首次达到MeV，标志着中核集团自主研发质子治疗系统实现重要里程碑节点，意味着我国在核技术应用这一战略新兴产业上掌握关键技术，打破以往只能依赖美欧日等国外进口局面。

中核集团首席专家、中国原子能科学研究院回旋加速器研究中心主任张天爵表示，“据公开文献报道，这是亚洲地区自主研发紧凑型超导回旋加速器质子束能量首次达到MeV以上。日本有关机构自年以来也在研发同类装置。”

其实，简单来说，超导回旋加速器是使用超导主磁铁的回旋加速器，通过回顾回旋加速器的发展历程以及其在质子治疗中的应用，我们就能明白拥有自主研发的超导回旋加速器意味着什么。

回旋加速器发展历程

在20世纪，物理界最热门的话题是轰击原子核，看看它会产生什么新粒子。而“原子核物理学之父”欧内斯特·卢瑟福（ErnestRutherford）也才刚刚证明撞击一种元素的原子可以使其释放电子，变成另一种元素。兴奋的科学家们使用了阿尔法粒子（天然放射性的产物）和质子(含1正电荷的氢原子)来轰击其它原子，很快遇到瓶颈，需要一种人工方法加速粒子以获得更大能量。但想要获得约万伏特电压才产生的加速度，几乎不可能制造出能承受这一功率的机器。

在此背景下，加州大学伯克利分校物理系的欧内斯特劳伦斯（ErnestLawrence）偶然读到一篇德国论文，描述了一种利用交替电场分阶段推进粒子能量的直线加速器。但难题又来了，虽然提高了粒子的速度，但真正达到它所需的能量，加速器的真空管不知得多长。

劳伦斯想到，磁场会使带电粒子偏转成弯曲的路径，通过使这些粒子呈螺旋状运动，就可以在它们绕着电极旋转时一点一点地增加能量。这样，就得到一台圆形机器，当粒子获得更多能量时，它们会向外盘旋，当它们移动得足够快时，就会以惊人的力量从设备中射出，进入收集器。

年初，劳伦斯开始建造回旋加速器，年1月，劳伦斯和研究生利文斯顿首次成功建造回旋加速器，一个直径约4.5英寸（11厘米）的装置，通过伏特的电势将氢离子加速到80,电子伏特的能量。

回旋加速器不断变大，具有新的功能和不同的容量。例如，一个69厘米的回旋加速器可以同时加速含有质子和中子的离子。而回旋加速器又可以分为经典回旋加速器、同步回旋加速器、等时回旋加速器、超导回旋加速器等，它们基本原理相似。

经典回旋加速器

其实，劳伦斯发明的回旋加速器也被称为经典回旋加速器，有着准均匀磁场，利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，原理如下图所示。

图：回旋加速器中粒子旋转和射频加速波之间同步

在回旋加速器中，粒子以恒定频率旋转，与半径或能量无关，由此得到非常重要的结果：

1.粒子可以用恒定频率运行的射频系统加速；

2.轨道从中心(注入)开始，螺旋向外到极半径(引出);

3.磁场随时间是恒定的；

4.射频结构和磁结构是完全集成的:相同的射频结构可以使束流加速许多倍(意味着一个紧凑的，经济有效的加速器)；

5.由于加速器的运作，所以束流是完全连续的波。

回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。

但不可避免的是，经典回旋加速器有其局限，例如，在均匀磁场中没有垂直聚焦(运动是超稳定的)；在加速过程中，由于相对论效应，加速粒子的质量随速度的增大而增大，因此，角速度实际上不是恒定的，而是逐渐减小的；在射频和光束之间发生同步丢失；不能简单地增加磁场半径，因为运动会变得垂直不稳定。总之，这些都限制了加速粒子的最高能量。

同步回旋加速器

为解决经典回旋加速器能量和垂直聚焦限制，Veksler和McMillan提出了一种解决方案，从而发明了同步回旋加速器。与经典回旋加速器有以下几个不同之处：

1.磁场随半径逐渐减小，得到微弱的垂直聚焦

2.射频频率随时间逐渐减小，以补偿磁场的减小和粒子质量的增加

同步回旋加速器带来了几个重要结果：

1.在MeV到1GeV的范围内，可以获得更高的能量。

2.射频是脉冲的，但磁场在时间上是恒定的(这不是同步加速器的情况)。

3.光束不再是连续波，而是在时间上被调制(脉冲)。

4.平均束流要比连续波低得多(但用于质子治疗也可以)。

5.有一个纵向的光束动力学，类似于同步加速器。

6.光束只能在回旋加速器中心在短时间内捕获。

7.RF频率、RF电压和离子源之间的时间需要精确地把握和控制。

8.需要一个更复杂(但不一定更昂贵)的射频系统来获得所需的频率调制。

9.射频频率不能变化非常快(旋转电容器)，因此加速度必定变慢。这意味着：每匝能量增益低；多轮束流引出；RF电压低，所需RF功率低。

10.在引出时只有一个非常小的转弯分离。因此需要一种特殊的方法(称为再生束流引出)来将光束从机器中引出。

等时回旋加速器

在等时回旋加速器中，通过允许磁场沿圆随方位角变化而引入垂直聚焦的额外资源。这种额外的聚焦非常强大，从而支配了由径向增加的场产生的垂直散焦。径向的增加可以使粒子的旋转频率在机器中保持恒定，甚至对于相对论能量(对于质量的增加是显著的)。这种垂直聚焦的新资源是由Thomas发明的。在许多紧凑的回旋加速器中，垂直聚焦不仅集中在扇面边缘，而且可以更多地沿闭合轨道分布。

除了这三种以外，此后，回旋加速器也在不断发展，如同步AVF回旋加速器，带有山丘和山谷的方位变化磁场，允许等时性和垂直稳定性，连续波运行、高能量、大电流。而随着来超导技术的应用，采用超导线圈的强电流产生高磁场的超导回旋加速器开始问世，其磁感应强度可高达4-5T，拥有紧凑设计。

20世纪70年代中期，美国密歇根州立大学国家超导回旋加速器实验室和加拿大查克河核实验室（ChalkRiver）开始研究和建设第一个超导同步回旋加速器，分别是K（于年首次在密歇根州立大学运行）和K（于年首次运行）。年，重吨的K等时回旋加速器在密歇根州立大学落成。

有趣的是，虽然用低温超导技术提高回旋加速器的磁场，在20世纪60年代初就由美国密歇根州立大学的科学家提出来，但正式方案却在年由加拿大查克河核实验室提出，作为重离子加速器的后加速级，超导回旋加速器开始受到

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