回旋加速器的发明：物理本质追寻与疾病监测

回旋加速器的发明

“轰碎原子”的装置

欧内斯特·劳伦斯出生在南达科他州的坎顿。他的祖父是一位来自挪威的教师。在挪威的特勒马克市，劳伦斯家族以“脑瓜特灵”而知名。劳伦斯的父亲卡尔在美国完成了大学教育，他的母亲冈达也是挪威移民，出生于一个有艺术传统的世家。南达科他州是一个辽阔的大草原。劳伦斯在当地上小学。这时，他就喜欢捣弄电气、矿石收音机，并自制电报机。中学时，他是一个无线电迷，热衷于无线通信和电路实验。1922年毕业于南达科他大学，后来继续在明尼苏达大学、芝加哥大学和耶鲁大学深造。1925年在耶鲁大学获哲学博士学位，1926年又获南达科他大学科学博士学位。

原子

劳伦斯一生从事加速器技术、核物理及其在生物学和医学应用方面的研究。1928年美国物理学家伽莫夫提出，可以用质子代替α粒子作为轰击物来实现人工核反应。由氢原子电离而得到的质子能量很小，需要通过电场或磁场进行加速，以保证作为“炮弹”的质子获得足够高的能量。于是，各种类型的粒子加速器逐步发展起来。1929年劳伦斯提出磁共振加速器（即回旋加速器）的构造原理，即利用一个均匀磁场，使加速粒子沿螺旋形路径运动。在运动平面内，粒子将越过一个加速间隙，间隙里有一外加射频电场，其变化频率与离子旋转频率同相，以保证粒子每一次通过加速区时都能得到加速。1932年，劳伦斯和他的学生埃德尔森和利文斯顿建成了第一台回旋加速器（直径只有27厘米，可以拿在手中，能量可达1MeV）并开始运行。后来，在劳伦斯的领导下，在美国建成了一系列不同的回旋加速器。20世纪40年代初，这类加速器的能量达到40MeV，远远超过了天然放射源的能量。可以用于加速质子、α粒子和氖核，由此发现了许多新的核反应，产生了几百种稳定的和放射性的同位素。回旋加速器对核裂变及核力的研究起着特别重要的作用。第二次世界大战前，欧洲的许多犹太科学家为躲避纳粹迫害，纷纷迁居美国。他们的贡献为美国科学界增光添彩。世界上第一颗原子弹和氢弹的制造成功，有爱因斯坦、费米、西拉德、特勒等科学家相当大的贡献。然而，美国本土也培育成长了许多科学家，他们的成就与欧洲学者交相辉映。除了领导曼哈顿工程制造原子弹的奥本海默外，劳伦斯是其中最优秀的一个。由于家境不富裕，劳伦斯曾尝试卖铝制品和收音机赚钱，但收益不大。后来，劳伦斯进入芝加哥大学的赖森物理实验室工作。在那里，他结识了犹太物理学家雅各布森，获益良多。劳伦斯勤奋工作，成绩显著，在美国物理学界已经小有名气。许多名牌大学都邀请他任教，条件十分优厚。劳伦斯在耶鲁大学度过一段美好的时光。加州大学伯克利分校给了他十分有利的教学环境和实验设备。劳伦斯在1928年到西海岸开始新的工作和生活。在加州大学，他的工作激情感染了大学生们和同行，一位同事回忆说：“他给人的印象是从手指到全身都充满了活力，无论走到哪里，这气氛就带到哪里。”

回旋加速器

劳伦斯和回旋加速器(www.xing528.com)

1929年，劳伦斯从一篇文献上读到两只电子管用同步的方法给钾离子升压的报道，受到了很大的启发。他想，难道不能用排成一列的更多的电子管同步升压，使带电粒子获得更高的电压吗？他非常激动的不断计算，发现直列式升压后部的电子管体积功率都十分巨大。如果能组成一个环形，让带电粒子在圆环的每个电子管中同步升压，将能达到几百万电子伏的高压。如果再用电磁铁把离子束缚在圆环里，那么，这个装置将成为物理学中前所未有的利器，什么高能粒子的实验都可以在它中间完成了。劳伦斯兴奋不已。这个装置如此简单、有效、高能，为什么前人就没有想到呢？当别人核实他的计算并问这个装置有什么用时，他回答说：“我要用它来轰碎原子。”当时世界物理学研究的兴趣已集中到小小的原子核上，要想揭开原子中的秘密必须击碎原子，而要击碎它必须以连续不断的、强度惊人的带电粒子流对原子进行撞击才行。当时物理学家丁顿曾设想建造一种能量很高的仪器，使原子核发生像太阳内部核反应一样的反应。根据这些想法，劳伦斯开始研制回旋加速器。劳伦斯发挥惊人的想象力，不久他就提出了加速器的原理并制出模型。但当时很多学者认为这种东西在理论上是成熟的，但要想使它变成现实则是不容易的。劳伦斯不信这些泄气的论调，终于，他研制的世界上第一台回旋加速器问世。接着，劳伦斯又造出了一台可以把质子加速到1.2百万电子伏的新的回旋加速器。

回旋加速器原理示意图

劳伦斯在物理学研究中取得的成就是了不起的，然而他没有忘记自己走上物理学研究道路的领路人——独具慧眼的阿克利教授。毕业20年以后，劳伦斯特意举办了盛大的招待会表示对启蒙老师的感激之情。他说：“我得以在这美好的领域辛勤工作，应归功于受人尊敬的院长阿克利教授的启示。”

回旋加速器的发展

2006年6月23日，中国首台西门子eclipse HP/RD医用回旋加速器在位于广州军区总医院内的正电子药物研发中心正式投入临床运营。eclipse HP/RD采用了深谷技术、靶体及靶系统技术、完全自屏蔽等多项前沿技术，具有高性能、低消耗、高稳定性的优点。回旋加速器是产生正电子放射性药物的装置，该药物作为示踪剂注入人体后，医生即可通过PET／CT显像观察到患者脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。所以PET/CT依靠回旋加速器生产的不同种显像药物对各种肿瘤进行特异性显像，达到对疾病的早期监测与预防。