一般回旋加速器中磁场有多强？第1页

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现在一提到加速器，人们首先想到的是高能物理对撞实验中的粒子加速器，也就是环形的同步加速器（比如CERN的大型强子对撞机LHC）。而在同步加速器兴起之前，回旋加速器一直是粒子物理学研究的主要工具。一般来说，当提到回旋加速器时，指的是以下三种加速器：

传统的回旋加速器，Cyclotron。
同步回旋加速器，Synchro-Cyclotron。
等时回旋加速器，Isochron Cyclotron。

其与同步加速器和直线加速器的最大区别，在我看来，是其磁场较为连续地覆盖加速粒子不断增大的环形轨迹。无论是早期传统的回旋加速器（见下图），还是之后考虑到相对论效应，而发展出来的同步回旋加速器，以及等时回旋加速器。

传统的回旋加速器，由于其加速腔中恒定的电压频率，只能考虑非相对论效应的粒子。比如在加速质子时，其最大动能也就能达到20到25MeV，大约为其静质量的2.5%。因此，通过调频技术，使加速腔中的电场频率随着加速粒子的回旋频率一起改变的同步回旋加速器，自然而然地成为了解决问题的方式。以伯克利国家实验室（Lawrence Berkley Laboratory）在1946年建造的同步回旋加速器为例^[1]（见下图），其通过2.337米的最大轨道半径，及1.5T的磁场强度，理论上可将质子加速到471MeV。不过，受限于束流聚焦的要求，1.5T的磁场强度并不能都用来转向质子束，因此在实际工作中，其质子的最大动能为350MeV。

另外，通过特殊的磁铁形状及磁场分布，来使粒子的回旋频率为常数，也同样是一种解决问题的办法。于是，等时回旋加速器便应运而生了。下图中，左侧就是一款等时回旋加速器的磁场分布，这类“风扇叶”一样的磁场强度配置，在如今已经很成熟的医用质子加速器中，非常普遍。以IBA早期的C235质子等时回旋加速器为例^[2]（见下图右侧），其以1.74至2.2T的磁场强度，2.17米最大轨道半径，将质子的动能加速到了230MeV。

当然，同步回旋加速器也同样被应用在质子治疗上，比如IBA的S2C2同步回旋加速器^[3]。其磁场强度达到了5.64T，以1.15米的最大轨道半径，将质子加速到了与C235同样的能量。下表即为C235与S2C2的参数对比。从表中，我们还可以看到，等时回旋加速器（C235）所产生的是连续束流，而同步回旋加速器（S2C2）则是脉冲束流，其频率取决于加速腔的电场频率。这正是由于它们应对粒子“相对论效应”的原理不同，所体现出的不同的束流性质。

最后，回旋加速器之所以在质子治疗中，应用较为广泛，主要是因为在医用领域，保证质子束能量达到100MeV级别的同时，人们更青睐能耗更低、更紧凑的小型质子加速器。不过，随着高剂量率放疗（高于40Gy/s）研究的深入，人们对医用加速器的要求，也变得越来越高。放疗研究者们甚至将目光，投向了激光等离子加速器。或许在未来，医用回旋加速器也会如同它的前辈，在高能物理研究中的那样，逐渐退出历史的舞台吧。

参考

^particle accelerator physics https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-18317-6
^Cyclotrons: Magnetic Design and Beam Dynamics https://arxiv.org/abs/1804.08961
^ November 2013Physics of Particles and Nuclei Letters 10(7) DOI: 10.1134/S1547477114010154 Authors: s. A. Kostromin 16.13Joint Institute for Nuclear Research E. Syresin 31.53Joint Institute for Nuclear Research https://www.researchgate.net/publication/261017570_Trends_in_accelerator_technology_for_hadron_therapy