時間：2025年8月5日  來源：IAEA

（圖：芝加哥大學迴旋加速器實驗室）

 

如果您曾在醫院做過PET掃描，或是聽過癌症或腦腫瘤的放射治療，那麼其中很有可能用到了迴旋加速器。

那麼，迴旋加速器是什麼呢？它是如何運作的？

讓我們來詳細了解一下。

 

迴旋加速器是一種粒子加速器。它利用磁場和電場將帶電粒子（如質子或離子）加速到極高的速度。這使得粒子能夠與靶材料碰撞，並透過核反應產生放射性同位素。

 

放射性同位素用途廣泛，包括用於挽救生命的醫療、科學研究，甚至清潔能源技術。

 

迴旋加速器是由美國物理學家歐內斯特·O·勞倫斯和他的學生M·斯坦利·利文斯頓於1931年在加州大學柏克萊分校發明的。他們早期的原型機寬度只有 10 公分左右，已經能夠將粒子加速到高能階。勞倫斯的開創性工作為他贏得了 1939 年的諾貝爾物理學獎。 

迴旋加速器是如何運作的？

這個過程始於將帶電粒子（例如正離子或負離子）注入迴旋加速器的中心，它們開始沿著螺旋路徑向外運動。

 

迴旋加速器內部有兩個空心的 D 形金屬電極，稱為“D 形電極”，位於一塊大型磁鐵的兩極之間。磁場迫使粒子沿著圓形路徑運動，而交流電場會在粒子每次穿過兩個「D 形電極」之間的間隙時增強其能量。隨著粒子速度和能量的增加，它們繼續向外螺旋型運動。

 

一旦粒子到達迴旋加速器的外緣，它們就會被引導射向靶材。當加速後的粒子與靶材碰撞時，它們會引起核反應，產生放射性同位素。

 

迴旋加速器問世近一個世紀以來，因其可靠性、效率和多功能性，仍備受青睞。 

迴旋加速器與其他粒子加速器有何不同？

粒子加速器在醫學、工業和科學研究領域有著廣泛的應用。這些設備將帶電粒子（例如電子和質子）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——提升粒子的能量，但它們實現這一目標的方式是各不相同的。

 

迴旋加速器利用固定磁場和交流變換電場，以螺旋路徑加速粒子。螺旋設計是迴旋加速器的主要優勢之一。它能夠在相對較小的空間內進行持續加速。因此，迴旋加速器通常體積只有房間大小，而比其他加速器更經濟實惠。它們可以安裝在醫院或大學實驗室，無需大型設施。迴旋加速器也非常適合生產醫學影像和癌症治療所需特定類型的放射性同位素，以及研究或工業領域中相關的應用。

 

相較之下，直線加速器（或稱linacs）利用一系列電場以直線方向推進粒子。雖然linacs的設計更簡單，但它們通常需要更大的空間才能達到與迴旋加速器相同的能量水平。它們通常用於放射治療，產生精確的標靶輻射束用來治療腫瘤。

 

另一種加速器是同步加速器——一種更大、更複雜的機器，通常用於國家研究中心。與迴旋加速器類似，它們引導粒子沿著圓形路徑運動，但具有可變磁場和射頻加速。這些機器可以達到極高的能量，使其適用於粒子物理、材料科學甚至藥物開發的研究。然而，由於其體積和成本考量，它們通常由國家或國際研究中心使用，而不是用於醫院或小型實驗室。

 

 

雖然每種加速器都發揮了重要作用，但迴旋加速器仍然是醫療系統中應用最廣泛、使用者最友善的加速器。

 

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迴旋加速器如何用於疾病的診斷與治療？

迴旋加速器為許多改善我們日常生活的工具、治療方法和發明提供了動力。它們結構精巧、高效且操作相對簡單，是生產醫用放射性同位素的理想選擇；醫用放射性同位素是指不穩定原子能發射輻射，用於癌症的診斷和治療。

 

生產放射性同位素的一個重要考量因素是同位素的有效壽命——即它們在生產後，能保持放射性並適用於醫療用途的時間。

 

用於治療的放射性同位素的半化期通常為幾天，使它們能夠有效殺死癌細胞，也可以在這段時間內從生產地運送到醫院與治療中心。

 

相較之下，其他診斷用同位素的半化期極短，這意味著它們會在數小時內迅速衰變，失去效力，也無法做長距離的運送。

 

迴旋加速器因其能夠在現場或附近生產同位素而備受重視，可確保患者獲得快速、準確的診斷與及時的治療。

醫學影像

這些掃描技術可以助醫生在早期高精度地檢測出癌症、阿茲海默症以及心臟病等心血管疾病。早期檢測可以提高診斷效果，並支援更完善的治療方案。

癌症治療

迴旋加速器還可以生產用於標靶核種治療的特殊放射性藥物，來輔助癌症的治療。在這種治療中，直接將輻射傳送至癌細胞，以達到摧毀癌細胞，並最大限度地減少對健康組織的傷害。

 

今日迴旋加速器的應用？

迴旋加速器在現代基礎設施、醫療保健和研究領域中發揮著至關重要的作用。

 

如今，世界各地有數千台迴旋加速器運轉，尤其是裝設在醫院、癌症中心和研究機構。隨著對PET和SPECT掃描等非侵入性診斷工具需求的不斷增長，對尋求不採用鈾生產放射性同位素的迴旋加速器和研究機構，其需求也日益增長。

 

過去，許多醫用放射性同位素是在核反應器中使用鈾生產的，這個過程會產生長壽命的放射性廢棄物，會引發安全與保安的關切。為了找到更清潔、更安全的方法來生產這些重要材料，各國紛紛轉向使用無需鈾即可生產放射性同位素的迴旋加速器。

 

新一代精巧型低能耗迴旋加速器使小型醫院和機構能夠使用該技術。研究人員正在繼續探索放射性同位素在環境科學、材料工程和國土安全領域的新用途。

 

雖然迴旋加速器的核心原理自1930年代以來始終未變，但這項至關重要的技術仍在不斷發展，以適應21世紀的需求。

國際原子能總署的作用

國際原子能總署支持世界各國，特別是那些資源有限的國家，取得、運轉並受益於迴旋加速器技術。

 

它指導迴旋加速器設施的基礎設施建設，就設備規格提供建議，並確保符合安全標準。

 

國際原子能總署培訓醫學物理學家、工程師和核子醫學專業人員，以確保各國擁有能夠安全有效操作迴旋加速器的熟練人員。

 

國際原子能總署也協調合作研究項目，匯集世界各地的專家，共同開發新的同位素，提高迴旋加速器的性能，並探索新的醫療和工業應用。

 

國際原子能總署放射性核種生產的迴旋加速器資料庫以及放射性藥物資料庫，為政策制定者、研究人員、技術專家和學生提供了使用迴旋加速器生產的放射性核種，以及其在病患護理與治療中，於不同放射性藥物製劑的應用概述。