早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場(chǎng)中加速一次,因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。為此,象R. Wideröe等一些加速器的者在20年代,就探索利用同一電壓多次加速帶電粒子,并成功地演示了用同一高頻電壓使鈉和鉀離子加速二次的直線裝置,并指出重復(fù)利用這種方式,原則上可加速離子達(dá)到任意高的能量。但由于受到高頻技術(shù)的限制,這樣的裝置太大,也太昂貴,也不適用于加速輕離子如質(zhì)子、氘核等進(jìn)行原子核研究,結(jié)果未能得到發(fā)展應(yīng)用。
1930年,Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理論,他設(shè)想用磁場(chǎng)使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉(zhuǎn),多次反復(fù)地通過高頻加速電場(chǎng),直至達(dá)到高能量。1931年,他和他的學(xué)生利文斯頓(M. S. Livingston)一起,研制了世界上*臺(tái)回旋加速器,這臺(tái)加速器的磁極直徑只有10cm,加速電壓為2kV,可加速氘離子達(dá)到80keV的能量,向人們證實(shí)了他們所提出的回旋加速器原理。隨后,經(jīng)M. Stanley Livingston資助,建造了一臺(tái)25cm直徑的較大回旋加速器,其被加速粒子的能量可達(dá)到1MeV。回旋加速器的光輝成就不僅在于它創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)人工加速帶電粒子的能量記錄,更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人們研發(fā)各種高能粒子加速器的基礎(chǔ)。
30年代以來,回旋加速器的發(fā)展經(jīng)歷了二個(gè)重要的階段。前20年,人們按照勞倫斯的原理建造了一批所謂經(jīng)典回旋加速器,其中大的可生產(chǎn)44MeV的α粒子或22MeV的質(zhì)子。但由于相對(duì)論效應(yīng)所引起的矛盾和限制,經(jīng)典回旋加速器的能量難以超過每核子20多MeV的能量范圍。后來,人們基于1938年托馬斯(L. H. Thomas)提出的建議,發(fā)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過改變加速電壓的頻率,解決了相對(duì)論的影響。利用該加速器可使被加速粒子的能量達(dá)到700MeV。使用可變的頻率,回旋加速器不需要長(zhǎng)時(shí)間使用高電壓,幾個(gè)周期后也同樣可獲得大的能量。在同步回旋加速器中典型的加速電壓是10kV,并且,可通過改變加速室的大小(如半徑、磁場(chǎng)),限制粒子的大能量。
60年代后,在世界范圍掀起了研發(fā)等時(shí)性回旋加速器的高潮。等時(shí)性回旋加速器(Isochronous cyclotron)是由3個(gè)扇極組合(compact-pole 3 sector)的回旋加速器,能量可變,以*和第三偕波模式對(duì)正離子進(jìn)行加速。在*偕波中,質(zhì)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離子在18 MeV ~62 MeV 。磁場(chǎng)的變化通過9對(duì)圓形的調(diào)節(jié)線圈來完成,磁場(chǎng)的梯度與半徑的比率為(4,5 - 3,5)×10-3 T/cm。磁場(chǎng)方位角通過六對(duì)偕波線圈進(jìn)行校正。RF系統(tǒng)由180°的兩個(gè)Dee組成,其操作電壓達(dá)到80kV,RF振蕩器是一種典型的6級(jí)振蕩器,其頻率范圍在8,5 - 19 MHz 。通常典型的離子源呈放射狀,并且可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行遙控,在中心區(qū)域有一個(gè)可以活動(dòng)的狹縫進(jìn)行相位調(diào)節(jié)和中心定位。使用非均勻電場(chǎng)的靜電偏轉(zhuǎn)儀(electrostatic deflector)和磁場(chǎng)屏蔽通道進(jìn)行束流提取,在偏轉(zhuǎn)儀上的大電勢(shì)可達(dá)到70 kV 。對(duì)30 MeV強(qiáng)度為15 mA質(zhì)子在徑向和軸向的發(fā)射度(Emittance)為16p mm.mrad 。能量擴(kuò)散為0.6%,亮度高,在靶內(nèi)的束流可達(dá)到幾百mA。用不同的探針進(jìn)行束流強(qiáng)度的測(cè)量,這些探針有普通TV的可視性探針;薄層掃描探針和非截?cái)嗍剑╪on-interceptive)束流診斷裝置。系統(tǒng)對(duì)束流的敏感性為1mA ,飛行時(shí)間到0,2 ns 。束流可以傳送到六個(gè)靶位,可完成的傳送。該回旋加速器早在1972年由INP建造,它可使質(zhì)子加速達(dá)到1 MeV,束流強(qiáng)度為幾百mA,主要用于回旋加速器系統(tǒng)(離子源、磁場(chǎng)等)的研究。
70年代以來,為了適應(yīng)重離子物理研究的需要,成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全離子、可變能量的等時(shí)性回旋加速器,使每臺(tái)加速器的使用效益大大提高。此外,近年來還發(fā)展了超導(dǎo)磁體的等時(shí)性回旋加速器。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)減小加速器的尺寸、擴(kuò)展能量范圍和降低運(yùn)行費(fèi)用等方面為加速器的發(fā)展開辟新的領(lǐng)域。目前的同步加速器可以產(chǎn)生筆尖型(pencil-thin )的細(xì)小束流,其離子的能量可以達(dá)到天然輻射能的100,000倍。通過設(shè)計(jì)邊緣磁場(chǎng)來改變每級(jí)加速管的離子軌道半徑。大的質(zhì)子同步加速器是Main Ring(500GeV)和Tevatron(1TeV)在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago ;較質(zhì)子同步加速器的是在Geneva的 European Laboratory for Particle Physics (CERN)安裝應(yīng)用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。