1919年，英国科学家卢瑟福（E Rutherford）用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109cm/s的高速α粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.000 4cm的金属箔“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。
奈辛（G Ising）于1924年，维德罗（E Wideroe）于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯（EO Lawrence）于1932年建成了回旋加速器，并应用它制备了人工放射性核素。由于受到加速粒子质量、能量等制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则可将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。
粒子束的能量是加速器性能的主要参数之一，它的基本单位是电子伏（eV），常用单位还包括有千电子伏（keV）、兆电子伏（MeV）、吉电子伏（GeV）和太电子伏（TeV）。它们之间的换算关系如下。
1千电子伏 1keV=103eV=1000eV
1兆电子伏 1MeV＝106eV＝1000keV
1吉电子伏 1GeV＝109eV＝1000MeV
1太电子伏 1TeV＝1012eV＝1000GeV
能量在100MeV以下的加速器称为低能加速器，能量在100MeV～1GeV的加速器称为中能加速器，能量在1～100GeV的加速器称为高能加速器，在此以上的统称为超高能加速器。不同能量的加速器，其结构性能和规模有很大的差异。
PET所用的回旋加速器加速粒子能量在100MeV以下，属低能回旋加速器，是专门用于生产短寿命放射性核素的较小型机型。几种不同型号的回旋加速器如表4-1所示。
表4-1 不同型号回旋加速器性能参数
不同型号的回旋加速器结构有较大的差异，但它们的基本组成相同，一般都是由磁场系统、真空系统、离子源系统、提取系统、诊断系统、靶系统和冷却系统等主系统组成。回旋加速器的工作原理如图4-1所示。
在回旋加速器中心部位的离子源经高压电弧放电而使气体电离发射出粒子束流，该粒子束流在称为Dees的半圆形电极盒（简称D型盒）中运动。D型盒与高频振荡电源相连为加速粒子提供交变的电场。在磁场和电场的作用下，被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。设粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁场强度为B的磁感线，粒子受到垂直于v 和B的Lorentz力FL的作用，该力为：
图4-1 回旋加速器工作原理
粒子轨道的曲率半径r由离心力和FL之间的平衡状态来确定，即
由（式4-2）可得粒子的速度v为
根据（式4-2）和动能方程，粒子产生的动能E为
在回旋加速器中心区域，粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度v1，同时，磁场也对这些粒子产生作用，两种场作用的结果是粒子在Dees间隙（gap）内按螺旋轨道飞行。经过非常短的时间后，粒子经gap进入另一个Dees电极盒，此后，粒子在该Dees电极盒从一边飞行到等电势的另一边。每越过一个gap后，其轨道半径将比前一次的轨道半径大。粒子运动的瞬时轨道半径将随时间t的增加而增大，粒子运动速度的平方与粒子旋转的圈数成比例。被加速粒子运动的螺旋轨道半径r与运行时间t的平方根成正比。带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量，在该点处粒子将被束流提取装置提取引出进入靶室照射靶材料原子核。
入射粒子与靶核发生反应，其过程一般分为三个阶段。
第一阶段，当入射粒子进入靶核势场作用范围时，一部分被吸收，一部分被靶核弹性散射，没有发生反应的则透过。这与光线在介质中的情况相似，因此常用光学模型来描述，称为光线模型阶段。又因为入射粒子在这阶段仍然保持相对独立的运动，故又称为独立粒子阶段。
第二阶段，当入射粒子进入靶核形成复合体系时，入射粒子与靶核发生能量交换。其交换方式有两大类，一类是直接相互作用，入射粒子将能量直接交给一部分粒子，使它飞出核外，这类反应称为直接反应。直接反应的过程时间很短，与粒子飞越靶核的时间相近。另一类是形成复合体，这是入射粒子与靶中大量粒子经过充分碰撞，达到统计平衡，形成一个新核的激发态。复合核的寿命比粒子在核内飞越的时间要长得多。
第三阶段是最后阶段，由复合体系分解成出射粒子和剩余核，即为复合核的衰变。可以出射中子、γ光子、质子、α粒子等。另外，在发生核反应时，还存在核反应概率问题，核反应概率的大小与核反应截面有关。不能把反应截面视为原子核的几何面积，几何面积是一固定值，而反应截面是随轰击粒子的类型和能量而异，通常各种原子的几何面积相差不太大，但其反应截面却可以相差几个数量级。
现代医用回旋加速器虽然体积不大，但其结构严密紧凑，各系统功能强大，能生产出临床所需要的多种放射性核素，如C、N、O、F等。下面以GE公司的PET trace型回旋加速器为例（图4-2，图4-3）分别讲述一下各系统的功能。
图4-2 GE公司 PETtrace型医用回旋加速器
图4-3 PETtrace型回旋加速器系统
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