| 词条 | 粒子加速器 |
| 释义 | § 简介 粒子加速器 粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。自E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的阿尔法射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。 天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV），天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为10^14电子伏特（eV）的粒子每小时在1平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器，性能不断提高。在生活中，电视和X光设施等都是小型的粒子加速器。 § 工作原理 回旋加速器的原理图 在直线加速器中，粒子沿加速管道运行并不断增加速度，从而获得高速粒子。在加速管道的外部，套有许多的电磁线圈。由于通电螺线管内部具有磁场，也即，具有沿同一个方向递进的磁力线能量。 据统一场理论，粒子不仅仅是一个个极其微小的物质体，而且是一个个具有磁矩的、体积极其极其微小的能量体。其磁矩磁力线从粒子的北极射出后，回到南极而输入。在粒子内部，磁矩磁力线从南极流向北极。 在两个磁体之间，由于彼此磁力线具有“同极相斥、异极相吸”作用特性，以及磁力线的可重组和共享特性。因此，当粒子处于一个尺度较长的、强度很大的磁场磁力线的内部之际，比如在直线加速器中，其从北极射出的微弱磁矩磁力线能量，必将与加速器中那个强大的磁场磁力线合并而重组且共享，那个强大的磁场磁力线的其中一束又必然从该粒子的南极输入。因此，在这个粒子的外部空间，就不会再有从自身北极射出并立即向南极折返的磁矩磁力线，只有与加速器的强大磁力线相共享的磁力线从粒子的南极穿进、从北极穿出，使得粒子犹如一个套在螺杆上的螺母。 当加速器的电场加强，则意味其中的磁力线的加强，也即是磁力线螺旋速度的加快。所以，外套于这个螺旋速度加快步伐的磁力线之上的粒子，必然加速不待。 因此，粒子的加速速度与加速器的电磁场具有成正比之规律性特征。[1] § 历史 E.卢瑟福 1919年，E.卢瑟福用天然放射源实现了第一个原子核反应，不久，人们就提出了用人造快速粒子源来变革原子核的设想。1928年G.伽莫夫关于量子隧道效应的计算表明，能量远低于天然α射线的粒子,也可透入核内，这就进一步激发了人们研制人造快速粒子源的热情。 20年代中，探讨过许多加速带电粒子的方案，进行过许多试验。30年代初，高压倍加器、回旋加速器、静电加速器相继问世。1932年J.D.考克饶夫和E.T.S.瓦耳顿用他们建造的700kV高压倍加器加速质子,实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反应,Li(p,α)He。同年E.O.劳伦斯等发明的回旋加速器（见彩图）开始运行。几年之后他们通过人工加速的p、d和α等粒子轰击靶核得到高强度的中子束，还首次制成了Na、P、I等医用同位素。这几位研制加速器的先驱者后来分别获得了诺贝尔物理学奖。同一期间R.J.范德格喇夫创建了静电加速器,它的能量均匀度高,被誉为核结构研究的精密工具。 以后的几十年间，随着人们对微观物质世界深层结构研究的不断深入，各个科学技术领域对各种快速粒子束的需要不断增长，提出了多种新的加速原理和方法，发展了具有各种特色的加速器。 § 发展 SLAC的直线加速器中电子枪的原理图 第一批粒子加速器的运行显示了人工方法产生快速粒子束的巨大优越性：不仅其强度远高于放射性元素、宇宙线等天然快速粒子源，而且粒子的品种、能量以及粒子束的方向等都可任意选择、精确调节。 1940年D.W.克斯特制成了利用电磁感应产生的涡旋电场加速电子到高能量的电子感应加速器；1945年Β.И.韦克斯勒和E.M.麦克米伦各自独立提出了谐振加速的自动稳相原理，为高能加速器的发展开辟了道路；40年代中期在第二次世界大战期间发展起来的高频、微波技术基础上，L.W.阿耳瓦雷茨和W.W.汉森分别制成了第一台质子驻波直线加速器和电子行波直线加速器,为直线加速器的发展奠定了基础;50年代初M.S.利文斯顿、E.D.库朗等提出了强聚焦加速器原理，大大缩减了加速器的尺寸，在此基础上诞生了强聚焦的高能加速器以及扇形聚焦回旋加速器；1956年克斯特提出了通过高能粒子束间的对撞来提高有效作用能的概念，导致了高能对撞机的发展。 60年代后期以来，在寻求超重核，发展重离子核物理的推动下，发展了加速重离子的技术和能力，并形成了自成一族的重离子加速器，使加速粒子的品种自初期的少数轻离子发展到元素周期表上全部天然元素的离子。 几十年来，人们应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速地发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们得以发现上百种“基本”粒子包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子，并建立起粒子物理学这样一门新学科。 § 分类 粒子加速器 作用原理分 粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器 、对撞机等。 粒子能量大小分 加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于108eV）、中能加速器（能量在108～109eV）、高能加速器（能量在109～1012eV）和超高能加速器（能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。 粒子轨道的形态分 粒子加速器,按照加速电场和粒子轨道的形态,大体上可分为四大类：直流高压式加速器、电磁感应式加速器、直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。它们各自都有适于工作的粒子品种、能量范围以及性能特色。几十年来,它们各自在同其他类型的竞争中不断地发展、完善、更新。在应用中有时它们互相补充。近年来，大中型的粒子加速器（如重离子加速器和高能加速器等）往往采用多种加速器的串接组合：例如由直流高压型加速器作预加速器，注入直线谐振式加速器加速至中间能量，再注入回旋谐振式加速器加速至终能量。这样的系统有利于发挥每一类加速器的效率和特色。 回旋运动分 SLD事件的示意图：绿线和红线显示了粒子通过检测器的轨迹 这类利用轴向磁场使带电粒子做回旋运动，周期性地通过高频电场加速粒子的回旋加速器又可以分为两类： 第一类是没有自动稳相机制的。等时性回旋加速器就是属于这一类。D形电极间加有频率固定的高频加速电场，粒子能量低时，回旋频率能保持与高频电场谐振，而当能量高时，粒子的回旋频率会随着能量的提高而越来越低于高频电场频率，最终不能再被谐振加速。 第二类是有自动稳相机制的。属于这一类型的加速器有：（1）稳相加速器。轴向磁场保持恒定，而使高频加速电场的频率随着粒子回旋频率的降低而同步降低，从而使带电粒子仍能继续被谐振加速。这类加速器又名调频回旋加速器或稳相加速器。采用自动稳相机制以后，在理论上可以将质子加速到无限高的能量，然而由于技术上和经济上的原因，历史上最大的稳相加速器的能量只达到700MeV。这一类型的加速器用来加速质子，有的用于加速掺氘核、α粒子甚至氮离子。 （2）电子回旋加速器。又称为微波回旋加速器，专门用于加速电子。这一类型的加速器中，轴向磁场是均匀的，加速电场的频率也是恒定的，而所不同的是让加速间隙位于磁极的一端，电子的轨道为一系列与加速间隙中心线相切的圆。图2.5是电子回旋加速器中电子轨道的示意图。电子每回旋一圈，就被加速一次，只要回旋周期等于加速电压周期的整数倍，就有可能进行谐振加速。电子回旋加速器的能量都不是很高，最大的也不过几十MeV，束流强度为30～120微安，大多数用于医疗和射线剂量学等方面。 （3）同步加速器。它的主导磁场是随时间改变的以保证带电粒子在恒定轨道上回旋。为此，磁铁做成环形的，可使磁铁重量减轻。加速电场是交变的，其频率随着带电粒子回旋频率的改变而改变，以保证谐振加速。同步加速器既能加速电子，称为电子同步加速器；又能用于加速质子，称为质子同步加速器或同步稳相加速器。用于加速重离子的同步加速器，顾名思义应称为重离子同步加速器。 § 结构 粒子加速器有三个基本组成部分（见图） 粒子加速器 ①粒子源，如电子枪、离子源、极化粒子源等，用以提供所需加速的各种粒子； ②真空加速系统，一个装有加速结构的真空室，如加速管、加速腔等，用以向粒子施加一定形态的加速电场，并使粒子在不受空气分子散射的条件下加速； ③导引、聚焦系统,包括电磁透镜、主导磁场等,应用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场加速。 多数加速器还设有由若干弯转磁铁和电磁四极透镜等组成的束流输运系统，用以在源和加速器之间、加速器和靶之间，或当多个加速器串接工作时，在加速器之间输运所需的粒子束。此外，为了保证加速器的稳定运行，通常还设有电磁场的稳定控制设备，束流诊断和监测设备以及各种供电和操作设备。 § 能量 粒子加速器 粒子加速器的效能通常以粒子所达到的能量来表征。粒子能量在100 MeV以下的称为低能加速器，能量在0.1～1GeV间的称中能加速器,能量高于1 GeV的称高能加速器。按照被加速粒子的品种，加速器可分为电子加速器、质子加速器和重离子加速器等。电子的质量很小，在较低的能量（约2 MeV）就接近光速,而质子和重离子则要在很高能量(每核子2 GeV以上)其速度才能接近光速。因此，加速不同粒子品种的加速器，往往在结构上有相当大的差异。由加速器直接加速出来的快速粒子同物质相互作用还可产生γ光子、中子或介子等有用的次级粒子束。因而有些加速器就以其产生的高强度次级粒子命名，如“光子工厂”、“强中子发生器”、“介子工厂”等。 从20世纪30年代到50年代后半期的20年时间里，加速器的能量增加了几百倍到几千倍。这是因为要发现基本粒子。除了到宇宙线中去寻找外，就得到原子核内部去寻找。原子核内部存在非常强大的作用力，把基本粒子紧紧地结合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。随着加速器能量的增加，在实验室中所发现的基本粒子数目也增多了。 现在，粒子加速器的规模已有小于一个大型机器制造厂，其用电量相当于一个中等城市，工作人员可达数千人，有宇宙粒子制造厂之称。但是，尽管今日粒子加速器能量已经够大的了，可它仍然远远不能适应探索原子奥秘的要求，因此随着人们对原子奥秘探索的深入，粒子加速器仍会为断地改进。 § 方式 环形加速器 粒子加速器 被加速的粒子以一定的能量在一圆形结构里运动，粒子运行的圆形轨道是由磁偶极（dipole magnet）所控制。和直线加速器(Linac)不一样，环形加速器的结构可以持续地将粒子加速，粒子会重复经过圆形轨道上的同一点。但是粒子的能量会以同步辐射方式发散出去。 除了加速电子以外也有些加速器加速较重的离子，如质子，以运作更高的能量领域的研究。譬如高能物理对于夸克及胶子的研究分析。 粒子回旋加速器有其能量限制，因为狭义相对论效应会使得高速下的粒子质量改变。粒子的核质比与回旋频率间的关系因此改变，许多参数需重新计算。当粒子速度接近光速时，粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能让粒子继续运行，而这时可能已经达到粒子回旋加速器机械上的极限。 当电子能量到达约十个百万电子伏特（10 MeV）时，原本的粒子回旋加速器无法对电子再做加速。必须用其他方法，如同步粒子回旋加速器和等时粒子回旋加速器的使用。这些加速器适用于较高的能量，而不用于较低的能量。 如果要到达更高的能量，约十亿电子伏特（billion eV or GeV），必须使用同步加速器。同步加速器将粒子置于环形的真空管中，称为储存环。储存环有许多的磁铁装置用以聚焦粒子以及让粒子在储存环中转弯，用微波（高频）共振腔提供电场将粒子加速。 直线加速器 带电粒子在直线中加速，运行到加速器的末端。较低能量的加速器例如阴极射线管及X光产生器，使用约数千伏特的直流电压（DC）差的一对电极板。在X光产生器的靶本身是其中一个电极。 较高能的直线加速器使用在一直线上排列的电极板组合来提供加速电场。当带电粒子接近其中一个电极板时，电极板上带有相反电性的电荷以吸引带电粒子。当带电粒子通过电极板时，电极板上变成带有相同电性的电荷以排斥推动带电粒子到下一个电极板。所以带电粒子束加速时，必须小心控制每一个板上的交流（AC）电压，让每一个带电粒子束可以持续加速。 当粒子接近光速时，电场的转换速率必须变得相当高，须使用微波（高频）共振腔来运作加速电场。 直线加速器称为 Linac (即 Linear Accelerator)。 § 中国状况 粒子加速器 中国三大高能物理研究装置---中国的粒子加速器 正,負電子結構圖 北京正负电子对撞机 北京正负电子对撞机是一台可以使正、负两个电子束在同一个环里沿着相反的方向加速，并在指定的地点发生对头碰撞的高能物理实验装置。由于磁场的作用，正负电子进入环后，在电子计算机控制下，沿指定轨道运动，在环内指定区域产生对撞，从而发生高能反应。然后用一台大型粒了探测器，分辨对撞后产生的带电粒千及其衍变产物，把取出的电子信号输入计算机进行处理。它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。粒子加速器 兰州重离子加速器 兰州重离子加速器是我国自行研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止能量最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器，是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，1989年H月投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。中科院近代物理研究所的科研人员以创新的物理思想，利用这台加速器成功地合成和研究了10余种新核素。 合肥同步辐射装置 合肥国家同步辐射实验室直线加速器合肥同步辐射装置主要研究粒子加速器后光谱的结构和变化，从而推知这些粒子的基本性质。它始建于1984年4月，1989年4月26日正式建成，迄今已建成5个实验站，接待了大量国内外用户，取得了一批有价值的成果。 § 种类 直流高压式加速器 粒子加速器 这类加速器将直流高电压加在一对或一系列串接的加速电极上，带电粒子通过电极间的间隙时，受到高压电场的加速，得到同该电压相当的能量。按直流高压电源的不同形式，这种加速器又可分为倍压电路加速器和静 电加速器两类。 倍压电路加速器 有高压倍加器（亦称串激倍压整流器，或考克饶夫—瓦耳顿发生器），“地那米”加速器（又称并激高频高压发生器）、马克思脉冲倍压发生器、绝缘芯变压器等。这些装置适宜于产生几十千伏至几兆伏的高电压，并可提供较高的束流功率。大多数高压倍加器的电压在100～600kV之间,主要用作产生(d,d)或(d, t)反应的中子发生器和研制半导体器件的离子注入机；电压在1～4MV的“地那米”和绝缘芯变压器主要用来加速大功率的电子束（数十毫安）供辐照加工之用。马克思脉冲倍压发生器用来产生强度达数十千安的脉冲电子束。 静电加速器 粒子加速器 又称范德格喇夫加速器,它通过输电带或输电链向空心金属电极不断输送电荷，使之充电至高电压用以加速粒子。整个加速器装在密闭的高气压容器之中,典型的工作电压为2～10 MV,加速的粒子流可达数十至数百微安。多数离子静电加速器用于中子反应截面测量、离子束微量分析以及原子和分子物理方面的研究，电子静电加速器则用于辐照加工、消毒等方面。近年来,生产了一批电压1～2 MV的小型串列式加速器,它们在元素痕量分析等方面有着广泛的用途。 直流高压型加速器的共同特点是可加速任意一种带电粒子，且能量可以平滑调节。但是这类加速器的能量直流受材料击穿电压的限制，不能太高。为了加速粒子至更高能量，发展了电磁感应式和谐振式的加速器。 电磁感应式加速器 粒子加速器 利用交变磁场所感生的涡旋电场加速带电粒子的加速，包括常见的电子感应加速器和研制中的离子直线感应加速器。前者利用具有特殊分布的轴对称交变磁场导引电子沿着恒定半径的圆形轨道旋转。同时由该磁场感生的涡旋电场则使电子加速至高能量。典型的电子感应加速器能量在25 MeV左右。加速过程中，电子要旋转一百万圈以上。 电子感应加速器的流强较低，通常不超过0.5μA。由此产生的轫致辐射,离靶1m处约10～1Gy/min。它主要用于金属构件的无损探伤、肿瘤的辐照治疗等。美国伊利诺伊大学曾建成能量达300 MeV的电子感应加速器。由于圆形轨道的感应加速器不适宜于加速离子，近年来提出了直线式的感应加速器，计划用以加速10 kA的重离子流，目前尚处于研制阶段。 直线谐振式加速器 粒子在高频电场作用下沿直线形轨道加速的加速器。为了使粒子在不太长的距离内加速到终能量,高频电场的振幅通常为1～10MV/m。为此需要使用功率水平很高的高频、微波电源来激励加速腔。这样的功率源物往往只能在脉冲状态下工作。 加速器的主要优点是加速粒子的束流强度高，且其能量可以逐节增加，不受限制。缺点是高频运行的功率消耗大，设备投资高。近年来发展了多种低温超导直线加速结构。超导的直线加速器（见超导加速器）可使运行费用降低3～5倍，原则上可以连续提供粒子束团。 回旋谐振式加速器 粒子加速器 应用高频电场加速粒子的一种圆弧轨道加速器。这类加速器中的粒子在导引磁场控制下回旋运动，反复通过加速电场区，得到多次加速，直至达到额定能量。回旋谐振式加速器可分二类。第一类中磁场不随时间而变，加速粒子的曲率半径随能量的增加而不断增加。经典回旋加速器、扇形聚焦回旋加速器、同步回旋加速器和电子回旋加速器都属此类。另一类中，导引磁场的强度随粒子的动量同步增加，但粒子的曲率半径保持恒定。如电子同步加速器和质子同步加速器都属此类。上述各加速器中,除扇形聚焦回旋加速器外,都存在着自动稳相的现象。 回旋加速器 粒子加速器 经典的回旋加速器有一个产生均匀磁场的磁铁,和一对空心的“D”形高频电极。电极间加有频率固定的高频加速电场。粒子能量低时，其回旋频率同高频电场谐振，它们每转半圈就得到一次加速。然而能量高时，粒子的旋转频率也就随着能量增加愈来愈低于电场的频率，最终导致不能再为电场所加速。由于这个缘故，经典回旋加速器中质子的最高能量仅约20 MeV。为了克服这一困难，可让磁场沿半径方向逐步增高，以使粒子的旋转周期保持恒定。然而单纯的沿半径升高的磁场却导致粒子束在轴向散焦，无法应用。 同步回旋加速器 一种磁场恒定加速电场频率随着粒子的旋转频率同步降低的回旋加速器，又名调频回旋加速器或稳相加速器。根据自动稳相原理，采用这样的加速方式，原则上可将质子加速到无限高的能量。然而，历史上最大的同步回旋加速器能量只达到 700MeV。 这是因为它的磁铁已重达7000吨, 超过了一般的高能加速器磁铁的重量。从经济上和技术上考虑不宜再建造能量更高的调频加速器,由于电场的频率必须随时间而变,同步回旋加速器只能在脉冲状态下工作。脉冲重复率约为30～100Hz。平均流强几微安,比能量相当的扇形聚焦回旋加速器小一二个量级。由于这个缘故相当多的同步回旋加速器已经关闭，有些则改建为等时性回旋加速器。 电子回旋加速器 又称微波回旋加速器，专用于电子的加速。同经典的回旋加速器一样，加速器的磁场是均匀的，加速电场的频率也是恒定的，不同的是加速间隙位于磁极的一端，电子的轨道则为一系列同加速间隙中心线相切的圆，电子每经过一次加速之后，其旋转周期正好增至加速前的整数倍，因而每当这些电子转回加速间隙时，电场又都刚好使它们再次加速。多数电子加速器的能量在10～30MeV间，流强30～120μA。大多用于医疗和剂量标准等方面。 同步加速器 粒子加速器 一种加速高能粒子的回旋谐振式加速器。它有一个大的环形磁铁。带电粒子在环形磁场的导引和控制之下沿着半径固定的圆形或接近圆形的轨道回旋运动，穿越沿途设置的一些高频加速腔，从中获取能量。加速过程中，磁场随时间增强，使粒子的轨道半径保持恒定。高频电场的频率则与磁场同步变化，以同粒子的回旋运动保持谐振。由于电、磁场随时间周期变化，加速器在脉冲状态下工作。为了使粒子束约束在狭长的真空室内加速，还需要有足够的聚焦力。早期用梯度数值较小的恒定梯度磁场进行聚焦。由于聚焦力较弱，加速室以及整个加速器的体积不得不做得相当大，这就从经济和技术上限制了同步加速器向 10GeV以上的能量发展。后来发明了交变梯度的强聚焦方式，有效聚焦力大大超过前者，使加速室的体积大为缩小。例如一台强聚焦的 30GeV质子同步加速器磁铁的重量约4000吨, 而如若采用恒定梯度聚焦的话，则将重达100000吨。 电子同步加速器 粒子加速器 通常用电子回旋加速器或直线加速器作注入器，将电子预加速至接近光速，然后注入同步加速器进一步加速至额定能量。小的电子同步加速器往往不用注入器，它先在电子感应加速器的状态下启动，待电子预加速至接近光速时,开动高频加速腔,使粒子进入同步加速，以近乎光速旋转的电子其回旋频率不随能量而变，因此电子同步加速器采用恒频的加速电场。典型的电子同步加速器能量为0.3～8 GeV，流强为10pps（粒子／秒），束流脉冲重复频率10～60Hz。 高速电子沿环形轨道运动时所发出的电磁辐射是限制电子同步加速器能量增高的重要因素。电子能量达10 GeV时,每转一圈辐射10 MeV的能量。但这种同步辐射有一系列特殊的优点:即发射由红外到X射线的可以控制的连续性光谱，且辐射是偏振的、强度高、方向性强、有很高的实用价值。已被广泛地用于固体物理、分子生物学及集成电路研制等等各个方面。 质子同步加速器 粒子加速器 通常以高压倍加器和质子直线加速器作注入器,将质子预加速至20～200 MeV后再注入到同步質子結構圖 加速器的环形轨道上进行加速。大型的同步加速器往往在注入器之后还增设一个较小的快脉冲同步加速器作中间级（又名“增强器”）将质子加速至10 GeV左右，以增加加速粒子的流强。加速过程中，质子的速度在相当大的范围内变化，电场的频率也必须相应地在相当宽的范围内调变，并需精确地加以控制，使之与磁场的上升同步。为此常常在束流轨道周围设置拾波板，监测质子的运动，并以此信号自动校正高频电场频率调变的进程。老的强聚焦同步加速器的主磁铁采用“复合作用”方案，即每个磁节兼起偏转导引和聚焦二种作用。这种磁铁的轨道磁场不能太高，仅1.4T左右，故用铁量较大；新的巨型同步加速器采用“分离作用”方案，即导引和聚焦分别由二极磁铁如四极透镜承担，结果轨道上的场强可增至2T，大大节省用铁量。 至今，国际上建成的质子同步加速器有十几台，其中九台建于60年代，最大的一台是美国费密国家加速器实验室的1000GeV加速器。 重离子同步加速器 与质子同步加速器的结构基本相同。不过加速过程中重离子的速度变化范围比质子大得多，因此高频电场的频率也要求在更大的范围内调变。另一方面，因重离子加速的路程长，而且同周围气体分子的电荷交换截面大，要求加速室的气压低至10Torr(1Torr＝133.322Pa)。最早使用同步加速方式加速高能重离子的是美国伯克利劳伦斯实验室的贝伐莱克加速器。目前它已能加速N、Ne、Ar、Fe等多种重离子至每核子2GeV以上。流强达到10～10pps。 储存环和对撞机 粒子加速器 这是在同步加速器基础上发展起来的一种超高能试验装置。以前人们总是用相对论速度的粒子轰击静止靶,进行粒子物理试验。然而在这样的作用方式中质心系统中只有一小部分能量可用于产生新粒子或种种有意义的反应。如果变化一下作用方式,让二个相向运动的高能粒子束对头碰撞，那么有效的作用能量将远比前一种方式高得多。 对撞机的优点是可以用造价不算太高的一般高能加速器进行超高能的实验。但它只能实现稳定粒子间的对撞，而且不能像一般加速器那样产生各种次级粒子束。因此它并不能代替超高能加速器。由于这个缘故，目前各高能物理中心都倾向于发展加速器──对撞机的复合体，既可进行多种粒子的对撞，又可进行静止靶的实验。 激光粒子加速器 美国科学家TomasPlettner在近日出版的《物理评论快报》上报告，他和斯坦福大学、斯坦福线形加速器中心（SLAC）的同事一起，用一种波长800纳米的商用激光调节真空中运行的电子的能量，获得了和每米递减4千万伏的电场一样的调制效果。这一技术有望发展成新型激光粒子加速器，用来将粒子加速到Tev（万亿电子伏）的量级。 § 最新研究 粒子加速器 半个世纪以来，尽管粒子加速器在能量、流强、粒子品种和束流品质等各方面取得了很大的成就，然而随着加速器能量的不断提高，现代加速器的规模却是越作越大，投资越来越高。如此下去，加速器的发展势必将在经济和技术方面受到严重的限制。由于这个原因，世界各有关实验室都在努力探索新的加速原理和方法。 迄今提出的方案很多，除了比较现实的各种超导加速器之外，还有两大类。一类是利用频段更高的激光来代替目前的高频或微波电磁场来加速粒子；所用的加速机制可能仍与常规高频电场加速器类似。另一类是利用带电粒子束团的集体场加速粒子，包括利用变速运动的等离子体凝团或强流电子束团本身的场来加速粒子或利用在等离子体或电子束团中激发的电磁波加速粒子。这些新方法如果成功的话，其加速效率估计可比现有方式高数十倍乃至数百倍（见加速器技术和原理的发展）。 § 应用 粒子加速器 在美国，粒子加速器开始在一些大医院建造，以用于治疗癌症 。 应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子，建立粒子物理学。近20多年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物 理领域，在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速器广泛用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速器，其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究，它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展；其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”型加速器。 § 中国发展简史 1955年 中国科学院原子能所建成700eV质子静电加速器。 1957年前后 中国科学院开始研制电子回旋加速器。 1958年 中国科学院高能所2.5MeV质子静电加速器建成。 中国第一台回旋加速器建成。 清华大学400keV质子倍压加速器建成。 1958年~1959年 清华大学2.5Mev电子回旋加速器出束。 1964年 中国科学院高能所30MeV电子直线加速器建成。 1982年 中国第一台自行设计、制造的质子直线加速器首次引出能量为10MeV的质子束流，脉冲流达到14mA. 1988年 北京正负电子对撞机实现正负电子对撞。 兰州近代物理研究所用于加速器重离子的分离扇形回旋加速器(HIRFL)建成。 1989年 北京谱仪推至对撞点上，开始总体检验，用已获得的巴巴事例进行刻度。北京谱仪开始物理工作。 中国科技大学设计的我国最早起步的同步辐射加速器建成出光，它由200MeV电子直线加速器和800MeV储存环组成。 2004年 北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)第一阶段设备安装和调试工作取得重大进展。同年11月19日16时41分，直线加速器控制室的示波器上显示出的电子束流流强约为2A以上，标志着BEPCⅡ直线加速器的改进工作取得一个重要的阶段性成果。 2005年 北京正负电子对撞机（BEPC）正式结束运行。投资6.4亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)第二阶段——新的双环正负电子对撞机储存环的改建工程施工正式开始。新北京正负电子对撞机的性能将是美国同一类装置的3~7倍，对研究体积为原子核一亿分之一的夸克粒子等基础科研具有重要意义。 |
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