加速器第八章

同步加速器 带电粒子对撞机 高能粒子加速器主要应用
第一节
同步加速器
一：同步加速器(Synchrotron)原理 粒子轨道曲率半径R固定，主导磁场应满足：
m( t ) v( t ) W( t )(W( t ) 2E0 ) 2 B( t ) qeR qeR
1
磁场随粒子的能量增加而增强 满足谐振加速条件，高频加速电场的频率应是粒子回旋频率 的整数倍。
真空盒：81.3x16.5cm2 最小磁场:300高斯 最大磁场: 14000高斯. 磁场上升周期1秒，下降1 秒，停顿3秒.加速周期5秒。 频率的调节范围:0.35MHz 到4.2MHz.
磁场对数梯度n=0.6
(Cosmotron)平面示意图 1966年关闭，1969年拆除 Bevatron 真空盒：122.3x30.5cm2 磁铁重：13000吨 磁铁重：2000吨
大多数人并不知道如果没有同步加速器，我们就不可 能在数字下载的天堂里遨游这么长时间了。iPOD磁盘 中含有上千个微小的磁场。依靠同步加速器才能生产 出如此小型的iPOD、才能提供更多储存音乐的空间。 iPOD仅仅是一个开端。当我们的电子产品开始采用塑 料材质的时候，信息技术就将变得越来越便宜，而且 变得越来越袖珍。
第八章
高能粒子加速器
实现高能(GeV以上)加速的两种办法
1 将射频直线加速器的加速管长度延长，则可线性地提高粒 子能量。如美国斯坦福加速器中心(SLAC) 加速器的长度增 加，获得50GeV的电子束流。 2 就是让粒子在加速过程走固定的圆环型轨道，而不走渐开 螺旋线的轨道，并只在轨道附近放置磁铁。
第一节 第二节 第三节
1952年布鲁海汶建成，能量2.3GeV。宇宙射线能级加速器 (Cosmotron)，54年，能量达到3.0GeV，铁重2000吨 Cosmotron 是人类第一台能量达到宇宙线能级的加速器。 1954年柏克莱建成最高能量达6.4GeV的加速器(Bevatron)， 铁重13000吨。
轨道半径：30英尺
PS
建于50年代的质子同步 加速器PS（Proton Synchrotron）（左 图），是西欧中心加速 器中最老和用途最广的 加速器。1959年调试完 毕，从此连续运行。它 的直径为200米，最高 能量达GeV，一度是世 界上功率最大的加速器。 PS作适当修改后即可加 速质子，又可加速电子 或正电子。
“同步加速器（Synchrotron）”自它诞生25年以来， 大大Biblioteka Baidu影响着我们生活的各个方面――甚至是我们 未知的那些领域。“同步加速器（Synchrotron）” 总能帮我们生产出可口的巧克力、让我们的iPOD能 够储存成千上万的旋律，而且还极大地提高了飞机 的安全性。
巧克力中的可可油拥有六种不同的晶体，而口感特别 好的巧克力的晶体结构非常独特。将巧克力中的晶体 结构拍摄下来，我们就能知道如何生产出可口的巧克 力了。巧克力生产厂家就是这样利用同步加速器 （Synchrotron）生产美味的巧克力的――还能不断提 高巧克力的 质感、口感和外观。
Tevatron
•FNAL Tevatron(1 TeV p) –CW(750 keV):Linac(200MeV):Booster(8 GeV):Main Injector(120 GeV): Tevatron Ring
SPS
6.9km,CERN质子同步加速器的隧道, 蓝色的磁铁聚焦，而 且红色的磁铁转向
同步加速器能量提高很快，但束流下降很大。 标准模型的验证要求能量更高，流强更大。 如400GeV质子和“静止”的质子碰撞时，相互作用能只 有27.4GeV。若要把相互作用提高一百倍，则要将加速 器能量提高104倍。这样加速器直径也要约提高104 ，达 到104 km数量级，比地球的直径还要大。束流对撞，相 互作用能提高了29倍，
低能反质子环（LEAR）
第二个环，即反质子收集器AC（Antiproton Collector）在现有的反质子积累器AA附近建造，以 便将反质子的产生率提高10倍。（下图为反质子收集 器AC和反质子积累器AA
反质子收集器AC已经 改为反质子减速器 AD(Antiproton Decelerator)，它执 行反质子收集器 （AC）、反质子积累 器（AA）、质子同步 加速器（PS）和低能 反质子环（LEAR）的 任务（左图），产生 反质子，将其冷却， 减速，最后将其引出， 提供给实验。
高能同步加速器（COSMOTRON）
最大弱聚焦质子同步加速器 （前苏联杜布纳，58年） 能量：10GeV 轨道半径：28m 真空盒：150x40cm2 磁场对数梯度n=0.65
磁铁重：36000吨
建设时间：10年 验证宇宙射线核作用多重产生现象：一次核作用产生很多 末态粒子 发现了大量的新粒子，1955年在Bevatron上发现反质子 1960年王淦昌在苏联发现反西格玛负超子
科学家们利用AGS开展物理实验，其中有四项实验结果获 诺贝尔物理奖。
李政道和杨振宁1956年在BNL工 作期间，成功地解释了在BNL的 COSMOTRON加速器上所做粒子 衰变实验的结果，发现宇称守恒 破坏，荣获1957年诺贝尔物理奖。
1974年丁肇中利用BNL的AGS加速器 开展物理实验，与在SLAC加速器上 开展实验的里克特同时发现粲夸克， 被授予1976年诺贝尔物理奖。
标准模型：1964年，美国盖尔曼“夸克模型”，预言了由三个奇异夸 J/ 克组成、质量为1670MeV/c2的 粒子。1974年丁肇中AGS上发现 粒子，增加了粲夸克。1977年，莱德曼在Tevatron发现 粒子，增加 了底夸克，1978年马丁.佩尔等在SPEAR上发现 粒子（1784MeV轻 子），又间接证明了 中微子的存在，理论上预测存在顶夸克，质 量15MeV，美（PET）、德（PETRA）、日（TRISTAN）竞争。1995年美 国在Tevatron I，在176GeV的能量上发现了顶夸克。
1963年JAMES CRONIN 和VAL FITCH 开始在BNL的AGS上开展 物理实验，结果发现CP破缺，荣 获1980年诺贝尔物理奖。
1962年LEON LEDERMAN，MELVIN SCHWARTZ和JACK STAEINBERGER在BNL 的AGS上开展的物理实 验中，发现μ子-中微子， 获1988年诺贝尔物理奖。
2 交变梯度强聚焦同步加速器
主导磁铁同时承担偏转和聚焦两种功能，存在两个问题
3 分离作用强聚焦同步加速器
Dipoles
Injection
R.F.
Focusing elements
Fermilab quadrupole
三：同步加速器的发展 1 弱聚焦同步加速器 McMillan提出的同步加速原理，于1946年应用在一台名 为Synchrotron的电子加速器上。 50年代末制造了几台1GeV的弱聚焦电子同步加速器，由 于电子同步辐射损失大而限制了它的发展。 1947年由美国原子能委员会支持柏克莱实验室和布鲁海汶 国家实验室分别设计质子同步加速器，1948年开始建造。
f r kfc
f c V (t ) 2R
加速电场的频率随粒子的速度增加而增大
同步调节主导磁场和加速电场频率以维持粒子在一曲 率不变的轨道上谐振加速。
同步加速器加速电子时，实现谐振加速只需升高主导磁铁的工 作磁场，无须调节发射机的频率。
有一定初始能量的电子 (一般大于10~15MeV)从 注入器注入到真空室。 主导磁场随时间周期地 变化着，当电子注入时， 主导磁场值比较低，随 着电子不断加速，主导 磁场的值同步增加。
同步加速器在先进的航空安全性方面发挥着重要的作 用。金属和巧克力一样也具有独特的晶体结构，当金 属被腐蚀的时候，其晶体结构就发生了改变。通过同 步加速器拍摄出执行定期航线的飞机金属中的晶体结 构，就能知道金属是否已经被腐蚀了，这样就可以让 有危险的飞机停止飞行。
同步加速器技术还在深入研究人类染色体组织的科学 领域扮演着关键的角色：利用同步加速器可以显示出 遗传基因图谱中蛋白质的三维结构，有助于科学家们 研制出更有效的药物。
欧洲人发现共振损失。但只要仔细设计磁铁聚焦系统排 列方式和严格控制n值的公差，问题是可以避免。
2 交变梯度强聚焦同步加速器
CERN于1959年建造第一个强聚焦质子同步加速器(PS)，铁 量3000吨，为原计划的10-1，能量达28GeV。
1960年美国布鲁海汶自身也建成一台33GeV类似加速器(习 惯称为AGS)，用铁3400吨。
世界上最小的同步加速器
日本立命馆大学的Shiga光子生产实验室（Shiga Photon Production Laboratory）经过15年的努力，成功研制出一种小 型的、可以放入实验室的微型同步加速器光源——MIRRORCLE6X，并已经开始在市场上出售。 MIRRORCLE-6X的储存环直径为60厘米，整台机器很容易放入实 验室，使用新型的电子注入技术，它能产生能量达到几百万电 子伏特的X射线。直径在几十米到数百米的大型同步加速器一般 也产生出这个数量级的X射线。
1976年欧洲核子研究中心(CERN)建成400GeV的机器，称为 SPS，于,加速器主环直径约为2km。耗资达到3.5亿美元 1977年，莱德曼在Tevatron发现 粒子，增加了底夸克。
The CDF Detector
CDF ( The Collider Detector at Fermilab
超级质子同步加速器 SPS(Super Proton Synchrotron)1971年 开始建造，1976年完 工（右图为SPS隧 道）。它的最大能量 可达400 GeV，它的 主加速器平均直径达 2200米。
二十世纪七十年代末，西欧中心建造了一台 反质子源，称为反质子积累器AA（Antiproton Accumulator）。其主要任务是产生和积累高 能反质子注入到SPS，以便将其改造成一台 “质子反质子对撞机”。 有了反质子后，物理学家们认为如果在低能 时用这些反质子会更有收获。所以西欧中心决 定建造一台新机器，即低能反质子环（LEAR） （后图）。反质子积累环AA中积累的反质子被 引出，在质子同步加速器PS中减速，然后注入 到低能反质子环LEAR进一步减速。
AGS
n AGS周长约800米，由240个磁铁节组成， 值大于300。两个n 为正(F)，两个n为负(D)的磁铁组成一个结构周期，中间为 安装各种功能部件分别插入两个直线段(O)，形成FOFDOD磁 场聚焦结构。由一台200MeV质子直线加速器作注入器。
3 分离作用强聚焦同步加速器 1972年美国费米国家实验室只用了AGS一半的钱，建成了 (400GeV) 强聚焦加速器(Tevatron)，直径2公里，建在深6米的 地下隧道内，耗资达到2.5亿美元。 该加速器的1000块超导磁铁由液氦冷却，使温度达到摄氏零 下268度，其低温冷却系统在1983年投入运行时为加速器历 史上历来建造的最大的低温系统 1983年7月，Tevatron能量倍增器产生了第一个能量为512 GeV的束流。
强聚焦原理的认识 西欧核子研究中心CERN也正准备以Cosmotron为原型， 放大4~5倍，设计10GeV的质子同步加速器，估计用铁 35000吨 1952年美国科学家柯隆(E.D.Courant)、李温斯顿 (M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)发表了强聚 焦原理的论文，使加速器有了向更高能量发展的可能。
同步加速器的主导磁场需要调变，因此它是脉冲式工作的
二：同步加速器分类
按磁场聚焦特性 1 弱聚焦同步加速器 2 强聚焦同步加速器
按加速粒子类型 1 电子同步加速器 2 质子同步加速器
交变梯度强聚焦同步加速器
分离作用强聚焦同步加速器
3 重离子同步加速器
4 粒子同步加速器
1 弱聚焦同步加速器
决定磁间隙尺寸的三因素：1 束流能散度决定相振荡幅度；2 磁铁制 造安置误差决定畸变幅度；3 束流发射度决定自由振荡幅度
MIRRORCLE-6X的优点在于用与大型加速器相比，较低的费用就可 获得同步加速器的光。每台MIRRORCLE-6X的销售价格为250万美元， 半导体制造商到制药公司的许多私人公司都在排队购买这一设备。 世界上最小的同步加速器前途光明。