粒子加速器的发展及其应用

粒子加速器的发展及其应用
摘要：本文简要介绍了粒子加速器的发展历史和在其他领域的应用，介绍了国内外加速器的发展现状，以及加速器的未来发展趋势。

关键词：加速器、粒子、发展、应用
自卢瑟福1919年利用天然放射性元素放射出来的α射线轰击金属箔，实现了人类科学史上第一次人工核反应后，物理学家认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来轰击原子核。

在粒子加速器问世之前，人们用于研究原子核结构的粒子束有两种[1]：天然放射性核素发出的射线和来自天外的宇宙射线。

然而，前者放射线粒子的流强太低，能量不高，因而产生核反应的几率很小。

宇宙射线粒子的能量可高达21
10eV，但其强度太弱，并且实验结果难以预料。

因此，粒子加速器因运而生。

粒子加速器引（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，在医疗卫生、工农业生产、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。

1、粒子加速器的发展
1.1直线加速器
第一代加速器属于直线加速器[2]。

一个电子经过电势差为1伏特的电场加速后的能量是1电子伏特（简写为1eV）。

借助一个很强的电场，质子或者电子被加速。

这种加速器的主要目标是要获得尽可能高的电压。

1932年美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造成世界上第一台直流加速器——柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器[3]，以能量为40万电子伏特的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。

这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，二人因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

虽然直线加速器取得了一系列的成果，但是要进一步提高加速粒子的能量就要进一步提高电压，这成了直线加速器发展的瓶颈。

直线加速器所加速的粒子能量比较低，这对于探索原子核、发现新粒子起不了很大的作用，物理学家迫切需要更高能量的粒子来轰击原子核，探索更深层次的物理世界。

1.2 回旋加速器
第二代加速器是回旋加速器。

1930年美国实验物理学家劳伦斯提出了回旋加速器的工作原理，并于1932年建成了第一台回旋加速器[4]。

并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。

这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒），与盒子垂直方向有一个恒定不变的磁场。

D形盒上加上交变电压，其间隙处产生交变电场。

置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场，仅受到磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。

D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，粒子绕行半圈后正赶上D形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。

由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。

经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出。

这种回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。

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，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。

为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。

1945年，前苏联科学家维克斯列尔(V.I.Veksler)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)各自独立发现了自动稳相原理。

自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。

[5]
自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。

2、粒子加速器在各个方面的应用
粒子加速器和探测器中采用了最先进的科学技术，它们不仅用来研究纯粹粒子物理学，还广泛应用于其它领域，带来的成果已经融入人们的生活之中。

2.1 加速器在医学上的应用
2.1.1加速器与肿瘤的治疗
放射治疗是肿瘤治疗的重要手段，据统计，约有75%的恶性肿瘤患者在疾病发展的不同时期需要接受目的不同的放射治疗。

所有放射治疗设备都必须有产生放射线的放射源，放射源主要有四类：①发射α、β、γ射线和中子射线的放射性同位素；②产生不同能量X射线的X射线治疗机；③产生高能电子束和高能X射线的各类医用加速器；④产生质子束、中子束、负π介子束，以及其他重粒子束的各类重粒子加速器。

[6]
以放射性同位素为放射源的放射治疗设备和X射线治疗机，在肿瘤治疗方面已经取得了明显的成绩，但是由于它们本身存在的缺点和弊端已经渐渐地被摒弃。

以医用加速器为放射源的放射治疗设备成为目前肿瘤放射治疗的主要设备。

放射治疗设备的一项重要进展是重粒子治疗机的研制和开发。

重粒子束治疗肿瘤具有以下临床优点：[7]①目前对健康组织损伤最低的辐射疗法；②高治愈率，不存留肿瘤核；③极少的剂量，无明显副作用；④治疗无痛苦感，辐照时间外患者正常活动；⑤束流斑点发散小适合高精度治疗，如头颅；⑥三维适形点扫描、实时监控；⑦治疗周期短，疗程4—20次。

由于重粒子束在肿瘤治疗方面所具有的一系列放射物理和放射生物学优势，重粒子成为21世纪最理想的放射治疗射线，而相应的粒子加速器的发展将会对肿瘤的治疗发挥着越来越重要的作用。

2.1.2 加速器与疾病的诊断
当今社会，放射性同位素而产生的同位素示踪法已经被广泛的用于医学诊断方面，而回旋加速器就成为了主要的生产同位素工具。

回旋加速器应用的另一重要方面是在正电子断层显像装置（PET）中[8]，正电子发射断层显像，是采用发射正电子的短寿命核素标记的药物的方法。

从体外动态地观测人体吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平的生理、生化过程。

它既是早期诊断某些疾病的工具，又是研究人脑认知活动的独特手段，
2.2 加速器的工业应用[9]
加速器用于工业生产，以低能加速器和离子源为主，包括辐射加工、无损探伤、离子掺杂等方面。

辐射加工是通过加速器产生的电子束对高分子材料照射导致聚合物交联，从而改善性能。

电缆经过辐照，可以大大提高耐温，辐照后的热缩薄膜或管材，有加热后恢复原形的“记忆”，都有十分广泛的应用。

辐射还可缩短喷漆、彩印的固化时间，减少了贮存待干的厂房
面积。

药品、手术器械和食品的消毒、灭菌、保鲜是辐照应用的另一些方面。

使用电子加速器产生γ射线，用于大型机械锻、铸件中的无损探伤，已有几十年的历史。

近年一个有意义的发展是将加速器与核物理探测技术相结合，对集装箱进行不必开箱的透视检查。

使用离子源产生的不同能量和脉宽的各种离子束注入到基金属中渗杂、改性或者制造新材料，已经得到了应用。

使用回旋加速器将金属或陶瓷等机械零件的表面薄层活化，再根据放射性产生的γ射线，测量其磨损情况，这是检验各种耐磨措施（如用离子注入提高硬度）的有效方法。

2.3 加速器与农业育种
我国在太空育种方面已经取得了一定的成果，但是目前太空育种中种子的诱变是宇宙射线和太空特殊环境的综合结果，具有被动性、不可控、有益诱变成功的几率低、成本高等缺点。

因此，利用加速器产生高能的质子、α射线等成为了未来农业育种的趋势。

多年来，我国科研人员利用离子束对水稻、小麦、玉米、花卉、马铃薯、甜高粱、牧草等作物种子进行了辐照，并选育出了一大批新品种、新品系和大量有益性状的突变体，取得了良好的经济和社会效益[10]。

2.4 加速器在环境治理方面的应用
电子束辐射技术在环保方面的应用一直备受关注，大量的研究发现电子束辐照处理在“三废”（废水、废气和固体废弃物）治理方面具有突出的技术优势[11]。

与传统的填埋、投海、焚烧等处理方法相比，辐照处理“三废”不会造成环境的二次污染，符合可持续发展的要求。

3、国内外加速器的发展现状
在20世纪物理学的舞台上,粒子加速器扮演了重要角色。

在过去的几十年里，加速器的能量每隔10年增加一个多数量级。

现在加速器已经能把质子加速到1TeV[12]。

人类向物质结构更深层次的探索，要求粒子加速器提供更高能量的束流。

在高能量前沿有4个发展方向，一是强子对撞击，二是正负电子直线对撞机，此外还有γ-γ对撞机和μ子对撞机[13]。

当今世界上用来做粒子物理实验的超级加速器主要有：欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机LHC、位于美国斯坦福直线加速器中心的斯坦福直线对撞机(SLC)、美国费米国家
实验室的质子-反质子对撞机（Tevatron ）、位于德国汉堡电子同步加速器研究所的电子-质子对撞机（HERA ）、美国布鲁克海文国家实验室的相对论重粒子对撞机(RHIC)和日本高能加速器研究组织的强流质子加速器（PARC ）。

欧洲核子研究中心(CERN)的强子对撞机（Large Hadron Collider ，LHC ）是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。

[14]大型强子对撞机坐落于日内瓦附近，是一个国际合作的计划，由世界34个国家超过两千位物理学家所属的大学与实验室，所共同出资合作兴建的。

它将对标准模型的验证等粒子物理学的发展发挥重要的作用。

相比于国外，我国的加速器的发展起步较晚，但是发展迅速。

1988年10月我国首个高能加速器—北京正负电子对撞机（BEPC ）在中国科学院高能物理研究所建成。

BEPC 投入运行后，对撞机的亮度迅速达到设计指标，在18.9亿电子伏时为3121110cm s --⨯成为在τ-粲能区性能具国际领先地位的高能物理实验装置。

20世纪90年代以来，北京谱仪合作组在对撞机上获得了τ轻子质量精确测量、R 值精确测量、胶子球的研究和新粒子的发现等一批国际领先的重大成果，在国际权威的粒子数据表上就有400多项数据是在北京谱仪合作组在对撞机上测定的，高能物理研究所也跻身于世界八大高能加速器实验中心之一[15]。

目前，我国比较大型的加速器主要有
[16]：国家同步辐射实验室、兰州重离子加速器、
新竹同步辐射研究中心（台湾）等。

虽然我国的加速器取得了一定的成果，但是相对于国外来说，我国加速器给粒子加速的能量偏低。

我国的加速器发展及粒子与原子核物理的研究还有很长的一段路要走。

4、加速器的发展趋势
电子、质子和其他粒子的加速器和对撞机是粒子物理实验的先决条件。

许多重大的发现均依赖于日益强大的加速器。

总的来说，只有两种类型的加速器有可能成为下一代很高能量的机器[17]，其一为环形质子—质子对撞机，其二为直线电子—正电子对撞机。

国际和地区间的合作将成为未来发展的趋势。

由于加速器昂贵的造价和维护，任何一个国家想要单独建造大型的加速器变得不太现实，国际间的合作显得更加重要。

5、结束语
在21世纪，粒子加速器将继续向高能量前沿和高亮度前沿推进。

加速器将为粒子物理、核物理的研究及诸多学科和社会的发展产生巨大的推动作用。

参考文献：
[1] 张闯. 粒子加速器的回顾与展望[J]. 核科学与工程, 2001年第1期：39-44.
[2] Martinus Veltman. 神奇的粒子世界[M]. 北京:世界图书出版公司,2007:198.
[3]、[4] 景心. 粒子加速器的发展历史[J]. 国外科技动态,2005年第2期:6-10.
[5] /shownews.asp?id=148
[6] 叶建红等. 肿瘤放射治疗设备及其进展[J]. 医疗保健器具,2007年第6期:37-39.
[7] 陈学忠等. 重离子束治疗肿瘤临床研究结果[J]. 甘肃医药,2008年第27卷第1期:1-2.
[8]、[9] 谢家麟. 加速器与科技创新[M]. 北京：清华大学出版社，2000:27—42
[10]“2007年全国离子束辐射育种机理及应用专题讨论会”会议纪要. 原子核物理评论，2008年6月，第25卷第2期
[11] 杜方岭等. 电子束辐射技术应用研究及发展前景[J]. 山东农业科学，2009年第12期：102-104
[12] 张闯. 粒子加速器的回顾与展望[J]. 核科学与工程, 2001年第1期：39-44.
[13] 张闯. 国际粒子加速器的前沿[J]. 《物理》，2008年第37卷第5期：289-297
[14] /view/362760.html
[15] 陈和生等. 北京正负电子对撞机重大改造工程[J]. 工程研究:跨学科视野中的工程,2009年第3期：275-281.
[16] /xuemi/guojia-lab/lianjie.htm
[17] 德国物理学会. 新世纪物理学[M]. 济南：山东教育出版社，2005年：27.。