国内外加速器极高真空技术进展
医科达直线加速器真空系统维保探讨
医科达直线加速器真空系统维保探讨摘要直线加速器是目前主流的放疗设备，它们的正常运行离不开真空技术，真空技术在直线加速器中的作用主要有：①避免加速管内放电击穿；②防止电子枪阴极中毒、钨丝材料的热子或灯丝氧化，③减少电子与加速管内气体的碰撞损失。
既然真空系统如此重要，在我们日常的维保中我们该如何做才能保证真空系统正常有效运行呢？本文根据多年的维保经验做一个总结，希望可以为医院同行加速器真空维保时做一个参考。
关键词真空系统；加速器；钛泵1 医用直线加速器的核心部件真空系统分类（1）全密封驻波加速管。
这种加速管真空度超高，真空度在10-7Torr以上，配一台小离子泵（3-5L/S）维持超高真空度，主要在一些低能的加速器中应用。
（2）具有可拆卸密封的驻波加速管。
一些高能的驻波加速管，考虑到某些寿命件的可更换性，如电子枪阴极的更换，配置一台大的离子泵（20L/S），同时在电子枪部位增加一台较小的离子泵（8L/S），真空度在10-6-10-7Torr之间，Varian 高能加速器采取这种模式。
（3）具有可拆卸密封的行波加速管。
将加速管设计成可拆卸式金属密封，一旦如电子枪、偏转靶室、离子泵等发生问题，可在医院现场更换，因行波加速管体积较大，一般配置一台大的离子泵（20-30L/S），分别装在两个耦合器的波导三通上，真空度在10-6Torr以上，Elekta加速器采取这种模式，本文重点讨论这种真空系统的维保[1]。
2 Elekta加速器真空系统构成①分子泵②钛泵及电源③真空监测单元④管路阀门组件等。
真空建立过程：（1）摘掉枪灯丝供电端子，用分子泵抽12小时左右建立10-4Torr左右的真空度。
（2）关闭截止阀，启动钛泵电源，让钛泵进一步提升真空度，在此过程中一定要密切注意钛泵的温度。
（3）待真空达到10-5Torr以上，控制台真空度参数达到5.5左右时，加枪灯丝电源，此时真空有一个下降再缓慢上升的过程。
（4）待控制台真空度参数稳定在5.7左右时，采用100MU的剂量率开始出束，真空同样有一个下降再缓慢上升的过程，反复多次老练，逐步增大剂量率，直至日常工作剂量率，真空度稳定在5.9左右即可用于日常临床治疗，一般通过一周左右的时间真空度稳定在6.2左右（建议这一周不要关机）。
医用电子直线加速器发展历程
医用电子直线加速器发展历程
1、1927年：马萨诸塞大学的William D. Coolidge首次发明了真空
管加速器，并成功实现了第一次辐射治疗。
2、1927年至1953年：医用X射线加速器完成了改进，技术日臻成熟，发展迅速。
除腔体管电子枪外，还有其他新型加速器，如水平腔体管、环形腔体管等，可用于治疗及诊断。
同时，出现了各种辅助设备和调试技术，使放射技术的发展得到了极大的促进。
3、1953年：美国人Rutsky发明了第一台锂盐复合加速器，使电子
加速器的技术水平迈上了新的台阶，这也为多种放射技术的发展提供了可能。
4、1969年：美国AEG公司的Debus等人发明了第一台高压流体加速器，这也是医学上放射治疗的一个重大突破，它使放射技术的发展又一次
进入了快速发展的通道。
5、1974年：巴特兰公司的Keller等人发明了第一台闪辉加速器，
它的发展为各种放射技术的治疗作出了重要贡献。
6、1980年：英国的Davies等人首次发明了同步腔体管电子枪，它
的发展大大提高了放射技术的性能。
7、1995年：英国东贝公司首次发明了数字化线性加速器，使放射技
术发展到了一个新的高度。
8、1996年：Kerr公司发明了第一台具有三维再现功能的线性加速器，提高了放射技术的治疗和定位精度。
真空技术与粒子加速器
真空技术与粒子加速器真空技术和粒子加速器是现代物理研究和应用领域中非常重要的工具。
真空技术用于创建和维持高真空环境，而粒子加速器则用于加速和操控粒子束。
本文将介绍真空技术和粒子加速器的原理、应用以及相关的发展前景。
一、真空技术的原理和应用1.1 真空技术的原理真空技术是通过排除空气和其他杂质，创造一种低压环境，使气体分子的平均自由程大于系统尺度，从而降低气体分子与物体的碰撞概率。
真空系统是由真空泵、密封装置和监测仪器等组成的。
1.2 真空技术的应用真空技术在许多领域中有着广泛的应用。
在材料科学中，真空技术可以用于薄膜沉积、热处理和表面处理等工艺。
在电子器件制造中，真空技术可以用于光刻、离子注入和蒸发等工艺。
在粒子物理实验中，真空技术则是粒子加速器的重要组成部分。
二、粒子加速器的原理和应用2.1 粒子加速器的原理粒子加速器是一种用于将带电粒子（如电子、质子和重离子等）加速至高速的装置。
其主要原理是通过电场和磁场力对带电粒子进行加速和聚焦。
粒子加速器一般由加速模块、磁铁和探测器组成。
2.2 粒子加速器的应用粒子加速器在科学研究和应用领域中有着重要作用。
在基础科学研究方面，粒子加速器可以用来研究物质的基本性质，揭示物质的微观结构和宇宙起源等问题。
在医学领域，粒子加速器可以用于放射治疗，对肿瘤进行精确的辐射治疗。
此外，粒子加速器还可以应用于核能研究、材料改良和环境保护等方面。
三、真空技术与粒子加速器的发展前景真空技术和粒子加速器在当代科技的发展中扮演着重要角色，并且有着广阔的发展前景。
随着各领域对高真空和高能粒子的需求不断增加，真空技术和粒子加速器的研究和应用将会得到更多的关注和投入。
在真空技术方面，随着新材料和新工艺的发展，真空泵和密封装置的性能将会得到不断提升。
同时，随着纳米技术和微机电系统的发展，对于微型真空系统和纳米级真空的需求也将日益增加。
在粒子加速器方面，随着高能物理研究的不断深入，对更高能量的加速器和更精确的探测器的需求也在增加。
各类加速器技术比较
200多种 /500多件
如果是全保修，所有部件都包括在内。
60多种备件，全保修内容中不包括某些部件，比如加速管。
60多种备件，全保修内容中不包括某些部件，比如MLC的监测CCD摄像机。
这是瓦里安公司提供完善服务的具体表现，最大程度地减少机器的停机、检修的时间
产品的配套
拥有加速器、治疗计划系统、MLC、调强技术、实时影象验证系统、网络系统、常规模拟机、CT模拟系统
满足临床对不同肿瘤的治疗，方便医生的使用，相应延长电子枪的使用寿命
电子线剂量率
共七档100至1000 MU/min
100、200、300、400、500和6001000MU/min
共两档300/ 900 MU/min
共五档25 / 400 MU/min
相应延长电子枪的使用寿命。这是临床治疗模式下电子线剂量率，不同于其他厂家的维修检测模式下的输出
以神经外科手术器材和伽玛刀为主要经营项目，1997年收购Philips集团经营不善的放疗部门
技术力量雄厚，在加速器方面拥有20多项专利，始终引领放疗技术发展
全球市场
占全球市场份额70%
占全球市场份额13%
占全球市场份额15%
在全球瓦里安公司的加速器数量超过5000台，MLC超过1500套、模拟机超过1000台、TPS超过2500套
100、200、300、400、500和600 MU/min
（6/10/15/18/20MV）
只提供两档
50 /200(6MV)（300MU/min是选项）
50 / 500 (15 – 25MV)
由软件控制，很难讲有多少档
技术指标25-600(6、8、10、15MV)，每一台机器的数值都不一样，虽然调试机器时可以调出600MU/min，但都会劝用户放弃使用，临床可以用上的只是在360-420MU/min之间。
国际上大科学装置的发展情况
国际上大科学装置的发展情况在国际上，大科学装置的发展呈现出快速增长的趋势。
这些大科学装置是为了解决复杂科学问题而建立的巨大而复杂的实验设施，需要庞大的预算和跨国的合作来实施。
下面将介绍几个具有代表性的大科学装置，以展示它们在国际科学研究中的重要作用。
首先要提到的是瑞士和法国共同建造的欧洲核子研究中心（CERN）。
CERN是世界上最大的粒子物理学研究机构，拥有超过10,000名科学家和工程师来自全球不同国家的研究人员。
CERN的最著名实验设施之一是大型强子对撞机（LHC），它以高能量粒子碰撞的方式来研究基本粒子的性质。
LHC的运行成功证实了希格斯玻色子的存在，并获得了诺贝尔物理学奖。
CERN也是开发互联网的地方，是互联网的发源地之一位于美国加利福尼亚的斯坦福直线加速器中心（SLAC）是另一个重要的大科学装置。
SLAC拥有一系列粒子加速器，其中包括世界上最长的直线加速器，用于探索原子核和粒子物理学。
SLAC是高能物理学中的重要研究机构，它的实验设施吸引了来自全球各地的科学家进行合作研究。
除了粒子物理学，天文学也需要大科学装置来加强观测和研究。
一个例子是美国和欧洲合作建造的大型视场红外巡天望远镜（LSST）。
LSST 是一个具有巨大视场的巡天望远镜，预计将在智利开始运行。
它将拍摄数千张高质量图像，用于研究宇宙的形成和演化。
LSST的数据将对天文学和宇宙学产生重大影响。
另一个重要的大科学装置是日本的超级计算机“富岳”。
富岳是一台世界上最快的超级计算机，由日本理化学研究所开发。
它的计算能力超过了世界上其他超级计算机的总和，并被广泛用于气候模拟、材料科学、基因组学等领域的研究。
富岳的存在推动了许多科学研究的进展，并对日本的科学技术发展起到了重要作用。
以上只是几个代表性的大科学装置例子，实际上还有许多其他在国际上运行的大科学装置。
这些大科学装置的存在和发展，推动了人类对自然界的认识不断深入，也为国际科学合作提供了平台。
真空技术的发展和应用
真空技术的发展和应用随着科技的不断进步，真空技术的发展也日益成熟。
在生产制造、医疗卫生、科学研究等领域，真空技术都有了广泛的应用。
让我们来探讨一下真空技术的发展和应用。
一、真空技术的发展真空技术最初是为满足电子器件的制造需求而发展起来的。
1880年代，电子技术的发展促进了真空技术的发展。
1906年，美国的Crockcroft和Walton开发出了电子加速器，使得真空技术得到了长足的发展。
此后，真空技术的应用范围逐渐扩大。
20世纪20年代，真空技术得到了大规模应用。
战争的爆发也促进了真空技术的发展。
在第二次世界大战中，真空技术的应用范围大大扩展。
比如在轰炸机的制造中，真空技术被广泛应用。
到了20世纪60年代，真空技术已经逐渐成熟起来，被广泛应用于电子工业、化工、冶金、航天等领域。
二、真空技术的应用1、半导体工业在半导体工业中，真空技术是至关重要的一环。
半导体工艺一般都是在高真空的条件下进行的。
通过真空技术，可以实现对半导体芯片整个生产过程的控制，也可以通过一些技术手段来提高生产效率。
半导体工业是目前最常用的真空技术应用之一。
2、航天科技在航天科技领域，真空技术也有着非常重要的应用。
航天器在太空环境中运行，必须保持适应性的压力，不然就很容易受到不同的影响而出现故障，甚至失去性能。
一个良好的真空环境可以将环境物理特性完全地呈现给科学家，开展更加精细的科研工作。
3、医疗卫生真空技术在医疗卫生领域中的应用也非常广泛。
比如手术过程中用的止血袋，在使用前需要使用真空技术将空气抽出。
这样，可以有效的进行血液止血，并降低感染风险。
另外，美国的先进半導體材料產商Process Oriented Logistics Solutions（POL）公司開發出了一种基于真空技术的医疗救援胸甲，这种胸甲能够通过改变内部的气压来实现对病人的心肺复苏。
4、制造在制造领域中，真空技术也有着非常广泛的应用。
比如焊接、靶材制备和冶金工艺等。
真空技术发展史
真空技术发展史
真空技术是一项非常重要的技术，对于多个领域的进步和发展有着至关重要的作用。
随着科技的不断发展，真空技术也在不断完善和普及。
下面是真空技术发展史的简要介绍。
1. 古希腊时期：由于当时的技术条件和科学水平有限，人们无法了解和利用空气中的真空。
因此，在古希腊时期，人们并没有发现和认识真空技术。
2. 中世纪：在中世纪，人们仍然无法理解空气中的真空，并且没有对真空技术进行系统的研究和开发。
4. 18世纪：18世纪，化学家和物理学家开始研究真空技术。
当时，他们使用一种叫做蘸管的装置进行真空封闭，这种技术被用于制备一些重要的化学试剂，比如蓝水铜。
此时，研究真空技术的步伐开始加速。
5. 19世纪：在19世纪，真空技术的重要性逐渐得到了广泛的认可，科学家们对真空技术的研究也在不断深入。
同时，新的理论和技术手段的出现，使得真空技术得到了快速发展。
这一时期，真空技术得到了广泛的应用，被广泛地用于化学、物理、电子、光学等领域。
6. 20世纪：在20世纪，真空技术得到了进一步的发展和普及。
随着电子设备的不断发展，真空技术也得到了进一步的应用，如真空管和放电管等的研发和制造。
7. 当代：在当代，真空技术已经成为众多领域必不可少的技术手段。
无论是光学领域还是半导体制造领域，都需要利用真空技术进行研究和开发。
同时，真空技术也被用于制造汽车、飞机、航天器等高科技产品的制造过程中。
在未来，真空技术将继续得到进一步的发展和应用。
科学家们将不断探索真空技术的潜力，并寻找更多的应用场景，使得真空技术能够更好地服务于人类的发展和进步。
强流重离子加速器动态真空效应模拟与实验
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要点二
动态真空效应的物理 机制
动态真空效应主要由空间电荷效应、 时间变化电荷分布以及粒子间相互作 用等机制共同作用所致。
要点三
动态真空效应的影响
动态真空效应会对强流重离子束流的 传输质量、束流寿命以及束流控制等 方面产生重要影响。
动态真空效应模拟方法
模拟软件介绍
常用的动态真空效应模拟软件包 括粒子模拟软件（如TRACE3D、 COMSOL Multiphysics等）和束 流模拟软件（如ASTRA、FLUX等 ）。
强流重离子加速器动态真空 效应模拟与实验
2023-11-09
目录
• 引言 • 强流重离子加速器基本原理 • 动态真空效应模拟 • 实验设计与实施 • 实验结果与讨论 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
强流重离子加速器在科学技术研 究中具有重要应用价值，如碰撞 实验室、核物理研究、材料科学
等。
06
结论与展望
研究成果总结
1 2
完善了强流重离子加速器的设计
通过模拟实验，我们成功地优化了加速器的设计 ，提高了离子加速的效率和质量。
建立了动态真空效应模型
我们建立了准确的动态真空效应模型，揭示了离 子在加速过程中的行为和相互作用。
3
验证了模型的准确性
通过实验验证，我们证实了模型的准确性和有效 性，为未来的研究提供了可靠的依据。
强流重离子的加速过程中，真空 效应对粒子加速的影响不可忽视
。
真空效应的准确模拟与实验验证 对于提高加速器性能、保障实验
结果的准确性具有重要意义。
研究现状与进展
目前，国内外对于强流重离子加速器的动态真空效应研究主要集中在理论模拟和数 值计算方面。
真空技术的发展历程与应用
真空技术的发展历程与应用真空技术是一种与空气有关的技术，指在一定条件下产生低于大气压的真空环境，可以广泛应用于工业生产、科学研究和医疗等领域。
本篇文章将就真空技术的发展历程和应用进行探讨。
一、真空技术的历史真空技术的历史可追溯到古代。
公元前4000年，人类已在寻找一些自然坚硬和洁净的材料时会使用“磨削”和“磨光”这两种技术，这时常使用手动风扇包裹在一些翅膀和羽毛的一端，使其形成一个排气管。
时间越长，这种技术也越来越流行，如悬挂钟、日晷、山地自行车等技术中都有应用。
公元17世纪，德国科学家奥托·冯·格里克发明了第一台真空泵。
20世纪初期，随着科学技术的不断进步，真空技术也随之发展。
在真空制造和气体分离方面作出了重要贡献。
例如，氧船、精细滤清器等，都是真空技术所创造的。
二、真空技术的应用真空技术已经广泛应用于历史记录、工业生产、公共设施、机械制造、物理实验和微电子制造等方面。
除了这些领域外，它也可以应用于节约能源和保护环境。
接下来我们将分别详细探讨。
1. 历史记录真空技术的应用在历史记录上也有着不可或缺的作用。
在稀有和有价值的文化遗产的保护和恢复中，例如一些古老的书籍、绘画、文物等都需要在真空状态下进行保护和处理。
另外，真空技术还可以用于检测和检查金、银和其他贵重金属的密封性，以确保其长期保存。
2. 工业生产真空技术在工业生产中应用也十分广泛。
真空技术被用于生产半导体、化学制品、石油化工、玻璃、电子器件、太阳能电池板和塑料等。
在这些工业中，真空技术可以有效地实现各种气体的提纯、加工和操纵，以及在生产过程中减少对环境的破坏。
3. 公共设施真空技术还常用于公共设施中，如污水处理、污水防泻和净化空气等。
目前，许多城市的污水处理施工中，都会采用真空技术。
由于污水处理厂需要充分处理废水，因此需要在污水处理中应用真空技术，来保证排放水质的超标率尽可能低。
4. 机械制造真空技术在机械制造领域也占据着重要地位，如电视制造、制冷和空调设备、飞行器和医疗设备的制造等。
真空技术的发展与展望
真空技术的发展与展望20世纪，真空工业的发展极为显著，引起各界的关注。
真空科学与技术在科学研究中只是一门实验技术，而在现代工业生产中却成了一门基本技术而得到广泛应用。
真空工业的如此发展，是否归究于技术方面的重大发明或发现呢?根本不是。
而全世界真空工业发展的原因只是由于其他工业技术领域对真空的需求增加了。
如日本国的真空设备厂家的销售额中，仅电子工业就占40%左右，正说明这一领域对真空技术的需求增加了。
进入21世纪，真空工业又将如何发展，赖以发展的需求又是什么?在科学与技术不断的发展的今天，真空技术又会起到什么新的作用?又能取得什么新成就?这许多未知的问题，令人关注，值得思考。
过去我们谈真空技术的发展动向，通常去查找学术论文和专利资料，以了解真空状态下的物理现象的应用，真空获得和测量仪器的进展等情况。
而现在我们应改变以往的做法，要抓住真空的需求关系，从这个侧面来展望真空技术的发展动向。
也就是，应从某些重要的真空应用领域中探讨与真空技术的关系，来展望21世纪真空技术本身的发展动向。
一、需要不断扩大真空的应用领域在21世纪，真空的需求是增长还是减少?今后的发展趋势又将如何?这主要取决于真空应用的领域是否增加，需求是否增长。
在20～30年前，真空书籍中就指出：真空技术的应用，一是靠压力差，二是通过空间的电子或分子排除干扰，三是降低粒子撞击表面的次数。
用于各自的需求不同，所需的真空度当然也就不同了。
所谓排除空间障碍物，即粒子的平均自由程要比装置的特征尺寸长。
真空蒸发、电子管和加速器就是利用了真空的这一特点。
除大功率的电子管外，其他大部分做成固体元件，这样就不再需要真空了。
暖水瓶是真空技术在人们日常生活中的重要应用，如果以后能生产出优良的绝热材料，且很便宜，那么真空在暖水瓶的生产过程中将会失去作用。
从降低表面粒子入射频率的必要性看，超高真空技术定会得到发展，它可使表面长时间地维持其清洁。
目前，真空技术的应用的特点是：利用真空环境来研制一些新材料和新工艺。
美国连续束电子加速器的能量升级到12GeV的科学与实验设备
美国连续束电子加速器的能量升级到12Ge V 的科学与实验设备石 宗 仁(中国原子能科学研究院 北京 102413)摘 要 驱动美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(Thomas Jeffers on Nati onal Accelerat or Facility,简称JLab )的能量升级到12GeV 的科学是研究胶子激发和色禁闭的起因,研究原子核的构件核子是如何由夸克和胶子构成的,研究原子核的结构及寻找新物理等的一门科学.实验设备是12Ge V 的加速器、各种超导磁谱仪及极化靶等.在能量为12Ge V 的加速器中,将采用深度遍举过程和极化实验.关键词 胶子激发,色禁闭,普适的部分子分布,连续束电子加速器,超导磁谱仪,深度遍举过程,极化The exper i m ent a l equi p mentfor the 12GeV upgrade of CEBAF a t J LabSH I Zong 2Ren(China Institute of A to m ic Energy,B eijing 102413,China )Abstract The upgrade at JLab of the continuous electr on beam accelerator facility to 12GeV was based on the requirements for research on gluonic excitations and the origin of quark confinement,how nucleons are built up fr om quarks and gluons,the structure of nuclei,and new physics .The upgraded experi mental equipment includes the 12GeV accelerator,superconducting magnetic s pectr ometers and polarized targets .Keywords gluonic excitations,color confinement,generalized parton distributi ons,continuous electr on beam accelerator,superconducting magnetic s pectr ometer,deep exclusive p rocesses,polarizati on2006-03-10收到初稿,2006-04-28修回 Email:zrshi@iris .ciae .ac .cn1 引言核物理学是一门研究原子核性质及其结构的基础科学,是核工程的物理基础,是研究物质起源和演化的基础,也是研究星际燃料来源的基础,是理论与实验紧密结合、不断深入和发展、需要长期研究的科学.它在国防、能源、医学、材料分析及其改性、环境科学和空间探索等方面都已发挥了重要的作用.在21世纪,核物理学将面临新的机遇和挑战.美国将核物理学作为国家级的科学,是美国技术大厦的支柱之一,也是培养人材的摇篮.在1979年,美国能源部和美国国家自然科学基金委员会的核科学咨询委员会第一次制定了核科学的长远规划LRP (a Long range p lan for nuclear science ),它评估过去、展望和计划未来.在随后的1983、1989、1996和2002年都做过LRP .在1989年的LRP [1]中,将标准模型(standard model,简称S M )作为核物理学的理论基础,其中强相互作用理论是量子色动力学(quantu m chr omo dyna m ics,QCD )它标志了核物理学新的里程碑.在文献[1]中,也明确地提出了原子核组成的四个层次:原子核类似于有表面振动和集体转动的液滴;原子核由核子组成;原子核由核子、介子和核子激发态等强子组成,也称为介子-重子模型(mes 2on-bary on model);原子核由夸克和胶子组成等.前两个层次构成了低能核物理.前三个层次统称传统核物理(conventi onal nuclear physics).在夸克和胶子的层次上研究强子和原子核的性质称为现代核物理(conte mporary nuclear physics).在2002年的LRP[2]中,明确地提出现代核物理包含5个科学目标:(1)核子的QCD结构及其相互作用;(2)原子核的结构及其稳定性;(3)高能量密度的QCD及热核物质的性质;(4)在核天体中元素的起源及物质的演化;(5)寻求新物理.美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(Thomas Jeffers on Nati onal Accelerat or Facility,简称JLab)是基于第一、第二和第五个科学目标.总之,现代核物理以标准模型为理论基础,在夸克和胶子的层次上研究核物质的性质.当前研究非微扰QCD、色禁闭(col or confin ment)机制以及QCD 真空的结构是重要的科学任务.它的研究内容已经大大地超出了传统的范围.当然,人们最终希望用QCD统一地描述强子和原子核及其在各种极端条件下核物质的性质,它将是21世纪核物理学面临的机遇和挑战.为此,对构成核物理实验的炮弹(入射粒子束)、靶、探测器、电子学线路和数据获取及其处理程序,以及实验方法等都提出了新的要求.首先,人们需要多种类型的加速器,以提供参于电磁、弱和强相互作用的高品质的多种初级和次级粒子束(初级的如电子、质子和重离子,次级的如γ射线、反质子和中微子等),从而探知强子的电磁、弱和强相互作用方面的结构及极端条件下核物质的性质.其中高品质电子加速器具有头等重要的作用.这是由于电磁相互作用在理论上清楚,可微扰计算,大多数反应是单步过程,具有远高于弱相互作用的强度,以及通过调节电子转移四动量的平方(Q2)可改变空间和时间分辨率等优点.借改变Q2,能够观察到在核子内组分夸克模型CQM(constituent quark model)和部分子模型(part on model)之间以及在原子核内4个层次及其间的过渡性质.在1956年,Hofstadter等人[3]通过电子弹性散射,测量了质子内部的电荷和电流分布,说明了质子不是点粒子,而是有结构的,由此Hofstadter获得了诺贝尔奖;在1968年,Friedman等人[4]在斯坦福直线加速器中心(Stanf ord linear accelerat or center, S LAC)通过电子深度非弹散射(deep inelastic scat2 tering,D I S)发现了质子内部有后来称为夸克的微小颗粒存在,为此获得了诺贝尔奖;Prescott等人[5,6]利用极化电子-非极化靶,测量电子极化不对称度,证明了弱相互作用中存在中性流;在1983,年欧洲合作组Aubert等人[7]利用电子在原子核上的D I S,发现了原子核的结构不同于自由核子集体的结构,它称为E MC效应;A sh man等人[8]利用极化电子-极化靶,测量极化不对称度,发现了夸克对质子自旋的贡献约20%,而相对论CQM预言约70%,这是著名的至今仍在研究的热门课题“自旋危机”(s p in cri2 sis).大量事实已证明,电子是研究强子和原子核性质的强有力的探针.在虚光子携带能量等于零的B reit框架中,虚光子的波长λ=h/(2πQ),Q越大,λ越小,空间分辨率也越高.用高能量的电子能获得大的Q值.由于反应截面反比于Q n,一般n=4,所以Q越大,截面越小,为补偿小截面,需要强束流.实验上,由于需要采用对夸克和胶子场算符矩阵元灵敏的遍举和极化测量,所以分别要求电子束流的占空因子(duty fac2 t or)～100%(也称连续束),以及电子自旋具有取向的极化束.总之,需要高能、强流、极化和连续束的电子加速器.现在,J lab具有6Ge V、强流、极化、连续电子束的加速器装置(continuos electr on bea m accelerat or fa2 cility,简称CE BAF).随着QCD的进展,如色禁闭的流管模型被第一原理的格点(lattice)规范QCD计算所证实,新的包含丰富强子结构信息的普适的部分子分布(generalized part on distributi ons,GP D)理论的出现等,驱使人们采用12Ge V或更高能量的CE2 BAF.目前,由于技术上的成熟,将6Ge V提高到12Ge V是现实的,预计2010年即可实现.12Ge V将为人们提供新的运动学的区域,打开许多新的前所未有的研究窗口,以及在已有的运动学区域提供统计不确定度小的实验数据.在12Ge V,将采用深度遍举过程DEP(deep exclusive p r ocesse)和极化实验.本文第2节介绍驱动12Ge V的核科学,第3节是JLab的发展历史,加速器和超导磁谱仪等的现状和未来,在结束语中简单地介绍国际上在核物理方面正在筹建的大型加速器.在附录Ⅰ,简要地介绍了S M和QCD,在附录Ⅱ,介绍了实验上相关的问题:遍举和极化测量,运动学变量和反应类型,观测量和因子化定理等.本文主要参考了JLab在2004年6月的“CE BAF12Ge V改进的科学和实验装置的预概念设计报告”[9],及有关的文献.2 驱动12Ge V 的核科学胶子激发和色禁闭的起因、原子核构件是如何由夸克和胶子构成的、原子核物理和检验对称性及寻找新物理等四个方面的科学动机驱动了12GeV.下面分别叙述它们,但着重说明前两个.2.1 胶子激发和色禁闭的起因通过研究胶子的性质及其在强子中的作用,能得出色禁闭的起因,而寻找和研究含有胶子自由度的混合介子(hybrids )则是重要的手段.在JLab 新建的D 厅里,胶子激发(gluonic excitati ons )合作组(简称Glue X 组)将通过线极化的实光子与核子相互作用产生混合介子,利用密封性的谱仪测量混合介子的各种衰变产物.实验上将得到普通介子、轻夸克的混合介子、胶球(glueball )、介子分子态(mes on -mes on molecules )的质量谱,特别是奇异混合介子的质量谱[9,10].2.1.1 流管-色禁闭的起因早在1970年,Na mbu Y 在芝加哥大学没有发表的报告中,谈到在粒子内部夸克是由弦联系在一起的.在1985年,Isgur 和Pat on [11]提出了胶子的流管(gluonic flux -tube )模型.在1995年,Bali 等人[12]用格点QCD 计算表明,介子中的正反价夸克间形成了由胶子构成的流管.图1表示出量子电动力学QE D 和QCD 的场线和力同介子的正反价夸克间距的关系.图的上部分显示出QED 单位面积的电力线数和力反比于r 2,而势能将反比于r ,r 越大,势能越小.图的下部分显示出QCD 单位面积的色力线数和力与r 无关,势能将随r 线性增加,r 越大,势能越大.QCD 和QE D 的性质截然不同.色禁闭起源于流管的形成,GlueX 实验将检验它是否正确.2.1.2 普通介子的JPC根据CQM ,在夸克和反夸克构成的普通介子中,胶子自由度被冻结了,普通介子用qq _表示.qq _的总角动量J =L +S,宇称量子数P =(-1)L +1,电荷共轭量子数C =(-1)L +S.其中L 是正反夸克的相对轨道角动量;总自旋S =s 1+s 2,s 1和s 2分别是等于1/2的正反夸克的自旋.当L =S =0时,J PC=0-+,对应于九重赝标量介子(p seudoscalar mes on )π、η、η′和K;当L =0,S =1时,J PC =1--,对应于九重矢量介子(vect or mes on )ρ、ω、<和K 3.图1 在QCD 和QED 中的场线和力同正反价夸克间距的关系具有整数自旋J 、宇称P =(-1)J的称为自然宇称的粒子,P =(-1)J +1的称为非自然宇称的粒子.自然性(naturality )量子数τ=P (-1)J,自然宇称和非自然宇称粒子的τ分别为+1和-1.赝标量介子的τ=-1,矢量介子的τ=+1.2.1.3 混合介子的J PCHCQM 不能描述用qq _g 表示的混合介子,它的存在表明,在低能QCD 有价胶子自由度.流管基态的角动量L ′=0,最低的胶子集体激发态是L ′=1,它相当流管的顺时针和逆时针的两种转动态,两者的线性组合构成了J PC G =1-+和1+-的退化态.J PC与J PCG 耦合可得到qq _g 的J PCH ,见表1.从表1能够看出,J PC G 与L =S =0的J PC耦合产生的J PCH =1--和1++,在S =1的J PC中有其副本.J PCG 与S =1的JPC耦合产生的J PCH 有两类:一类是τ=-1,如0-+,2-+,1+-,…,在S =0的J PC 中有其副本;另一类τ=+1,如1-+,0+-,2+-,…,在J PC中没有副本.J PCH 与J PC相同的称为普通的qq _g,不同的称为奇异(exotic )的qq _g .由此得出,奇异的qq _g 能够通过S =1的矢量介子的胶子集体激发产生,但不能通过S =0的赝标量介子产生.在高能,由于光子可看作是由自旋平行的虚的正2反夸克构成的矢量介子,所以它能够产生奇异的qq _g .在表1也列出了L ≠0的J PCH .由于普通的qq _g 与qq _能够产生组态混合,所以实验上很难区分两者.如果在实验上找到了奇异的qq _g,如J PCH =1-+,那么qq _g 就被唯一的确定了.格点QCD 已经预言了轻夸克qq _g 的谱及其衰变方式,表1 J PC 和J PCHSL012JPC00-+1+-2-+11--(0,1,2)++(1,2,3)--J PCH01--,1++(0,1,2)++,(0,1,2)--(1,2,3)--,(1,2,3)++1(0,1,2)-+,(0,1,2)+-(1;0,1,2;1,2,3)+-,(1;0,1,2;1,2,3)-+(0,1,2;1,2,3;2,3,4)-+,(0,1,2;1,2,3;2,3,4)+-式,其中最低的1-+的奇异q q _g 质量为1.9—2.0Ge V.图2表示在2.7Ge V /c2以下的q q _、胶球、q q _g和介子分子态的质量谱.从图可以看出,在1.3—2.7Ge V /c2的区间,除奇异qq _g 具有0+-、1-+、2+-量子数外,其他的都没有,所以实验上找到具有此量子数的介子就是奇异的qq _g.图2 普通介子、胶球、混合介子和分子态的质量谱2.1.4 光致反应除光子等效矢量介子外,由于能够得到高品质、高强度、线极化的光子束,所以用光致反应产生qq _g,特别是奇异的qq _g,是有效和现实的.光致反应γ↑N →X ↑N ′,s =(p γ+p p )2,(1)t =(p γ-p X )2,(2)其中X 是具有确定J P的qq _g;↑表示γ射线是线极化的,及在实验上测量X 的极化;N 和N ′分别是初态核子和末态重子;洛伦兹标量s 和t 分别是在质心系的能量和四动量转移,称为Mandelstam 变量.在图3的t 道反应中,当没有重子数交换时,可以通过交换介子或坡密子(pomer on )等实现.在小t 时,主要是交换π+[13].实验上光子和核子靶分别是线极化和非极化的,测量反冲核子(但不测其极化)并测量X 衰变产物的角分布.通过角分布能够导出X 的极化方向和极化度.当交换坡密子时反应截面σ与随s 无关;当交换介子时,σ随s 增大而减少,σ与t 满足指数衰减关系:σ～e -α│t │.图3 光致产生混合介子的t 道反应2.1.5 线极化光子使用线极化光子的意义在于通过测量X 的极化,如果交换粒子的自然性知道了,就能知道X 的自然性,反之亦然;X 的极化方向与光子的线极化方向是相互关联的,并与X 的自然性有关.线极化光子的波函数为│x 〉=(│-1〉-│+1〉)/2,(3)│y 〉=i (│-1〉+│+1〉)/2,(4)其中│-1〉和│+1〉分别是左和右手圆极化光子的本征态.在光子和X 的三动量方向构成的产生平面里,│x 〉和│y 〉分别是在其内和与其垂直的线极化光子.由于|x 〉和|y 〉分别是左和右圆极化光子的差与和,所以它们对应的幅度分别是〈J X λX |T |J γλγ,J ex λex 〉与〈J X λX |T |J γ-λγ,J ex λex 〉的差与和.J ex 和λex 分别是交换粒子粒子的角动量和螺旋性.螺旋性定义为粒子自旋在其运动方向上的投影,其取值为-s 至s .在相互作用顶点,根据宇称和角动量守恒,〈J X λX |T |J γλγ,J exλex 〉∞τ〈J X -λX |T |J γ-λγ,J ex -λex 〉[14,15],其中τ=τX τex .从测量X 的极化,可判定τ=+1或τ=-1,于是如果X 的τX 知道了,交换粒子的τex 就知道了,反之亦然.当t 道交换π+时,如果τX =-1,X 的线极化方向与光子的线极化方向平行;如果τX =+1,X 的线极化方向与光子的线极化方向垂直[13].非极化和圆极化光子不具备这种性质.2.1.6 分波分析分析实验数据的重要工具是分波分析P WA (partial wave analysis ).螺旋性的反应幅度能够多极展开:T λ3λ4;λ1λ2=16πρJ ≥μ(2J +1)T J λ3λ4;λ1λ2(s )d Jλλ′(θs ),(5)λ=λ1-λ2,λ′=λ3-λ4,m =max (|λ|,|λ′|),其中T Jλ3λ4;λ1λ2是分波的系数;λ1、λ2、λ3和λ4分别是光子、N 、X 和N ′的螺旋性;J 是分波的阶数;d J λλ′(θs )是转动矩阵,d J 00(θs )=P J(θs );在质心坐标系中,λ和λ′分别是碰撞前后总角动量在运动方向上的投影.通过拟合角分布和各种极化观测量,确定分波系数,然后得到共振参数及J PC等.P WA 具有固有的缺点:当增加分波时,强分波串到弱分波,这种现象称为Dannachie 的连续模糊性或称泄漏.为了减少泄漏,建立密封性、质量分辨好、允许高计数率、对各种衰变方式灵敏、效率随角度变化均匀的探测器是必要的.D 厅的探测器正是根据这些要求设计的.2.2原子核构件核子的基本结构核子是原子核的基本构件,它的质量、自旋及相互作用性质直接取决于其内部的夸克和胶子的运动,它可用附录(Ⅰ)的(1)式描述,研究核子结构是QCD 的突出任务.在1994年以后,Muller [16],J i [17]和Radyush 2kin [18]等人提出了新的普适于硬的遍举过程的GP D ,这些过程如:深度虚光子的康普顿散射DVCS (deep ly virtual Co mp t on scattering ),ep →ep γ;深度虚介子产生过程DVMP (deep ly virtual mes on p r oduc 2ti on ),ep →epm;深度虚光子的双轻子产生,ep →ep ll 等.DVCS 和DVMP 的手袋(handbag )见图4,从DVCS 的手袋图看出,电子发射的虚光子γ3从质子击出一个夸克,高速夸克传播距离z 发射实光子γ后返回质子.在DVMP 中,高速夸克发射的胶子转变成正反夸克对qq _,其中q 返回质子,q _与被击中的夸克形成赝标量或矢量介子.GP D 打开了新的研究非微扰QCD 的窗口.它是图4 DVCS 和DVMP 的手袋图形状因子FF (for m fact or )、部分子分布函数P DF(part on distributi on functi ons )、分布幅度的统一.它给出了许多新的预言:夸克轨道角动量同GP D 的关系;矢量介子产生反应对胶子灵敏;冲击参数分布能够给出纵向动量比例x 和冲击参数b ⊥关联的三维图像,称为核子的断层扫描[19];通过DVCS 和BH (Bethe -Heitler )相干项可以得到反应幅度的相位参数,实现强子的全息照相[20];GP D 的二次矩是引力理论中的能量-动量张量形状因子等.由于它包含了丰富的强子结构信息,所以利用12Ge V 测量GP D 是重点之一.在12Ge V ,通过单举、半单举和遍举及极化测量,研究价夸克极化的P DF 、微扰QCD 的组分标度、强子螺旋性守恒、核子自旋结构、横动量相关的分布函数、高级t w ist 效应、普适的G DH (gerasi m ov drell hearn )求和规则、夸克-强子二重性等广泛的课题.2.2.1 GP D在硬反应(hard reacti on )中,夸克场算符[21]为O (x )=1/4π・∫d z -exp (xP +z -)q _(-z /2)Γi W [-z /2,z /2]q (z /2)|z +=0,z =0,(6)Γi =γ+,γ+γ5,σ+jγ5,W [-z /2,z /2]=P exp (-i g ・∫d sz μA μ(sz )),其中P +是强子动量的正分量;xP +是激活夸克动量的正分量,x =(x i +x f )/2,x i 和x f 分别是初、末态激活夸克携带强子正动量的比例;γ+、γ+γ5、σ+j γ5分别是矢量、轴矢量和张量的D irac 算符;q _(-z /2)和q (z /2)分别是在位置-z /2和z /2的共轭夸克和夸克的场算符;W ils on 连线W 保证了算符的规范不变性,积分从-z /2到z /2,A μ是胶子场.当取光锥规范时,Aμ=0,W ils on 连线等于1.算符O (x )是用光锥坐标表示的,光锥坐标定义为,υ±=υ0±υ3,υ=(υ1,υ2);夸克q 与其共轭夸克q _的间距,即虚光子吸收点和光子或介子的发射点的间距z 满足光锥条件:z 2=2z +z --z 2=0(1/Q 2),z +～M x B /Q 2,z -～1/M x B .夸克场算符的强子矩阵元为F i (x,ξ,t )=∫d z-/4πexp (xP +z -)〈p ′,s ′|q _(-z /2)Γi q (z /2)|p,s 〉,(7)其中p,s 和p ′,s ′分别表示初、末态强子的动量和自旋的极化.在弹性散射、D I S 和DEP 中,矩阵元分别对应:z =0,p ′≠p ;z ≠0,p ′=p 和z ≠0,p ′≠p 三种情况.z =0和z ≠0分别称为局部和非局部算符.矩阵元可用矢量、轴矢量和张量的基展开,在t w ist -2的层次上,Γi =γ+,F i (x,ξ,t,Q 2)=1/2P +[H (x,ξ,t )u_γ+u +E (x,ξ,t )u _(i σ+αΔα/2m )u ],(8)Γi =γ+γ5,F i (x,ξ,t,Q 2)=1/2P +[H _(x,ξ,t )u _γ+γ5u +E _(x,ξ,t )u _(γ5Δ+/2m )u ],(9)Γi =σ+j γ5,F i (x,ξ,t,Q 2) =-i /2P+[H T (x,ξ,t )u _σ+jγ5u + H _T (x,ξ,t )u _(ε+j αβΔαP β/m 2)u +E T (x,ξ,t )u _(ε+jαβΔαγβ/2m )u +E _T (x,ξ,t )u _(ε+jαβP αγβ/m )u ],(10)其中2P +=(p ′+p )+,2ξ=(x f -x i )=(p ′-p )+/P +,t =Δ2,Δ=p ′-p .H 、E 和H _、E _分别是自旋平均和螺旋性相关的手征偶(chiral even )的GP D,H T 、H _T 、E T 和E _T 分别是横向自旋相关的手征奇(chiralodd )的GP D,共8个GP D.它们是洛伦兹标量x 、ξ、t和Q 2的函数.在B j orken 极限,ξ=x B /(2-x B ).ξ和x 的范围在-1和1之间.-ξ≥x ≥-1、-ξ≤x ≤ξ和ξ≤x ≤1分别是反夸克区、中心区和夸克区,中心区的GP D 是强子内部存在介子的概率.对于胶子可写成类似的算符和GP D[22].DVCS 对夸克味量子数不灵敏,其反应截面∝Q-4.在DVMP 中,产生的赝标量介子选H _和E _及其对自旋灵敏,矢量介子选择H 和E 及其对自旋不灵敏,DVMP 的反应截面∝Q -6[23].(1)GP D 同P DF 和FF 的关系P DF 是GP D 在ξ=t =0的极限,即H (x,0,0)=f 1(x ),H _(x,0,0)=g 1(x ),H T (x,0,0)=h 1(x ),(11)其中f 1(x )、g 1(x )和h 1(x )分别是在非极化、纵向和横向极化的核子中存在相应极化的夸克具有x 的概率.实验上f 1(x )和g 1(x )已经测量了.由于h 1(x )是手征奇的,实验上很难测量,人们正期待德国GSI 未来极化质子和反质子的对撞实验.定义GP D 的Mellin 矩=∫d xxn -1GP D.它将非局部夸克和胶子的场算符转换成局部算符,便于用格点QC D 计算.核子电磁的FF 可表示成n =1的矩,F 1(t )=∑e q∫d xH q(x,ξt )F 2(t )=∑eq∫d xE q(x,ξ,t )(12)轴矢量和张量FF 同GP D 有类似的关系.在实光子的康普顿散射中,相应的FF 是GP D 的n =0的矩:R V (t )=∑e q ∫d x 1xH q(x,ξ,t ),R T (t )=∑e q∫d x 1xE q (x,ξ,t ),R A (t )=∑eq∫d x 1xH _q(x,ξ,t ),(13)所有的积分限从-1到+1.(2)季向东的求和规则当n =2时得到季向东[17]的求和规则:J q =12Δρq -L q =12∫1-1x d x[H q (x,ξ,0)+E q(x,ξ,0)],(14)其中J q、Δρq 和L q 分别是味q 夸克的总角动量、自旋和轨道角动量.通过测量H q 和E q能够计算出J q ,扣出从D I S 实验得到的Δρq ,可求出L q.最新的测量结果表明,胶子对核子自旋的贡献很小[24],所以L q对解答自旋危机是十分关键的.(3)冲击参数分布冲击参数分布I P D (i m pact para meter distribu 2ti on )是在ξ=0,Δ⊥≠0,Δ∥=0时的GP D 的富利叶变换[21].如自旋平均的I P Dh (x,b ⊥)=∫d 2Δexp (i b ⊥Δ⊥)H (x,ξ=0,Δ⊥)/(2π)2,(15)其中b ⊥是相对横动量中心R ⊥=ρi x i r i ⊥的距离,x k 和r k ⊥分别是第k 个部分子的纵向动量及其横向位置.8个GP D 对应的I P D 具有概率解释.在图5,从左至右,FF 是二维b ⊥的函数,P DF 是一维x 的函数,I P D 则将两者联立起来得到三维分布.测量核子的I P D 将使人们对核子结构有突破性的认识.图5 FF 、P DF 和I P D的关系图6 在非极化和横向X 方向极化质子中非极化夸克的I P D (4)I P D 的极化效应从I P D 得到了两种新的极化效应[25]:第一,在横向X 方向极化的核子中,味q 非极化的密度q X (x,b ⊥)不是轴对称的,并在Y 方向移位.它可写城如下形式:q X (x,b ⊥)=q (x,b ⊥)-5/5b Y [E q (x,b ⊥)]/2M 4π2,E q (x,b ⊥)=∫d 2Δ⊥E q (x,0,-Δ⊥)ex p (-i b ⊥Δ⊥)(16)其中q (x,b ⊥)是在非极化核子中的非极化夸克的I P D.在图6左侧的两个图分别是在非极化和X 方向极化的质子中,纵向动量x =0.5的u 夸克的I P D ,非极化时I P D 是轴对称的,极化时I P D 是非轴对称的,并在Y 方向移位.在图6右侧的两个图分别是d 夸克对应的I P D.d 夸克比u 夸克的变形大,两者的移位方向相反.平均移位和方向正比于该夸克的反常磁矩k q 及其符号,平均移位可表示成:d q Y =∫d x ∫d 2b ⊥q (x,b ⊥)b Y =1/(2M )∫d xE q (x,0,0)=k q /2M,(17)其中M 是核子的质量,d qY ～0.2f m.第二,在非极化的核子中,味q 的夸克横向极化的密度分布q i (x,b ⊥)=-s i e ij9/9b j [2H _q (x,b _)+E T (x,b ⊥)]/2M 4π2,(18)其中s 是夸克自旋的分量,i,j =X 或Y .q i (x,b ⊥)具有类似的变形.在文献[26]中,明确地给出了I P D 与横动量相关的时间反演不守恒的P DF 的关系:f ⊥1T ∴-E ′,h ⊥1∴-(E ′T +2H _″T ),h ⊥1T ∴2H _″T ,其中f ′=(5/5b 2)f,f ″=(5/5b 2)2f .I P D 极化效应说明了SS A起源于夸克密度分布变形和位移,它是强子自旋物理的焦点之一,并有待实验上的验证.(5)GP D 的测量方法实验上将采用两类遍举极化实验测量GP D.第一类利用高Q 2的弹性散射和共振跃迁、高-t 值的康普顿散射和高-t 值及低Q 2的电产生介子等反应得到相应的FF,它们同GP D 的关系见(12)和(13)式.反应概图分别表示在图7中的(a ),(b ),(c )和(d ).在图7(a )中,核子内的一个价夸克吸收入射的虚(实)光子后,立刻返回核子,并迅速地将其能动量传递给其他的价夸克,最后核子获得了能动量;在图7(b )中,高能动量的夸克返回核子,使核子处在激发态;在图7(c )和7(d )中,高能动量的夸克飞行距离z 后放射一个实光子或介子并返回核子.第一类测量将约束GP D 在高-t值和小b ⊥的行为.第二类是利用高Q 2和小-t 值的DVCS 和DV MP 等直接地测量GP D (见图4).图7 形状因子反应的概图2.2.2 大Q2物理大Q2物理的内容很多,主要是研究从非微扰向微扰的过渡.以μpG p E/G p M同Q2关系为例说明J lab的重要成果及大Q2的必要.在e↑p→ep′↑弹性极化迁移反应中,在单光子交换下,质子电磁形状因子的比G p E/G p M正比于反冲质子p′的横向和纵极化度P T和P L,G p E/G p M=-P T/P L・(E+E′)tan(θ/2)(2M)-1,(19)其中E和E′是入射和出射电子的能量,θ是入射和出射电子间的夹角.在图8中,绿点表示μpG p E/G p M,它随着Q2增大线性地减少,说明在质子内电荷和电流的分布不同[27,28],其中μp是质子的磁矩.过去通过非极化的Rosenbluth分离方法得到的μpG p E/G p M在1. 0附近,说明电荷和电流的分布相同.极化和非极化两种实验方法得出两种截然不同的结论,在实验和理论上产生了极大的反响.在实验上,JLab再次用Rosenbluth方法测量说明过去的结果是正确的.在理论上,Guichon等人[29]提出了除单光子交换外还有双光子交换,双光子交换部分对非极化的结果贡献大,对极化的贡献小.目前,实验上正在测量单-双光子交换在电子散射中的比例.现在需要知道Q2等于多少μpG p E/G p M才能达到微扰QCD的预言值?在12Ge V,Q2可达14Ge V2. 2.2.3 大x物理从图12对DVCS的运动学复盖范围能够看出,强流12Ge V为研究大x物理提供了新的机遇.根据大量非极化质子的实验数据,在x=0.5—1.0的区域,海夸克(sea quark)的贡献可以忽略,是一个纯的价夸克区.在该区,目的是研究价夸克和胶子的动力学,从而检验S U(6)对称的价夸克模型、S U(6)破缺、微扰QCD的强子螺旋性守恒等理论.另外,为高能强子-强子碰撞和寻找新粒子及新物理提供数据.过去在x>0.3的区域,由于价夸克的分布概率也很小,所以实验数据很少,即便有,数据的不确定度也很图8 GpE/GpM同Q2的关系大,不能鉴别理论模型.图9显示出中子纵向极化不对称A n1同x的关系,绿点是6Ge V的数据,红点是A 厅计划测量的数据[30].图9 A n1同x的关系2.3 原子核物理原子核物理分为研究原子核本身性质和将原子核作为研究QCD的实验室等两个方面.前者研究强子在核介质中的改性,核子-介子自由度在什么标度是可靠的,核子-介子自由度如何过渡到夸克-胶子自由度,核子-核子相互作用中的长程(>2f m)张量力和短程排斥力的QCD基础等;后者研究色透明性,夸克强子化的时空特性,高密度夸克分布的性质等.图10表示出在原子核内两个核子重迭的概率很高,在重叠区域核子密度达到～5—10倍于正常值,它为研究高密度和夸克部分去禁闭及中子星的性质提供了难得的条件.实验上通过测量x >1的P DF 能够认识高密度的性质.图10 在原子核内两个核子重迭2.4 检验对称性和寻找新的标准模型JLab 将通过Pri m akoff 效应测量轻的赝标量介子π0,η,η′→γγ的衰变宽度和跃迁形状因子,研究手征自发破缺和手征反常[31].世界上,通过极高能的反应寻找新粒子及新相互作用力,和在低能比较S M 预言的参数与测量值的偏离等两种方法检验S M 和寻求新物理.JLab 将通过低能宇称不守恒的电弱相干散射测量质子的弱荷,以及电弱混合角sin 2θW与S M 预言相比较.3 美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(简称JLab )的状况 JLab 属于美国能源部,由美国东南大学研究协会管理.它是NS AC 在1979年的LRP 中优先推荐建造的占空因子为100%、能量为4Ge V 的电子加速器,于1987年在V iginia Ne wport Ne ws 建造,它是工作在液氦温度的超导铌射频共振腔加速电子的直线加速器,该加速器于1994年夏运行,在1996年电子能量提高到6Ge V.在2010年电子能量将达到12Ge V ,以后能量提高到24Ge V 也是可能的.目前,JLab 的CE 2BAF 是世界上最大的超导射频直线加速器,它的束流品质超过了其他连续电子束加速器.除初级电子束外,通过纵向极化电子在重金属上的韧致辐射和在薄片晶体上的相干韧致辐射,分别产生圆极化和线极化的实光子.韧致辐射后的电子在磁偶极场的作用下偏转到电子焦面探测器,电子信号与光子反应产物信号符合,从电子能量能够确定对应光子的能量,这种光子称为标记光子.在20世纪90年代初,世界上出现了连续束电子加速器,如德国Mainz 大学的0.85Ge V 的MAM I (Mainz M icr otr on ),美国M I T 大学的1.1Ge V 的Bates 、德国Bonn 大学的3.5Ge V 的E LS A (Electr on Stretcher Accelerat or )及荷兰N I KHEF (Nati onal I nsti 2tute f or Nuclear Physics and H igh -Energy Physics )的0.9Ge V 的AmPS (Am sterda m Pulse Stretcher ).除MA 2M I 是电子感应方式实现连续束外,其余都是贮存拉长环(st orage /stretcher )方式.目前,N I KHEF 已关闭,Bates 于2005年结束了核物理计划,MAM I 的能量将提高到1.5Ge V ,ELS A 还在运行.3.1 加速器6Ge V 和未来12Ge V CE BAF 的结构和实验厅的布局见图11.经预直线加速器,能量为45Me V 的电子注入到80m 长的超导直线加速段,能量达到0.56Ge V ,经弧形轨道arc 进入另一个80m 的超导直线加速段,能量达1.12Ge V.在2个直线加速段回转5次,电子能量达到5.6Ge V.在A 、B 、C 3个实验厅能同时工作,并各自可以工作在不同的电子能量,能量分别是1.1、2.2、3.3、4.4和5.6Ge V.其束流品质为:平均束流强度I =200μA,发散度ε～2×10-9m ・rad,能散度σE /E =2×10-5.用极化的激光照射拉伸或非拉伸的Ga A s 光阴极,通过光电效应产生纵向极化度P e=70%—85%的电子.光子的能量及其分辨率分别为E γ<6GeV 和ΔE γ/E γ=10-3.电子的纵向极化度利用莫特(Mott )、Moller 和康普顿散射极化仪测量.图11 JLab 加速器的结构和实验厅的布局美国核科学家在建造4Ge V 时,就认识到其能量是低的,因而在直线加速段的隧道内留有一定的空间.刚开始运行时,即1994年,就酝酿提高能量的物理和需要的设备.在2001年2月,形成了之《驱动。
高能粒子加速器技术的发展与应用前景
高能粒子加速器技术的发展与应用前景随着现代科学技术的不断发展，高能粒子加速器技术越来越重要。
高能粒子加速器是一种将电子、质子、重离子等粒子加速到极高速度并发生相互作用的研究工具，主要用于物理、材料、生命、能源和环境等领域的基础研究与应用研究。
1.高能粒子加速器技术的发展历程高能粒子加速器技术可以追溯到20世纪初，当时科学家利用静电场对粒子进行加速。
20世纪30年代，美国物理学家R. Van de Graaff发明了静电场加速器，使得离子能量提高到了数百万电子伏。
20世纪50年代，利用弱相互作用，冰岛物理学家T. Bjorken和美国物理学家S. Glashow提出了中微子的理论，由此导致了粒子物理学的兴起。
从此，人类开始致力于研究大型高能粒子加速器的设计和建造。
20世纪70年代，欧洲核子研究组织（CERN）建造了欧洲核子中心，开始建设大型粒子加速器漩涡正负电子对撞机（LEP）和Large Hadron Collider（LHC）两大装置，这标志着高能粒子物理实验进入了“超对称时代”。
至今，高能粒子加速器技术已经发展了近一个世纪，有了很多重要的创新。
20世纪80年代初，欧洲同步辐射的产生和应用使得X光光源设备得以发展，于是，全球大型同步辐射设备的建设和运行已经成为了国家科技发展的需要之一。
21世纪，世界各地涌现出了大量的高能粒子物理实验中心，这些实验中心大大推动了高能物理研究的发展。
2. 高能粒子加速器技术的应用前景高能粒子加速器技术的应用日益广泛，特别是在新材料、新药物研究、纳米技术、环境保护等领域有广泛的应用前景。
我们可以列举一些领域来说明：（1）能源领域。
高能粒子加速器技术可以产生强辐射，从而研究新型材料的辐射衰减特性。
由此，可以在核反应堆的设计与建造中得到应用。
同时，高通量质子源的应用使得聚变人工制造成为现实，有很大的发展空间。
（2）医学领域。
高能粒子加速器技术的辐射特性使得它在肿瘤治疗方面可以发挥重要作用。
100 MeV强流质子回旋加速器超高真空系统研制
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收 稿 日 期 ")#*E)!E=)&修 回 日 期 ")#*E)>E#A 作 者 简 介 潘 高 峰 "#>AA' #!男 !辽 宁 朝 阳 人 !高 级 工 程 师 !真 空 技 术 及 应 用 专 业 网 络 出 版 时 间 ")#*E#)E"<&网 络 出 版 地 址 :,,K("L1M'/1L.'12,)L/-M)82,7.&)##'")<<'9N'")#*#)"='#==#')<"':,-&
真空行业报告
真空行业报告真空技术是一种重要的工业技术，广泛应用于航空航天、电子、化工、医药等领域。
随着科技的不断发展，真空技术也在不断创新和进步。
本报告将对真空行业的发展现状、市场规模、技术创新以及未来发展趋势进行分析和展望。
一、真空行业发展现状。
真空技术作为一种重要的工业技术，已经在航空航天、电子、化工、医药等领域得到了广泛应用。
随着各行业的不断发展，对真空技术的需求也在不断增加。
目前，真空技术已经成为了各行业中不可或缺的一部分。
二、真空行业市场规模。
根据相关数据统计，真空技术市场规模在不断扩大。
据预测，未来几年真空技术市场将保持较快的增长速度。
其中，航空航天、电子、化工、医药等领域对真空技术的需求将会继续增加，这将为真空技术市场的发展提供更多的机遇。
三、真空技术的技术创新。
随着科技的不断进步，真空技术也在不断进行技术创新。
新型的真空设备、真空材料以及真空工艺不断涌现，为真空技术的发展注入了新的活力。
同时，一些新兴技术如纳米技术、生物技术等也在与真空技术相结合，为真空技术的应用拓展了新的领域。
四、真空行业的未来发展趋势。
在未来，真空技术将会在更多的领域得到应用。
随着新兴技术的不断涌现，真空技术也将会与之相结合，为各行业带来更多的创新。
同时，随着全球经济的不断发展，对真空技术的需求也将会不断增加，这将为真空技术市场的发展提供更多的机遇。
总之，真空技术作为一种重要的工业技术，已经在各行业中得到了广泛的应用。
随着科技的不断进步，真空技术也在不断创新和发展。
未来，真空技术将会在更多的领域得到应用，为各行业带来更多的创新。
同时，真空技术市场也将会保持较快的增长速度，这将为真空技术的发展提供更多的机遇。
真空技术进展及其在实验物理中的应用
真空技术进展及其在实验物理中的应用近年来，随着科学技术的不断进步，真空技术在实验物理中的应用得到了越来越广泛的发展。
真空技术是通过排除大气中的气体，创造出一种低压环境，使得物质几乎处于无气体状态的技术。
本文将探讨真空技术的进展以及在实验物理中的重要应用。
首先，我们来探讨真空技术的发展。
真空技术的发展可以追溯到17世纪末，当时的科学家们开始意识到在一些实验中移除气体的重要性。
19世纪，气体泵和真空计的发明进一步推动了真空技术的发展。
而20世纪以来，随着材料科学、电子技术以及空间科学等领域的快速发展，对真空技术的需求也日益增加，真空技术在高能物理实验、超导技术、电子器件制备和太空探测等领域得到了广泛应用。
真空技术在实验物理中的应用主要体现在以下几个方面。
首先，真空技术在高能物理实验中的应用至关重要。
高能物理实验需要使用加速器将带电粒子加速到极高的速度，而在高速运动过程中，与大气中的气体分子相互碰撞会导致粒子速度的降低，从而影响实验结果。
利用真空技术可以创造出一个高真空环境，减少气体与带电粒子的碰撞，提高实验的有效性。
例如，欧洲核子研究组织（CERN）在大型强子对撞机（LHC）实验中使用了先进的真空技术，成功探索了希格斯玻色子，为粒子物理学做出了重要贡献。
其次，真空技术在超导技术中也有广泛应用。
超导材料在极低温环境下可以表现出零电阻和完全磁通排斥的性质，因此在能源输送、磁共振成像等领域有着重要的应用。
在超导技术的制备过程中，需要将超导材料置于真空环境中，以避免材料受到外界气体的污染，确保超导性能的稳定。
同时，真空环境可以减小材料与大气中水分的接触，防止材料产生氧化等不良反应，从而提高超导材料的制备质量和性能。
此外，真空技术在电子器件制备中也起到了至关重要的作用。
电子器件制备过程中需要进行清洗、薄膜沉积、蒸发和烧结等工艺，这些工艺需要在高真空环境中进行，以确保器件的稳定性和性能。
高真空环境能够排除大气中的杂质，避免光敏材料的受损和表面污染，保证器件的可靠性。
真空电子技术的发展现状与未来趋势
真空电子技术的发展现状与未来趋势随着科技的不断进步，真空电子技术作为一种重要的电子工艺，正在逐渐成为工业界和科研领域的研究热点。
本文将探讨真空电子技术的发展现状和未来趋势。
一、真空电子技术的定义和发展真空电子技术，指的是利用真空环境中电子的传导、发射和控制等特性进行电子设备和电子器件制造和应用的一种技术。
它在电子管、显示器、微波设备等领域具有重要的应用和意义。
真空电子技术的发展源远流长。
早在20世纪初，电子技术还未成熟之时，真空电子技术已经开始发展。
电子管作为真空电子技术的典型代表，曾经在计算机、电视等领域发挥了巨大的作用。
然而，随着半导体技术的迅猛发展，真空电子技术逐渐被淘汰，人们的关注也转向了固态电子设备。
二、真空电子技术的现状尽管真空电子技术在某些领域被取代，但它仍然具有独特的优势。
首先，真空电子器件具有较高的功率和工作频率，能够满足一些特殊场合的需求。
其次，真空电子技术在高温高压等恶劣环境下具有稳定的工作性能，适用于航天、电力等领域。
近年来，随着科学技术的进步，真空电子技术也开始发展起来。
研究人员通过改善真空封装技术和调整材料工艺，使真空电子设备的尺寸大幅减小同时保持性能稳定。
比如，微波功放器件、冷电子发射器等在现实中得到了应用，使得真空技术的发展再次受到关注。
三、真空电子技术的未来趋势真空电子技术的未来发展方向在于进一步提高性能和扩大应用范围。
第一，研究人员需要进一步改进真空封装技术，提高真空电子设备的稳定性和可靠性。
第二，改善真空电子器件的环境适应性，使其能够应对更加复杂的工作环境。
第三，提高真空电子设备的能效，减少能源消耗和环境污染。
第四，结合纳米技术和生物技术，发展出更加先进的真空电子器件，为医疗等领域带来更多的创新。
除此之外，真空电子技术还可以与其他领域相结合，形成技术的融合和创新。
比如，结合光学技术，发展出更高分辨率的显像设备；结合材料科学，研究出更稳定可靠的材料用于真空电子器件封装；结合计算机技术，改进真空电子设备的控制系统。
超高真空技术与粒子加速器研究
超高真空技术与粒子加速器研究随着科学技术的发展，人类对于宇宙的了解也越来越深入。
而粒子加速器作为探索微观世界的重要工具，对于科学的发展起到了不可替代的作用。
然而，粒子加速器的应用离不开超高真空技术的支持。
本文将从超高真空技术及其在粒子加速器研究中的应用等方面进行探讨。
超高真空技术是指实验环境中的气压极低，几乎是真空状态的技术。
在粒子加速器研究中，超高真空技术的应用可以消除气体分子与粒子之间的碰撞和干扰，保持加速器中的高能粒子束的稳定运行，以获得更加准确和可靠的实验数据。
为了实现超高真空环境，研究人员需要将加速器容器内的气体分子抽取出来，同时避免任何杂质进入系统。
为了实现超高真空环境，一种常用的方法是使用分子泵。
分子泵通过反复喷射被抽取气体分子，以达到将气体分子抽取出来的目的。
分子泵内部的各种装置通过各种方式产生高速气流，以抽出气体分子。
利用分子泵进行抽气时，在真空度较低的阶段，通常会采用机械泵辅助分子泵进行抽气。
当达到一定真空度后，机械泵会关闭，只保持分子泵的运行。
在超高真空条件下，提高真空度和降低漏率是非常重要的。
为了提高真空度，除了使用高效的分子泵外，还需要消除加速器真空系统内部的污染和气体释放源。
污染物的来源包括材料本身的挥发、漏气以及表面吸附。
因此，在加速器的设计和制造过程中，需要使用不吸气的材料，如不锈钢、铝合金等，并进行严格的超净室处理。
此外，气体释放源也是真空度降低的重要因素。
在研制超高真空系统时，研究人员通常会使用多种技术来减少气体释放，如低温焙烧和化学清洗等。
低温焙烧可以将物体加热到高温，使其内部各种杂质从表面或材料内部挥发出来。
而化学清洗则是通过溶液将污染物与材料交互作用，使其从表面分离出来。
通过这些措施，可以有效减少气体释放来源，提高加速器的真空度。
粒子加速器研究是一项庞大而复杂的工程，也是一个需要多学科合作的领域。
除了超高真空技术，加速器研究还需要涉及到加速器结构、磁场、高能粒子束的控制等方面的知识。
真空技术与粒子加速器
真空技术与粒子加速器当我们谈论科学技术的进步时，真空技术和粒子加速器常常是其中的关键。
真空技术是指在一个尽可能低的气压下创建和维持一个没有气体或微量气体的环境，而粒子加速器则是利用强大的电磁场来加速和操纵微小粒子的装置。
这两个领域的进展不仅推动了科学行业的发展，也在医学、工业和能源领域发挥了重要的作用。
首先，真空技术在科学研究中起着至关重要的作用。
在真空中，我们能够模拟一些极端环境的条件，如高温、低温或高辐射。
这使得科学家能够研究各种材料在这些环境下的行为，并推动材料科学的发展。
例如，通过在真空条件下操作，科学家能够制备出高纯度的材料，这些材料具有许多特殊的性质，如超导性和光学透明性。
此外，在真空中，科学家可以使用电子显微镜和电子束刻画仪等先进仪器来观察和分析材料的微观结构，从而更好地理解材料的性质和行为。
另一方面，粒子加速器在粒子物理学领域的研究中起到了至关重要的作用。
粒子加速器能够提供极高的能量和速度，使得我们能够研究微观世界中更小、更基本的粒子。
通过将粒子加速到接近光速，科学家可以观察和测量它们的性质和相互作用，以揭示宇宙的奥秘。
例如，粒子加速器的研究已经发现了许多粒子，如夸克和轻子，以及证实了许多基本理论，如标准模型。
这些发现和理论的验证对我们理解自然界的基本规律和物质构成有着重大的影响。
除了在基础科学领域的应用，真空技术和粒子加速器在其他领域也发挥了重要的作用。
在医学领域，粒子加速器被用于癌症治疗，通过加速和定向放射粒子束来杀灭癌细胞，同时最小限度地损伤周围健康组织。
这种精确的治疗方式极大地提高了癌症患者的生存率，并减少了治疗过程中的并发症。
此外，真空技术在半导体和光电子器件的制造中也起到了重要的作用。
在这些领域，真空能够提供一个纯净的工作环境，使得器件能够更加稳定、可靠地运行。
然而，真空技术和粒子加速器领域面临着一些挑战。
首先，真空系统的设计和制造需要高度的专业知识和技术。
由于真空环境对仪器和材料都极为苛刻，一丝污染或一点渗漏都可能导致系统出现故障。
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[2]
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Received 7 January 2008 1) E-mail: yangxt@
2008 – 01 – 07 1) E-mail: yangxt@
46 — 48
47
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4 5 6 7
Kurisu H. IVC-17, VST09-IS1, 2007, Stockholm, Sweden Chiggiato P, Pinto P C. CERN-TS-2006-001 Baglin V. Vacuum, 2007, 81: 803—807 LI De-Tian, LI Zhen-Hai, GUO Mei-Ru et al. Vacuum Science & Technology, 2007, 26(2): 92—96
Progress of XHV Technology at Particle Accelerators
YANG Xiao-Tian
1)
(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
Abstract Recent vacuum system development with an XHV condition for the particle accelerators is briefly described. The progress of selecting and treatment of the materials used in XHV systems is introduced, and the choice of the main pump for an XHV system and some new pumping method are presented. Some leak detection experiences both for the superconducting and warm vacuum systems are recommended and the status of XHV measurement and the gauge calibration are introduced. Key words particle accelerator, extreme high vacuum (XHV), gasload
5
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[6]
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48
Chinese Physics C (HEP & NP)
Vol. 32
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Chinese Physics C (HEP & NP)
Vol. 32,
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−10
H2 (
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+
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