粒子加速器

概念
粒子子加速器（particle accelerator）是用 人工方法产生高速带电粒子的装置。
粒
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• 自E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的α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。 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。
• 1940 由 D. W. Kerst 利用电磁感应产生的涡旋电场 发明了新型的加速电子电子感应加速器 （Betatrons）。它是加速电子的圆形加速器。与回 旋加速器的不同之处是通过增加穿过电子轨道的磁 通量（magnetic flux ）完成对电子的加速作用，电 子在固定的轨道中运行。在该加速器中，必须和处 理电子的相对论作用一样来处理由辐射而丢失的能 量。所有被加速的粒子辐射电磁能，并且在一定动 能范围内，被加速电子的辐射损失能量比质子的多。 这种丢失的辐射能称同步加速辐射。因此，电子感 应加速器的最大能量限制在几百MeV内。 在研 制电子感应加速器的过程中提出了电子的振荡理论， 并解决了带电粒子在加速过程中的稳定性问题。该 理论适用于各种类型的梯度磁场聚焦的加速器。因 此，在加速器的发展历史上，该加速器起了重要的 作用。
结构
粒子加速器的结构一般包括3个主要部分 ： ①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有电子、 正电子、质子、反质子以及重离子等等。 ②真空加速系统，其中有一定形态的加速电场， 并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加 速 ，整个系统放在真空度极高的真空室内。 ③导引、聚焦系统，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 场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综 合和配合。
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。
（一）医疗应用
加速器应用于肿瘤治疗 （放疗），已有50余年的 历史，其基本原理是利用 加速器产生的粒子束或射 线的电离作用，最大限度 地破坏肿瘤细胞而最少地 影响正常组织，这是当前 癌症治疗的三大手段（放 疗、药疗（化疗）、手术） 之一。
放疗的另一发展途径是将含有对人体某器官有亲附 性的元素的化学药品注入人体，然后使粒子束或射 线与之作用。例如：利用脑组织对硼的吸收和硼对 热中子的吸收的“硼中子俘获疗法”，可以用质子 加速器的p-Li或p-Be反应提供中子。 另一种是“光子激活疗法”。利用同步辐射加速器 产生的X射线，激活注入体内的药物，在特定的部 位发生作用。这时要求X射线能量与药物的吸收谱 线相近，故有足够强度的准单能X射线的产生成为 重要的环节。
• 1930年，Earnest O. Lawrence制作了第一台回 旋加速器，这台加速器的直径只有10cm。随后， 经M. Stanley Livingston资助，建造了一台 25cm直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能 量可达到1MeV。几年后，他们用由回旋加速器获 得的4.8MeV氢离子和氘束轰击靶核产生了高强度 的中子束，还首次生产出了24Na、32P和131I等 人工放射性核素。
1931年建成了第一台回旋加速器，磁极直径约10厘 米，用2千伏的加速电压工作，把氘核加速到 80keV，证实了回旋加速器的工作原理是可行的。 在1932年又建成了磁极直径为27厘米的回旋加速器， 可以把质子加速到1MeV。 回旋加速器的电磁 铁的磁极是圆柱形的，两个磁极之间形成接近均匀 分布的主导磁场。磁场是恒定的，不随时间而变化。 在磁场作用下，带电粒子沿着圆弧轨道运动，粒子 能量不断地提高，轨道的曲率半径也不 断地提高，运动轨道近似于一条平面螺旋线。
• 一个极有发展前景的例子：即使用同步辐射进行的 微加工。它可以制造微型的电机、齿轮、传感器、 执行器、手术器械等，尺寸大小约为几十到几百微 米，汽车安全气垫的加速度传感器、光纤开关、微 透膜等都已经初步研制成功。将来很可能发展为一 个重要的高技术产业。
2．自由电子激光装置
• 自由电子激光是加速 器产生的高能电子在 极性交替变化的磁场 中做扭摆运动而产生 的电磁辐射。自由电 子激光的工作物质是 高能子束，它携带巨 大的能量，故具有产 生极强的光辐射的潜 力，而且波长连续可 调，光束质量优异 。
（三）工业应用
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。
（四）能源应用
1．裂变反应堆
2．聚变反应堆
（五）国防应用
• 1．闪光照像 进行核武器内爆系统的流体动力学及有关的瞬态过程的试验，美国已建造 三代这样的装置，即PHERMEX，FXR及DARHT。 • 2．电子学加固和辐射剂量校准 电子直线加速器产生的束流打靶产生的γ射线，可模拟核爆的辐射，用以研 究电子学器件的辐射加固或剂量仪器的校准。 • 3．无损探伤 为了检查导弹内部，特别是使用固体燃料时燃料位置的缝隙，已经研制成 装在汽车上的电子直线加速器，以便在现场进行探测。 • 4．核实验模拟 核武器改进和检查，除地下核试外，可在实验室建立惯性聚变反应研究装 置，产生微型热核爆炸，在参考实际核试验测得的数据，就可以相当可 靠地模拟核爆过程，改进性能，了解状态。
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。
粒子加速器
Particle Accelerators
物理1002班
中国粒子加速器事业的开拓者和奠基人之一、为中国高能粒 子加速器从无到有并跻身世界前沿起到至关重要作用的谢家 麟院士，14日荣膺中国2011年国家最高科学技术奖。
•到底粒子 加速器是 怎么回事 呢？
•粒子加速器的原理 •粒子加速器的类型 •粒子加速器的发展史 •粒子加速器的应用
回旋加速器
1930年E.O.劳伦斯在直线加 速器谐振加速工作原理的 启发下，提出了研制回旋 加速器的建议。
劳伦斯建议在回旋加速器里增加两个半圆形磁场，使带电粒子不 再沿着直线运动，而沿着近似于平面螺旋线的轨道运动，这种改 造使得加速器的电场不至于如此之长而导致电场能损失，是一个 极富设想的设计发明。
（二）科研应用
当高能量的电子在加速器中受磁 场偏转而沿弧线运动时，将产 生高亮度的广谱电磁辐射。同 步辐射最初是被看成限制圆形 电子加速器提高能量的障碍， 后来逐渐认识到它在物理、化 学、生物、地质、天文等学科 的研究工作中具有广泛的应用， 由此在世界范围内得到极大的 发展，由寄生于高能物理实验 发展到专用装置，又由一般专 用装置发展到以插入元件为主 的高亮度装置，迄今已经经历 了三代。
粒子加速器的发展史
粒子加速器最初是作为人们探索原子核的重要手段而 发展起来的。其发展历史概括如下
• 1919年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一 个人工核反应，激发了人们用快速粒子束变革原子 强烈愿望。 • 1928年，伽莫夫关于量子隧道效应的计算表明， 能量远低于天然射线的α粒子也有可能透入原子核 内。该研究结果进一步增强了人们研制人造快速粒 子源的兴趣和决心。
1932年，J．D．考克饶夫特（John D. Cockroft） 和E.T.瓦尔顿（Earnest T. S. Walton）在England 的 Cavendish 实验室开发制造了700kV高压倍加 速器加速质子，即Cockroft-Walton 加速器，实现 了第一个由人工加速的粒子引起的Li（p，α）He 核反应。由多级电压分配器（multi-step voltage divider ）产生恒定的梯度直流电压，使离子进行 直线加速。
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。
同步加速器是根据1944到1945年间Β.И.韦克斯勒 和E.M.麦克米伦各自独立发现的粒子自动稳相原理 （见同步回旋加速器）发展起来的。
• 1947年美国建成第一台，随后各国陆续建造了能量为 几十至几百兆电子伏的电子同步加速器。初期建造的 电子同步加速器都属于弱聚焦型。 现代同步加速 器都采用强聚焦。1952年强聚焦原理受到重视，从此 以后建造的高能（能量高于1GeV）电子同步加速器一 般都采用强聚焦原理。 同步辐射装置的储存环和 增强器皆采用电子同步辐射加速器原理。
回旋加速器
同步加速器
• 一种利用一定的环形轨道 上用高频电场加速电子或 离子的环形加速器装置。 • 同步加速器中磁场强度随 被加速粒子能量的增加而 增加，从而保持粒子回旋 频率与高频加速电场同步。 • 加速电子的称为电子同步 加速器（Electron Synchrotron）,由于在注 入能量下，电子已达光速， 所以电子同步加速器的高 频加速电压采用固定频率。
• 1945年，维克斯勒尔 和.E.M.麦克米伦分别 提出了谐振加速中方 法，从而推动了新一 代中高能回旋谐振式 加速器如电子同步加 速器、同步回旋加速 器和质子同步加速器 等的建造和发展。
加速器的应用
• 加速器发展的动力本 来源自高能物理和核 物理基础研究的需要， 但在发展过程中，人 们逐步认识到它在许 多科技和国民经济领 域，有着广阔的十分 重要的应用，这样， 加速器就开始沿着基 础研究和应用两个不 同方向分道发展了
类型
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
利用直线加速器加速带电粒子时，粒 子是沿着一条近于直线的轨道运动和被 逐级加速的，因此当需要很高的能量时， 加速器的直线距离会很长。 有什 么办法来大幅度地减小加速器的尺寸吗？
办法说起来也很简单，如果把直线轨道改成圆形轨道或 者螺旋形轨道，一圈一圈地反复加速，这样也可以逐 级谐振加速到很高的能量，而加速器的尺寸也可以大 大地缩减