加速器技术及应用作业

加速器技术及应用作业

学号：2016666666 姓名：xxx 班号：xxx

1、Cosmotron 机器的工作原理：

Cosmotron为加速质子的环形加速器，它主要是由环形磁铁、加速设备、环形真空室以及控制、束流测量、校正、注入引出等系统组成。

质子同步加速器的工作原理与电子同步加速器的类似。磁场是随时间改变的,随着粒子能量提高,磁场也加强，以保证粒子在恒定的闭合轨道附近回旋运动。磁场分布在设计的闭合轨道附近的环形区域内，环形真空室位于磁铁的磁极间隙里,粒子在真空室内回旋运动。

在粒子轨道上安放有一个或数个加速设备，加速设备产生高频电场来加速粒子。加速电场的频率是粒子回旋频率的整数倍,在加速过程中,随着粒子回旋频率增高，加速电场的频率也增高，这一点是它与电子同步加速器的最大区别。对质子同步加速器某些系统的指标进行必要的修改，也能加速比质子重的一些离子，以进行高能重离子的物理实验。

质子同步加速器主要用来进行高能物理实验，或者作质子对撞机或另一台更高能量的质子同步加速器的注入器。强流质子同步加速器还可用作强脉冲中子源，产生散裂中子，用于凝聚态物理研究或模拟核爆炸。

实现环形轨道加速的可能方案：

回旋加速器极限能量：

回旋加速器加速能量的提⾼高受到被加速粒⼦子质量相对论性增加的限制：

质子同步加速器：调变轨道磁场随时间变化，调变加速电场频率2、Cosmotron 机器的加速电场的频率及轨道磁场的变化规律：

调磁规律：

调频规律：

3、Cosmotron 机器的科学意义：

BNL于1948年开始建造第一台质子同步加速器，取名COSMOTRON，系世界上首台将粒子加速到10亿电子伏特级（GeV）的加速器（与簇射到地球外部大气层的宇宙线能量相同）。美国布鲁海汶国家实验室于1952年6月建成最高能量为2.3GeV的质子同步稳相加速器。这是人类第一次把粒子加速到宇宙线级的能量，故它被称为宇宙线能级加速器(英文名称为Cosmotron)。

COSMOTRON 1953年建造实验成功，能量达到设计指标（3.3GeV），是当时世界上能量最高的加速器，也是首台为在加速器之外提供实验粒子束流的同步加速器。早期为实验引出的束流流强为100亿个质子/脉冲，到1966年时流强提高了近100倍。COSMOTRON是首台产生所有已知宇宙中存在的正负介子的加速器，使发现K0L介子和第一个矢量介子成为可能。同时它还是首台产生不稳定重粒子的加速器，在实验中证实了相关奇异粒子产生的理论。因COSMOTRON在设计时存在固有的局限性而使其能量受到限制，运行14 年后于1966年关闭，1969年拆除。

将质子加速到前所未闻、比得上簇射地球外层大气的宇宙线的能量，该机器被称为质子同步加速器。

该质子同步加速器之前有几台加速器，但这台机器是世界上第一台将粒子加速到10GeV能区的加速器。其不仅是世界上最高能量的加速器，而且还是提供外部粒子束流用于加速器本身之外实验的第一台同步加速器。在早期，引出用于实验的束流流强为100亿质子/脉冲。到1966年，流强提高了近100倍。

在质子同步加速器中加速一秒钟后，质子就运行了135000英里，能量达到约3GeV，在这一能量让质子打靶。在云室或其它探测器中留下的显示证据的轨迹照片中观测到了核对撞的碎片。

这些观察到的资料被证明对更好的了解许多亚原子粒子的复杂性质极为重要。事实上，该质子同步加速器是产生已知存在于宇宙线中各种类型正负介子的第一台加速器，使发现介子和矢量介子成为可能。它还是产生不稳定重粒子的第一台加速器。这些不稳定的重粒子中有些以前被称为“V”粒子。不稳定粒子的产生导致实验证实有关奇异粒子产生的理论。

为物理研究界服务14年，虽然建造时非常先进，但该加速器有其固有的限制可获得能量的局限性。从该质子同步加速器获得的知识，将导致革命性的设计改进，克服这些局限性，为BNL建造下一个大的加速器-交互梯度加速器铺平道路。

其是人类第一台能量达到宇宙线能级的加速器。实践证明，加速器已经是微观世界探索不可缺少的科学装置。在医学、辐照、工业、车辆检查系统等国民经济中应用广泛。

4、Cosmotron 机器的工程规模：

Cosmotron 共花费了870 万美元建造，是当时投资最大的科学实验装置。其于1953 年1 月，达到了其最高运行能量3.3GeV。

其重2000吨，由引导圆形轨道中质子的288块C形磁铁组成。在质子同步加速器中加速一秒钟后，质子就运行了135000英里，能量达到约3 GeV，在这一能量让质子打靶。在云室或其它探测器中留下的显示证据的轨迹照片中观测到了核对撞的碎片。

5、Cosmotron 机器的技术细节：

Cosmotron 是美国布鲁克海文国家实验室（BNL）建造的一台弱聚焦质子同步加速器。在质子同步加速器中加速一秒钟后，质子就运行了135000英里，其设计能量为3GeV，一台75英尺的机器，有288块重6吨的C型磁铁组成4段让质子偏转90度的磁铁系统。在磁铁中，质子的转弯半径为9.1m。4段偏转磁铁之间有长度为3m的直线段。而在每段磁铁系统中，磁铁与磁铁之间还有22.5cm 的间隙。

在云室或其它探测器中留下的显示证据的轨迹照片中观测到了核对撞的碎片。

Cosmotron 采用静电加速器作为其质子注入器，质子注入能量为 3.6MeV。为了保证质子在Cosmotron 中的横向稳定性，其C 型磁铁的磁场，沿着径向（R 方向）在磁极面范围内，下降了6％。