粒子加速器

• 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。 • 加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度 （流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速 器（能量小于10^8eV）、中能加速器（能量在 10^8～10^9eV）、高能加速器（能量在10^9～ 10^12eV）和超高能加速器（能量在10^12eV以上)。 目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。
电子直线对撞机
• 为避免电子作回旋运动时同步辐射损失引起的困难，早在 1965年已有人指出，在电子能量高于上百吉电子伏时， 应采用直线型来进行对撞，就是说，应采用两台电子直线 加速器加速两股运动方向相反的电子束（或正负电子束） 待达到预定能量后，两股电子束被引出并在某点相碰。碰 撞一次后的电子束即被遗弃，不再重复利用。当然，只有 当这些被遗弃的电子束单位时间所带走的能量小于环形对 撞机中同步辐射的损失功率，这种方案才会被考虑。另外， 由于电子直线加速功率的限制，每秒能提供的电子束脉冲 数是有限的，所以单位时间内发生的碰撞次数也比环形对 撞机少得多，为了保证直线对撞机与环形对撞机有相同的 亮度，要求在碰撞点的横截面进一步压缩，约比环形对撞 机中的碰撞截面小几十到几百倍，十多年来技术上的进展， 使这种对撞机受到重视，有关的各种问题正在解决中。
质子－质子对撞机
• 这种对撞机需要建造两个环,分别储存两束相反方向回旋 的质子束，才能实行质子与质子的对撞。由于质子作回旋 运动时，其同步辐射要比电子小得多，在目前质子达到的 能量范围内，可以略去不计，因此为缩小这类对撞机的规 模,尽量采用强磁场,这就需要采用超导磁体。另外，质子 束的积累也不如电子对撞机那样方便，它必须依靠动量空 间的积累来实现。为此，必须首先在高能同步加速器中， 将质子加速到高能（一般为几十吉电子伏），依靠绝热压 缩，将质子束的动量散度压缩上百倍，再注入到对撞机中 去进行积累，质子对撞机中的高频加速系统主要是用来进 行动量空间的积累及积累完毕后的进一步加速，因此所需 要的高频功率也比电子对撞机小得多。由于上述原因，质 子－质子对撞机的规模要比电子－正电子对撞机大，投资 也较高。
回旋加速器
• 被加速的粒子以一定的能量在一圆形结构里运动，粒子 运行的圆形轨道是由磁偶极（dipole magnet）所控制。 和直线加速器(Linac)不一样，环形加速器的结构可以持 续地将粒子加速，粒子会重复经过圆形轨道上的同一点。 但是粒子的能量会以同步辐射方式发散出去。 • 同步辐射是当任何带电粒所发出的一种电磁辐射。粒子 在圆形轨道里运动时都有一个向心加速度，会让粒子持续 辐射。此时必须提供电场加速以补充所损失的能量。同步 辐射是一种高功率的辐射，加速器将电子加速以产生同相 位的X光。 • 除了加速电子以外也有些加速器加速较重的离子，如质 子，以运作更高的能量领域的研究。譬如高能物理对于夸 克及胶子的研究分析。
同步回旋加速器
• 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。
对撞机
• 在高能同步加速 器基础上发展起 来的一种装置， 其主要作用是积 累并加速相继由 前级加速器注入 的两束粒子流， 到一定束流强度 及一定能量时使 其在相向运动状 态下进行对撞， 以产生足够高的 相互作用反应率， 从而便于测量。
发展历史
对撞机特点
对撞机的主要类型
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电子－正电子对撞机
• 又称正负电子对撞机，由于正负电子的电荷相反， 所以这种对撞机只要建立一个环就可以了。相应 的造价就比较低，目前世界上已建成的对撞机大 部分是属于这一类的。 • 这种对撞机中所需的正电子是由能量为几十兆电 子伏以上的电子打靶后产生的，为了得到尽可能 强的正电子束，往往需要建造一台低能量的强流 电子直线加速器。另外产生出来的正电子束尚需 再度注入到注入器中，与电子一起加速到必要的 能量，再注入到对撞机中去。由于正电子束的强 度只及电子束的千分之一到万分之一，所以需要 几分甚至几十分钟的积累，才能达到足够的强度。
直线加速器
• 带电粒子在直线中加速，运行到加速器的末端。较低能量 的加速器例如阴极射线管及X光产生器，使用约数千伏特 的直流电压（DC）差的一对电极板。在X光产生器的靶 本身是其中一个电极。 • 较高能的直线加速器使用在一直在线排列的电极板组 合来提供加速电场。当带电粒子接近其中一个电极板时， 电极板上带有相反电性的电荷以吸引带电粒子。当带电粒 子通过电极板时，电极板上变成带有相同电性的电荷以排 斥推动带电粒子到下一个电极板。所以带电粒子束加速时， 必须小心控制每一个板上的交流（AC）电压，让每一个 带电粒子束可以持续加速。 • 当粒子接近光速时，电场的转换速率必须变得相当高， 须使用微波（高频） 共振腔来运作加速电场。
相对论重离子对撞机
• 位于美国纽约长岛的布鲁柯海文国家实验室的世 界顶级科学研究设备——相对论重离子对撞机 (Relativistic Heavy Ion Collider， RHIC)。这一顶尖级研究设备经过10年的建设， 于2000年正式运行。来自世界过各地的数百名 物理学家，试图利用RHIC研究宇宙起源的最初 时刻所发生的事情。该加速器驱动两束金离子束 流对撞，以求帮助科学家理解从最小的粒子物理 世界到最大的恒星世界的运作方式和原理。
大型强子对撞机
• 大型强子对撞器(Large Hadron Collider， LHC)是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究 组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高 能物理学研究之用。(全球定位点：北纬46度14 分00秒，东经6度03分00秒 46.233333333333;6.05) LHC已经建造完 成，北京时间2008年9月10日下午15：30正 式开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。 LHC是一个国际合作的计划，由34国超过两千 位物理学家所属的大学与实验室，所共同出资合 作兴建的。
• 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采用一个轴向磁场，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。 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。 两个磁极之间是真空室。里面装有两个半圆形空盒状的金属电极，通称 为“D形电极”。D形电极接在高频电源的输出端上，2个D形电极之间的 空隙（加速间隙）有高频电场产生。粒子源安装在真空室中心的加速间隙 中。D形电极内部没有高频电场，粒子进入D形电极之内就不再被加速，在 恒定的主导磁场作用下做圆周运动。只要粒子回旋半圆的时间等于加速电 压半周期的奇整数倍，就能够得到谐振加速。用一个表达式可以表示成： Tc=KTrt 式中Tc是粒子的回旋周期，Trt是加速电压的周期，K应该是奇整数。
• 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 对撞机 电子感应加速器 同步回旋加速器
静电加速器
• 静电加速器（ electrostatic accelerator） 利用静电高压加速带电粒子的装置。可用以加速电子或 质子。1931年R.J.范德格拉夫首先研制成功，称范德格 拉夫起电机。它是通过输电带将喷电针电晕放电的电荷输 送到一个绝缘的空心金属电极内，使之充电至高电压用以 加速带电粒子。加速器加速粒子的能量受到所使用绝缘材 料击穿电压的限制。为了提高静电加速器的工作电压和束 流强度，近代静电加速器安置在钢筒内，钢筒内充有绝缘 性能良好的高压气体，以提高静电高压发生器的耐压强度， 加速粒子能量可达14兆电子伏特（MeV） 。静电加速器 属于低能加速器，主要作各种技术应用。
电子感应加速器
• 在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室，当用交变电流 励磁电磁铁时，在环形室内就会感生出很强的、同心环状 的有旋电场。用电子枪将电子注入环形室，电子在有旋电 场的作用下被加速，并在洛伦兹力的作用下，沿圆形轨道 运动。由于磁场和感生电场都是交变的，所以在交变电流 的一个周期内，只有当感生电场的方向与电子绕行的方向 相反时，电子才能得到加速。因而，要求每次注入电子束 并使它加速后，在电场尚未改变方向前就将已加速的电子 束从加速器中引出。由于用电子枪注入真空室的电子束已 经具有一定的速度，在电场方向改变前的短短时间内，电 子束已经在环内绕行几十万圈，并且一直受到电场加速， 所以，可以获得能量相当高的电子。例如一个100 MeV 的电子感应加速器，能使电子速度加速到0.999986c 。 这里，c是光在真空中的速度。
质子－反质子对撞机
• 质子与反质子的质量相同，电荷相反，也只需要 造一个环就能进行对撞。这种对撞机发展得较晚， 主要原因在于由高能质子束打靶产生的反质子束 强度既弱，性能又差，无法积累到足够的强度与 质子对撞。70年代后期，“冷却”技术的成功， 给予这种对撞机巨大的生命力(见加速器技术和原 理的发展)。 • 实现质子－反质子对撞虽然比质子－质子对撞能 节省一个大环，但也有一定的弱点，主要是由于 尽管经过冷却及积累,反质子的强度仍然比质子的 低得多,这样使得质子－反质子对撞机的亮度比质 子－质子对撞机低得多，前者最大为1029～ 1030cm-2· s-1, 后者则为1032cm-2· s-1。
粒子加速器简介
粒子加速器（particle accelerator）
• 是利用电场来推动带电粒子使之获得高能 量。日常生活中常见的粒子加速器有用于 电视的阴极射线管及X光管等设施。被加速 的粒子置于抽真空的管中，才不会被空气 中的分子所撞击而溃散。在高能加速器里 的粒子使用四极磁铁（quadrupole magnet）聚焦成束，粒子才不会因为彼 此间产生的排斥力而散开。
电子－质子对撞机
• 这种对撞机的主要困难在于电子束的横截面很小， 线度约为几分之一毫米，而质子的横截面较大,线 度约为一厘米左右。前者束流较密集,后者较疏松， 两者相撞时作用几率很小，目前正在研究中，实 现这种对撞需建立两个环，一个是低磁场的常规 磁铁环,以储存及加速电子；另一个是高场的超导 磁体环,以储存并加速质子，两个环的半径相同并 放在同一隧道中，所以电子的能量通常是几十吉 电子伏，质子的能量为几百吉电子伏。随着加速 器技术的提高,为了节约投资,新建的巨型加速器， 往往在一个隧道中建造三个环，以便可能进行多 种粒子对撞，例如质子质子、质子－反质子，电 子－正电子、质子－电子对撞。