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加速器知识

accelerator

定义:一种使带电粒子增加速度(动能)的装置。
 
  加速器可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。粒子增加的能量一般都在0.1兆电子伏以上。加速器的种类很多,有回旋加速器、直线加速器、静电加速器、粒子加速器、倍压加速器等。
 
  1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α 粒子束(即氦核)作为“炮弹”,轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”,实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布,发现原子核本身有结构,从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。
 
  静电加速器(1928年)、回旋加速器(1929年)、倍压加速器(1932年)等不同设想几乎在同一时期提了出来,并先后建成了一批加速装置。
 
  粒子加速器 particle accelerator
  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,在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。
  自从E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a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1014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。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。
  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108eV)、中能加速器(能量在108~109eV)、高能加速器(能量在109~1012eV)和超高能加速器(能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。
 
    美国科学家柯克罗夫特
  1932年美国科学家柯克罗夫特(J.D.Cockcroft)和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器,以能量为0.4MeV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,因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。    
 
    爱尔兰科学家沃尔顿    
 
    美国科学家凡德格拉夫
  1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。
 
    以上两种粒子加速器均属直流高压型,它们能加速粒子的能量受高压击穿所限,大致在10MeV。     
 
    凡德格拉夫的实验装置     
 
    劳伦斯与回旋加速器
  奈辛(G.Ising)于1924年,维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器,由于受当时高频技术的限制,这种加速器只能将钾离子加速到50keV,实用意义不大。但在此原理的启发下,美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器,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。
 
    由于被加速粒子质量、能量之间的制约,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。     
 
    前苏联科学家维克斯列尔
  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,英国科学家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。    
 
    美国科学家麦克米伦    
 
    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。
 
    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。随着能量的提高,回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升,提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少,但因横向聚焦力较差,真空盒尺寸必须很大,造成磁铁的磁极间隙大,依然需要很重的磁铁,要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。
    
    1952年美国科学家柯隆(E.D.Courant)、李温斯顿(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)发表了强聚焦原理的论文,根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低,使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命,影响巨大。此后,在环形或直线加速器中,普遍采用了强聚焦原理。
 
    美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器,磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器,磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。    
 
    美国科学家李温斯顿    
 
    美国科学家科斯特
  以上主要介绍的是质子环形加速器,对电子加速器来说情况有所不同。1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失,电子感应加速器的能量提高受到了限制,极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量,可以允许更大的辐射损失,极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失,使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV,这不是理论的限度,而是造价过高的限制。
    
    加速器的能量发展到如此水平,从实验的角度暴露出了新的问题。使用加速器作高能物理实验,一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子,然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等,加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制。如果采取两束加速粒子对撞的方式,可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。    
 
    意大利科学家陶歇克
  1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出了这项原理,并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机,验证了原理,从此开辟了加速器发展的新纪元。
 
    现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现,对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10~1000TeV,这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。    
 
    Frascati的AdA对撞机    
 
  自世界上建造第一台加速器以来,七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级(参见左图),同时每单位能量的造价降低了约4个数量级,如此惊人的发展速度在所有的科学领域都是少见的。
 
    随着加速器能量的不断提高,人类对微观物质世界的认识逐步深入,粒子物理研究取得了巨大的成就。     用人工的办法加速带电粒子,使其获得很高速度的装置.加速器利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速,使其具有高达几千、几万乃至近光速的高速带电粒子束,是人们认识原子核和探讨基本粒子,对物质深层结构进行研究的重要工具,同时随着加速器技术的不断发展,各种新的技术、新的原理不断更新,不断突破,进一步促进新技术的向前推进.加速器的研究和发展同时带来在工农业生产、医疗卫生、国防建设等各方面的重要而广泛的应用.
 
    早在20世纪20年代,科学家们就探讨过许多加速带电粒子的方案,并进行过多次实验.其中最早提出加速原理的是E·维德罗.30年代初高压倍加器、静电加速器、回旋加速器相继问世,研制者分别获得这一时期的诺贝尔物理学奖.这以后随着人们对微观物质世界深层次结构的研究的不断深入,各个科学技术领域对各种快速粒子束的需求不断增长,提出了多种新的加速原理和方法,发展了具有各种特色的加速器.其中有电子感应加速器、直线加速器、强聚焦高能加速器、扇形聚焦回旋加速器.1956年克斯特提出通过高能粒子束间的对撞来提高有效作用能的概念,导致了高能对撞机的发展.
 
    几十年来,人们利用加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成上千种新的人工放射性核素,并对原子核的基本结构和其变化规律进行了系统深入的研究,促使了原子核物理学的发展和成熟,并建立新的粒子物理学科,近20年来,加速器的发展的应用使材料科学、表面物理学、分子生物学、光化学都有重要发展.
 
    我国加速器的发展始于50年代末期,先后研制和生产了高压倍加器、静电加速器、电子感应加速器、电子和质子直线加速器、回旋加速器.近年来更加先进的加速器在我国又取得重大进展,北京已建成正负电子对撞机,使我国加速器研制和应用进入了世界先进行列.
 

 

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