粒子加速器的發(fā)展史與應用

1、粒子加速器的發(fā)展史與應用 粒子加速器的發(fā)展史與應用組員：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 粒子加速器的發(fā)展史與應用1、介紹粒子加速器粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法產(chǎn)生高速帶電粒子的裝置。日常生活中常見的粒子加速器有用于電視的陰極射線管及 X 光管等設施。是探索原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結構和相互作用的重要工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際應用。粒子加速器的結構一般包括 3 個主要部分 ：粒子源，用以提供所需加速的粒子，有電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子以及重離子等等。真空加速系統(tǒng)，其

2、中有一定形態(tài)的加速電場，并且為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速 ，整個系統(tǒng)放在真空度極高的真空室內(nèi)。導引、聚焦系統(tǒng)，用一定形態(tài)的電磁場來引導并約束被加速的粒子束，使之沿預定軌道接受電場的加速。所有這些都要求高、精、尖技術的綜合和配合。加速器的效能指標是粒子所能達到的能量和粒子流的強度（流強）。按照粒子能量的大小，加速器可分為低能加速器（能量小于 108eV）、中能加速器（能量在 108109eV）、高能加速器（能量在 1091012eV）和超高能加速器（能量在 1012eV 以上)。低能和中能加速器主要用于各種實際應用。2、世界加速器前期發(fā)展回望1919 年，英國科學技術盧瑟福用天然放射

3、源中能量為幾百萬電子伏特、速度為2109 cm /s的高速粒子束即氦核作為炮彈，轟擊厚度僅為0.0004cm的金屬箔的“靶”，實現(xiàn)了歷史上第一個人工核反應。利用靶后放置的硫化鋅熒光屏測得粒子散射的分布，發(fā)現(xiàn)原子核本身有結構，從而激發(fā)了人們追求更高能量的粒子來作為炮彈的愿望。靜電加速器（1928 年）、回旋加速器（1929 年）、倍壓加速器（1932 年）等不同設想幾乎在同一時期提了出來。1928 年，伽莫夫關于量子隧道效應的計算表明，能量遠低于天然射線的粒子也有可能透入原子核內(nèi)。該研究結果進一步增強了人們研制人造快速粒子源的興趣和決心。1930 年美國實驗物理學家勞倫斯提出了回旋加速器的工作原

4、理，勞倫斯于 1932 年建成了第 一臺直徑為 27 厘米的回旋加速器，它能將質(zhì)子加速到 100 萬電子伏，并用它生產(chǎn)了人工放射性同位素，為此獲得了 1939 年的諾貝爾物理獎，這是加速器發(fā)展史上獲此殊榮的第一人。1932 年美國科學家科克羅夫特和愛爾蘭科學家沃爾頓建造了世界上第一臺直流加速器科克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為 40 萬電子伏的質(zhì)子束轟擊鋰靶，得到粒子和氦的核反應實驗。這是歷史上第一次用人工加速粒子實現(xiàn)的核反應，二人因此獲得 1951 年的諾貝爾物理獎。1933 年美國科學家凡德格拉芙發(fā)明了使用另一種產(chǎn)生高壓方法的高壓加速器凡德格拉芙靜電加速器。以上兩種粒子加速器均屬于

5、直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿有限，大約為 1000 萬電子伏。由于被加速粒子能量、質(zhì)量之間的制約，回旋加速器一般只能將質(zhì)子加速到 2500 萬電子伏左右，如將加速器磁場的強度設計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長，則能將質(zhì)子加速到上億電子伏，成為等時性回旋加速器。帶電粒子加速器自 30 年代問世以來，主要是朝更高能量的方向發(fā)展。在這個過程中，任何一種加速器都經(jīng)過了發(fā)生、發(fā)展和加速能力或經(jīng)濟效應收到限制的三個階段。自回旋加速器后，又相繼出現(xiàn)了同步回旋加速器、電子同步加速器、直線加速器等。1940 年美國科學家科斯特研制出世界上第一個電子感應加速器，但由于電子沿曲線運動時其切線方向不斷放

6、射的電磁輻射造成能量的損失，電子感應加速器的能量提高受到限制，極限約為1 億電子伏。電子同步加速器使用電磁場提供加速能量，可以允許更大的輻射損失，極限約為 100億電子伏。電子只有作為直線運動時沒有輻射損失，使用電磁場加速的電子直線加速器可將電子加速到 500 億電子伏，這不是理論的限度，而是造價過高的限制。為了對原子核的結構作進一步的探索，和產(chǎn)生新的基本粒子，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945 年，前蘇聯(lián)科學家維克斯列爾和美國科學家麥克米倫各自獨立發(fā)現(xiàn)了自動穩(wěn)相原理，英國科學家阿里芳特也曾建議建造基于此原理的加速器穩(wěn)相加速器。自動穩(wěn)相原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命，

7、它導致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產(chǎn)生。自此，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經(jīng)濟上的限制。隨著能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升，提高能量實際上被限制在 10 億電子伏以下。同步加速器的環(huán)形磁鐵的造價雖然大大減少，但因橫向聚焦力較差，真空盒尺寸必須很大，造成磁鐵的磁極間隙大，依然需要很重的磁鐵，要想用它把質(zhì)子加速到 100 億電子伏以上仍然不現(xiàn)實。1952 年美國科學家柯隆、李湍斯頓和史耐德發(fā)表了強聚焦原理的論文，根據(jù)這個原理建造強聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價大大降低，使加速器有了向更高能量發(fā)展的可能。這是加速器發(fā)展史上

8、的又一次革命，影響巨大。此后，在環(huán)形或直線加速器中，普遍采用了強聚焦原理。美國勞倫斯國家實驗室 1954 年建成一臺 62 億電子伏能量的弱聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵的總重量為 l 萬噸：而布魯克海文國家實驗室 330 億電子伏能量的強聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵總重量只有 4000 噸。這說明了強聚焦原理的重大實際意義。1959 年，歐洲核子研究中心在日內(nèi)瓦建成一臺 240 億電子伏的強聚焦同步加速器，它每 3 秒鐘產(chǎn)生一個巨大的粒子脈沖，該加速器的直徑占二條街，繞行一圈是 640 米。加速器的能量發(fā)展到如此水平，從實驗的角度暴露出了新的問題。使用加速器作高能物理實驗，一般是用加速的粒子轟擊靜止靶

9、中的核子，然后研究所產(chǎn)生的次級粒子的動量、方向、電荷、數(shù)量等，加速粒子能參加高能反應的實際有用能量受到限制。如果采取兩束加速粒子對撞的方式，可以使加速的粒子能量允分地用于高能反應或新粒子的產(chǎn)生。1960 年意大利科學家陶歇克首次提出了對撞機的原理，并在意大利的 Frascali 國家實驗室建成了直徑約 1 米的 AdA 劃撞機，驗證了原理，從此開辟了加速器發(fā)展的新紀元。自世界上建造第一臺加速器以來，70 多年中加速器的能量大致提高了 9 個數(shù)量級，同時每單位能量的 造價降低了 4 個數(shù)量級，如此驚人的發(fā)展速度在所有的科學領域都是少見的，隨著加速器的不斷提高，人類對微觀物質(zhì)世界的認識逐步深入，粒

10、子物理取得巨大成就。3、我國粒子加速器的發(fā)展狀況我國粒子加速器四十年的發(fā)展大致可以分為三個階段50 年代到 60 年代中期為開創(chuàng)階段，從無到有建造了電子靜電加速器、質(zhì)子靜電加速器、回旋加速器和電子感應加速器，還生產(chǎn)了一批電子靜電加速器，滿足了核物理研究和許多學科應用研究的需要，為我國核物理研究、國防科研和應用作出了貢獻。這批加速器的大多數(shù)仍然在工作。60 年代中到 70 年代末，粒子加速器雖然發(fā)展緩慢，但在完成研制工業(yè)用、醫(yī)療用和軍事科研用加速器的任務中，保持了技術隊伍的穩(wěn)定和技術的發(fā)展，為 80 年代的大工程建設儲備了力量，準備了條件。80 年代改革開放的政策帶來了我國科研事業(yè)和國民經(jīng)濟的大

11、發(fā)展，粒子加速器事業(yè)也得到了發(fā)展，中國粒子加速器學會1990 年的統(tǒng)計數(shù)字表明，我國現(xiàn)有各類粒子加速器約有 450 多臺，其中進口加速器占總數(shù)的三分之一，大部分是醫(yī)療用和工業(yè)用小型加速器（如表一）。北京正負電子對撞機(BEPC)的任務之一是在粲物理和t輕子物理的領域里開展研究工作，1989 年初投入運行它是目前國際上在該研究領域內(nèi)唯一的性能最好的裝置。中美雙方已達成合作進行研究的辦議，說明 BEPC 以優(yōu)異的性能得到了國際上的承認它的另一個任務是用作同步輻射光源，提供從紫外光到 X 射線和硬 X 射線，為眾多學科的研究和應用服務。BEPC 用于高能物理實驗的壽命大約是十年，在此期間。BEPC

12、可在兼用和專用兩種模式下工作，前者是指機器運行時的參數(shù)按對撞的要求來確定，后者則專門根據(jù)對同步輻射光的要求來確定，要求同步輻射有更高的亮度和更好的性能。在該領域中的高能物理實驗研究工作進行到一定階段以后，BEPC將全部轉向純同步輻射應用。合肥同步輻射裝置(HESYRL)是專用光源，電子束流能量為 800MeV，可提供的同步光為紫外線到軟 X 射線，該裝置也已基本建成。蘭州重離子加速器(HIRFL)是為在中能范圍進行重離子物理研究的大型裝置，經(jīng)過十年的努力，已經(jīng)建成并投入使用。這三臺大型加速器的完成，大大提高了我國進行許多學科方面的科研能力，它們的作用在今后科研工作中將能得到充分的反映加速器技術

13、在一些方面的提高，也將對相關工業(yè)的發(fā)展帶來好處，如大部件精細加工技術、高精度大型磁鐵加工技術、高功率穩(wěn)流電源、大功率微波技術、高頻技術、大容積超高真空技術、束流測量技術和自動控制技術等，在國民經(jīng)濟的許多領域都有用處加速器制造技術的提高，也將對低能加速器的發(fā)展有所促進中國科學院高能物理研究所已向國外提供成套微波元件和加速管，承擔國外的合作項目。在過去的十年里，我國還建成了一批低能加速器（見表二），有 35MeV 質(zhì)子直線加速器4.5MeV 離子靜電加速器和串列加速器、電子直線加速器、高頻高壓型加速器、高功率束加速器及電子簾加速器等，其關鍵部件和技術接近或基本上達到國際水平，同時，也從國外引進了一

14、批小型加速器，主要是醫(yī)療用電子直線加速器、工業(yè)探傷用電子直線加速器、工業(yè)輻照用大功率電子加速器和小型串列加速器。中國原子能科學研究院引進美國的 2×13MV 串列加速器于 1989 年開始運行，在低能核物理研究方面已經(jīng)取得了一些成果，復旦大學和清華大學等利用引進 2×2MV串列加速器在分子物理及原子物理方面開展研究，北京大學、復旦大學和中國科學院上海冶金研究所等在離子注人和離子束元素分析方面開展了研究工作。近年來，國際上發(fā)展了一種新技術，使加速器與質(zhì)譜儀結合起來，成為高靈敏度的“加速器超靈敏質(zhì)譜計”，可在地質(zhì)學、海洋學、考古學、生物醫(yī)學及材料科學等方面進行分析工作北京大學、

15、中國原子能科學研究院、中國科學院上海原子核研究所和中國科學院近代物理研究所（蘭州）在這方面開展了工作。研究高功率電子束加速器在我國開始于 60 年代末，為了適應軍事工業(yè)的需要，由中國科學院高能物理研究所與中國工程物理研究院共同研制了一臺能量為 500keV 的脈沖 X 射線機，作為原理實驗裝置，之后又研制成功了強流脈沖電子束加速器(IMV，20kA)在 80 年代的十年內(nèi)，又建成了“閃光一 I”，和“閃光一 JJ”強流脈沖電子束加速器，輸出電壓和脈沖電流分別為 8MV，l00kA和 0.9MV，0.9MA。中國原子能科學研究院、國防科學技術大學、中國科學院電工研究所和中國科學院電子學研究所也建

16、成了類似的裝置，中國工程物理研究院又研制成功感應直線加速器，能量和流強分別為 1.5MeV，3kA。我國從 70 年代開始研制生產(chǎn)醫(yī)用電子直線加速器，到現(xiàn)在共有產(chǎn)品二十幾臺，從數(shù)量和質(zhì)量方面都不能滿足需要，進入 80 年代后，從國外買進了大量的醫(yī)用電子直線加速器，目前臨床應用的電子直線加速器有近百臺。4、20 世紀末世界已有和在建加速器情況90 年代是我國粒子加速器“鞏固提高、穩(wěn)步發(fā)展”的階段，這里，我們僅從我國投資大，技術上更具有代表性的幾臺較大型裝置的應用方向結合國際形勢來進行分析，展望我們 90 年代的任務。60 年代初，對撞機的出現(xiàn)開辟了高能加速器發(fā)展的新紀元，70 年代出現(xiàn)了許多能量

17、較低的正負電子對撞機，并在美國 SPEAR 機器上發(fā)現(xiàn)了 J/粒子70 年代末，“冷卻技術的成功促使新的質(zhì)子一反質(zhì)子對撞機出現(xiàn)，導致了 1982 年 CERN 的 SPS 機器上 Z和W粒子的發(fā)現(xiàn)最近二十年里，所提出的加速器的方案均為對撞機型。表三列出了已有的和正在建造的對撞機。從加速器發(fā)展來看，對撞機的能量差不多每六年增長十倍。而它的規(guī)模越來越大，如果按目前發(fā)展的速度推算，那么到了下一個世紀的中葉，加速器的大小將超過地球的尺度無怪乎有人說，利用激光等離子體原理，可以在地球的游離層中建造一臺能量為 100 TeV+100TeV 的機器。這也許是笑話，但人類的智慧是無窮的，新的加速器原理終將被找

18、到，加速器的能量總會在不是大得可怕的規(guī)模上提高到更高。這需要新一代的科學家們探索，他們要有為科學獻身的精神。5、粒子加速器在各個方面的應用粒子加速器和探測器中采用了最先進的科學技術，它們不僅用來研究純粹粒子物理學，還廣泛應用于其它領域，帶來的成果已經(jīng)融入人們的生活之中。5.1.在原子核物理領域，常要求從加速器中得到高能粒子作為核彈去轟擊各種原子城。主要進行的工作有以下三方面:(1)核反應工作，(2)核結構問題的研究，(3)核力問題的研究。通常作為核彈的粒子有五種:(氦核 2 He4 ), D(重氫核: 1 H 2 )、P(氫核1 H 1 )、中子( 0 n1 )和光子()。后兩種種核彈不帶電，

19、雖不能直接由加速器獲得，但可以通過帶電粒子的核反應間接地得到。例如氘核與氘核作用放出中子，電子射線遇到其他物質(zhì)則放出射線等等。人工加速獲得的粒子流強度之大也遠非天然放射錢所能比擬。而由一般回旋加速器就已耙可以獲得幾百微安數(shù)量極的粒子流，相當于幾十萬克鐳在各個方向放射性強度的總和。自然，用加速器射出的粒子流來作為核彈，定將顯示無比強大的威力。因此加速器被譽為“向原子核進軍中的必不可少的重要武器”。5.2.在機械工業(yè)領域可以用加速器中得到的 y 射線進行探傷。加速器用于工業(yè)生產(chǎn)，以低能加速器和離子源為主，包括輻射加工、無損探傷、離子摻雜等方面。輻射加工是通過加速器產(chǎn)生的電子束對高分子材料照射導致聚

20、合物交聯(lián)，從而改善性能。電纜經(jīng)過輻照，可以大大提高耐溫，輻照后的熱縮薄膜或管材，有加熱后恢復原形的“記憶”，都有十分廣泛的應用。輻射還可縮短噴漆、彩印的固化時間，減少了貯存待干的廠房面積。藥品、手術器械和食品的消毒、滅菌、保鮮是輻照應用的另一些方面。使用電子加速器產(chǎn)生射線，用于大型機械鍛、鑄件中的無損探傷，已有幾十年的歷史。近年一個有意義的發(fā)展是將加速器與核物理探測技術相結合，對集裝箱進行不必開箱的透視檢查。使用離子源產(chǎn)生的不同能量和脈寬的各種離子束注入到基金屬中滲雜、改性或者制造新材料，已經(jīng)得到了應用。使用回旋加速器將金屬或陶瓷等機械零件的表面薄層活化，再根據(jù)放射性產(chǎn)生的射線，測量其磨損情況，這是檢驗各種耐磨措施（如用離子注入提高硬度）的有效方法。5.3.冶金、塑料及其他領域也可以用下射錢來照射，以求改良材料的機械、耐溫或絕緣等各方面的性能。如鋼材受照射后可以提高機械強度，熱塑高分子化合物聚乙烯受輻射后，耐熱性可由 7