帶電粒子加速器

1、加速器原理課程論文題 目 帶電粒子加速器的 歷史、發(fā)展以及展望 學院名稱 核科學技術學院 指導教師 劉 林 職 稱 助 教 班 級 核工073班 學 號 20074530350 學生姓名 洪浩浩 年 月 日目 錄第1節(jié)1第2節(jié)22.12. 2. 22.222.32第3節(jié)3參考文獻4第一節(jié) 加速器的發(fā)展史 自從人們開始研究原子核的本質以來，就一直希望能窺探原子核內(nèi)部結構，但是由于原子核本身具有異常緊密的結構，而且其直徑的數(shù)量級也在10-15m左右，人們難以直接觀察，所以，只能采用間接的方法來了解其內(nèi)部結構。此時，帶電粒子加速器應運而生。帶電粒子加速器簡稱加速器，它通過高強度電磁場來使粒子加速，用

2、加速粒子轟擊靶核。這樣，人們就能通過研究轟擊后產(chǎn)生的粒子來了解核內(nèi)部的結構了。 加速器的歷史可以追溯至1919年，英國科學家盧瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量為幾個Mev、速度為2109厘米/秒的高速離子束（即氦核）作為“炮彈”，轟擊厚度僅為0.0004厘米的金屬箔的靶，發(fā)現(xiàn)原子核本身有結構，激發(fā)了人們尋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間被提出，并先后建成了一批加速裝置。1933年美國科學家柯克羅福特（J.D。Cockcroft）（圖1.1）和愛爾蘭科學家沃爾頓（）（圖1.2）

3、建造成世界上第一臺直流加速器命名為柯克羅福特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為0.4MeV質子束轟擊鋰靶，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，因此獲得了1951年的諾貝爾物理學獎。 圖1.1 圖1.21933年美國科學家凡德格拉夫（R.J.van de Graaff）發(fā)明了使用另一種產(chǎn)生高壓方法的高壓加速器命名為凡德格拉夫靜電加速器。以上兩種加速器均屬直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿所限，大致在10MeV。奈辛（G.Ising）于1924年，維德羅（E.Wideroe）于1928年分別發(fā)明了漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器，由于受當時高頻技術的限

4、制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV,實用意義不大。但在此原理的啟發(fā)下，美國實驗物理學家勞倫斯（）1932年建成了回旋加速器，并用它產(chǎn)生了人工放射性同位素，為此獲得了1939年的諾貝爾物理學獎。這是加速器發(fā)展史上獲此殊榮的第一人。由于被加速粒子質量、能量之間的制約，回旋加速器一般只能將質子加速到25MeV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，則能將質子加速到上百MeV，稱為等時性回旋加速器。為了對原子核的結構結構作進一步的探索和產(chǎn)生新的基本粒子，必須研究建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前蘇聯(lián)科學家魏克斯列爾（）和美國科學家麥克米倫（）各自獨立發(fā)現(xiàn)了自動

5、穩(wěn)相原理，英國科學家阿里方特（nt）也曾建議建造基于此原理的加速器穩(wěn)相加速器。1954年美國勞倫斯實驗室建成了第一臺6.2GeV能量的弱聚焦質子同步加速器。而1960年意大利科學家陶歇克（B.Touschek）首次提出了將兩束加速粒子對撞的革命性思想，并在意大利Frascati國家實驗室建成了骯得樂直徑約1米的AdA對撞機，驗證了原理，從此開辟了加速器發(fā)展的新紀元。自第一臺加速器問世以來，七十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約4的數(shù)量級，并且在以后，還會取得更加驚人的發(fā)展。第二節(jié) 各種加速器及其簡介1) 早期直線加速器 圖2.1 2） 回旋加速器近似條件下的同

6、步：2m/qeBz=kTrf k=回旋加速器的極限能量 圖2.2回旋加速器加速能量的提高受到被加速粒子質量對論性增加的限制Tc=2m/qeBz帶電粒子在被加速的過程中，其質量越來越大。在軸向磁場一定的情況下，從而導致其回旋周期越來越長。3） 穩(wěn)相加速器自動穩(wěn)相原理指出：在準共振加速器中，那些相位與s（平衡相位）有一定偏差的大量非同步粒子，并不中斷加速，其加速相位將圍繞平衡相位s來回地擺動，從而得以圍繞同步粒子“平均”地得到加速，最終達到和同步粒子相當?shù)哪芰?。自動穩(wěn)相原理粒子運動的縱向穩(wěn)定性強聚焦原理粒子運動的橫向穩(wěn)定性對撞機原理粒子能量的有效利用第三節(jié) 加速器的應用以及展望加速器廣泛應用在工農(nóng)

7、業(yè)，醫(yī)療、科研等各個領域。電子靜電加速器則用于輻照加工、消毒等方面。巨型的串列式加速器，如美國橡樹嶺國家實驗室的25 URC和英國達爾士布萊的NSF加速器，其加速電壓在25 MV以上，主要用于核物理基礎研究。近年來，生產(chǎn)了一批電壓12 MV的小型串列式加速器，它們在元素痕量分析等方面有著廣泛的用途。電磁感應式加速器主要金屬構件的無損探傷、腫瘤的輻照治療等。直線諧振式加速器在醫(yī)療和工業(yè)輻照方面用 圖3.1 世界上最大的質子反質子對撞機（Tevatron I）途極為廣泛，大多用來生產(chǎn)各種放射性同位素，回旋加速器進行材料的活化分析以及輻照損傷的研究，例如無損檢測，就是在不損傷和不破壞材料、制品或構件

8、的情況下，就能檢測出它們內(nèi)部的情況，判別內(nèi)部 有無缺陷?，F(xiàn)代無損檢測的方法很多，例如：超聲波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷法及射線檢測法等。射線檢測法即可檢查工件表面又可檢查工件內(nèi)部的缺陷。設 備可以采用放射性同位素Co60產(chǎn)生的射線、X光機產(chǎn)生的低能X射線和電子加速器產(chǎn)生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領和靈敏度高，作為一種最 終檢查手段或其它探傷方法的驗證手段及在質量控制中，在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗中得到廣泛的應用。這 種探傷加速器以電子直線加速器為主要機型。也用來進行中子物理或核結構等的基礎研究，人工核反應，合成同位素如24Na、32

9、P和131I等人工放射性核素。電子同步加速器已被廣泛地用于固體物理、分子生物學及集成電路研制等等各個方面。電子感應加速器除了主要用于產(chǎn)生的射線做核反應等方面的應用外，還廣泛用于工業(yè)和醫(yī)療方面：如無損探傷、工業(yè)輻照、放射治療等。近年來，越來越多的新品種加速器陸續(xù)問世，比如電子感應加速器、質子同步加速器以及儲存環(huán)和對撞機等等。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，使用加速器提高作高能物 圖 3.2理實驗，一般是用加速的粒子轟擊靜電靶中的核子，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有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充分地用于高能反應或新粒子的產(chǎn)生?，F(xiàn)代高能加速器基本都以對撞機的形式出現(xiàn)，對撞機已經(jīng)能把產(chǎn)生高能反應的等效能量從1