粉尘静电加速设备原理及发展现状

1、粉尘静电加速设备原理及发展现状摘要：微米级空间碎片数量巨大，与航天器的碰撞概率很高，其累积效应会影响航天器的性能。国外已 发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应。文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展 现状进行了介绍，并对该种设备的优缺点进行了分析讨论。 关键词：微米级空间碎片；地面模拟；加速设备；粉尘静电，粉末涂料微米级空间碎片主要包含剥落碎片、溅射物、 AI203粉尘、微流星体等。微米级碎片与航天器的 碰撞概率很髙，虽然每一次碰撞不一定造成航天 器损坏，但它们的累积效应仍然会影响航天器的 性能M。其影响主要表现在：改变航天器表面的 性能，降低成像质量；改变辐射、吸收特性；在

2、 航天器表面造成撞击坑，损坏航天器表面材料， 对表面器件造成损伤。另外，撞击产生的等离子 体云会产生放电、短路、供电失常等效应，造成 航天器故障。 超高速撞击地面模拟实验是研究微米级空间 碎片撞击效应最直接、最有效的手段。国外针对 微米级碎片地面模拟实验已开展了几十年的研 究，其加速方法和测试手段已经相对成熟；而国 内针对微米级碎片的研究尚处于初始阶段。 针对微米级空间碎片超高速撞击地面模拟实 验，目前国内外主要使用粉尘静电加速5_13】、激 光驱动加速、等离子体加速及电炮加速等几类加 速设备。其中，粉尘静电加速方法在模拟微米级 空间碎片尤其是在加速数量庞大的粉尘级碎片上 有明显的优势。 2粉

3、尘静电加速原理 1960年，Shelton5提出使用静电加速方法对粉尘粒子进行加速，通过对用于核物理研究的 离子源改造设计了第一个粉尘源。1978年德国 Max-Plank研究所设计研制了第一台粉尘静电加 速器。目前国际上己利用静电加速装置开展了大 量的粉尘实验，根据需求也研制了一些新的设备。 其中，如何使粉尘源中粒子带电是成功加速微米 级粒子的关键技术。 粉尘加速装置包括粉尘粒子源、加速通道、 含有粒子挑选器的偏离管以及实验靶室4部分。 图1为德国Max-Plank研究所的粉尘加速装置示 意图6。图1德国Max-Plank研究所的粉尘加速装置示意图 Fig. 1 The schematic

4、diagram of dust accelerator at Max-Planck-Institut fur Kemphysik in Germany 粉尘粒子源由钛粉制成，包含粒子贮藏箱和 贮藏箱内作为充电电极的钨针、释放板和准直管。 将粉尘装填进jt藏箱内，通过箱内的钨针电极进 行充电。铸针电极与约20 kV的恒压源连接，贮 藏箱与幅度为10 kV的脉冲电压连接。在库仑斥 力作用下带电粒子开始旋转，击打钨针的尖端部 分，通过接地的释放板从贮藏箱内拖拉出去。带 电粒子通过准直管后进入装置的加速单元。粒子 源内部要达到104Pa的真空度，避免高电场强度 产生的电火花。粉尘源的结构原理如图2所示

5、。图2粉尘粒子源的结构原理图 加速通道对粒子源释放的带电粉尘粒子进行 加速。使用Van de Graaff加速装置可以提供2MV 的加速电压。2MV的电势能差转化为粒子动能， 通过能量守恒可以计算带电粒子的最终速度 v =2qUJm ,粒子速度主要与其荷质比和加 速电压有关。通过连接的电荷敏感放大器可以测 量粒子的速度和电荷，进而根据能量守恒可以计 算出粒子的质量和半径。 粒子挑选器根据可调约束条件挑选符合条件 的粒子,不符合条件的粒子被电容器板偏置出去。 具体有3种操作模式：（1)单一模式：设置了速度 和质量范围，每挑选一个粒子即停止；(2)自动模 式：设置了速度范围；（3)连续模式：所有粒

6、子都 可以通过。 实验靶室内要绝对清洁，以免其他化学成分 影响弹丸和靶的材料分析结果。靶室真空度一般 为 10、。串列静电加速器    又称多级静电加速器。其中最基本的为两级串列加速器。两级以上如三级和四级串列加速器，不过是由两台两级串列加速器（或由一台两级串列加速器和一台单级静电加速器）组合而成的加速系统。两级串列加速器装设有两根加速管，公用一个高压电极，带电粒子从加速器地端注入一根加速管被加速一次，进到高压电极内，通过电荷转换装置（对负粒子束采用电子剥离器）粒子带电极性改变，然后进入第二根加速管再次被加速。从而在同一个电极电压下，粒子两次得到加速，大

7、大提高了粒子的能量。这种提高静电加速能量的方法，早在 20世纪 30年代就已提出，直到负离子源和原子的剥离技术取得成功之后，才于1958年建成了世界上第一台加速质子能量为13.4兆电子伏的串列加速器。由于这种加速器保持了静电加速器的原有特点，又提高了能量，离子源装在加速器地电势处,调节、更换零件都方便,又便于加速多种粒子，所以发展得很快，60年代达到了它的全盛时期。到1986年时,运行中的串列加速器端电压达5兆伏以上的约有70台。端电压50兆伏的串列加速器也在研制中。两级串列加速器的工作原理由图1说明，从负离子源产生负离子束，经过预加速（一般几百千伏）、分析磁铁注入串列加速器的一根加速管，由于

8、加速器的高压电极为正高压，对负离子产生吸引力，粒子朝高压电极方向被加速一次。当负离子进到高压电极内部时,经过电荷剥离器转变为带有N个电荷单位的正离子（N一般称粒子的电荷态）。而后,正离子进入第二根加速管中，又受到正高压的排斥力，第二次被加速，经过两次加速，粒子获得的总能量为E(N1)eV,式中E代表粒子的能量,e为电子的电荷，V为加速器端电压。对于质子N1,则粒子能量正好对串列加速器端电压的二倍，也就是说质子能量为相同的端电压的单级静电加速器的二倍。 图2a是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的单级静电加速器组成的三级串列加速器。负离子源装在单级静电加速器的高压电极内，负离子在

9、单级静电加速器内被加速一次，再注入两级串列加速器，完成后两次加速。图2b是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的两级串列加速器组成的三级串列加速器,这种方式下离子源可放在加速器外边,处在地电势，采用正离子源，由正离子源产生的正离子束，要通过电荷中和管道变成中性束，注入负高电压电极的两级串列加速器，在第一根加速管不加速。当粒子到达高压电极内部时，通过添加电子孔道，中性束变成负离子束,在第二根加速管中完成第一次加速,后两次加速由一台正高压电极的两级串列加速器来完成，过程与上面相同。从机械结构来看，串列加速器有水平式和直立式两种。随着端电压不断升高，加速结构越来越长。对水平式的加速器来说，高压电

10、极和加速管的水平支撑越来越困难；而直立式的加速器的厂房建筑也越来越高。为此发展了一种直立折叠式的结构。如美国橡树岭国家实验室的端电压25兆伏的加速器。它的结构像一个倒置的字母U。从下面注入的离子经一次加速在高压电极内被一个大的偏转磁铁偏置180°后,进入另一根加速管第二次加速。为了进一步提高粒子的能量，串列加速器常作为注入器，同其他类型的加速器，如扇形聚焦回旋加速器或分离扇回旋加速器串连起来联合运行。就串列加速器本身的发展来说，人们还在为创造新的端电压记录而努力。诸如设计新型的加速管和输电系统，研究和改善介质的绝缘性能，改进工艺等等以提高耐高电场的强度。 静电除尘器静电除尘

11、器的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电在电场作用下与气流分离。负极由不同断面形状的金属导线制成，叫放电电极。正极由不同几何形状的金属板制成，叫集尘电极。静电除尘器的性能受粉尘性质、设备构造和烟气流速等三个因素的影响。粉尘的比电阻是评价导电性的指标，它对除尘效率有直接的影响。比电阻过低，尘粒难以保持在集尘电极上，致使其重返气流。比电阻过高，到达集尘电极的尘粒电荷不易放出，在尘层之间形成电压梯度会产生局部击穿和放电现象。这些情况都会造成除尘效率下降。简介静电除尘器的电源由控制箱、升压变压器和整流器组成。电源输出的电压高低对除尘效率也有很大影响。因此，静电除尘器运行电压需保持40

12、一75kV乃至100kV以上。静电除尘器及其相关部件(11张)2特点静电除尘器与其他除尘设备相比，耗能少，除尘效率高，适用于除去烟气中00150m的粉尘，而且可用于烟气温度高、压力大的场合。实践表明，处理的烟气量越大，使用静电除尘器的投资和运行费用越经济。宽间距卧式电除尘器技术概述HHD型宽间距卧式电除尘器是该公司引进和借鉴国外先进技术，总结三十年来的设计、制造和应用经验，结合中国各行业工业窑炉废气工况的特点，为适应日趋严格的废气排放要求和WTO市场准则研究开发的科研成果。该成果已广泛应用在冶金、电力、水泥等行业。深得全国广大用户信赖，具有较强的市场竞争能力。最佳宽间距及极板特别配置使得电场场

13、强、板电流分布更加均匀，驱进速度可提高 1.3倍，使捕集粉尘比电阻范围扩大到10 1 -10 14 -cm，特别适用于硫化床锅炉、新型水泥干法回转窑、篦冷机、烧结机等废气的高比电阻粉尘回收，减缓或消除反电晕现象。国内首创的整体新型RS电晕线最高长度可达15米，具有起晕电压低，电晕电流密度大，钢性强，永不破损，具有抗高温、抗热变能力，结合顶部振打方式清灰效果极佳。根据粉尘浓度大小配置相应的电晕线密度，从而可适应高粉尘浓度的收尘，最高允许入口浓度可达1000g/Nm 3。电晕极顶部强力振打根据清灰理论设计的顶部放电极强力振打，可采用机械和电磁两种任选方式。阴阳两极自由悬吊HHD电收尘器收尘系统和电

14、晕极系统均采用三维悬吊结构，当废气温度过高时，收尘极和电晕极将按三维方向任意膨胀伸展，收尘极系统还特别设计了抗热变钢带约束结构，使得HHD电收尘器具有较高的抗热变能力，经商业运行表明，HHD电收尘器最高耐温可达390。提高振打加速度改善清灰效果 ：收尘极系统清灰好坏直接影响收尘效率，大部分电收器在经过一段时间运行后都表现出效率下降情况，究其根源主要是收尘极板清灰效果差所致， HHD电收尘器利用最新撞击理论和实践结果，改传统扁钢撞击杆结构为整体型钢结构，又将收尘极的侧部振打锤结构删繁就简，使掉锤环节减少2/3，实验表明收尘极板面最小加速度从220G提高到356G。占地面积小、重量轻由于放电极系统

15、采用顶部振打设计，且打破常规创造性地将每个电场采用非对称悬吊设计，并利用美国环境设备公司壳体计算机软件优化设计，使得在同样收尘总面积的情况，电收尘器总体长度减少3-5米，重量减轻15%。高保证绝缘系统为防止电收尘器1的高压绝缘材料结露爬电，壳体采用蓄热双层充气屋顶设计，电加热采用最新PTC、PTS材料，绝缘套管底部采用双曲线反吹清扫设计，彻底杜绝了瓷套管结露爬电的易发故障，且维护、保养、更换极为便利。匹配L-C高系统高压控制可采用 DSC系统控制，上位机操作，低压控制采用PLC控制， 中文触摸屏操作。高压电源采用恒电流、高阻抗直流电源，匹配 HHD电收尘器本体。可产生高除尘效率、克服高比电阻、

16、处理高浓度的优越功能。3参数表1：序 号 技术性能 型号规格 HHD-30/3/1 HHD-35/3/1 HHD-40/3/1 HHD-45/3/1 HHD-50/3/11 电场有效断面积（m2） 30 35 40 45 502 室数 1 1 1 1 13 电场数 3 3 3 3 34 处理废气量（m3/h) 75600.88200-126000 113400.162000 113400.162000 126000-1800005 电场风速 (m/s) 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.06 极板间距 (mm) 400.400.400.400.4007

17、 通道数 14 14 18 16 188 电晕极型式 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺9 收尘极型式 C480 C480 C480 C480 C48010 总有效电晕线长度（m) 1814 2100 2400. 2688. 298111 总收尘面积 (m2） 1733 2053. 2346.2627 291412 最高允许气体温度（） < 300 < 300 < 300 < 300 < 30013 最高允许气体压力（Pa) ±5000. ±5000 .±5000. ±500014 阻力损失 (Pa)

18、 < 300 < 300 < 300 < 300 < 30015 最高允许含尘浓度（g/Nm3） < 100 < 100 < 100 < 100 < 10016 设计除尘效率 (%) 99.9 99.9 99.9 99.9 99.917 高压电源规格 (KV/mA)台数（台） 72/4003 72/3003 72/4003 72/4003 72/500318 设备本体总重量 (t) 125.0 110.0 117.0 125.0 132.0表2序 号 技术性能 型号规格 HHD-55/3/1 HHD-60/3/1 HHD-65/3/1

19、 HHD-70/3/1 HHD-75/3/11 电场有效断面积（m2） 55 60 65 70 752 室数 1 1 1 1 13 电场数 3 3 3 3 34 处理废气量（m3/h) 138600- 198000 151200- 216000 163800- 234000 176400- 252000 189000- 2700005 电场风速（m/s) 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.06 极板间距（mm) 400. 400 .400. 400. 4007 通道数 18 18 20 20 208 电晕极型式 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS

20、型芒刺 RS型芒刺9 收尘极型式 C480 C480 C480 C480 C48010 总有效电晕线长度（m) 3300 3600 3900 4200 450011 总收尘面积（m2） 3226 3519 3812 4179 447712 最高允许气体温度（） <300 .<300 .<300 .<300 .<30013 最高允许气体压力（Pa) ±5000 .±5000 .±5000. ±5000 .±500014 阻力损失（Pa) <300 <300 <300 <300 <3001

21、5 最高允许含尘浓度（g/Nm3） <100 .<100 .<100. <100. <10016 设计除尘效率（%) 99.9 99.9 99.9 99.9 99.917 高压电源规格（KV/mA) 台数（台） 72/500 3 72/600 3 72/600 3 72/600 3 72/700 318 设备本体总重量（t) 138.0 145.0 155.0 165.0 176.0表3序 号 技术性能 型号规格 HHD-80/3/1 HHD-85/3/1 HHD-90/3/1 HHD-95/3/11 电场有效断面积（m2） 80 85 90 95 1002 室数

22、 1 1 1 1 13 电场数 3 3 3 3 34 处理废气量（m3/h) 201600. 288000 214200- 306000.226800- 324000 239400- 342000 252000- 3600005 电场风速（m/s) 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.06 极板间距（mm) 400 .400 .400. 400. 4007 通道数 22 22 24 24 248 电晕极型式 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺9 收尘极型式 C480 C480 C480 C480 C48010 总有效电晕线长度（m

23、) 4800 .5100. 5400. 5700. 600011 总收尘面积（m2） 4776 5075 .5373 .5502 .597012 最高允许气体温度（） <300 <300 <300 <300 <30013 最高允许气体压力（Pa) ±5000 .±5000 .±5000 .±5000 .±500014 阻力损失（Pa) <300 <300 <300 <300 <30015 最高允许含尘浓（g/Nm3） <100 <100 <100 <100 &l

24、t;10016 设计除尘效率（%) 99.9 99.9 99.9 99.9 99.917 高压电源规格（KV/mA) 台数（台） 72/800 3 72/800 3 72/900 3 72/900 3 72/1000 318 设备本体总重量（t) 188.0 197.0 206.0 218.0 230.0表4序 号 技术性能 型号规格 HHD-105/3/1 HHD-110/3/1 HHD-118/3/1 HHD-125/3/1 HHD-90/4/1 HHD-240/3/21 电场有效断面积（m2） 105 .110 .118 .125. 90 .2402 室数 1 1 1 1 1 23 电场

25、数 3 3 3 4 4 34 处理废气量（m3/h) 264600- 378000 277200- 396000 297360- 424800 315000.450000 194400- 226800 604800. 8640005 电场风速（m/s) 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.0 0.7-1.06 极板间距(mm) 400. 400. 400 .400. 400 34007 通道数 24 26 26 26 24 26×28 电晕极型式 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺 RS型芒刺9 收尘极型式 C480 C

26、480 C480 C480 C480 C48010 总有效电晕线长度（m) 6000. 6600. 7080 .7500. 7200. 1440011 总收尘面积（m2） 5970 6567 7045. 7463 .7164. 1432812 最高允许气体温度（） <300 <300 <300 <300 <300 <30013 最高允许气体压力（Pa) ±5000 ±5000 ±5000 ±5000 ±5000 ±500014 阻力损失（Pa) <300 <300 <300 <

27、;300 <300 <30015 最高允许含尘浓度（g/Nm3） <100 <100 <100 <100 <100 <10016 设计除尘效率（%) 99.9 99.9 99.9 99.9 99.9 99.917 高压电源规格（KV/mA)台数（台） 72/10003 72/11003 72/11003 72/11003 100/12004 72/1200618 设备本体总重量（t) 240 252.0 265.0 278.0 275.0 495.04GD型GD型电除尘器技术引进于日本的原式电除尘器技术，通过消化吸收借鉴国内同行业的成功经验，研发

28、出GD型一系列的电除尘器，广泛用于冶金、冶炼行业。GD型系列电除尘器除具有其他类型电除尘器阻力小、耗能小、效率高的几大特点外，特具有以下几点：采用独特设计的进风口的气流分布结构。电场内具有三个电极（放电极、集尘极、辅助电极），可以调整电场的极配形式来改变电场状态，以适应不同特性的粉尘处理，达到净化效果。阴阳两极自由悬吊。电晕线：无论电晕线多长，均由一根钢管构成，中间没有螺栓连接，所以绝无断线的故障发生。5安装要求对除尘器下部走台基础进行安装前的检查和确定验收按照电除尘器安装说明书和设计图纸的要求安装电除尘器各部件，根据确认验收的基础定出电除尘器的中心安装基准，并作为阴阳极系统的安装基准。检查基

29、础上平面的平面度、柱距及对角线误差检查外壳部件，对于运输变形进行矫正，从下至上逐层进行安装，如支座组底梁（检查合格后安装灰斗、电场内部走台）立柱及侧壁板顶梁进出风口（包括分布板和槽形板）阴阳极系统顶部盖板高压电源等设备。梯子、平台、栏杆可随安装顺序逐层安装，每层安装完毕都要按照静电除尘器安装说明书和设计图纸的要求进行检查和记录：如平面度、对角线、柱距、垂直度、极距等安装完毕，对设备进行气密性检查，对于漏焊部位进行补焊，检查，对于漏焊部位进行补焊。静电除尘器外购常用设备1.阳极板2.阴极线3.振打减速机4.阴阳极振打装置5.料位计7.仓壁振动器8.高压电源及控制系统9.低压控制系统粒子加速器工作

30、原理在20世纪早期，人们发现了原子的结构，之后人们了解到原子是由更小的亚原子粒子组成的特别是质子、中子和电子。但是，在20世纪后半期使用原子粉碎机或粒子加速器进行的实验发现原子的亚原子结构非常复杂。粒子加速器可以提取一个粒子，如电子，将粒子的运动速度加快到接近光速，然后使其与原子碰撞，从而能够发现其内部的组成部分。布鲁克海文国家实验室供图两束金原子在相对论重离子对撞机中碰撞后的端视图在本文中，我们将了解这些神奇的设备以及利用这些设备得到的结果是如何向我们揭示物质的基本结构、聚合力以及宇宙的起源的！ 在20世纪30年代，科学家对宇宙射线进行了研究。当这些高能量的粒子（质子）从外层空间撞

31、击铅原子（也就是原子核）时，会喷射出许多更小的粒子。这些粒子不是质子或中子，而是比它们更小。因此，科学家推断核子肯定是由更多、更小的基本粒子组成。此后人们便开始了对这些粒子的探索。布鲁克海文国家实验室供图两束金原子在相对论重离子对撞机中碰撞后的侧视图当时，要用高能量的粒子碰撞原子，只能到山顶上进行实验，因为只有在山顶上才容易找到宇宙射线。但是，物理学家很快设计出了称为“粒子加速器”或“原子粉碎机”的设备。在这些设备中加速粒子，当其达到非常高的速度（高动能），然后用它们撞击目标原子。之后对撞击产生的粒子以及放射物进行检测和分析，这样得到的信息就可以告诉我们有关构成原子的粒子以及原子聚合力的情况。

32、自从帝国大厦对电视的研究尘埃落定后，粒子加速器实验一直被描述为是通过观察粒子来确定电视的结构的。您是否知道其实在您的家里已经有了一种粒子加速器？事实上，您可能正在使用一种粒子加速器阅读文章！任一电视机或计算机显示器的阴极射线管（CRT）实际上就是一种粒子加速器。CRT从阴极提取粒子（电子），对它们进行加速并且用电磁体在真空中改变它们的方向，使它们撞击到屏幕上的荧光分子，这种碰撞会在电视机或计算机显示器上产生亮点或像素。 粒子加速器的原理是相同的，只不过它们更大，粒子运动更快（接近光速），碰撞会产生更多的亚原子粒子和各种核辐射。粒子会通过设备内部的电磁波加速，这与冲浪运动员借助波浪获得

33、推动力非常相象。粒子获得的能量越多，就越有利于我们看到物质的结构。这就像台球游戏中开球一样，当母球（赋能粒子）加速时，它会获得更多能量，因此能更好地击散球堆（释放出更多粒子）。 粒子加速器基本上有两种： 直线型料子沿长直轨道行进，撞击目标。 回旋型粒子一直作循环运动，直到撞击目标。 在直线加速器中，粒子会在真空的长铜管中行进。电子会依附着称为“速调管”的波发生器生成的波行进。电磁体会保持将粒子限制在一个窄束内。当粒子束在管道末撞击目标时，各种检测器会记录事件释放的亚原子粒子和辐射。这些加速器非常庞大，因此被掩埋在地下。例如，在加利福尼亚州的斯坦福直线加速

34、器实验室（SLAC）就有一个直线加速器，大约有3公里长。 SLAC供图SLAC直线加速器的俯视图：该直线加速器掩埋在地下，线路如图中白线所示。回旋加速器与直线性加速器的作用相同。但是，回旋加速器不采用线性长轨道，而是沿着环形轨道多次推进粒子。每次通过时，电磁场都会加强，使得粒子每通过一圈速度都会加快。当粒子达到最高速或获得期望的能量时，就会将目标放置在粒子束的行进路径上，周围或附近放置有检测器。回旋加速器是1929年发明的第一种加速器。事实上，第一个回旋加速器（如下所示）的直径只有10厘米。 劳伦斯伯克力国家实验室供图恩尼斯特·劳伦斯在1929年设计了第一个粒子加

35、速器（回旋加速器）劳伦斯的回旋加速器采用了两个D形磁体（称为Dee），磁体间隔有一个小缝隙。这两个磁体会产生一个环形磁场。振动电压在缝隙间形成一个电场，粒子（离子）每旋转一圈速度都会加快。随着粒子运动速度越来越快，圆形路径的半径越来越大，直到撞击最外面一圈上的目标。劳伦斯的回旋加速器有效，但是能够使粒子达到的能量不及现代回旋加速器。 SLAC供图回旋加速器的原理图现代回旋加速器在环形铜管周围放置速调管和电磁体来加速粒子。许多回旋加速器还有一个短的直线加速器，用来在粒子进入圆环之前对粒子进行初始加速。例如，在伊利诺斯州的费米国家加速器实验室就有一个现代回旋加速器，覆盖面积约25.6平方

36、公里。 费米国家加速器实验室供图费米国家加速器实验室的俯视图不管是直线加速器还是回旋加速器，它们都包括下列基本组成部分： 粒子来源提供要加速的粒子 铜管粒子束在此真空管内行进 速调管微波生成器，生成用来承载粒子的波 电磁体（传统、超导）保持粒子在真空中行进时限制为窄束，在必要时还可以控制粒子束的方向 目标与加速的粒子碰撞 检测器用来观测撞击所释放的粒子和辐射的设备 真空系统去除加速器管中的空气和灰尘 冷却系统去除磁体产生的热量 计算机/电子系统控制加速器的操作，分析实验数据 屏蔽设施保

37、护操作员、技术员和公众，防止他们受到实验所产生辐射的影响 监控系统 闭路电视和辐射检测器，帮助观察加速器内部发生的情况（这是出于安全的考虑） 电源系统为整个设备供电 储存环临时储存未使用的粒子束 接下来我们将详细介绍这些组成部分，重点介绍直线加速器（与SLAC的那个类似）。 SLAC供图粒子来源粒子来源提供要加速的粒子。粒子可以是电子、质子、正电子（第一个反物质粒子与电子相似，只是带正电）、离子和重原子（如金原子）的核子。在SLAC，电子枪使用激光将电子剥离半导体表面。之后，电子会进入直线加速器的加速器部分。 SLAC供图SLAC的直线加速器中

38、电子枪的原理图在SLAC，用电子束射击钨可以获得正电子。在碰撞中，会产生电子-正电子对。在加速器中颠倒电场和磁场的方向，可以加速正电子。 铜管粒子加速器的主要结构是铜管。铜管内部有强大真空，粒子通过该真空管道行进。管是由铜制成的，因为铜的导电和导磁性能非常好。在SLAC直线加速器中，铜管由8万多个铜柱体采用铜焊的方法焊接在一起制成，长度超过3.2公里！SLAC供图铜管柱体SLAC供图铜管中的超导腔铜管经过排列，形成一系列称为“超导腔”的单元，超导腔的间距与微波的波长相匹配。这一间距使得电场和磁场的场型每经过三个超导腔都会重复一次。粒子束中的电子或正电子捆成一束通过超导腔。控制每束粒子

39、的到达时间，以便粒子在通过超导腔时获得电场的推力。 SLAC供图铜管中的超导腔速调管速调管生成微波，与厨房微波炉非常相似，只不过速调管的微波能量要强1百万倍。速调管用电子枪的方法产生微波，电子通过超导腔中的速调管时，速度将得到调整。当电子在速调管中改变速度时，它们会以微波的形式释放出辐射。微波通过铜波导传导到加速器的铜管。波导能够有效承载波，且不会损失强度。速调管和波导保持高真空，使波易于流动。 SLAC供图直线加速器中速调管、波导和铜管的示意图SLAC供图速调管沿着加速器按一定的间隔排列。磁体不论是传统的电磁体还是超导磁体，它们都按一定间隔沿着加速器管放置。这些磁体帮助限

40、制和聚焦粒子束。 SLAC供图直线加速器磁体SLAC供图磁体用于限制粒子束。可以想象，粒子束就像从散弹猎枪弹壳中发射出的弹粒。通常，弹粒（电子）都会散开。如果弹粒散开，它们与目标的窄区域发生碰撞的机会就不多。但是，如果用外力（磁力）将弹粒限制到一个窄路径，就能够与窄的目标区域发生许多碰撞。碰撞次数越多，在一次实验中可以观察的事件就越多。 SLAC供图磁体在排列时须极性相对，以限制粒子束。磁体会在其核内产生一个场。在电子行进管道的中心没有磁力。如果电子偏离中心，它将会受到磁力的作用，将其推回中心。通过排列一系列磁极交替的磁体，可以保持根据管的长度对电子进行限制。 目

41、标不同的实验所用目标会有所不同。有些目标可能是金属薄片，在有些实验中，不同粒子（电子、正电子）的粒子束会在检测器内部互相碰撞。 检测器检测器是加速器中最重要的设备部件，它们用来观测碰撞后的粒子和辐射。检测器有许多类型从气泡室、云室到固态电子检测器。对撞机实验室可能在加速器的不同部分放置多种检测器。例如，气泡室包含像液态氢气这样的液态气。当碰撞释放出的粒子通过该气体室时，它们会蒸发某些液体，留下如下所示的气泡踪迹：劳伦斯伯克力国家实验室供图X0粒子通过气泡室云室检测器在室内装有饱和的水蒸气。当高能粒子通过水蒸气时，水蒸汽会离子化，形成一个踪迹，这与喷气式飞机穿过云层时留下的踪迹非常相像

42、（有关详细信息，请参见为什么在高空飞行的喷气式飞机后面会拖出一条长长的白云？）。 在SLAC还有一种检测器是SLAC大型检测器（SLD）。SLD是一种大型的桶形固态检测器，竖起来时比四层楼还高，重量超过4000吨！ SLAC供图SLD的侧视图SLAC供图SLD内部结构SLD是一种多层检测器。每层都能看到一个不同的事件： 顶点探测器检测粒子轨迹的位置 漂移室沿着带电粒子的运行轨迹在多个点检测其位置。曲线轨迹揭示了粒子的动量（与其质量和速度相关）。 契伦科夫检测器观测快速运动粒子放出的辐射，确定粒子的速度 液体氩热量计停止大多数粒子，测量

43、它们的能量 温烫热量计检测介子（一种亚原子粒子） 磁线圈分开两个热量计 有关每个部件工作方式的详细信息，请参见SLAC虚拟参观中心：检测器。 SLAC供图SLD事件的示意图：绿线和红线显示了粒子通过检测器的轨迹。真空系统在加速器中必须保持真空，有以下两个原因： 一是为了防止出现微波在空气中可能引起的火花，因为它会损坏波导和加速器结构。 二是为了防止损失能量，粒子束如果与空气中的分子发生碰撞会损失能量旋转式泵与冷捕集器结合使用，可以维持低真空（空气含量为大气的百万分之一）。旋转式泵像风扇一样把空气排除。冷捕集器使用液态气体（通常为氮）冷却捕集器表

44、面。管中的空气或灰尘分子将被吸附到冷捕集器表面上。冷捕集器必须保持低温，否则他们会释放出原来收集的灰尘和空气分子。 冷却系统电流经过加速器中的铜管时会产生大量的热量。这种热量必须排除，有以下两个原因： 一是为了防止铜管熔化因为熔化会损害结构。 二是为了防止铜管膨胀膨胀会破坏真空密封性。 SLAC供图直线加速器的铜结构上的冷却管SLAC供图磁体上的冷却管SLAC直线加速器用水管冷却加速器结构的铜管和磁体。冷却水会循环到地面上的冷却塔，将热量散出。所有超导磁体都可以用液态氮或液态氦冷却。直线加速器掩埋在地下，因此需要进行季节性加热和冷却的可能性较小。

45、0;在粒子加速器的工作中，计算机和电子系统执行以下几项任务： 控制加速粒子时使用的粒子来源、速调管和磁体 监视粒子束 收集和记录实验数据 分析数据 监视安全系统 在出现紧急情况时关闭系统 费米国家加速器实验室供图粒子加速器控制室的广角视图粒子加速器有许多用来控制系统的计算机。这些计算机通常配备有最高速度的微处理器，大量的计算机内存和数据存储空间，并且这些计算机通常已经联网。在有些情况下，可能必须在现场或其他场所的巨型计算机上执行数据分析。屏蔽设施由于经过加速的粒子被迫改变速度、方向或撞击目标，因此它们会失去能量。丢失的能量通

46、常表现为离子化的辐射，如x射线或伽玛射线。除了辐射之外，赋能离子本身也对人的健康有害。为了防止在加速器运转过程中泄露辐射，会将这些离子屏蔽起来。加速器结构通常位于地下的混凝土隧道中，混凝土和泥土能够为环境提供保护。当加速器运转时技术人员不在隧道中，控制室也会用混凝土保护起来。此外，工作人员还会戴上辐射检测标识，始终受到监控。美国的粒子加速器归核管理委员会管辖，由该委员会授权对粒子加速器的使用并且定期进行安全检查。如果加速器与某所大学有关，则该大学的辐射安全办公室也会参与上述工作。费米国家加速器实验室供图主环位于地下的混凝土隧道内部监视器隧道通常配备有闭路电视，帮助监视设备以及加速器内的量表。在

47、加速器结构中到处都放置有辐射检测器，用来监测屏蔽设施中的泄露，以保护工作人员。 电源系统通过我们对设备的描述，您应该可以猜到，粒子加速器需要使用大量电能。在有些地方会通过当地的电力公司来提供，有些加速器则在现场配备有发电机。储存环由于为一个实验加速粒子需要做许多工作，因此许多加速器都配备有储存环来储存加速的粒子。储存环用来维护一个已经加速的粒子束。例如，如果将正电子束与其它电子束相撞，您可能需要储存一个已加速的粒子束，同时再加速另一个粒子束。储存环包含的组件与主加速器相同，只是速调管少一些。粒子会按加速后的速度在环内运动，只需要一到两个速调管在粒子束改变方向时补充损失的能量。现在，我

48、们已经知道了加速器的内部结构，下面让我们来了解可以利用这些设施知道什么。利用这些技术，使我们对物质结构又有了哪些新的了解？当物理学家在20世纪50、60年代首次开始使用加速器时，他们发现了数百个比三个已知亚原子粒子（质子、中子和电子）更小的粒子。在构建了更大的加速器后，这些加速器能够提供有更高能量的粒子束，因而发现了更多粒子。这些粒子中的大多数存在时间不到一秒的十亿分之一，有些粒子会合并形成更稳定的复合粒子，有些粒子与原子的核子聚合力有关，有些与核子聚合力无关。在对此复杂情况进行了研究之后，科学家们提出了一种标准原子模型。 费米国家加速器实验室供图标准原子模型力有四种基本力或交互作用： 强将原子的核子聚集在一起 弱与放射性衰变有关 电磁带电粒子之间的交互（电和磁） 重力基于质量和距离的吸引力 根据此模型，可以将物质分成以下基元： 费密子构成已知物质和反物质的亚原子粒子 物质 轻子不参与聚合核子的基本粒子（例如，电子、微中子） 夸克不参与聚合核子的基本粒子 反物质与夸克和轻子相对的粒子（反夸克和反轻子） 强子复合粒子（例如，质子、中子） 玻色子携力的粒子（已知有四种） 在下一部分，我们将深入探讨