粒子加速器的发展史与应用

1、粒子加速器的发展史与应用 粒子加速器的发展史与应用组员：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 粒子加速器的发展史与应用1、介绍粒子加速器粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置。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。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。粒子加速器的结构一般包括 3 个主要部分 ：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。真空加速系统，其

2、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。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 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种实际应用。2、世界加速器前期发展回望1919 年，英国科学技术卢瑟福用天然放射

3、源中能量为几百万电子伏特、速度为2109 cm /s的高速粒子束即氦核作为炮弹，轰击厚度仅为0.0004cm的金属箔的“靶”，实现了历史上第一个人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们追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。1928 年，伽莫夫关于量子隧道效应的计算表明，能量远低于天然射线的粒子也有可能透入原子核内。该研究结果进一步增强了人们研制人造快速粒子源的兴趣和决心。1930 年美国实验物理学家劳伦斯提出了回旋加速器的工作原

4、理，劳伦斯于 1932 年建成了第 一台直径为 27 厘米的回旋加速器，它能将质子加速到 100 万电子伏，并用它生产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。1932 年美国科学家科克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造了世界上第一台直流加速器科克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为 40 万电子伏的质子束轰击锂靶，得到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，二人因此获得 1951 年的诺贝尔物理奖。1933 年美国科学家凡德格拉芙发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器凡德格拉芙静电加速器。以上两种粒子加速器均属于

5、直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿有限，大约为 1000 万电子伏。由于被加速粒子能量、质量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到 2500 万电子伏左右，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亿电子伏，成为等时性回旋加速器。带电粒子加速器自 30 年代问世以来，主要是朝更高能量的方向发展。在这个过程中，任何一种加速器都经过了发生、发展和加速能力或经济效应收到限制的三个阶段。自回旋加速器后，又相继出现了同步回旋加速器、电子同步加速器、直线加速器等。1940 年美国科学家科斯特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

6、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限制，极限约为1 亿电子伏。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 100亿电子伏。电子只有作为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 500 亿电子伏，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。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和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特也曾建议建造基于此原理的加速器稳相加速器。自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，

7、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。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 10 亿电子伏以下。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 100 亿电子伏以上仍然不现实。1952 年美国科学家柯隆、李湍斯顿和史耐德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

8、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 年建成一台 62 亿电子伏能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为 l 万吨：而布鲁克海文国家实验室 330 亿电子伏能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有 4000 吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。1959 年，欧洲核子研究中心在日内瓦建成一台 240 亿电子伏的强聚焦同步加速器，它每 3 秒钟产生一个巨大的粒子脉冲，该加速器的直径占二条街，绕行一圈是 640 米。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

9、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允分地用于高能反应或新粒子的产生。1960 年意大利科学家陶歇克首次提出了对撞机的原理，并在意大利的 Frascali 国家实验室建成了直径约 1 米的 AdA 划撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。自世界上建造第一台加速器以来，70 多年中加速器的能量大致提高了 9 个数量级，同时每单位能量的 造价降低了 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，随着加速器的不断提高，人类对微观物质世界的认识逐步深入，粒

10、子物理取得巨大成就。3、我国粒子加速器的发展状况我国粒子加速器四十年的发展大致可以分为三个阶段50 年代到 60 年代中期为开创阶段，从无到有建造了电子静电加速器、质子静电加速器、回旋加速器和电子感应加速器，还生产了一批电子静电加速器，满足了核物理研究和许多学科应用研究的需要，为我国核物理研究、国防科研和应用作出了贡献。这批加速器的大多数仍然在工作。60 年代中到 70 年代末，粒子加速器虽然发展缓慢，但在完成研制工业用、医疗用和军事科研用加速器的任务中，保持了技术队伍的稳定和技术的发展，为 80 年代的大工程建设储备了力量，准备了条件。80 年代改革开放的政策带来了我国科研事业和国民经济的大

11、发展，粒子加速器事业也得到了发展，中国粒子加速器学会1990 年的统计数字表明，我国现有各类粒子加速器约有 450 多台，其中进口加速器占总数的三分之一，大部分是医疗用和工业用小型加速器（如表一）。北京正负电子对撞机(BEPC)的任务之一是在粲物理和t轻子物理的领域里开展研究工作，1989 年初投入运行它是目前国际上在该研究领域内唯一的性能最好的装置。中美双方已达成合作进行研究的办议，说明 BEPC 以优异的性能得到了国际上的承认它的另一个任务是用作同步辐射光源，提供从紫外光到 X 射线和硬 X 射线，为众多学科的研究和应用服务。BEPC 用于高能物理实验的寿命大约是十年，在此期间。BEPC

12、可在兼用和专用两种模式下工作，前者是指机器运行时的参数按对撞的要求来确定，后者则专门根据对同步辐射光的要求来确定，要求同步辐射有更高的亮度和更好的性能。在该领域中的高能物理实验研究工作进行到一定阶段以后，BEPC将全部转向纯同步辐射应用。合肥同步辐射装置(HESYRL)是专用光源，电子束流能量为 800MeV，可提供的同步光为紫外线到软 X 射线，该装置也已基本建成。兰州重离子加速器(HIRFL)是为在中能范围进行重离子物理研究的大型装置，经过十年的努力，已经建成并投入使用。这三台大型加速器的完成，大大提高了我国进行许多学科方面的科研能力，它们的作用在今后科研工作中将能得到充分的反映加速器技术

13、在一些方面的提高，也将对相关工业的发展带来好处，如大部件精细加工技术、高精度大型磁铁加工技术、高功率稳流电源、大功率微波技术、高频技术、大容积超高真空技术、束流测量技术和自动控制技术等，在国民经济的许多领域都有用处加速器制造技术的提高，也将对低能加速器的发展有所促进中国科学院高能物理研究所已向国外提供成套微波元件和加速管，承担国外的合作项目。在过去的十年里，我国还建成了一批低能加速器（见表二），有 35MeV 质子直线加速器4.5MeV 离子静电加速器和串列加速器、电子直线加速器、高频高压型加速器、高功率束加速器及电子帘加速器等，其关键部件和技术接近或基本上达到国际水平，同时，也从国外引进了一

14、批小型加速器，主要是医疗用电子直线加速器、工业探伤用电子直线加速器、工业辐照用大功率电子加速器和小型串列加速器。中国原子能科学研究院引进美国的 2×13MV 串列加速器于 1989 年开始运行，在低能核物理研究方面已经取得了一些成果，复旦大学和清华大学等利用引进 2×2MV串列加速器在分子物理及原子物理方面开展研究，北京大学、复旦大学和中国科学院上海冶金研究所等在离子注人和离子束元素分析方面开展了研究工作。近年来，国际上发展了一种新技术，使加速器与质谱仪结合起来，成为高灵敏度的“加速器超灵敏质谱计”，可在地质学、海洋学、考古学、生物医学及材料科学等方面进行分析工作北京大学、

15、中国原子能科学研究院、中国科学院上海原子核研究所和中国科学院近代物理研究所（兰州）在这方面开展了工作。研究高功率电子束加速器在我国开始于 60 年代末，为了适应军事工业的需要，由中国科学院高能物理研究所与中国工程物理研究院共同研制了一台能量为 500keV 的脉冲 X 射线机，作为原理实验装置，之后又研制成功了强流脉冲电子束加速器(IMV，20kA)在 80 年代的十年内，又建成了“闪光一 I”，和“闪光一 JJ”强流脉冲电子束加速器，输出电压和脉冲电流分别为 8MV，l00kA和 0.9MV，0.9MA。中国原子能科学研究院、国防科学技术大学、中国科学院电工研究所和中国科学院电子学研究所也建

16、成了类似的装置，中国工程物理研究院又研制成功感应直线加速器，能量和流强分别为 1.5MeV，3kA。我国从 70 年代开始研制生产医用电子直线加速器，到现在共有产品二十几台，从数量和质量方面都不能满足需要，进入 80 年代后，从国外买进了大量的医用电子直线加速器，目前临床应用的电子直线加速器有近百台。4、20 世纪末世界已有和在建加速器情况90 年代是我国粒子加速器“巩固提高、稳步发展”的阶段，这里，我们仅从我国投资大，技术上更具有代表性的几台较大型装置的应用方向结合国际形势来进行分析，展望我们 90 年代的任务。60 年代初，对撞机的出现开辟了高能加速器发展的新纪元，70 年代出现了许多能量

17、较低的正负电子对撞机，并在美国 SPEAR 机器上发现了 J/粒子70 年代末，“冷却技术的成功促使新的质子一反质子对撞机出现，导致了 1982 年 CERN 的 SPS 机器上 Z和W粒子的发现最近二十年里，所提出的加速器的方案均为对撞机型。表三列出了已有的和正在建造的对撞机。从加速器发展来看，对撞机的能量差不多每六年增长十倍。而它的规模越来越大，如果按目前发展的速度推算，那么到了下一个世纪的中叶，加速器的大小将超过地球的尺度无怪乎有人说，利用激光等离子体原理，可以在地球的游离层中建造一台能量为 100 TeV+100TeV 的机器。这也许是笑话，但人类的智慧是无穷的，新的加速器原理终将被找

18、到，加速器的能量总会在不是大得可怕的规模上提高到更高。这需要新一代的科学家们探索，他们要有为科学献身的精神。5、粒子加速器在各个方面的应用粒子加速器和探测器中采用了最先进的科学技术，它们不仅用来研究纯粹粒子物理学，还广泛应用于其它领域，带来的成果已经融入人们的生活之中。5.1.在原子核物理领域，常要求从加速器中得到高能粒子作为核弹去轰击各种原子城。主要进行的工作有以下三方面:(1)核反应工作，(2)核结构问题的研究，(3)核力问题的研究。通常作为核弹的粒子有五种:(氦核 2 He4 ), D(重氢核: 1 H 2 )、P(氢核1 H 1 )、中子( 0 n1 )和光子()。后两种种核弹不带电，

19、虽不能直接由加速器获得，但可以通过带电粒子的核反应间接地得到。例如氘核与氘核作用放出中子，电子射线遇到其他物质则放出射线等等。人工加速获得的粒子流强度之大也远非天然放射钱所能比拟。而由一般回旋加速器就已耙可以获得几百微安数量极的粒子流，相当于几十万克镭在各个方向放射性强度的总和。自然，用加速器射出的粒子流来作为核弹，定将显示无比强大的威力。因此加速器被誉为“向原子核进军中的必不可少的重要武器”。5.2.在机械工业领域可以用加速器中得到的 y 射线进行探伤。加速器用于工业生产，以低能加速器和离子源为主，包括辐射加工、无损探伤、离子掺杂等方面。辐射加工是通过加速器产生的电子束对高分子材料照射导致聚

20、合物交联，从而改善性能。电缆经过辐照，可以大大提高耐温，辐照后的热缩薄膜或管材，有加热后恢复原形的“记忆”，都有十分广泛的应用。辐射还可缩短喷漆、彩印的固化时间，减少了贮存待干的厂房面积。药品、手术器械和食品的消毒、灭菌、保鲜是辐照应用的另一些方面。使用电子加速器产生射线，用于大型机械锻、铸件中的无损探伤，已有几十年的历史。近年一个有意义的发展是将加速器与核物理探测技术相结合，对集装箱进行不必开箱的透视检查。使用离子源产生的不同能量和脉宽的各种离子束注入到基金属中渗杂、改性或者制造新材料，已经得到了应用。使用回旋加速器将金属或陶瓷等机械零件的表面薄层活化，再根据放射性产生的射线，测量其磨损情况，这是检验各种耐磨措施（如用离子注入提高硬度）的有效方法。5.3.冶金、塑料及其他领域也可以用下射钱来照射，以求改良材料的机械、耐温或绝缘等各方面的性能。如钢材受照射后可以提高机械强度，热塑高分子化合物聚乙烯受辐射后，耐热性可由 7