粒子加速器课件

第一章绪论第二章回旋加速器第三章同步加速器第四章射频直线加速器第五章高压型加速器第六章其它类型的加速器需具备的基础知识：数学分析、线性代数、常微分方程、贝瑟函数、普通物理、相对论力学、电动力学、传输线理论

第一章绪论1第一章绪论第一章绪论2一、什么是粒子加速器粒子加速器是利用电场加速带电粒子的装置 F=qE=ma阴极射线管（显像管）是加速器的雏形粒子速度不能超过光速，但能量增加不受限制，故加速器实际上是增能器。

W=qe

Es

ds粒子能量的单位：电子伏（eV）

1eV=1.6021019J对e,1.1MeV时=0.95,11MeV时=0.999一、什么是粒子加速器粒子加速器是利用电场加速带电粒子的装置 3二、加速器的产生与发展1919年卢瑟福用天然源首次实现人工核反应科学家需要可控的人工射线！20年代末－30年代VandeGraaffHerbCockcroft&WaltonWideröeLawrence思想活跃、发展迅速，静电与回旋为主流二、加速器的产生与发展1919年卢瑟福用天然源首次实现人工4二战后－50年代雷达微波功率源射频直线加速器

SLAC：e900MeV自动稳相原理(1945)突破回旋能量限制 稳相加速器：p700MeV

同步加速器：e1GeV p10GeV二战后－50年代560－70年代等时性回旋加速器交变梯度强聚焦原理 同步：e12GeV,p500GeV

直线：e20GeV,p800MeV对撞机原理

DESY－Doris5.3GeVe+e+超导加速技术60－70年代680－90年代对撞机飞速发展同步辐射装置广为建造工业与医学应用得到普及本世纪大型强子对撞机LHC/国际直线对撞机ILC散裂中子源SNS/放射性核束加速装置RIA三代光源/能量回收直线加速器ERL/X波段自由电子激光X-FEL激光等离子体加速牵引力与驱动力80－90年代7三、加速器的构成与

主要性能指标1.基本物理问题1）提高能量：加速2）形成轨道：约束3）保持流强：聚焦4）维持寿命：稳定性5）提高亮度：冷却、阻尼粒子/束流动力学三、加速器的构成与

主要性能指标1.基本物理问题82.加速器的构成约束磁铁电磁聚焦粒子源LEBT主加速器HEBT靶/探测器机械真空电源束测控制微波超导低温激光数据获取/成像辐射防护2.加速器的构成约束磁铁电磁聚焦粒子源LEBT主加速器HE93.主要性能指标1）能量100keV－100MeV 低能100MeV－1GeV 中能1GeV－100GeV 高能>100GeV 超高能2）加速场强单位长度增能 MV/m3）流强pA－nA－A－mA－A－kA－MA4）亮度（对撞机、微束） 单位面积流强 nA/cm2

或n/s/cm25）束流品质发射度（x,x’6维相空间）能散度（W/W）3.主要性能指标106）束流的时间结构7）经济性指标造价运行费用（能耗）6）束流的时间结构11四、加速器的分类1.按粒子种类分电子、质子、重离子（~W关系不同）次级粒子：正电子、反质子、放射性核束四、加速器的分类1.按粒子种类分122.按轨道形状分直线型回旋型环型3.按加速电场分静电场感应电场射频电磁场2.按轨道形状分134.按加速机制分非谐振(准)谐振－有自动稳相机制静电场感应电场射频电磁场非谐振(准)谐振直线型高压型感应直线射频直线回旋型回旋稳相电子回旋环型电子感应同步4.按加速机制分静电场感应电场射频电磁场非谐振(准)谐振直14五、加速器的应用1.基础研究（大科学工程）1）核物理核反应、核结构放射性核束物理2）高能物理基本粒子、夸克、胶子…（对撞机）3）其它学科凝聚态物理、生命科学（同步辐射、散裂中子源）原子分子物理、化学地学、考古夏商周断代工程五、加速器的应用1.基础研究（大科学工程）152.国计民生1）农业：辐射育种、保鲜、昆虫不育2）医学：放疗、同位素生产、消毒3）能源：反应堆材料、核废料处理、加速器驱动洁净核能系统（ADS）、惯性约束聚变4）环境：环境示踪与分析、三废处理5）信息：半导体与集成光学器件生产、单粒子效应与抗辐射加固6）材料：辐照加工（电线电缆、热缩材料、涂层固化、建材、磁带）、材料改性与精密加工、无损检测2.国计民生163.国防与安全1）安全检查：集装箱、爆炸物、违禁品2）核武器：核爆模拟、闪光照相、核数据3）离子束与激光武器：RFQ、FEL加速器的应用实际上是荷能粒子束及其次级射线的应用应用的基础：粒子束/射线与物质相互作用本质上主要是两类应用：利用能量效应（辐照、放疗…）提取信息（核分析技术、成像技术…）3.国防与安全17六、我国加速器的发展50－60年代赵忠尧：质子静电加速器杨澄中：倍压加速器谢家麟：电子直线加速器从前苏联引进：电子感应、回旋等70年代离子注入机医用电子直线加速器此后众多小型加速器得到快速发展六、我国加速器的发展50－60年代1880－90年代：三大工程正负电子对撞机BEPC 北京同步辐射装置 合肥重离子回旋加速器 兰州90年代－本世纪初同步辐射装置二期 合肥重离子冷却环 兰州神龙一号感应直线 九院十一五BEPC－II 北京三代同步辐射光源 上海中国散裂中子源 东莞80－90年代：三大工程19第一章绪论第二章回旋加速器第三章同步加速器第四章射频直线加速器第五章高压型加速器第六章其它类型的加速器需具备的基础知识：数学分析、线性代数、常微分方程、贝瑟函数、普通物理、相对论力学、电动力学、传输线理论

第一章绪论20第一章绪论第一章绪论21一、什么是粒子加速器粒子加速器是利用电场加速带电粒子的装置 F=qE=ma阴极射线管（显像管）是加速器的雏形粒子速度不能超过光速，但能量增加不受限制，故加速器实际上是增能器。

W=qe

Es

ds粒子能量的单位：电子伏（eV）

1eV=1.6021019J对e,1.1MeV时=0.95,11MeV时=0.999一、什么是粒子加速器粒子加速器是利用电场加速带电粒子的装置 22二、加速器的产生与发展1919年卢瑟福用天然源首次实现人工核反应科学家需要可控的人工射线！20年代末－30年代VandeGraaffHerbCockcroft&WaltonWideröeLawrence思想活跃、发展迅速，静电与回旋为主流二、加速器的产生与发展1919年卢瑟福用天然源首次实现人工23二战后－50年代雷达微波功率源射频直线加速器

SLAC：e900MeV自动稳相原理(1945)突破回旋能量限制 稳相加速器：p700MeV

同步加速器：e1GeV p10GeV二战后－50年代2460－70年代等时性回旋加速器交变梯度强聚焦原理 同步：e12GeV,p500GeV

直线：e20GeV,p800MeV对撞机原理

DESY－Doris5.3GeVe+e+超导加速技术60－70年代2580－90年代对撞机飞速发展同步辐射装置广为建造工业与医学应用得到普及本世纪大型强子对撞机LHC/国际直线对撞机ILC散裂中子源SNS/放射性核束加速装置RIA三代光源/能量回收直线加速器ERL/X波段自由电子激光X-FEL激光等离子体加速牵引力与驱动力80－90年代26三、加速器的构成与

主要性能指标1.基本物理问题1）提高能量：加速2）形成轨道：约束3）保持流强：聚焦4）维持寿命：稳定性5）提高亮度：冷却、阻尼粒子/束流动力学三、加速器的构成与

主要性能指标1.基本物理问题272.加速器的构成约束磁铁电磁聚焦粒子源LEBT主加速器HEBT靶/探测器机械真空电源束测控制微波超导低温激光数据获取/成像辐射防护2.加速器的构成约束磁铁电磁聚焦粒子源LEBT主加速器HE283.主要性能指标1）能量100keV－100MeV 低能100MeV－1GeV 中能1GeV－100GeV 高能>100GeV 超高能2）加速场强单位长度增能 MV/m3）流强pA－nA－A－mA－A－kA－MA4）亮度（对撞机、微束） 单位面积流强 nA/cm2

或n/s/cm25）束流品质发射度（x,x’6维相空间）能散度（W/W）3.主要性能指标296）束流的时间结构7）经济性指标造价运行费用（能耗）6）束流的时间结构30四、加速器的分类1.按粒子种类分电子、质子、重离子（~W关系不同）次级粒子：正电子、反质子、放射性核束四、加速器的分类1.按粒子种类分312.按轨道形状分直线型回旋型环型3.按加速电场分静电场感应电场射频电磁场2.按轨道形状分324.按加速机制分非谐振(准)谐振－有自动稳相机制静电场感应电场射频电磁场非谐振(准)谐振直线型高压型感应直线射频直线回旋型回旋稳相电子回旋环型电子感应同步4.按加速机制分静电场感应电场射频电磁场非谐振(准)谐振直33五、加速器的应用1.基础研究（大科学工程）1）核物理核反应、核结构放射性核束物理2）高能物理基本粒子、夸克、胶子…（对撞机）3）其它学科凝聚态物理、生命科学（同步辐射、散裂中子源）原子分子物理、化学地学、考古夏商周断代工程五、加速器的应用1.基础研究（大科学工程）342.国计民生1）农业：辐射育种、保鲜、昆虫不育2）医学：放疗、同位素生产、消毒3）能源：反应堆材料、核废料处理、加速器驱动洁净核能系统（ADS）、惯性约束聚变4）环境：环境示踪与分析、三废处理5）信息：半导体与集成光学器件生产、单粒子效应与抗辐射加固6）材料：辐照加工（电线电缆、热缩材料、涂层固化、建材、磁带）、材料改性与精密加工、无损检测2.国计民生353.国防与安全1）安全检查：集装箱、爆炸物、违禁品2）核武器：核爆模拟、闪光照相、核数据3）离子束与激光武器：RFQ、FEL加速器的应用实际上是荷能粒子束及其次级射线的应用应用的基础：粒子束/射线与物质相互作用本质上主要是两类应用：利用能量效应（辐照、放疗…）提取信息（核分析技术、成像技术…）3.国防与安全36六、我国加速器的发展50－6