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1、一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速,能提供速度高达几千、几万乃至接近三十万千米每秒(真空中的光速)的各种高能量的带电粒子束,是人们变革原子核和“基本”粒子、认识物质深层结构的重要工具;在工农业生产、医疗卫生、科学技术、国防建设等各个方面也都有重要而广泛的应用。 历史1919年,E.卢瑟福用天然放射源实现了第一个原子核反应,不久,人们就提出了用人造快速粒子源来变革原子核的设想。1928年G.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,也可透入核内,这就进一步激发了人们研制人造快速粒

2、子源的热情。20年代中,探讨过许多加速带电粒子的方案,进行过许多试验。30年代初,高压倍加器、回旋加速器、静电加速器相继问世。1932年J.D.考克饶夫和E.T.S.瓦耳顿用他们建造的700kV高压倍加器加速质子,实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反应,Li(p,)He。同年E.O.劳伦斯等发明的回旋加速器(见彩图1930年E.O.劳伦斯(19011958)制成的世界上第一台回旋加速器)开始运行。几年之后他们通过人工加速的p、d和等粒子轰击靶核得到高强度的中子束,还首次制成了24Na、32P、131I等医用同位素。这几位研制加速器的先驱者后来分别获得了诺贝尔物理学奖。同一期间R.J.范德格

3、夫创建了静电加速器,它的能量均匀度高,被誉为核结构研究的精密工具。第一批粒子加速器的运行显示了人工方法产生快速粒子束的巨大优越性:不仅其强度远高于放射性元素、宇宙线等天然快速粒子源,而且粒子的品种、能量以及粒子束的方向等都可任意选择、精确调节。以后的几十年间,随着人们对微观物质世界深层结构研究的不断深入,各个科学技术领域对各种快速粒子束的需要不断增长,提出了多种新的加速原理和方法,发展了具有各种特色的加速器。1940年D.W.克斯特制成了利用电磁感应产生的涡旋电场加速电子到高能量的电子感应加速器;1945年.韦克斯勒和E.M.麦克米伦各自独立提出了谐振加速的自动稳相原理,为高能加速器的发展开辟

4、了道路;40年代中期在第二次世界大战期间发展起来的高频、微波技术基础上,L.W.阿耳瓦雷茨和W.W.汉森分别制成了第一台质子驻波直线加速器和电子行波直线加速器,为直线加速器的发展奠定了基础;50年代初M.S.利文斯顿、E.D.库朗等提出了强聚焦加速器原理,大大缩减了加速器的尺寸,在此基础上诞生了强聚焦的高能加速器以及扇形聚焦回旋加速器;1956年克斯特提出了通过高能粒子束间的对撞来提高有效作用能的概念,导致了高能对撞机的发展。现在,对撞机已成为获得粒子之间最高有效作用能的主要手段。由于这一系列的发展和成就,半个世纪以来粒子加速器的能量增长率约为每十年一个数量级以上,而单位能量的造价则大致以十年

5、一个数量级的速率下降。60年代后期以来,在寻求超重核,发展重离子核物理的推动下,发展了加速重离子的技术和能力,并形成了自成一族的重离子加速器,使加速粒子的品种自初期的少数轻离子发展到元素周期表上全部天然元素的离子。 几十年来,人们应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素,并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律,促使原子核物理学迅速地发展成熟起来;高能加速器的发展又使人们得以发现上百种“基本”粒子包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子,并建立起粒子物理学这样一门新学科。近20多年来,加速器的应用已经远远超出了原子核科学和粒子物理的领域,在诸如材料科学、表面物理

6、学、分子生物学、光化学等其他科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速器广泛地用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注 入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速器,其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究,它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展;其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”加速器。它们之中有相当一部分已由实验室研制转为工业批量生产。 中国粒子加速器的发展始于50年代末期,已先后研制和生产了高压倍加器、静电加速器、电子感应加速器、电子和质子直线加速器、回旋加速器等加速

7、器,并从事高能加速器、重离子加速器和同步辐射加速器的研制。(见彩图中国科学院高能物理研究所90MeV加速器全貌、中国第一台回旋加速器、中国科学院高能物理研究所10MeV质子直线加速器主体、中国第一台电子辐射加速器、中国科学院高能物理研究所35MeV质子直线加速器的加速腔、中国科学院高能物理研究所750keV预注入器、兰州重离子加速器工程图左为初步安装就位的扇形磁铁) 结构粒子加速器有三个基本组成部分(见图:粒子加速器的基本组成部分框图) 粒子源,如电子枪、离子源、极化粒子源等,用以提供所需加速的各种粒子; 真空加速系统,一个装有加速结构的真空室,如加速管、加速腔等,用以向粒子施加一定形态的加速

8、电场,并使粒子在不受空气分子散射的条件下加速; 导引、聚焦系统,包括电磁透镜、主导磁场等,应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加速。 多数加速器还设有由若干弯转磁铁和电磁四极透镜等组成的束流输运系统,用以在源和加速器之间、加速器和靶之间,或当多个加速器串接工作时,在加速器之间输运所需的粒子束。此外,为了保证加速器的稳定运行,通常还设有电磁场的稳定控制设备,束流诊断和监测设备以及各种供电和操作设备。 粒子加速器的效能通常以粒子所达到的能量来表征。粒子能量在100 MeV以下的称为低能加速器,能量在0.11GeV间的称中能加速器,能量高于1 GeV的称高能加速器。

9、按照被加速粒子的品种,加速器可分为电子加速器、质子加速器和重离子加速器等。电子的质量很小,在较低的能量(约2 MeV)就接近光速,而质子和重离子则要在很高能量(每核子2 GeV以上)其速度才能接近光速。因此,加速不同粒子品种的加速器,往往在结构上有相当大的差异。由加速器直接加速出来的快速粒子同物质相互作用还可产生光子、中子或介子等有用的次级粒子束。因而有些加速器就以其产生的高强度次级粒子命名,如“光子工厂”、“强中子发生器”、“介子工厂”等。 粒子加速器,按照加速电场和粒子轨道的形态,大体上可分为四大类:直流高压式加速器、电磁感应式加速器、直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。它们各自都有适于工

10、作的粒子品种、能量范围以及性能特色。几十年来,它们各自在同其他类型的竞争中不断地发展、完善、更新。在应用中有时它们互相补充。近年来,大中型的粒子加速器(如重离子加速器和高能加速器等)往往采用多种加速器的串接组合:例如由直流高压型加速器作预加速器,注入直线谐振式加速器加速至中间能量,再注入回旋谐振式加速器加速至终能量。这样的系统有利于发挥每一类加速器的效率和特色。 直流高压式加速器这类加速器将直流高电压加在一对或一系列串接的加速电极上,带电粒子通过电极间的间隙时,受到高压电场的加速,得到同该电压相当的能量。按直流高压电源的不同形式,这种加速器又可分为倍压电路加速器和 静电加速器两类。 倍压电路加

11、速器有高压倍加器(亦称串激倍压整流器,或考克饶夫瓦耳顿发生器),“地那米”加速器(又称并激高频高压发生器)、马克思脉冲倍压发生器、绝缘芯变压器等。这些装置适宜于产生几十千伏至几兆伏的高电压,并可提供较高的束流功率。大多数高压倍加器的电压在100600kV之间,主要用作产生(d,d)或(d, t)反应的中子发生器和研制半导体器件的离子注入机;电压在14MV 的“地那米”和绝缘芯变压器主要用来加速大功率的电子束(数十毫安)供辐照加工之用。马克思脉冲倍压发生器用来产生强度达数十千安的脉冲电子束。 静电加速器又称范德格夫加速器,它通过输电带或输电链向空心金属电极不断输送电荷,使之充电至高电压用以加速粒

12、子。整个加速器装在密闭的高气压容器之中,典型的工作电压为210 MV,加速的粒子流可达数十至数百微安。多数离子静电加速器用于中子反应截面测量、离子束微量分析以及原子和分子物理方面的研究,电子静电加速器则用于辐照加工、消毒等方面。为了进一步提高粒子的能量,1953年发明了一种使粒子得到二次加速的串列静电加速器,它先将带负电的离子由地电势向正高压电极加速,接着在电极内通过电子剥离器将负离子转变成正离子,再由同一高电压对离子进行第二次加速。用这样的方法可使质子的能量提高一倍。如把高压极性相反的两个串列式加速器串联在一起,能量还可更高。巨型的串列式加速器,如美国橡树岭国家实验室的25 URC和英国达尔

13、士布莱的NSF加速器,其加速电压在25 MV以上,主要用于核物理基础研究。近年来,生产了一批电压12 MV的小型串列式加速器,它们在元素痕量分析等方面有着广泛的用途。 直流高压型加速器的共同特点是可加速任意一种带电粒子,且能量可以平滑调节。但是这类加速器的能量直流受材料击穿电压的限制,不能太高。为了加速粒子至更高能量,发展了电磁感应式和谐振式的加速器。 电磁感应式加速器利用交变磁场所感生的涡旋电场加速带电粒子的加速,包括常见的电子感应加速器和研制中的离子直线感应加速器。前者利用具有特殊分布的轴对称交变磁场导引电子沿着恒定半径的圆形轨道旋转。同时由该磁场感生的涡旋电场则使电子加速至高能量。典型的

14、电子感应加速器能量在25 MeV左右。加速过程中,电子要旋转一百万圈以上。电子感应加速器的流强较低,通常不超过0.5A。由此产生的轫致辐射,离靶1m处约10-21Gy/min。它主要用于金属构件的无损探伤、肿瘤的辐照治疗等。美国伊利诺伊大学曾建成能量达300 MeV 的电子感应加速器。由于圆形轨道的感应加速器不适宜于加速离子,近年来提出了直线式的感应加速器,计划用以加速10 kA的重离子流,目前尚处于研制阶段。直线谐振式加速器粒子在高频电场作用下沿直线形轨道加速的加速器。为了使粒子在不太长的距离内加速到终能量,高频电场的振幅通常为110MV/m。为此需要使用功率水平很高的高频、微波电源来激励加

15、速腔。这样的功率源物往往只能在脉冲状态下工作。 电子直线加速器多数是行波直线加速器,它利用传播速度与电子运动同步的行波电场加速电子。考虑到加速过程中电子速度很快趋近于光速,常用中心带孔的盘形金属障板系统(盘荷波导结构)来慢化柱形波导中的电磁波,使其相速适合于加速电子的要求。低能电子直线加速器的束流功率较高,在医疗和工业辐照方面用途极为广泛,这些加速器的能量一般在430 MeV间,平均流强数百微安,微波电源的工作频率约为3 000MHz。中能的电子直线加速器多数用作电子同步加速器的注入器。高能的电子直线加速器在粒子物理研究中占有重要地位。 加速离子的直线加速器与电子的很不相同,因为离子的速度小得

16、多,如仍使用盘荷波导,腔的高频损耗太大。大多数质子直线加速器采用带漂移管的驻波腔加速。在这种腔里,电场处于加速方向时,质子穿越漂移管间的加速电间隙,获得能量;电场反向时,质子处于漂移管中,不受减速电场作用。随着粒子能量增高漂移管的长度按比例增长以保证每次质子到达加速电间隙时,电场总处在加速的相位。漂移管内一般装有磁四极透镜用以保证粒子束的聚焦。多数质子直线加速器用作高能加速器的注入器,能量在50200 MeV间,脉冲流强数百毫安。 重离子同样可在带漂移管的驻波腔中加速,但工作频率一般在70MHz以下。重离子先由几百千伏的高压加速器注入到驻波腔,加速至每核子1MeV左右,再进行电子剥离,使电荷态

17、增高24倍,然后把重离子加速至终能量。 直线加速器的主要优点是加速粒子的束流强度高,且其能量可以逐节增加,不受限制。缺点是高频运行的功率消耗大,设备投资高。近年来发展了多种低温超导直线加速结构。超导的直线加速器(见超导加速器)可使运行费用降低35倍,原则上可以连续提供粒子束团。 回旋谐振式加速器应用高频电场加速粒子的一种圆弧轨道加速器。这类加速器中的粒子在导引磁场控制下回旋运动,反复通过加速电场区,得到多次加速,直至达到额定能量。回旋谐振式加速器可分二类。第一类中磁场不随时间而变,加速粒子的曲率半径随能量的增加而不断增加。经典回旋加速器、扇形聚焦回旋加速器、同步回旋加速器和电子回旋加速器都属此

18、类。另一类中,导引磁场的强度随粒子的动量同步增加,但粒子的曲率半径保持恒定。如电子同步加速器和质子同步加速器都属此类。上述各加速器中,除扇形聚焦回旋加速器外,都存在着自动稳相的现象。 回旋加速器经典的回旋加速器有一个产生均匀磁场的磁铁,和一对空心的“D”形高频电极。电极间加有频率固定的高频加速电场。粒子能量低时,其回旋频率同高频电场谐振,它们每转半圈就得到一次加速。然而能量高时,粒子的旋转频率也就随着能量增加愈来愈低于电场的频率,最终导致不能再为电场所加速。由于这个缘故,经典回旋加速器中质子的最高能量仅约20 MeV。为了克服这一困难,可让磁场沿半径方向逐步增高,以使粒子的旋转周期保持恒定。然

19、而单纯的沿半径升高的磁场却导致粒子束在轴向散焦,无法应用。60年代初研制成功的扇形聚焦回旋加速器,巧妙地解决了共振加速和轴向聚焦间的这一矛盾。新加速器的磁极上装有边界弯成螺旋状的扇形铁块,它们产生沿方位角变化的磁场,使加速粒子在轴向聚焦;而同时磁场沿方位角的平均值,则随半径增大而增高,保证粒子的旋转周期固定不变,故扇形加速器也称作等时性回旋加速器。其典型工作能量在25100MeV间,内束流强约1mA,外束流强约100A,大多用来生产各种放射性同位素,进行材料的活化分析以及辐照损伤的研究,也用来进行中子物理或核结构等的基础研究。为了满足重离子加速的需要,近年来发展了分离扇型和超导的等时性回旋加速

20、器。前者由46块独立的扇形磁铁构成,高频加速腔及注入、引出设备独立于磁场之外,大大提高了各自的工作效率。超导的等时性加速器采用低温超导体作绕组,场强可达50 kGs。尽管需要增设低温设备等,总的费用仍然仅为常温分离扇加速器的1/3。 同步回旋加速器一种磁场恒定加速电场频率随着粒子的旋转频率同步降低的回旋加速器,又名调频回旋加速器或稳相加速器。根据自动稳相原理,采用这样的加速方式,原则上可将质子加速到无限高的能量。然而,历史上最大的同步回旋加速器能量只达到700MeV。这是因为它的磁铁已重达7000吨, 超过了一 般的高能加速器磁铁的重量。从经济上和技术上考虑不宜再建造能量更高的调频加速器,由于

21、电场的频率必须随时间而变,同步回旋加速器只能在脉冲状态下工作。脉冲重复率约为30100Hz。平均流强几微安,比能量相当的扇形聚焦回旋加速器小一二个量级。由于这个缘故相当多的同步回旋加速器已经关闭,有些则改建为等时性回旋加速器。 电子回旋加速器又称微波回旋加速器,专用于电子的加速。同经典的回旋加速器一样,加速器的磁场是均匀的,加速电场的频率也是恒定的,不同的是加速间隙位于磁极的一端,电子的轨道则为一系列同加速间隙中心线相切的圆,电子每经过一次加速之后,其旋转周期正好增至加速前的整数倍,因而每当这些电子转回加速间隙时,电场又都刚好使它们再次加速。多数电子加速器的能量在10 30MeV间,流强301

22、20A。大多用于医疗和剂量标准等方面。 同步加速器一种加速高能粒子的回旋谐振式加速器。它有一个大的环形磁铁。带电粒子在环形磁场的导引和控制之下沿着半径固定的圆形或接近圆形的轨道回旋运动,穿越沿途设置的一些高频加速腔,从中获取能量。加速过程中,磁场随时间增强,使粒子的轨道半径保持恒定。高频电场的频率则与磁场同步变化,以同粒子的回旋运动保持谐振。由于电、磁场随时间周期变化,加速器在脉冲状态下工作。为了使粒子束约束在狭长的真空室内加速,还需要有足够的聚焦力。早期用梯度数值较小的恒定梯度磁场进行聚焦。由于聚焦力较弱,加速室以及整个加速器的体积不得不做得相当大,这就从经济和技术上限制了同步加速器向10G

23、eV以上的能量发展。后来发明了交变梯度的强聚焦方式,有效聚焦力大大超过前者,使加速室的体积大为缩小。例如一台强聚焦的30GeV质子同步加速器磁铁的重量约4000吨, 而如若采用恒定梯度聚焦的话,则将重达100000吨。 电子同步加速器通常用电子回旋加速器或直线加速器作注入器,将电子预加速至接近光速,然后注入同步加速器进一步加速至额定能量。小的电子同步加速器往往不用注入器,它先在电子感应加速器的状态下启动,待电子预加速至接近光速时,开动高频加速腔,使粒子进入同步加速,以近乎光速旋转的电子其回旋频率不随能量而变,因此电子同步加速器采用恒频的加速电场。典型的电子同步加速器能量为0.38 GeV,流强

24、为1011pps(粒子/秒),束流脉冲重复频率10 60Hz。 高速电子沿环形轨道运动时所发出的电磁辐射是限制电子同步加速器能量增高的重要因素。电子能量达10 GeV时,每转一圈辐射10 MeV的能量。但这种同步辐射有一系列特殊的优点:即发射由红外到X射线的可以控制的连续性光谱,且辐射是偏振的、强度高、方向性强、有很高的实用价值。已被广泛地用于固体物理、分子生物学及集成电路研制等等各个方面。 质子同步加速器通常以高压倍加器和质子直线加速器作注入器,将质子预加速至20200 MeV后再注入到同步加速器的环形轨道上进行加速。大型的同步加速器往往在注入器之后还增设一个较小的快脉冲同步加速器作中间级(

25、又名“增强器”)将质子加速至10 GeV左右,以增加加速粒子的流强。加速过程中,质子的速度在相当大的范围内变化,电场的频率也必须相应地在相当宽的范围内调变,并需精确地加以控制,使之与磁场的上升同步。为此常常在束流轨道周围设置拾波板,监测质子的运动,并以此信号自动校正高频电场频率调变的进程。老的强聚焦同步加速器的主磁铁采用“复合作用”方案,即每个磁节兼起偏转导引和聚焦二种作用。这种磁铁的轨道磁场不能太高,仅1.4T左右,故用铁量较大;新的巨型同步加速器采用“分离作用”方案,即导引和聚焦分别由二极磁铁 如四极透镜承担,结果轨道上的场强可增至2T,大大节省用铁量。 至今,国际上建成的质子同步加速器有

26、十几台,其中九台建于60年代,最大的一台是美国费密国家加速器实验室的1000GeV加速器。 重离子同步加速器与质子同步加速器的结构基本相同。不过加速过程中重离子的速度变化范围比质子大得多,因此高频电场的频率也要求在更大的范围内调变。另一方面,因重离子加速的路程长,而且同周围气体分子的电荷交换截面大,要求加速室的气压低至10-10Torr(1Torr=133.322Pa)。最早使用同步加速方式加速高能重离子的是美国伯克利劳伦斯实验室的贝伐莱克加速器。目前它已能加速N、Ne、Ar、Fe等多种重离子至每核子2GeV以上。流强达到101011pps。 储存环和对撞机这是在同步加速器基础上发展起来的一种

27、超高能试验装置。以前人们总是用相对论速度的粒子轰击静止靶,进行粒子物理试验。然而在这样的作用方式中质心系统中只有一小部分能量可用于产生新粒子或种种有意义的反应。如果变化一下作用方式,让二个相向运动的高能粒子束对头碰撞,那么有效的作用能量将远比前一种方式高得多。例如让两个能量为()运动方向相反的束对撞,其作用能量大约与一个能量为2/的束去轰击静止靶的效果相当。事实上有关对撞束的优越性,人们早就有所了解。问题是一般情况下,粒子束的密度远低于静止靶,因而通过对撞发生的反应产率太低,不能进行有效的实验。为了克服这和困难,60年代以后发展了一种能通过聚积大量粒子束团,大大提高束流密度的“储存环”。它的结

28、构和作用与同步加速器非常相似。环内粒子束一般由高能直线或同步加速器注入。为了将几百个注入束团积累为一个或几个束团,注入的过程相当长,可达数十分钟之久。通过专门的高频系统的作用,环形室内堆积的束流强度可达20A。为了避免束流的散射损失,环形室内的真空度很高,达10-101011Torr。束流在环内回旋运动的寿命可长达10多个小时,足以满足许多实验的需要。储存环上的高频系统还可用来少量的提高存储束的能量或补偿粒子能量的电磁辐射损失。 用来使粒子束对头碰撞的对撞机,包括一个或数个储存环。电荷相反的高能粒子,如电子和正电子、质子和反质子可以在同一储存环中反向回旋而发生对撞。电荷相同的粒子束,就需用两个

29、“交叉”着的储存环。每一环内各有一束粒子,但回旋的方向恰好相反。在二环交叉点上,粒子束发生对撞。为了在同一机器上实现多种粒子间的对撞,还提出了所谓“三环”的方案。即用两个环储存质子束,用一个环储存正负电子束。三个环同心地安装在一个圆形隧道中;在一定的地点上可以得到质子质子、质子电子或正负电子之间的对撞。各种对撞机的性能常用亮度来表征,它的单位是厘米-2秒-11,亮度乘以反应截面即得反应产率。迄今已建成的对撞机中,绝大多数是电子对撞机。质子对撞机中最早运动的是欧洲核子中心(CERN)的“交叉储存环”ISR。 对撞机的优点是可以用造价不算太高的一般高能加速器进行超高能的实验。但它只能实现稳定粒子间

30、的对撞,而且不能像一般加速器那样产生各种次级粒子束。因此它并不能代替超高能加速器。由于这个缘故,目前各高能物理中心都倾向于发展加速器对撞机的复合体,既可进行多种粒子的对撞,又可进行静止靶的实验。 新的加速方法半个世纪以来,尽管粒子加速器在能量、流强、粒子品种和束流品质等各方面取得了很大的成就,然而随着加速器能量的不断提高,现代加速器的规模却是越作越大,投资越来越高。如此下去,加速器的发展势必将在经济和技术方面受到严重的限制。由于这个原因,世界各有关实验室都在努力探索新 的加速原理和方法。迄今提出的方案很多,除了比较现实的各种超导加速器之外,还有两大类。一类是利用频段更高的激光来代替目前的高频或微波电磁场来加速粒子;所用的加速机制可能仍与常规高频电场加速器类似。另一类是利用带电粒子束团的集体场加速粒子,包括利用变速运动的等离子体凝团或强流电子束团本身的场来加速粒子或利用在等离子体或电子束团中激发的电磁波加速粒子。这些新方法如果成功的话,其加速效率估计可比现有方式高数十倍乃至数百倍(见加速器技术和原理的发展)。