粒子加速器的实验装置

粒子加速器
粒子加速器
particle accelerator
用人工方法产生高速带电粒子的装置。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。
自E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV），天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为1014电子伏特（ eV ）的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器，性能不断提高。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发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子，建立粒子物理学。近20多年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它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”型加速器。
粒子加速器的结构一般包括 3个主要部分 ：①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。②真空加速系统，其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。③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108～109eV）、高能加速器（能量在109～1012eV）和超高能加速器（能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。
粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器 、对撞机等。
1929年，英国物理学家科克罗夫特和沃尔顿一起，设计制造出了一个“电压倍加器”，从而制造出了世界上第一台增加质子能量的装置，他们把它叫做“静电粒子加速器”。这台加速器利用高电压，能把质子加速到将近40万电子伏的能量，便锂原子发生了核分裂，从而首次用人造粒子炮弹实现了核分裂。为经，科克罗夫特和沃尔顿一起获得了1951年的诺贝尔物理学奖。但是不久，人们就发现静电粒子加速器在电压太高时会产生巨大的电火花。这样，要再进一步增大粒子炮弹的能量就不可能了。
然而，正是在首创的“静电粒子加速器”的基础上，科学家们不断努力探索，后来又研制成功了直线粒子加速器、回旋粒子加速器、同瞳回旋加速器、质子同瞳加速器等更高能量的粒子加速器。从20世纪30年代到50年代后半期的20年时间里，加速器的能量增加了几百倍到几千倍。
为什么加速器的能量增加得这样快呢？这是因为要发现基本粒子。除了到宇宙线中去寻找外，就得到原子核内部去寻找。原子核内部存在非常强大的作用力，把基本粒子紧紧地结合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。随着加速器能量的增加，在实验室中所发现的基本粒子数目也增多了。
现在，粒子加速器的规模已有小于一个大型机器制造厂，其用电量相当于一个中等城市，工作人员可达数千人，有宇宙粒子制造厂之称。但是，尽管今日粒子加速器能量已经够大的了，可它仍然远远不能适应探索原子奥秘的要求，因此随着人们对原子奥秘探索的深入，粒子加速器仍会为断地改进。

粒子加速器的发展
粒子加速器最初是作为人们探索原子核的重要手段而发展起来的。其发展历史概括如下；
1919年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工核反应，激发了人们用快速粒子束变革原子核的强烈愿望。
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α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。
1932年，J．D．考克饶夫特（John D. Cockroft）和E.T.瓦尔顿（Earnest T. S. Walton）在England的 Cavendish 实验室开发制造了700kV高压倍加速器加速质子，即Cockroft-Walton 加速器，实现了第一个由人工加速的粒子引起的Li（p，α）He核反应。由多级电压分配器（multi-step voltage divider ）产生恒定的梯度直流电压，使离子进行直线加速。
1930年，Earnest O. Lawrence制作了第一台回旋加速器，这台加速器的直径只有10cm。随后，经M. Stanley Livingston资助，建造了一台25cm直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能量可达到1MeV。几年后，他们用由回旋加速器获得的4.8MeV氢离子和氘束轰击靶核产生了高强度的中子束，还首次生产出了24Na、32P和131I等人工放射性核素。
1940 由 D. W. Kerst 利用电磁感应产生的涡旋电场发明了新型的加速电子电子感应加速器（Betatrons）
。它是加速电子的圆形加速器。与回旋加速器的不同之处是通过增加穿过电子轨道的磁通量（magnetic flux ）完成对电子的加速作用，电子在固定的轨道中运行。在该加速器中，必须和处理电子的相对论作用一样来处理由辐射而丢失的能量。所有被加速的粒子辐射电磁能，并且在一定动能范围内，被加速电子的辐射损失能量比质子的多。这种丢失的辐射能称同步加速辐射。因此，电子感应加速器的最大能量限制在几百MeV内。
在研制电子感应加速器的过程中提出了电子的振荡理论，并解决了带电粒子在加速过程中的稳定性问题，该理论适用于各种类型的梯度磁场聚焦的加速器。因此，在加速器的发展历史上，该加速器起了重要的作用。
电子感应加速器除了主要用于产生的γ射线做核反应等方面的应用外，还广泛用于工业和医疗方面：如无损探伤、工业辐照、放射治疗等。
1945年，V•.I• 维克斯勒尔和.E.M.麦克米伦分别提出了谐振加速中的自动稳相原理，从理论上提出了突破回旋加速器能量上限的方法，从而推动了新一代中高能回旋谐振式加速器如电子同步加速器、同步回旋加速器和质子同步加速器等的建造和发展。

北京正负电子对撞机

北京正负电子对撞击 北京正负电子对撞机是一台可以使正、负两个电子束在同一个环里沿着相反的方向加速，并在指定的地点发生对头碰撞的高能物理实验装置。由于磁场的作用，正负电子进人环后，在电子计算机控制下，沿指定轨道运动，在环内指定区域产生对撞，从而发生高能反应。然后用一台大型粒了探测器，分辨对撞后产生的带电粒千及其衍变产物，把取出的电子信号输人计算机进行处理。它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。

北京正负电子对撞机的建成，为我国粒子物理和同步辐射应用研究开辟了广阔的前景。它的主要性能指标达到80年代国际先进水平，一些性能指标迄今仍然是国际同类装置的最好水平。

兰州重离子加速器

兰州重离子加速器 兰州重离子加速器是我国自行研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止能量最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器，是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，1989年H月投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。中科院近代物理研究所的科研人员以创新的物理思想，利用这台加速器成功地合成和研究了10余种新核素。

合肥同步辐射装置

合肥国家同步辐射实验室直线加速器 合肥同步辐射装置主要研究粒子加速器后光谱的结构和变化，从而推知这些粒子的基本性质。它始建于1984年4月，1989年4月26日正式建成，迄今已建成5个实验站，接待了大量国内外用户，取得了一批有价值的成果。

中国科学技术大学同步辐射加速器实验室1989年4月提前建成并调试出束。