粒子加速器的发展史与应用

粒子加速器的发展史与应用摘要：再初步了解粒子加速器的基础上，详细介绍了世界上其他各国和我国粒子加速器的发展史同时还介绍了加速器再多个行业中的应用，表明了世界上粒子加速器的飞快发展以及加速器在多个行业中的重要性。关键字：粒子加速器；束流能量；流强；应用1、介绍粒子加速器粒子加速器（particleaccelerator）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：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)。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源中能量为几百万电子伏特、速度为9210/cms的高速α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。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α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，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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，要求同步辐射光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。表一我国80年代建成的三台大型加速器工程名称加速器名称束流能量建设时间北京正负电子对撞机注入器（e，e直线加速器）储存环1.1/1.4GeV2.2/2.8GeV1984-19871981-1988合肥同步辐射光源注入器（e直线加速器）储存环200MeV200MeV1983-19871983-1989兰州重离子加速器注入器（SFC）扇形加速器（SSC）（碳）100MeV/u1976-1988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、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。表二：我国低能加速器现状加速器种类总台数束流能量（MeV）流强（mA）电子静电加速器191.5-2.50.15离子静电加速器8（2）0.2-4.515-100μA串列静电加速器14（12）2*2,6,131-3μA绝缘芯变压型加速器8（1）0.2-3.010-15倍压加速器25（4）0.1-0.750.2-1电子帘加速器3（2）0.2-1.530-50高频、中频高压加速器9（3）2.0-3.010-40离子注入机高能低中能强流12（6）170（