加速器原理-第1章

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1、加速器原理,教师：刘晓辉成都理工大学 核技术与自动化工程学院,第1章 绪论,加速器，全称“（带电）粒子加速器”（particle accelerator），是一种用人工方法借助于各种不同形态的电场，将各种不同种类的带电粒子加速到更高能量的电磁装置。加速器可用于原子核和核工程研究、化学、放射生物学、放射医学、固体物理等的基础研究以及工业照相、疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其他食品的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核爆炸等。,第1节 加速器的发展概况,（1） 1919年E.卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源实现了第一个人工核反应 从而激发了人们寻求用

2、人造快速粒子源来变革原子核的设想。,1919年，卢瑟福利用212Po放出的7.68MeV的粒子（速度为2109 cm/s）作为枪弹，去射击氮气，结果发现，有五万分之一的几率发生了如下的反应：,即，粒子与14N反应，产生了17O和质子。云室中粒子撞击氮原子核的反应可看出质子。,这是人类历史上第一次人工实现“点金术”：使一种元素变成另一种元素,（2）1928年G.伽莫夫关于量子隧道效应的计算势垒贯穿。 静电加速器（1928年） 、 回旋加速器（1929年） 、 倍压加速器（1932年） 等不同设想先后提了出来。,1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D. Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿(E

3、.T.S. Walton)建造成世界上第一台直流加速器命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器（700kV），以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到粒子和氦的核反应实验Li (p,) He。 这是历史上第一次 用人工加速粒子实现 的核反应，因此获得 了1951年的诺贝尔 物理奖。,柯克罗夫特,沃尔顿,1933年，美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器命名为凡德格拉夫静电加速器。它的能量均匀度高，被誉为核结构研究的精密工具。高压加速器和静电加速器 均属直流高压型， 它们能加速粒子 的能量受高压击 穿所限，大致在 10MeV。,奈辛(G

4、.Ising)于1924年，维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。,1932年，美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence) 建成了回旋加速器，并获得人工放射性元素为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。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，首次制成了24Na、32P、131I等医用同位素。人们为了纪念劳伦斯，把103号元素Lr 命名为 “铹”。这是加速器 发展史上获此殊荣的第一人。,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

5、大优越性：不仅其强度远高于放射性元素、宇宙射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。但这些加速器的粒子能量低，回旋加速器是唯一能将氘和粒子加速到2050MeV的加速器。,此时人类对物质微观结构“探源”的追求，发展到要研究原子核结构的阶段。原子核中的中子和质子靠什么力(短程力)联系在一起的？ 1935年汤川秀树(Yukawa)提出粒子之间是通过交换一种叫介子的媒介子来实现的。并估计其质量介于质子和电子质量之间， (故称介子)。 证实这个问题，就要寻找介子，即要求粒子加速器能量达到200300MeV以上。,（3）1945年，前苏联科学家维克斯列尔(V.I.

6、Veksler)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建议建造基于此原理的加速器稳相加速器。,维克斯列尔,麦克米伦,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：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。,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

7、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（磁铁重量近似同能量的三次方成比例，能量增大时磁铁迅速变大，结果建造大磁铁的经济性成为新的限制），提高能量实际上被限制在1GeV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10GeV以上仍是不现实的。,（4） 1952年，美国科学家柯隆(E.D.Courant)、李温斯顿(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)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

8、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。,李温斯顿,美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。,（5） 1940年，美国科学家科斯特(D.W.Kerst)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了限制，极限约为100MeV。电

9、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10GeV。电子只有作直线运动时没有 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 50GeV，这不是理论的限度， 而是造价过高的限制。,（6）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充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(B.Touschek)首次提出了这项原

10、理，并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。 现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到101000TeV，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。,自世界上建造第一台加速器以来，七十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约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。随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。,目前世界上最高能量的加速器已能将质子加速到900GeV(Tevatron

11、)，电子55GeV (LEP)。美国曾计划建造的加速器加速到20TeV (SSC)。从加速器的规模来说，圆形电子加速器的周长达26.7km，电子直线加速器长3km（SLAC）。SSC的主加速器设计周长为87km，造价达超过82亿美元，1993年项目中止。,Tevatron粒子加速器由美国费米实验室于1983年建于芝加哥郊外的大草原上。曾是世界上最强的粒子加速器质子和反质子对撞机。6.28公里长的圆形加速器轨道由1000多个超导磁铁构成，它们将质子和反质子按相反方向在真空管中加速到光速的99.99999954%，然后在两个5000吨的探测器中对撞，这种接近光速的高能量碰撞产生了大量全新的亚原子粒

12、子。2011年停止运行。,LEP正负电子对撞机西欧核子研究中心(CERN)于1983年开工修建于法国和瑞士国界。周长27公里，占地36公顷安装在地下50175米的隧道中，隧道截面为半径1.9米的圆，正负电子的能量分别为50 GeV，总投资6亿美元。2001年，开始改造为可实现7.7 TeV能量的质子-质子的对撞的大型强子对撞机LHC当今世界上最大的粒子加速器。安装约7000块磁铁，这些磁铁用液态氮气冷却到约1.9K的温度，总投资48亿1千9百万瑞士法郎。,中国粒子加速器的发展历史和现状,1955年中国科学院原子能所赵忠尧教授建成700eV质子静电加速器我国第一台质子静电加速器。1958年中国科

13、学院高能所2.5MeV质子静电加速器建成。 中国第一台直径1.2米的回旋加速器建成。清华大学400keV质子倍压加速器建成 (从苏联引进) 。,1959年清华大学2.5Mev电子回旋加速器出束。 1964年中国科学院高能所谢家麟设计的30MeV电子直线加速器建成。 清华大学、北京大学、复旦大学、兰州大学、河北大学、原第一机械工业部机电研究院、上海先锋电机厂、保定变压器厂，研制各种类型的低能加速器(诸如，倍压加速器、静电加速器、电子感应加速器、电子回旋加速器等)；到上世纪60年代中期，总台数达5060台，加速器事业有了一个良好的基础。,七十年代初，以中科院高能物理研究所，清华大学，南京大学，四川

14、东风电机厂为核心的上海，北京，南京，四川地区四个会战组先后开始研制医用电子直线加速器。1977年北京地区，上海地区分别研制成功我国首批医用电子直线加速器(能量 810MeV)。从那时起，医用电子直线加速器生产逐渐发展成产业。,1982年中国第一台自行设计、制造的质子直线加速器首次引出能量为10MeV的质子束流，脉冲流达到14mA。 北京工业自动化研究所和清华大学等单位合作建成的25MeV电子回旋加速器。 中科院上海原子核所建成26MV质子串列静电加速器。 北京大学建成4.5MV质子单级静电加速器。 八十年代末 北京2.2/2.8GeV正负电子对撞机（BEPC）、兰州直经7.2米的分离扇型重离子

15、加速器(HIRFL)、合肥800MeV同步辐射光源(HESYRL)相继建成。,九十年代后期开始，中科院兰州近代物理研究所正在建造重离子冷却储存环加速装置，目前工程已进入后期；800MeV合肥同步辐射光源的二期工程已接近完成。 2005年北京正负电子对撞机（BEPC）正式结束运行。中科院高能物理研究所开始其升级工程（BEPCII）， 投资6.4亿元。新北京正负电子对撞机的性能将是美国同一类装置的37倍，对研究体积为原子核一亿分之一的夸克粒子等基础科研具有重要意义。 目前上海正已建成3.5GeV的第三代同步辐射光源。,在研项目： 以加速器驱动的次临界反应堆（ADS ）的基础研究； 散裂中子源（CS

16、NS ）的建设； 基于高能量电子直线加速器的自由电子激光（XFEL）； 国际直线对撞机（ILC）的国际合作。,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,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,高能物理研究所35MeV质子直线加速器的加速腔,高能物理研究所750keV预注入器,兰州重离子加速器工程 图为初步安装就位的扇形磁铁,相关产品： 上海先锋电机厂，上海原子核研究所，高能物理研究所，兰州近代物理研究所，北京工业自动化研究所批量生产了高频高压加速器，绝缘芯变压器型高压加速器为代表的一批辐照处理与加工用途为目的的加速器，数量达四十多台。 十

17、多年来，中国原子能科学研究院，北京工业自动化研究所，清华大学，清华同方威视技术股份有限公司，北京医疗器械研究所生产了一批能量分别为4、6、9和15MeV无损检测用驻波电子直线加速器。,相关产品： 中国原子能科学研究院曾和比利时IBA公司合作，研制成能量为30MeV的，生产医用短寿命放射性同位素的回旋加速器。 近年来，为适应开展燃煤烟气除硫脱硝应用的需要。上海原子核研究所和兰州近代物理研究所还正在研制0.81.5MeV，300450KW大功率辐照电子加速器。 清华大学和信息产业部第十二研究所，以及北京医疗器械研究所合作或独自研制成功及批量生产4MeV，6MeV和14MeV医用驻波加速管。北京医疗器械研究所、广东威达医疗集团公司和山东新华医疗股份公司批量生产了4MeV、6MeV和14MeV医用驻波加速器，总数已达300多台，和进口机平分了全国医用电子直线加速器的市场。医用电子直线加速器是我国数量最多的加速器。,