第五章 粒子加速器Particle Accelerator事实上，自然科学理论不能脱离实验事实上，自然科学理论不能脱离实验的基础，特别是，物理学是从实验产生的基础，特别是，物理学是从实验产生的我希望由于我这次得奖，能够唤起的我希望由于我这次得奖，能够唤起发展中国家的学生们的兴趣，从而注意发展中国家的学生们的兴趣，从而注意实验工作的重要性实验工作的重要性——丁肇中（获诺奖答词）丁肇中（获诺奖答词）§5.1 概述§ 概 述加速器——使带电粒子获得更高能量的装置一、为什么要造加速器？1、为了 “探测 ”微观世界 , 要有与之匹配的 “探针 ”;2、核及其它学科基础研究和应用基础研究的需要 ;3、广泛应用领域的重要设备§5.1 概述§ 概述二、带电粒子加速的方法1、稳定加速场（几十MeV以下）•静电加速器2、交变加速场•直线（linear accelerators）•回旋（cyclotrons）•同步（synchrotrons）•同步回旋（synchro-cyclotron）•电子同步（microtrons）§5.1 概述§ 概述三、主要的加速器种类• 高压倍加器• 静电加速器• 回旋加速器• 直线加速器• 同步加速器• 储存环/对撞机加速器能量随年代的增长加速器能量随年代的增长§ 5.2 主要加速器举例§ 主要加速器举例一、范德格拉夫静电加速器加速器原理：导体处于静电平衡状态时，所带电荷全部分布在导体表面 , 利用尖端放电，使导体球的表面所带的电荷不断增加，从而使导体球和地之间的电势差U 不断增大。
置于导体球壳内的离子源释放出来的带有电量 q的带电粒子在通过这个电势差时，获得能量 mv2/2=qU，从而得到加速Van de Graaff1901-1967 z Van de Graaff加速器特点 ¾能量稳定性好 ¾电压连续可调静电加速器能量：最高能量为十几 Mev——属低能加速器§ 5.2 主要加速器举例复旦大学2.5MeV质子静电加速器复旦大学质子静电加速器复旦大学2.5MeV质子静电加速器复旦大学质子静电加速器§ 5.2 主要加速器举例§ 主要加速器举例二、串列加速器（ Tendem）（静电加速器）复旦2×3MeV串列加速器实验厅复旦2 ×3MeV串列加速器实验厅§ 5.2 主要加速器举例§ 主要加速器举例复旦大学 2× 3MeV串列加速器实验室布局图§ 5.2 主要加速器举例§ 主要加速器举例三、直线加速器（ Linear Accelerator）直线型加速器又分两种加速方式：–漂移管驱送管式–波导形驱送管式1、漂移管式直线加速器：在管式的高度真空谐振腔中间沿轴线排列一系列的金属管即驱送管，几百兆周的高频电磁场从外面输入之后，电场在整个腔内作振荡设计当质子经过每个驱送管间的缺口时电场方向是保证质子向前加速，而在其他地方由于铜质漂移管的屏蔽作用没有电场，质子在管内没有加速作用，仅仅是漂移而过，所以驱送管又叫漂移管。
§ 5.2 主要加速器举例但在质子经过一个驱送管之后处于两个驱送管（漂移管）之间时，都得到一次加速机会，由于质子速度不断增加，所以为了维持质子经过每一个驱送管所需时间是常数，因此驱送管的长度也必须逐节加长§ 5.2 主要加速器举例带电粒子在此类加速器中获得的能量与加速长度成正比最终粒子能量可达MeV到 GeV这种加速器可以加速质子、电子以及很重的离子，用途很广§ 5.2 主要加速器举例2、波导式直线加速器：是一种通过波导管中的电磁波来加速电子的加速器主要用作加速电子调节波导管中的电磁波在向前传播时电场方向与管轴平行，并且使电子始终是位于电场向前方向的相位上，则电子就犹如“骑”在电磁波上一直向前，在电磁波传递过程中，电子就不断得到加速当然，随着电子速度的增加，电磁波的相速度也需相应变化这种波导式加速器使用的电磁波频率很高，一般在几千兆周左右§ 5.2 主要加速器举例中国科技大学的电子加速器：• 电子经直线加速器后达到的最终能量是 200MeV• 直线加速器的长度为 35米• 为了防护加速电子的电磁辐射，直线加速器建在坑道中• 采用的加速设备是微波功率源北京高能物理研究所的直线加速器：• 电子能量提高到 1.1GeV• 直线加速器长度为 204米• 电子能量提高到 50GeV的加速器• 直线加速器长度达 3公里多美国斯坦福大学直线加速器：高能所直线加速器高能所直线加速器实景示意斯坦福直线加速器斯坦福直线加速器四、回旋加速器（Cyclotron）为了避免不断增加速器的长度， 1930年劳伦斯提出建造回旋加速器的建议。
回旋加速器的结构是在固定磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动§ 5.2 主要加速器举例劳伦斯劳伦斯1901-1958NS~能量不断增大，成为高能粒子后引出轰击靶×B×× ×同步加速器原理：轨道固定、磁场和加速电场调变，实现电场对带电粒子同步加速（速度加快，要保持固定圆周轨道半径，就要同步加大磁场；加速电场的频率也要同步调整）§ 5.2 主要加速器举例五、同步加速器五、同步加速器（（Synchrotron））六、对撞机（Colliding-beam Machine）为了探索更深层次的现象，去发现更新、更重的粒子，人们制造了对撞机以提高加速器的能量§ 5.2 主要加速器举例•我国 1988年在北京建成的正负电子对撞机碰撞前能量： 2.8× 109eV碰撞后有效能量: 5.6 × 109eV主要工作在 τ 轻子和 C夸克能量区域，精确测量 τ 子的质量为 MeV，测量精度提高10倍0.310.211776.96mτ=±北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一。
北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一北京正负电子对撞机鸟瞰图北京正负电子对撞机鸟瞰图北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机由预注入器射出由预注入器射出30MeV的电子，经电子直线加速器加速到的电子，经电子直线加速器加速到340MeV，，然后打到正电子产生靶（铜或铅）上然后打到正电子产生靶（铜或铅）上,产生高能产生高能光子，并转化成正、负电子对，经正负电子加速器至光子，并转化成正、负电子对，经正负电子加速器至1.1Gev, 正、负电子束流在储存环内以相反转向运动，并正、负电子束流在储存环内以相反转向运动，并加速至加速至2.2GeV，，然后在对撞点对撞然后在对撞点对撞北京正负电子对撞机改造前的存储环（资料照片）北京正负电子对撞机改造前的存储环（资料照片）北京正负电子对撞机改造后的直线加速器北京正负电子对撞机改造后的直线加速器2004年初，北京正负电子对撞机重大改造工年初，北京正负电子对撞机重大改造工程启动，耗资程启动，耗资6.4亿元、为期亿元、为期5年§4.2 探测器举例2008年 2月 14日，北京谱仪III(BESIII)成功实现所有探测器 的完整取数，标志着BESIII建造和安装已经圆满完成.600MeV,e+e-直线加速器加速环3.5GeV增强器22GeV同步加速器1000GeV e+e-对撞机欧洲的LEP 加速器是此前能量最高的加速器：• 最高能量：1000 GeV• 周长 : 27 kmLEP对撞机组成示意对撞机组成示意CERN2300 employees (-> 2000)6000 visitors20 Member states+ US, Canada, Japan, Russia, China, India, ...Accelerators (LHC, 2008)Detectors (Atlas, cms, lhcb, alice)27 kmWWW的诞生地LEP/LHC隧道隧道宇宙如何诞生宇宙如何诞生?有否额外维度有否额外维度?黑洞黑洞? 时空旅行时空旅行?质量从何起源质量从何起源(上帝粒子上帝粒子)?96%的宇宙由什么构成的宇宙由什么构成?反物质那里去了反物质那里去了?§ 5.2 主要加速器举例§ 主要加速器举例七、同步辐射光源七、同步辐射光源什么是同步辐射？同步辐射是由在超高真空环境中以接近光速运动的电子在改变运动方向时释放出的电磁波 (光）1947年 4月 16日，美国纽约州通用电气公司的实验室中，正在调试一台能量为 70兆电子伏的电子同步加速器，偶然看到了强烈“蓝白色的弧光”。
这种电磁波是在同步加速器上首先发现的，所以人们就称它为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”同步辐射光源历经三代的发展 ¾50年代初起源，第一代为兼用机； ¾70年代中期，建造第二代同步辐射专用光源； ¾80年代末90年代初，出现了第三代同步辐射光源插入件放出同步辐射光扭摆器波荡器1984年动工兴建的这个国家同步辐射实验室，坐落在合肥年动工兴建的这个国家同步辐射实验室，坐落在合肥市南郊中国科技大学校园内合肥同步辐射装置的主体设市南郊中国科技大学校园内合肥同步辐射装置的主体设备是一台能量为备是一台能量为8亿电子伏特、平均流强为亿电子伏特、平均流强为300毫安的电子毫安的电子储存环，用一台能量为储存环，用一台能量为2亿电子伏特的电子直线加速器作亿电子伏特的电子直线加速器作为注入器为注入器1989年年4月月26日凌晨，我国第一个专用同步辐射装置正式日凌晨，我国第一个专用同步辐射装置正式建成并调试出光建成并调试出光上海光源上海光源播放：上海光源简介片播放：上海光源简介片。