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1、粒子加速器Particle Accelerators郭之虞郭之虞北京大学重离子物理研究所北京大学重离子物理研究所2007年年912月月核技术及应用专业必修课核技术及应用专业必修课第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 回旋加速器回旋加速器第三章第三章 同步加速器同步加速器第四章第四章 射频直线加速器射频直线加速器第五章第五章 高压型加速器高压型加速器第六章第六章 其它类型的加速器其它类型的加速器需具备的基础知识：数学分析、线性代数、常微分方程、贝瑟函数、普通物理、相对论力学、电动力学、传输线理论 第一章第一章 绪论绪论一、什么是粒子加速器一、什么是粒子加速器粒子加速器是利用电场加速带电粒子的粒子加
2、速器是利用电场加速带电粒子的装置装置F = qE = ma 阴极射线管（显像管）是加速器的雏形阴极射线管（显像管）是加速器的雏形粒子速度不能超过光速，但能量增加不粒子速度不能超过光速，但能量增加不受限制，故加速器实际上是增能器。受限制，故加速器实际上是增能器。 W = qe Es ds粒子能量的单位：电子伏（粒子能量的单位：电子伏（eV）1 eV = 1.602 10 19 J对对e, 1.1MeV时时 =0.95, 11MeV时时 =0.999二、加速器的产生与发展二、加速器的产生与发展1919年卢瑟福用天然年卢瑟福用天然 源首次实现人工核源首次实现人工核反应反应科学家需要可控的人工射线！科
3、学家需要可控的人工射线！20年代末年代末30年代年代Van de GraaffHerbCockcroft & WaltonWidereLawrence思想活跃、发展迅速，静电与回旋为主流思想活跃、发展迅速，静电与回旋为主流二战后二战后50年代年代雷达雷达微波功率源微波功率源射频直线加速器射频直线加速器SLAC：e 900 MeV自动稳相原理自动稳相原理 (1945) 突破回旋能量限制突破回旋能量限制稳相加速器：稳相加速器： p 700 MeV同步加速器：同步加速器： e 1 GeV p 10 GeV6070年代年代等时性回旋加速器等时性回旋加速器交变梯度强聚焦原理交变梯度强聚焦原理同步：同步：
4、 e 12 GeV, p 500 GeV直线：直线： e 20 GeV, p 800 MeV对撞机原理对撞机原理DESYDoris 5.3 GeV e + e+超导加速技术超导加速技术8090年代年代对撞机飞速发展对撞机飞速发展同步辐射装置广为建造同步辐射装置广为建造工业与医学应用得到普及工业与医学应用得到普及本世纪本世纪大型强子对撞机大型强子对撞机LHC / 国际直线对撞机国际直线对撞机ILC散裂中子源散裂中子源SNS / 放射性核束加速装置放射性核束加速装置RIA三代光源三代光源 / 能量回收直线加速器能量回收直线加速器ERL / X波波段自由电子激光段自由电子激光X-FEL激光等离子体加
5、速激光等离子体加速牵引力与驱动力牵引力与驱动力三、加速器的构成与三、加速器的构成与 主要性能指标主要性能指标1. 基本物理问题基本物理问题1）提高能量：加速提高能量：加速2）形成轨道：约束形成轨道：约束3）保持流强：聚焦保持流强：聚焦4）维持寿命：稳定性）维持寿命：稳定性5）提高亮度：冷却、阻尼）提高亮度：冷却、阻尼 粒子粒子/束流动力学束流动力学2. 加速器的构成加速器的构成约束磁铁约束磁铁电磁聚焦电磁聚焦粒子源粒子源LEBT主加速器主加速器HEBT靶靶/探测探测器器机械机械真空真空电源电源束测束测控制控制微波微波超导超导低温低温激光激光数据获取数据获取/成成像像辐射防护辐射防护3. 主要性
6、能指标主要性能指标1）能量能量100keV100MeV低能低能100MeV1GeV中能中能1GeV100GeV高能高能 100GeV超高能超高能2）加速场强加速场强单位长度增能单位长度增能MV/m3）流强流强pAnA AmAAkAMA4）亮度亮度（对撞机、微束）（对撞机、微束）单位面积流强单位面积流强nA/cm2 或或 n/s/cm25）束流品质束流品质发射度发射度（x, x 6维相空间）维相空间）能散度能散度（ W / W）6）束流的时间结构）束流的时间结构7）经济性指标经济性指标造价造价运行费用（能耗）运行费用（能耗）四、加速器的分类四、加速器的分类1. 按粒子种类分按粒子种类分电子、质子
7、、重离子（电子、质子、重离子（ W关系不同）关系不同）次级粒子：正电子、反质子、放射性核束次级粒子：正电子、反质子、放射性核束2. 按轨道形状分按轨道形状分直线型直线型回旋型回旋型环型环型3. 按加速电场分按加速电场分静电场静电场感应电场感应电场射频电磁场射频电磁场4. 按加速机制分按加速机制分非谐振非谐振(准准)谐振有自动稳相机制谐振有自动稳相机制静电场静电场感应电场感应电场射频电磁场射频电磁场非谐振非谐振(准准)谐振谐振直线型直线型高压型高压型感应直线感应直线射频直线射频直线回旋型回旋型回旋回旋稳相稳相电子回旋电子回旋环环 型型电子感应电子感应同步同步五、加速器的应用五、加速器的应用1.
8、基础研究基础研究（大科学工程）（大科学工程）1）核物理核物理核反应、核结构核反应、核结构 放射性核束物理放射性核束物理2）高能物理高能物理基本粒子、夸克、胶子基本粒子、夸克、胶子（对撞机对撞机）3）其它学科其它学科凝聚态物理、生命科学（凝聚态物理、生命科学（同步辐射同步辐射、散裂中子源散裂中子源）原子分子物理、化学原子分子物理、化学地学、考古地学、考古 夏商周断代工程夏商周断代工程2. 国计民生国计民生1）农业农业：辐射育种、保鲜、昆虫不育：辐射育种、保鲜、昆虫不育2）医学医学：放疗、同位素生产、消毒：放疗、同位素生产、消毒3）能源能源：反应堆材料、核废料处理、加速器：反应堆材料、核废料处理、
9、加速器驱动洁净核能系统（驱动洁净核能系统（ADS）、）、惯性约束聚变惯性约束聚变4）环境环境：环境示踪与分析、三废处理：环境示踪与分析、三废处理5）信息信息：半导体与集成光学器件生产、单粒：半导体与集成光学器件生产、单粒子效应与抗辐射加固子效应与抗辐射加固6）材料材料：辐照加工（电线电缆、热缩材料、：辐照加工（电线电缆、热缩材料、涂层固化、建材、磁带）、材料改性与精密涂层固化、建材、磁带）、材料改性与精密加工、无损检测加工、无损检测3. 国防与安全国防与安全1）安全检查安全检查：集装箱、爆炸物、违禁品：集装箱、爆炸物、违禁品2）核武器核武器：核爆模拟、闪光照相、核数据：核爆模拟、闪光照相、核数
10、据3）离子束与激光武器离子束与激光武器：RFQ、FEL加速器的应用实际上是荷能粒子束及其加速器的应用实际上是荷能粒子束及其次级射线的应用次级射线的应用应用的基础：粒子束应用的基础：粒子束/射线与物质相互作用射线与物质相互作用本质上主要是两类应用：本质上主要是两类应用：利用能量效应（辐照、放疗利用能量效应（辐照、放疗）提取信息（核分析技术、成像技术提取信息（核分析技术、成像技术）六、我国加速器的发展六、我国加速器的发展5060年代年代赵忠尧：质子静电加速器赵忠尧：质子静电加速器杨澄中：倍压加速器杨澄中：倍压加速器谢家麟：电子直线加速器谢家麟：电子直线加速器从前苏联引进：电子感应、回旋等从前苏联引进：电子感应、回旋等70年代年代离子注入机离子注入机医用电子直线加速器医用电子直线加速器此后众多小型加速器得到快速发展此后众多小型加速器得到快速发展8090年代：三大工程年代：三大工程正负电子对撞机正负电子对撞机BEPC北京北京同步辐射装置同步辐射装置合肥合肥重离子回旋加速器重离子回旋加速器兰州兰州90年代本世纪初年代本世纪初同步辐射装置二期同步辐射装置二期合肥合肥重离子冷却环重离子冷却环兰州兰州神龙一号感应直线神龙一号感应直线九院九院十一五十一五BEPCII北京北京三代同步辐射光源三代同步辐射光源上海上海中国散裂中子源中国散裂中子源东莞东莞
