加速器物理

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《核技术及应用》学科指定必修基础课程
的力，我们现在称之为库伦力(Coulomb forces)。由于更强大的电荷成为可能，发光的放电现 象被观察到，并且开始强烈地致力于对试验观察，在十九世纪的后半叶大部分期间内。例如， 正是这些电发光放电现象的观察导致科学界发现了基本粒子和电磁辐射，它们都是粒子加速 器的基本因素。
2e2 f 2 ， 3v
此处的 e 是发射粒子的电荷， f 为加速度，及 v 为光的速度。1897 年 J.J. Thomson 用电磁谱 测量了 Kanal 和阴极射线的荷质比( e / m )，并且发现了阴极射线的荷质比要大于 Kanal 射线
的荷质比 1700 倍，他解释阴极射线是由支配自由电子证据是自由电荷组成的。1897 年 J. Larmor 用公式描述拉莫进动(Larmor precession)的概念。1898 年 Lienard 计算了一个运动点 电荷邻域的电场和磁场，并且估算来自沿圆轨道运转荷电粒子电磁辐射的能量损失。1900 年 Wiechert 导出了点电荷的推迟势的表达式。1903 年汤姆逊提出正电荷在原子中均匀分布 的假设，1905 年卢瑟福提出电子围绕旋转的概念，盖革的两位研究生发现电子的散射行为
ηλεκτρον ，并且成为区分电现象与相关科学的起源。二千多年来此现象观察除了好奇心
没有其它更多的。然而，十九世纪以来有关的电现象在科学界内变得十分时髦了，并且发展 成为与现代科学文化紧密结合有影响力的一门技术。
到电荷载体能够被绝缘又经历了二百年的时间。许多系统试验得以进行，理论被发展， 以从数学上表述被观察到的现象。正是库伦(Coulomb)在 1785 年首次成功地标定了电荷之间
在此建造之后的二十一年里，伴随物理学发展，萌芽性质的加速器物理与技术发展开始 起步，建造了最早期的直线加速器。1907 年 Schott 用公式描述同步辐射的第一个理论，以 试图解释原子谱。1901 年起步的 W. Kaufmann 首先独立并于 1907 年与 A.H. Bucherer 提出 电子质量随能量的增长，第一个支持狭义相对论理论。1909 年 R.A. Milikan 开始测量电子 的电荷。1913 年由 J. Franck 和 G. Hertz 做了第一个试验用加速电子以激励原子。1914 年 Marsden 产生了第一个质子束借助阿尔法粒子照射石腊。1920 年 H. Greinacher 建造了第一 个级联发生器(cascade generator)。1922 年 R. Wideroe 作为研究生做了射线变压器草图设计。 1924 年 Ising 发明了电子直线加速器，借助于漂移管和火花隙激发产生加速功率。1928 年 Wideroe 报告了第一次钾和钠离子的直线加速器的运行，讨论了电子感应加速器的运行及错 误在于得到束流因缺乏聚焦。1928 年 P.A.M. Dirac 预言正电子的存在。1931 年 Van de Graaff 建造了首个高压发生器。
并提出正电荷的概念，发现α 射线散射现象存在有八千分之一机率的散射角大于二分之π ， 由库伦力的观点，只有原子有核形式存在公式，
σ
(θ
)
=
⎜⎛ ⎝
q1q2 m
⎟⎞2 ⎠
sin
1
4 (θ
2)
。
(1.1)
2
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几个著名的试验结果（胶片）发表后，引起了烘动效应。1905 年 A. Einstein 发表狭义相对 论理论。
加速器物理学的研究和发展得益于高功率射频源的发展，及各工业发达国家不断增加对 加速器工程投入可用的政府资金。上世纪六十年代以后，在基本粒子物理学、同步辐射应用 研究需求的推动下，美国、日本、原苏联等与欧洲的工业发达国家投入巨资建造了一大批电 子和质子的高能加速器，中国、韩国、印度、巴西、新加坡、泰国等建造了一批 3GeV 以下 能量的电子加速器。在此期间，有关加速器物理学的非线性理论和束流不稳定性理论都有了 很大的发展。当然，这部分内容超出了本课程的内容，基本不会在本课程内讲授。
在以后的十九年内，直线性加速器开始了由高压型加速器向谐振加速原理为主导的微波 场加速的高能加速器，与此同时，圆型加速器开始并有了重要的发展。伴随这些加速器的发 展，加速器物理学和相关的技术也有了重要的发展。加速器物理学的许多基本理论都产生于 此时期，为现代高能加速器的发展奠定了基础。1932 年 Lawrence 和 Livingston 由 1.2MeV 回旋加速器加速了第一个质子束，提出最早的圆型加速器的概念。1932 年 Cockcroft 和 Walton 利用技术上改进的级联发生器加速品质子束，并且开始首次人工原子核反应：
Li + p → 2He 。
1932 年 C.D. Anderson 发现了正电子，中子是由 J.Chadwick 发现的，而氘核是由 H.C. Urey 发现的。1939 年 W.W. Hanson，R. Varian 以及他兄弟 S. Varian 发明了速调管，即斯坦福的 微波管。1941 年 Kerst 和 Serber 完成了首个能用的感应加速器。1941 年 Touschek 和 Wideroe 用公式描述储存环原理。1944 年伊凡宁柯( Ivanenko)和 Pomeranchuk 及 Schwinger 分别地独 立地指出圆型加速器的能量限止来自同步辐射损失。1945 年 Veksler 和 McMillan 独立发现 相聚焦原理。1945 年 Blewett 借助于电子的能量损失从试验上发现了同步辐射。1947 年 Alvarez 在伯克利设计了首个质子直线加速器。1947 年 Ginzton 等在斯坦福借助马克 I 盘荷 加载直线加速器加速电子到 6MeV。1949 年 E.M. McMillan 等进行 320MeV 电子同步加速器 调束。1950 年 Christofilos 用公式描述了强聚焦原理。
导致发现基本粒子及用于这样粒子被加速的思想，是特别重要的里程碑，一次一次地指 出了进一步试验和理论研究的方向。与此相关联的许多历史上的发现导致现代粒子加速器物 理开始于一百五十多年前[1]。
1905 年著名物理学家爱因斯坦(A. Einstein)发表狭义相对论理论之前的近一百年，与原 子物理和电磁场理论相关的物理学取得了重大发展，众多科学家做出了重大发现。1815 年 英国物理学家和化学家 W. Proust，最初未署名提出假设，认为所有原子是由氢原子组成， 因而所有原子都是氢原子重量的整数倍的概念。1839 年 Faraday 发表了他的电性能试验观 察，并描述了发光放电的多种现象。1858 年 Plucker 报告了有关阴极射线的观察和它们在磁 场下的偏转，他发现，光会以同样的螺旋线方向发生偏转，如同安培电流流经电磁铁所发生 的一样，因而正如同他这样称呼的，假设电光仅存在于环境是磁场的条件下。1867 年 L. Lorenz 与 J. C. Maxwell 并行致力于用公式表述推迟势原理的电磁场理论，当时还不是点电 荷的。1869 年 Plucker 的一个学生 Hittorf，开始他的论文时使用了下述语句：“勿庸置疑的， 电学的近代理论中最隐秘的部分是这样的过程，借助此过程会导致电的流动传播在气态体积 中进行”；显然，显示出美丽颜色的丰富多样的发光放电管观察，以及与磁场的复杂作用使 得许多研究人员神魂颠倒。Hittorf 借助于磁场就光在发光放电中的偏转安排了大量的系统试 验，并且修正了 Plucker 所做的重要解释。1871 年 C.F. Varley 提出阴极射线是粒子射线的假 说。1874 年 H. von Helmholtz 提出电的原子结构假说。1883 年 J.C. Maxwell 发表了他的电 学和磁学论文。1883 年 T.A. Edison 发现了热电子发射。1886 年 E. Goldstein 观察到正的电 荷射线，它能够穿过阴极通道发光放电管隔离，因而他称之为 Kanalstratrahlen。1887 年 H. Hertz 发现了电磁波和光电效应。1891 年 G.J. Stoney 引入名称“电子(electron)”。1894 年 P. Lenard 建造放电管，使得阴极射线出射进入大气。1895 年 H.A. Lorentz 用公式描述电子理 论，洛伦兹力等式和洛伦兹收缩。1895 年 W. Rontgen 发现 X 射线。1895 年 Wiedemann 报 导，就一种新的射线以研究电火花，Thomson 解释此射线发射是由于带电粒子与其他原子碰 撞期间发生的加速引起的，计算出每单位时间发射的能量是
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第一章 绪论 内容与目的：针对核技术及应用学科（加速器）学生及其他感兴趣者，主要，
①系统地认识各类加速器的主要组成部分、功能、参数，概念清楚； ②学习加速器的基本理论，线性理论下束流横向运动与纵向运动的稳定性，流强怎样提 高及主要物理参数，在老师指导下能进行简单的计算和设计； ③准备将来从事加速器研究、计算、设计、制造、运行。 基础知识：四大力学，主要是电动力学，特别是微分方程求解，会利用特殊函数。 掌握的几个方面： 1、 基本原理应用； 2、 基本理论，线性理论下的横向运动与纵向运动； 3、 主要类型，有些很少提到； 4、 加速器的新动向、新原理。用的都是国外提出的原理，中国还没有提出过。 5、 通过参观、实习、运行学习。 参考书： 1、 陈佳洱等著，加速器物理基础； 2、 徐建铭著，加速器原理； 3、 王书鸿著，质子直线加速器原理； 4、 姚充国著，电子直线加速器； 5、 M. Livingston, Particle Accelerator, 1962； 6、 J. J. Livingool, Principle of Cyclotron Accelerator； 7、 谢家麟著，加速器与科技创新，2000； 8、 H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics, 1998。 9、 叶铭汉著，静电加速器。 本科生的相关课程，如电磁学（赵凯华著，伯克利教程，科大物理口的教材）、电动力 学（曹昌祺著，郭硕洪著，杰克逊著中文或英文版），研究生的相关课程：高等电动力学。 §1.1 加速器发展概况 带电粒子加速器的发展及其原理，来源于基本物理现象理论与试验的进步。而粒子加速 器试验研究仅起步于上世纪，它依赖于对电磁现象基本物理的理解，这一部分主要是在十九 世纪期间和二十世纪初在理论和试验两方面探索所进行的。在此引言中，我们将简洁地回顾 导致粒子加速器发展、应用的历史，并引入基本定义和支配粒子束流动力学的公式。 §1.1.1 加速器产生的历史背景及其在近代物理学中的作用[1] 粒子加速器的历史与发展，与荷电现象的理解和发现有关，也与灯炮中一些单个粒子所 具有的特殊性质携带的电荷密切相关。据说，诞生于公元前 625 年的希腊哲学家和数学家泰 利斯(Thales of Miles)，首先观察到对琥珀的静电力。用于琥珀的希腊字是 electron 或