加速器原理-第1章

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.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α粒子和氦的核反应 实验——Li (p,α) 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。
奈辛(G.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 (wrence) 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α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α粒子（ 速度为2×109 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：

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3~7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。

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50~60台，加速器 事业有了一个良好的基础。
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。
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。

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2×6MV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 加速器(HIRFL)、合肥800MeV同步辐射光源 (HESYRL)相继建成。
（3）1945年，前苏联科学家维克斯列尔 (V.I.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。
李温斯顿
Байду номын сангаас
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。
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50～175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。
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子。2011年停止运 行。
1960年意大利科学家陶歇 克(B.Touschek)首次提出 了这项原理，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10～1000TeV，这是加 速器能量发展史上的又一 次根本性的飞跃。
（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。
N p O
14 17
即，α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。
14
N(α，p) O
17
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。
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) 。

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（CSNS ）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
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)，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。
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α粒子加 速到20～50MeV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200~300MeV以上。