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加速器物理学

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

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。

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

22

23e f v

， 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，才可能散射角出现大于二分之π的试验现象。散射公式，

()()2sin 14221θθσ⎟⎠⎞⎜⎝

⎛=m q q 。 (1.1)