環形加速器

加速器（accelerator）是用人工方法把帶電粒子加速到較高能量的裝置。利用這種裝置可以產生各種能量的電子、質子、氘核、α粒子以及其它一些重離子。利用這些直接被加速的帶電粒子與物質相作用，還可以產生多種帶電的和不帶電的次級粒子，像γ粒子、中子及多種介子、超子、反粒子等。當前世界上的加速器大多是能量在100兆電子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用於原子核和核工程研究方面外，大部分用於其他方面，象化學、放射生物學、放射醫學、固體物理等的基礎研究以及工業照相、疾病的診斷和治療、高純物質的活化分析、某些工業產品的輻射處理、農產品及其他食品的輻射處理、模擬宇宙輻射和模擬核爆炸等。數年來還利用加速器原理，製成各種類型的離子注入機。以供半導體工業的雜質摻雜而取代熱擴散的老工藝。使半導體器件的成品率和各項性能指標大大提高。很多老工藝不能實現的新型器件不斷問世，集成電路的集成度因此而大幅度提高。 ^[1] 

自從E.盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的a射線轟擊氮原子首次實現了元素的人工轉變以後，物理學家就認識到要想認識原子核，必須用高速粒子來變革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有幾兆電子伏特（MeV），天然的宇宙射線中粒子的能量雖然很高，但是粒子流極為微弱，例如能量為1014電子伏特（ eV ）的粒子每小時在 1平方米的面積上平均只降臨一個，而且無法支配宇宙射線中粒子的種類、數量和能量，難於開展研究工作。因此為了開展有預期目標的實驗研究，幾十年來人們研製和建造了多種粒子加速器，性能不斷提高。應用粒子加速器發現了絕大部分新的超鈾元素和合成的上千種新的人工放射性核素，並系統深入地研究原子核的基本結構及其變化規律，促使原子核物理學迅速發展成熟起來；高能加速器的發展又使人們發現包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子在內的幾百種粒子，建立粒子物理學。近20多年來，加速器的應用已遠遠超出原子核物理和粒子物理領域，在諸如材料科學、表面物理、分子生物學、光化學等其它科技領域都有着重要應用。在工、農、醫各個領域中加速器廣泛用於同位素生產、腫瘤診斷與治療、射線消毒、無損探傷、高分子輻照聚合、材料輻照改性、離子注入、離子束微量分析以及空間輻射模擬、核爆炸模擬等方面。迄今世界各地建造了數以千計的粒子加速器，其中一小部分用於原子核和粒子物理的基礎研究，它們繼續向提高能量和改善束流品質方向發展；其餘絕大部分都屬於以應用粒子射線技術為主的“小”型加速器。

環形運行軌道可以讓帶電粒子反覆通過同一加速間隙，當在間隙上加載與粒子迴旋週期同步的射頻電場時，粒子能量將能夠得到多次增長。典型的環形加速器如圖所示。Cyclotron和Microtron通常稱為迴旋加速器，利用恆定的偏轉磁場引導粒子束的偏轉，利用恆定的射頻電場對粒子進行加速，其中，Cyclotron通常用於加速離子，Microtron用於加速電子。迴旋加速器中粒子的迴旋半徑隨能量增長而增大，其能量極限主要由偏轉磁鐵體積決定，能量通常較低。現有的高能加速器基本都為同步加速器(Synchrotron)，其偏轉磁場強度隨加速粒子的動量增加而同步增長，粒子運動在穩定的迴旋軌道上，由於偏轉磁鐵可以分解為多個部分，其偏轉半徑可以設計的非常大，從而大幅提高了加速能量的上限。同步的含義有兩層，一是粒子能量的增長要和偏轉磁場強度的增長同步，二是射頻場頻率要和粒子的迴旋頻率同步，這要求同步加速器的偏轉磁場強度、射頻場強度和頻率都要在一定範圍內隨時間進行精確的調整。 ^[2] 

1976年，前蘇聯科學家Kumakhov發現了溝道輻射，同年，Tsyganov預言了可以利用彎晶來控制帶電粒子。1979年，前蘇聯DUBNA聯合核子研究所的科學家們在實驗上首次發現了彎晶溝道現象，並與歐洲核子研究中心(CCERN)和彼得堡的科學家一道對這一現象進行了理論研究。1984年，DUBNA首次實現了對能量為1 GeV的質子束偏轉。1996年，俄國高能物理研究所(IHEP)的科學家們實現了對能量為70 GeV質子束的控制;同時，CERN實現了對能量為120和450 GeV質子束的偏轉；而美國費米國家實驗室(Fermilab)實現了更高能量(900 GeV)的質子束控制。

多年來，彎晶的束流控制技術得到了迅速的發展。早在1989年，IHEP就把這一技術納入了它的科學發展規劃，並在1996年，成功引出能量為70 GeV的質子束時，引出效率達到了85%，而束流強度也達到

particles; 2009年10月投入運行的歐洲粒子加速器LHC也利用了這一引出技術。事實證明，利用彎晶控制正的帶電粒子是非常有效的，只需在束流通道上放上一定長度的常曲率彎晶或變曲率彎晶即可實現對束流的準直、切割、偏轉和引出等。

範麗仙等在經典力學框架內和偶極近似下，引入正弦平方勢，把粒子在彎晶中的運動方程化為具有固定力矩的擺方程。利用Jacobian橢圓函數和橢圓積分分析了系統的相平面特徵。導出了彎晶的最大偏轉能量、退道係數和退道長度。計算結果表明，對於曲率半徑為1 m，能量為1.0 GeV的質子，Si （110）面溝道的引出效率為7000;對於MeV範圍的粒子，退道長度大約是微米量級;對於TeV範圍的粒子，退道長度可達1 m以上。 ^[3] 

當列車行駛速度超過400 km /h後，會產生巨大的氣動阻力、振動和噪聲，不適宜載人運輸，為了克服空氣阻力及傳動摩擦帶來的影響，進一步提高列車的行駛速度，於是將真空管道與磁浮列車結合在一起形成了真空管道磁浮交通系統，該系統最早由美國佛羅里達的機械工程師戴睿·奧斯特研究設計並申請了專利(美國專利號:5950543) 2006年初，西南交通大學以超導與新能源研究開發中心(以下簡稱超導中心)和電氣學院為依託，組建“磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室”，開始了真空管道交通運輸系統的實驗探索研究，真空管道磁浮交通優勢在於具有快速(理論速度可達第一宇宙速度)、方便、節能、安全和現實可行等特點。

為了使單邊長初級直線電機初級便於安裝和維護，對電機初級進行分段加工組裝，當電機採用雙層繞組時，其半填充槽可以通過相鄰初級段進行互補級聯，為了提高整個加速系統的效率和功率因素，降低系統對電源容量的要求，對直線電機進行分段並聯供電控制，通過傳感器檢測列車的位置，對列車行駛經過的直線電機單元段進行供電控制，周大進等將供電部分的單元段認為是直線電機的有效部分，其它未供電定子鐵心僅作為電機的邊界，這樣的分段供電單邊長初級直線電機就可以等效為一個與列車保持相對靜止，而沿着圓環形側掛雙軌做高速環形運動的加速器。 ^[4]