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粒子加速器

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粒子加速器(particle accelerator)全名為“荷電粒子加速器”,是使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制電場力加速而達到高能量的特種電磁、高真空裝置。是人為地提供各種高能粒子束或輻射線的現代化裝備 [1] 
日常生活中的常見的粒子加速器有用於電視的陰極射線管X光管等設施。一部分低能加速器用於核科學和核工程,其餘的則廣泛用於化學、物理及生物的基礎研究。一直到輻射化學射線照相活化分析離子注入、射線治療、同位素生產、消毒殺菌、焊接與熔鍊、種子及食品的射線處理以及國防等國民經濟的各個領域 [2] 
自E·盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的α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和粒子進行同步的研究。隨後應用粒子加速器發現了絕大部分新的超鈾元素和合成了上千種新的人工放射性核素高能加速器的發展又使人們發現了包括重子介子輕子和各種共振態粒子在內的幾百種粒子。
中文名
粒子加速器
外文名
particle accelerator
別    名
“荷電粒子加速器”
分    類
迴旋加速器直線加速器
功    能
產生高速帶電粒子
應用領域
放射醫學、材料科學、工農業等
產生時間
1932年

粒子加速器歷史沿革

粒子加速器發展歷程

粒子加速器
粒子加速器(2張)
粒子加速器最初是作為人們探索原子核的重要手段而發展起來的。其發展歷史可以分為三個階段 [1] 
一、早期
1919年,盧瑟福用天然放射源實現了歷史上第一個人工核反應,激發了人們用快速粒子束變革原子核的強烈願望。
1926年,美國古裏奇(Coolidge)用三個X光管串聯獲9×105eV的電子束。
1928年,伽莫夫關於量子隧道效應的計算表明,能量遠低於天然射線的α粒子也有可能透入原子核內。該研究結果進一步增強了人們研製人造快速粒子源的興趣和決心。
1932年,J.D.考克饒夫特(John D. Cockroft)和E.T.瓦爾頓(Earnest T. S. Walton)在England的 Cavendish實驗室開發製造了700kV高壓倍加速器加速質子,即Cockroft-Walton 加速器,實現了第一個由人工加速的粒子引起的Li(p,α)He核反應。由多級電壓分配器(multi-step voltage divider )產生恆定的梯度直流電壓,使離子進行直線加速。
E.盧瑟福 E.盧瑟福
1930年,Earnest.O. Lawrence製作了第一台迴旋加速器,這台加速器的直徑只有10cm。隨後,經M. Stanley Livingston資助,建造了一台25cm直徑的較大回旋加速器,其被加速粒子的能量可達到1MeV。幾年後,他們用由迴旋加速器獲得的4.8MeV氫離子和氘束轟擊靶核產生了高強度的中子束,還首次生產出了
人工放射性核素
1940 由 D. W. Kerst 利用電磁感應產生的渦旋電場發明了新型的加速電子電子感應加速器(Betatrons)。它是加速電子的圓形加速器。與迴旋加速器的不同之處是通過增加穿過電子軌道的磁通量(magnetic flux )完成對電子的加速作用,電子在固定的軌道中運行。在該加速器中,必須和處理電子的相對論作用一樣來處理由輻射而丟失的能量。所有被加速的粒子輻射電磁能,並且在一定動能範圍內,被加速電子的輻射損失能量比質子的多。這種丟失的輻射能同步加速輻射。因此,電子感應加速器的最大能量限制在幾百MeV內。
在這期間,早期直線共振加速器也曾被研製,但未獲進一步發展。
二、中期
1944至1945年間,美國姆克米蘭(Mcmillan)和蘇聯的維克斯勒(B.M.Bekcnep)先後幾乎同時獨立地發現了準共振加速器以之為基礎的“自動穩相原理”,使各類準共振加速器在近似共振的迴旋加速器的基礎上迅速地向前推進。
1946年,第一台穩相加速器在美國伯克利(Berkley)建成,獲能量為1.9×108eV的氘核和3.8×108eV的口粒子。至60年代,該類加速器的最高能量被提高到109eV。
1947年,美國綜合電氣研究實驗室率先建成7×107eV電子同步加速器。往後該類同步加速器的最高加速能量被提高到1.2×109eV水平。
1952年,美國布魯克海文(Brookhaven)國家實驗室最早建成能量為3×109eV的質子同步加速器(即同步穩相加速器),定名為“宇宙加速器”(Cosmotron)。
至1958年,蘇聯把該類加速器能量提高到1010eV水平,軌道半徑為28m,磁鐵重量達3.6×107kg,是迄今為止世界上最重的加速器。
與此同時,在二次世界大戰後,隨着雷達技術的發展,高頻和微波技術有了很大發展,駐波型和行波型的直線共振加速器也有了新的突破。
1947年,美國伯克利實驗室在阿爾伐瑞茲(Alvarez)領導下建成3.2×107eV質子駐波直線加速器
最早的電子行波直線加速器是在英國Harwell建成的,能量為4MeV。60年代初,英國最先將電子直線加速器用於癌症治療。隨後,美國致力於該類加速器的研製,斯坦福(Standford)電子直線加速器中心,於1966年建成能量為2.2×1010eV的電子行波直線加速器,加速器總長達3km,是迄今能量最高的直線共振加速器。
三、近期
1952年,美國布魯克海文國家實驗室古蘭特(Courant)、裏文斯頓(Livingston)、斯內德(Snyder)等人提出了交變梯度聚焦(AG聚焦,Alternating Gradient Focusing)的原理,受到人們的重視。這以前,一位希臘工程師克利斯多菲勒斯(N.C.ChristofilOS)早於1950年就已寫出了一份未發表的名為“磁共振加速器中離子和電子的聚焦系統”的報告,闡述了強聚焦原理。之後他應邀赴美國,與裏文斯頓等人合作進行了強聚焦同步加速器的研究。
粒子加速器 粒子加速器
1959年,日內瓦西歐原子核研究中一L,(CERN)最早建成30×109eV強聚焦質子同步加速器。1972年,美國建成500×109eV強聚焦質子同步加速器,西歐中心則於1976年建成能量為400×109eV的同類加速器,簡稱SPS。上述兩台加速器自建成起,直至80年代末,長期保持其最高能量加速器的世界領先地位。至今,應用強聚焦原理的電子同步加速器,最高能量則可達12×109eV。
60年代末至70年代初,人們進一步創造性地運用相對論原理的粒子對撞機得到了迅速發展,這使提供給粒子的有效作用能量得以提高几個數量級之多。最早的對撞機是意大利於1969年建成的,它是一台名為ADoNE的直線加速器型電子對撞機,加速的電子能量為1.5×109eV。美、法等國隨後建成同類對撞機。70年代初期,蘇聯、西德等國率先相繼建成能量更高的電子同步加速器型對撞機 [2] 

粒子加速器中國發展

在我國,加速器事業是隨着原子能事業的發展,自50年代後期開始發展的。
1956年以後清華、北大等某些高等院校相繼設置加速器專業,或招收加速器研究生。 建立最早的加速器是科學院原子能所於1955年建成的700keV質子靜電加速器
1958年開始,我國加速器事業進入新的發展階段
1958年科學院高能所2.5MeV質子靜電加速器建成。
1961年上海先鋒電機廠開始試製並投產靜電加速器。
1958年清華大學建成400keV質子倍壓加速器。
1964年上海先鋒廠開始試製並投產倍壓加速器。 .
·感應加速器: .
1957—1958年:清華、北大分別引進蘇聯造25MeV電子感應加速器。並自力更生研 制2.5MeV、10MeV感應加速器。
60年代初,一機部自動化所研製25MeV電子感應加速器取得成功,70年代轉由保定變壓器廠投產。
·電子迴旋加速器:
1957年前後,科學院開始研製電子迴旋加速器。
1958—1959年,清華大學2.5MeV電子迴旋加速器出束。
70年代末至80年代初一機部自動化所與清華大學、國家計量局合作研製25MeV電子迴旋加速器成功。
·電子直線加速器:
1964年科學院高能所30MeV電子直線加速器建成。
1974—1975年初:北京(北京醫療器械研究所、清華大學)、上海(上海醫療器械廠、高能所)各自研製的10MeV醫用電子行波直線加速器相繼成功出束。
1977年:上述加速器通過鑑定後,北京醫療器械研究所、上海醫療器械廠、南京電子管廠、四川東風電機廠、四機部十二所開始小批量生產或研製醫用和工業用電子行波直線加速器 [2]  。·
迴旋加速器:
1958年:原子能所自蘇聯引進磁極直徑聲1.2m迴旋加速器。
60年代初:先後由北京重型電機廠、上海先鋒電機廠仿製聲1.2m與聲1.5m迴旋加速器。
我國第一台籌建的高能加速器——50×109eV強聚焦質子同步加速器曾於1977年由高能所全面開展預製研究,後經計劃調整,改為建造2X 2.8X109eV正負電子對撞機,1988年秋宣告建成。原設計作為注入器的’30MeV質子直線加速器,則仍按期於1986年建成。
我國最早起步的同步輻射加速器由200MeV電子直線加速器和800MeV儲存環組成,由中國科技大學設計並建造,於1989年春建成出光。
蘭州近代物理研究所用於加速重離子的分離扇型迴旋加速器也已於1988年底建成。
粒子加速器 粒子加速器
1982年
中國第一台自行設計、製造的質子直線加速器首次引出能量為10MeV的質子束流,脈衝流達到14mA.
1988年
北京正負電子對撞機實現正負電子對撞。
蘭州近代物理研究所用於加速器重離子的分離扇形迴旋加速器(HIRFL)建成。
1989年
粒子加速器 粒子加速器
北京譜儀推至對撞點上,開始總體檢驗,用已獲得的巴巴事例進行刻度。北京譜儀開始物理工作。中國科技大學設計的我國最早起步的同步輻射加速器建成出光,它由200MeV電子直線加速器和800MeV儲存環組成。
2004年
北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)第一階段設備安裝和調試工作取得重大進展。同年11月19日16時41分,直線加速器控制室的示波器上顯示出的電子束流流強約為2A以上,標誌着BEPCⅡ直線加速器的改進工作取得一個重要的階段性成果。
2005年
北京正負電子對撞機(BEPC)正式結束運行。投資6.4億元的北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)第二階段——新的雙環正負電子對撞機儲存環的改建工程施工正式開始。新北京正負電子對撞機的性能將是美國同一類裝置的3~7倍,對研究體積為原子核一億分之一的夸克粒子等基礎科研具有重要意義。
2015年
2015年10月,中科院高能物理研究所宣佈中國將於2020年至2025年間開始建造世界最大粒子加速器,這項安裝將可讓科學家們能更多瞭解宇宙的運作。這項計劃的最終概念將在2016年底完成。LHC強子對撞機產生了希格斯玻色子,以及還有許多其他種類的粒子。而中國建造的粒子加速器將創造出一個能單單產出希格斯玻色子的高純度環境。

粒子加速器研究目的

二十世紀80年代以來,中國陸續建設了四大高能物理研究裝置――北京正負電子對撞機蘭州重離子加速器合肥同步輻射裝置。2000年以後,國家和地方政府合作,花費14億元之巨興建了大科學裝置上海同步輻射光源。為什麼國家要花費如此巨資,建設這高能物理研究裝置呢?
粒子加速器 粒子加速器
隨着科學技術的發展,人類對物質結構的認識是從一開始看到身邊的各種物質逐漸發展到藉助放大鏡、顯微鏡、直到後來的粒子加速器、電子對撞機等,逐步深入到細胞、分子、原子和原子核深層次,每深入一步都會帶來巨大的社會效益經濟效益。原子核及其核外電子的發現,帶動了無線電、半導體、電視、雷達、激光、 X光的發展,而近幾十年對原子核的研究,則為原子能的利用奠定了理論基礎。
要想了解物質的微觀結構,首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被測物質,加速器使用電磁力加速帶電粒子, 由此產生的粒子束可沿設定的方向運動。當移動着的帶電粒子經過某個原子時, 就能與原子中的電子相互作用, 改變其運行軌道和連結方式,導致一些化合物分解並與其他元素結合而形成新的聚合物 [3]  ,進而使我們瞭解物質的基本性質。一直以來科學家們都致力於粒子加速器小型化,軍事學家則希望製成能擊穿鋼鐵的粒子槍

粒子加速器結構

粒子加速器的結構一般包括3個主要部分 :
①粒子源,用以提供所需加速的粒子,有電子、正電子、質子、反質子以及重離子等等。
②真空加速系統,其中有一定形態的加速電場,並且為了使粒子在不受空氣中的分子散射的影響的條件下加速 ,整個系統放在真空度極高的真空室內。
③導引、聚焦系統,用一定形態的電磁場來引導並約束被加速的粒子束,使之沿預定軌道接受電場的加速。所有這些都要求高、精、尖技術的綜合和配合。
加速器的效能指標是粒子所能達到的能量和粒子流的強度(流強)。按照粒子能量的大小,加速器可分為低能加速器(能量小於10^8eV)、中能加速器(能量在10^8~10^9eV)、高能加速器(能量在10^9~10^12eV)和超高能加速器(能量在10^12eV以上)。低能和中能加速器主要用於各種實際應用。

粒子加速器分類

加速器的種類繁多,世界上已建成或曾着手研製的不下數十種。其中的已被淘汰,有的還不成熟。被廣泛採用和定型的則有十餘種,它們的特點各有不同,可按不同的原則加以分類 [1] 
1.按加速粒子種類分:
(2)離子加速器、重離子加速器;
(3)任意帶電粒子或全粒子加速器。
2.按粒子運動軌道形狀分:
直線加速器
(1)直線加速器;
(2)迴旋加速器;
3.按加速電場種類分:
(2)感應加速器;
(3)高頻共振加速器。
4.按聚焦方式分:
(1)常規弱聚焦加速器;
高壓加速器 高壓加速器
(2)強聚焦加速器(超導或非超導磁體)。
5.按加速粒子能量範圍分:
(1)低能加速器 <106eV
(2)中能加速器 106~109eV
(3)高能加速器 109~1012eV
(4)超高能加速器 >1012eV
6.按束流強度分為強流、中流或弱流加速器。
以平均束流強度I計,一般大體上可以分為以下檔次:
強束流: >1A
超級粒子加速器 超級粒子加速器
較強流: 1—103mA
中等流: 101~103μA
弱束流: 1—101uA
甚弱流: <1μA

粒子加速器粒子運行方式

粒子運行方式有:直線、迴旋、螺旋、自動穩向機制等。
利用直線加速器加速帶電粒子時,粒子是沿着一條近於直線的軌道運動和被逐級加速的,因此當需要很高的能量時,加速器的直線距離會很長。有什麼辦法來大幅度地減小加速器的尺寸嗎?辦法説起來也很簡單,如果把直線軌道改成圓形軌道或者螺旋形軌道,一圈一圈地反覆加速,這樣也可以逐級諧振加速到很高的能量,而加速器的尺寸也可以大大地縮減。
1930年E.O.勞倫斯在直線加速器諧振加速工作原理的啓發下,提出了研製迴旋加速器的建議。勞倫斯建議在迴旋加速器裏增加兩個半圓形磁場,使帶電粒子不再沿着直線運動,而沿着近似於平面螺旋線的軌道運動,這種改造使得加速器的電場不至於如此之長而導致電場能損失,是一個極富設想的設計發明。1931年建成了第一台迴旋加速器,磁極直徑約10釐米,用2千伏的加速電壓工作,把氘核加速到80keV,證實了迴旋加速器的工作原理是可行的。在1932年又建成了磁極直徑為27釐米的迴旋加速器,可以把質子加速到1MeV。
迴旋加速器的電磁鐵的磁極是圓柱形的,兩個磁極之間形成接近均勻分佈的主導磁場。磁場是恆定的,不隨時間而變化。在磁場作用下,帶電粒子沿着圓弧軌道運動,粒子能量不斷地提高,軌道的曲率半徑也不
SLAC的直線加速器中電子槍的原理圖 SLAC的直線加速器中電子槍的原理圖
斷地提高,運動軌道近似於一條平面螺旋線
兩個磁極之間是真空室。裏面裝有兩個半圓形空盒狀的金屬電極,通稱為“D形電極”。D形電極接在高頻電源的輸出端上,2個D形電極之間的空隙(加速間隙)有高頻電場產生。粒子源安裝在真空室中心的加速間隙中。D形電極內部沒有高頻電場,粒子進入D形電極之內就不再被加速,在恆定的主導磁場作用下做圓周運動。只要粒子迴旋半圓的時間等於加速電壓半週期的奇整數倍,就能夠得到諧振加速。用一個表達式可以表示成:
Tc=KTrt
式中Tc是粒子的迴旋週期,Trt是加速電壓的週期,K應該是奇整數。
這類利用軸向磁場使帶電粒子做迴旋運動,週期性地通過高頻電場加速粒子的迴旋加速器又可以分為兩類:
粒子加速器 粒子加速器
第一類是沒有自動穩相機制的。等時性迴旋加速器就是屬於這一類。D形電極間加有頻率固定的高頻加速電場,粒子能量低時,迴旋頻率能保持與高頻電場諧振,而當能量高時,粒子的迴旋頻率會隨着能量的提高而越來越低於高頻電場頻率,最終不能再被諧振加速。為了克服這個困難,可以使磁場沿半徑方向逐步增加,以保持粒子的迴旋頻率恆定。然而磁場沿半徑方向遞增卻又導致粒子束流軸向散開。為解決這一矛盾,60年代初研製成功了扇形聚焦迴旋加速器,在磁極上巧妙地裝上邊界彎曲成螺旋狀的扇形鐵板,它可以產生沿方位角變化的磁場,即使加速粒子軸向聚焦,又使磁場隨半徑增大而提高,保證粒子的旋轉頻率不變,即旋轉一週的時間不變,因此被稱為等時性迴旋加速器。
第二類是有自動穩相機制的。屬於這一類型的加速器有:(1)穩相加速器;(2)同步加速器;(3)迴旋加速器

粒子加速器穩相

SLD事件的示意圖 SLD事件的示意圖
軸向磁場保持恆定,而使高頻加速電場的頻率隨着粒子迴旋頻率的降低而同步降低,從而使帶電粒子仍能繼續被諧振加速。這類加速器又名調頻迴旋加速器或穩相加速器。採用自動穩相機制以後,在理論上可以將質子加速到無限高的能量,然而由於技術上和經濟上的原因,歷史上最大的穩相加速器的能量只達到700MeV。這一類型的加速器用來加速質子,有的用於加速摻氘核、α粒子甚至氮離子。

粒子加速器同步

它的主導磁場是隨時間改變的以保證帶電粒子在恆定軌道上回旋。為此,磁鐵做成環形的,可使磁鐵重量減輕。加速電場是交變的,其頻率隨着帶電粒子迴旋頻率的改變而改變,以保證諧振加速。同步加速器既能加速電子,稱為電子同步加速器;又能用於加速質子,稱為質子同步加速器或同步穩相加速器。用於加速重離子的同步加速器,顧名思義應稱為重離子同步加速器。

粒子加速器迴旋

又稱為微波迴旋加速器,專門用於加速電子。這一類型的加速器中,軸向磁場是均勻的,加速電場的頻率也是恆定的,而所不同的是讓加速間隙位於磁極的一端,電子的軌道為一系列與加速間隙中心線相切的圓。圖2.5是電子迴旋加速器電子軌道示意圖。電子每回旋一圈,就被加速一次,只要迴旋週期等於加速電壓週期的整數倍,就有可能進行諧振加速。電子迴旋加速器的能量都不是很高,最大的也不過幾十MeV,束流強度為30~120微安,大多數用於醫療和射線劑量學等方面。

粒子加速器環形

粒子加速器 粒子加速器
被加速的粒子以一定的能量在一圓形結構裏運動,粒子運行的圓形軌道是由磁偶極(dipole magnet)所控制。和直線加速器(Linac)不一樣,環形加速器的結構可以持續地將粒子加速,粒子會重複經過圓形軌道上的同一點,但是粒子的能量會以同步輻射方式發散出去。
同步輻射是當任何帶電粒子加速時,所發出的一種電磁輻射。粒子在圓形軌道里運動時都有一個向心加速度,會讓粒子持續輻射。此時必須提供電場加速以補充所損失的能量。同步輻射是一種高功率的輻射,加速器將電子加速以產生同相位的X光。
除了加速電子以外也有些加速器加速較重的離子,如質子,以運作更高的能量領域的研究。譬如高能物理對於夸克膠子的研究分析。
最早的環形加速器為 粒子迴旋加速器,1932年由 恩奈斯特·勞倫斯(en:Ernest O. Lawrence)所發明。粒子迴旋加速器有一對半圓形(D形)的中空盒子,以固定頻率變換電場,用以加速帶電粒子;以及一組磁偶極提供磁場使運動粒子轉彎。帶電粒子從盒子的圓心地方開始加速,然後依螺旋狀軌跡運動至盒子邊緣。
粒子迴旋加速器有其能量限制,因為 特殊相對論效應會使得高速下的粒子質量改變。粒子的核質比與迴旋頻率間的關係因此改變,許多參數需重新計算。當粒子速度接近光速時,粒子迴旋加速器需提供更多的能量才有可能讓粒子繼續運行,而這時可能已經達到粒子迴旋加速器機械上的極限。
當電子能量到達約十個百萬電子伏特(10 MeV)時,原本的粒子迴旋加速器無法對電子再做加速。必須用其它方法,如 同步粒子迴旋加速器和 等時粒子迴旋加速器的使用。這些加速器適用於較高的能量,而不用於較低的能量。
如果要到達更高的能量,約十億電子伏特(billion eV or GeV),必須使用同步加速器。同步加速器將粒子置於環形的真空管中,稱為儲存環。儲存環有許多的磁鐵裝置用以聚焦粒子以及讓粒子在儲存環中轉彎,用微波(高頻)共振腔提供電場將粒子加速。

粒子加速器直線

粒子加速器 粒子加速器
帶電粒子在直線中加速,運行到加速器的末端。較低能量的加速器例如陰極射線管X光產生器,使用約數千伏特的直流電壓(DC)差的一對電極板。在X光產生器的靶本身是其中一個電極。 此加速方式由Leó Szilárd提出,最後由Rolf Widerøe在1928年成功做出第一台實驗裝置。較高能的直線加速器使用在一直線上排列的電極板組合來提供加速電場。當帶電粒子接近其中一個電極板時,電極板上帶有相反電性的電荷以吸引帶電粒子。當帶電粒子通過電極板時,電極板上變成帶有相同電性的電荷以排斥推動帶電粒子到下一個電極板。為了能讓粒子持續加速通過,科學家通常會把電極版設計成電極環。 所以帶電粒子束加速時,必須小心控制每一個環上的交流(AC)電壓,讓每一個帶電粒子束可以持續加速。由於粒子速度越來越快,要保持電場加速粒子效率,電擊環的長度必須越來越長使電場作用在粒子的時間提高。為了保持粒子運動軌跡的穩定性,通常會使用一連串的四極電磁鐵(Quadrupole magnets)強制讓粒子束往中心方向聚集。
當粒子接近光速時,會由於相對論效應粒子會將電能轉成質能,電場的轉換速率必須變得相當高以抵抗相對論效應,須使用微波(高頻)共振腔來運作加速電場。 直線加速器由於高電壓的運作,會使儀器表面有感應電荷存在,這不只會造成實驗誤差更造成安全上的漏電,甚至這些在金屬儀器表面的電能會轉成更危險的熱能,這造成了直線加速器必須有極限電壓以保安全。加上儀器尺寸過大,高電壓運作的電費更是一大負擔。於是在直線加速器之後,科學家基於成本和安全要求發明了迴旋加速器(Cyclotron)。 (Ernest Lawrence發明了迴旋加速器並在1939年榮獲諾貝爾物理獎)
雖然直線加速器有成本和安全的缺點,但是和現今的粒子加速器比較的話,它還是有高功率(短時間將粒子加速到相對論狀態)和高數量輸出的優點。 直線加速器也被稱為Linac(LinearAccelerator的簡稱)。

粒子加速器實驗裝置

北京正負電子對撞機
北京正負電子對撞機是一台可以使正、負兩個電子束在同一個環裏沿着相反的方向加速,並在指定的地點發生對頭碰撞的高能物理實驗裝置。由於磁場的作用,正負電子進入環後,在電子計算機控制下,沿指定軌道運動,在環內指定區域產生對撞,從而發生高能反應。然後用一台大型粒子探測器,分辨對撞後產生的帶電粒子及其衍變產物,把取出的電子信號輸入計算機進行處理。它始建於1984年10月7日,1988年10月建成,包括正負電子對撞機、北京譜儀(大型粒子探測器)和北京同步輻射裝置
北京正負電子對撞機的建成,為中國粒子物理同步輻射應用研究開闢了廣闊的前景。它的主要性能指標達到80年代國際先進水平,一些性能指標迄今仍然是國際同類裝置的最好水平。 而且中美科學家還於2003年7月30日在北京正負電子對撞機上首次發現一個新粒子,中美科學家合作分析研究從對撞機上得到的5800萬個J粒子事例的數據時,發現了這個新的短壽命粒子。這可能是幾十年前由科學家費米和楊振寧預言的多夸克態粒子。
上海同步輻射光源
上海光源是一台高性能的中能第三代同步輻射光源,它的英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation Facility,簡稱SSRF。它是中國迄今為止最大的大科學裝置和大科學平台,在科學界和工業界有着廣泛的應用價值,每天能容納數百名來自全國或全世界不同學科、不同領域的科學家和工程師在這裏進行基礎研究技術開發
蘭州重離子加速器
蘭州重離子加速器蘭州重離子加速器是中國自行研製的第一台重離子加速器,同時也是我國能量最高、可加速的粒子種類最多、規模最大的重離子加速器,是世界上繼法國、日本之後的第三台同類大型迴旋加速器,1989年H月投入正式運行,主要指標達到國際先進水平。中科院近代物理研究所的科研人員以創新的物理思想,利用這台加速器成功地合成和研究了10餘種新核素。
合肥同步輻射裝置
粒子加速器 粒子加速器
中國科學技術大學國家同步輻射實驗室 合肥同步輻射裝置主要研究粒子加速器後光譜的結構和變化,從而推知這些粒子的基本性質。它始建於1984年4月,1989年4月26日正式建成,經過兩次改造,迄今已建成數十個個實驗站,接待了大量國內外用户,取得了一批有價值的成果。
大型強子對撞器
世界上最大、能量最高的粒子加速器——大型強子對撞器(Large Hadron Collider,簡稱LHC [4] 
大型強子對撞器(Large Hadron Collider,LHC),是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機,作為國際高能物理學研究之用。(全球定位點:北緯46°14′00″,東經6°03′00″46.233333333333;6.05) LHC已經建造完成,北京時間2008年9月10日下午15:30正式開始運作,成為世界上最大的粒子加速器設施。但在2008年9月19日,LHC第三與第四段之間用來冷卻超導磁鐵液態氦發生了嚴重的泄漏,導致對撞機暫停運轉。LHC是一個國際合作的計劃,由34國超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室,所共同出資合作興建的。
激光粒子加速器
激光粒子加速器 激光粒子加速器
美國科學家Tomas Plettner在出版的《物理評論快報》上報告,他和斯坦福大學、斯坦福線形加速器中心(SLAC)的同事一起,用一種波長800納米的商用激光調節真空中運行的電子的能量,獲得了和每米遞減4千萬伏的電場一樣的調製效果。這一技術有望發展成新型激光粒子加速器,用來將粒子加速到Tev(萬億電子伏)的量級。
傳統的加速器必須做成幾百米甚至更長的龐然大物,以將粒子能量提升到粒子物理學家所需的程度。幾年來,科學家發展出一種主要基於激光等離子體的技術,可獲得比傳統加速器更高的加速梯度,從而為縮短加速度的長度帶來可能。然而,之前的一些技術往往導致同步加速器的輻射損失或降低粒子束的質量,限制了其對粒子物理學家的吸引力。
斯坦福大學研究小組開發的新方法,在用激光束加速的同時,施加一個和激光同向的縱向電場,形成疊加的加速效果。電子獲得的能量自然等於縱向電場和激光束單獨作用施加能量之和。該裝置在真空中加速電子,而不是在複雜得多的等離子體環境中。
粒子加速器 粒子加速器
在自然空間,激光的相位速度——單一波長光的傳播速度——比電子的速度低,因此不會影響加速效果。然而,Plettner和同事用一種鍍金的帶狀聚合物,在電子束和光束互相作用的點上設置一條“邊界線”;該線減輕了電子束和光束之間的相互影響,使兩者之間產生電子加速所需的能量交換,從而克服了這個問題。
“這項工作最初、最主要的動機是想探索開發粒子加速器的可能性,從而把現有直線加速器的長度縮減一個數量級。”Plettner説,“這將導致碰撞能達1Tev甚至更高的‘緊湊’型高亮度輕子碰撞的出現。”據悉,新方法還可能導致小型X射線源技術的發展。

粒子加速器作用方式

高能加速器條件下的有關物質結構的研究,本質上是有關自然狀態下自然能團(或能簇、能子)之間的能態在量方面的相對變(轉化)關係。
從弧理論的觀念來看,利用高能加速器等方法來轟擊類弧子結構(原子)的條件下,可得到弱相互作用關係:1、對稱理論(普遍的對稱性理論)2、非對稱性理論,特殊條件下得之。如果轟擊能子(弧合子,次原子結構),則得到強相互作用關係:漸近自由 理論等。
為什麼?
上述兩種作用均發生在能態層面而非物質態的層面;屬能簇與能簇之間的關係。
粒子加速器 粒子加速器
弱相互作用:任何外來能團轟擊類弧子結構時,沿時軸方向進入類弧子(從能量到能量)時,外加能量在進入類弧子結果體時,便會發生弧合作用而產生出對稱弧合,對外顯示出釋放了兩個旋向相反,質量相等能團,即對稱性弧合反應。外加能量的能量級被限制在被轟擊的類弧子的時軸的能量(假設等於1)範圍內:小於0,大於1時,均不能產生出成對的能粒子。只有在< 1, >0 的條件下,才可以生成亞粒子;在此層面上可以產生出許多亞粒子,理論上是無限多。
非對稱弱相互作用:如果外加能量與類弧子的空間軸水平進入系統時,由於時間軸在空間軸上的非對稱性(1/3),所有弱相互作用均發生在類弧子結構的能量交換過程中,本質上是對自然本在能態的一種人工擾動, 並非是物質的結構性改變。類弧子結構是一種能態轉化過程中的普遍存在的剛性結構。當外加能量進入時,這些外加能量就被“訓化”了,形成適當的次粒子並被釋放出來。這些過程是可以反覆和重演的。一切自然能態在其能量發生相互轉化時的唯一結構體,即類弧子體。弱相互作用實際上是人工條件下對類弧子體的干擾性的物理學觀察結果。自然能態猶如平靜的湖面,人為的力量弄起了幾絲漣紋;當這些人工干擾停頓 時,自然能態將恢復如初,並未發生絲毫的改變。人們總結出來的理論或規律,僅僅是有關那幾絲漣紋的觀察結果。對於自然的能本態或物質性結構仍是一無所知。
與此不同的強相互作用則全部發生在能態的能子層面(狀態)。能子狀態的統一結構體,即絕對弧子。其時空軸絕對同一,組成絕對弧合子的最小能量子單位,現代人稱為強子。強相互作用就是研究絕對弧合子能量單元之間的關係。這裏,要求人工能量要有極高的能級狀態,使用很高能量時才能激發這種相互作用。強相互作用對外不顯示任何新粒子產生或亞粒子對產生;也就是説,如果產生的話,則是碰撞能量的轉化形式。怎樣轉化僅僅取決於絕對弧合子吸收人工外加能量的量值。通常情況下不產生。多以光子形式被釋放掉,壽命極短。
絕對弧子好比佈滿麻點的皮球,其麻點對應最小能單位,在無外加能量時,每個麻點的“位置”是同一的,即自由的,任意方位均可“看”到同一個麻點的存在。對其施加外力(外加能量)時,球面將會發生塌陷,此時塌陷邊緣上對稱的麻點發生對稱性的背離運動,似乎被分開了。由於絕對弧子自身的穩定性,也即對人工能量的排斥性,看起來似乎是兩個麻點拼命想恢復原狀,給的力越大,凹陷越大,回彈性就越強;凹陷越小,回彈性越弱,按照現代物理學的觀點理解,即漸近自由。這些實為假象(人工製造的假象)。
概括而論,弱相互作用及其規律以及強相互作用及其規律,例如楊振寧等的非對稱性弱相互作用理論和戴維·羅斯、戴維·利策和弗蘭克·爾切克等的強相互作用理論,漸近自由理論都是建立在人工作用條件下的,描述自然本態在被幹擾時所發生現象的物理認識理論,而非自然本態的物理理論。其根本錯誤在於自然認識觀是錯誤的,唯有弧理論可以正確概括和闡述各種自然的本態結構。

粒子加速器加速能量

粒子加速器 粒子加速器
從20世紀30年代到50年代後半期的20年時間裏,加速器的能量增加了幾百倍到幾千倍。這是因為要發現基本粒子。除了到宇宙線中去尋找外,就得到原子核內部去尋找。原子核內部存在非常強大的作用力,即:核力(nuclear force)把基本粒子緊緊地結合在一起,因此研究基本粒子需要很大的能量。隨着加速器能量的增加,在實驗室中所發現的基本粒子數目也增多了。
粒子加速器的規模已有小於一個大型機器製造廠,其用電量相當於一個中等城市,工作人員可達數千人,有宇宙粒子製造廠之稱。但是,儘管今日粒子加速器能量已經夠大的了,可它仍然遠遠不能適應探索原子奧秘的要求,因此隨着人們對原子奧秘探索的深入,粒子加速器仍會不斷地改進。
為止,粒子加速器的最高能量是由歐洲大型強子對撞機LHC產生的。兩束能量為3.5Tev的質子束相互碰撞,能量高達7TeV。

粒子加速器應用

應用加速器產生的電子束或X射線進行輻照加工已成為化工、電力、食品、環保等行業生產的重要手段和工藝,是一種新的加工技術工藝。它廣泛應用於聚合物交聯改性、塗層固化、聚乙烯發泡、熱收縮材料、半導體改性、木材-塑料複合材料製備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脱硫脱硝等加工過程。
經輻照生產的產品具有許多優良的特點,例如:輻照交聯聚乙烯電纜經105Gy劑量輻照後,其電學性能、熱性能都有很大提高,使用温度輻照前為60~70℃,輻照後長期使用温度可達120℃以上。我國已有用加速器進行輻照加工的生產線200多條。

粒子加速器無損檢測

無損檢測就是在不損傷和不破壞材料、製品或構件的情況下,就能檢測出它們內部的情況,判別內部有無缺陷。現代無損檢測的方法很多,例如:超聲波探傷法渦流探傷法熒光探傷法射線檢測法等。射線檢測法即可檢查工件表面又可檢查工件內部的缺陷。設備可以採用放射性同位素Co60產生的γ射線、X光機產生的低能X射線和電子加速器產生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領和靈敏度高,作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗證手段及在質量控制中,在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器反應堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗中得到廣泛的應用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機型。
射線檢測的方法根據對透過工件的射線接受和處理方法的不同,又可把射線檢測法分為三種:
這種方法與我們體檢時拍X光膠片相似,射線接受器是X光膠片。探傷時,將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件背後,用X射線對工件照射後,透過工件的射線使膠片感光,同時工件內部的真實情況就反映到膠片的乳膠上,對感光後的膠片進行處理後,就可以清楚地瞭解工件有無缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。
這種方法的射線接受器是陣列探測器或熒光增感屏。前者就是清華大學清華同方共同研製生產的大型集裝箱檢查系列產品。後者就是用於機場、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統,也可用於工業的無損檢測。這種方法配以圖像處理系統可以在線實時顯示物品內部的真實情況。
與醫用CT原理類似,CT技術即計算機輔助層析成像技術。選用加速器作為X射線源的CT技術是一種先進的無損檢測手段,主要針對大型固體火箭發動機和精密工件的檢測而發展起來。它的密度分辨率可達0.1%,比常規射線技術高一個數量級。在航天、航空、兵器、汽車製造等領域精密工件的缺陷檢測、尺寸測量、裝配結構分析等方面有重要的應用價值。

粒子加速器離子注入

利用加速器將一定能量的離子注入到固體材料的表層,可以獲得良好的物理、化學及電學性能。半導體器件金屬材料改性和大規模集成電路生產都應用了離子注入技術。我國現擁有各類離子注入機100多台。其中我國自己累計生產出140多台離子注入機,能量為150KeV~600KeV(1KeV=1×103eV),流強為0.5mA到十幾mA。
1.2 低能加速器在農業中的應用
作為核技術應用裝備的加速器在農業上的應用,在一些國家普遍使用已有明顯經濟效益的主要有三方面:
1)輻照育種
加速器在輻照育種中的應用,主要是利用它產生的高能電子、X射線、快中子或質子照射作物的種子、芽、胚胎或穀物花粉等,改變農作物的遺傳特性,使它們沿優化方向發展。通過輻射誘變選育良種,在提高產量、改進品質、縮短生長期、增強抗逆性等方面起了顯著作用。馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、大豆等作物經過輻照育種後可具有高產、早熟、矮杆及抗病蟲害等優點。
2)輻照保鮮
輻照保鮮是繼熱處理、脱水、冷藏、化學加工等傳統的保鮮方法之後,發展起來的一種新保鮮技術。例如,對馬鈴薯、大蒜、洋葱等經過輻照處理,可抑制其發芽,延長貯存期;對乾鮮水果、蘑菇香腸等經過輻照處理,可延長供應期和貨架期
3)輻照殺蟲、滅菌
在農產品、食品等殺蟲滅菌普遍使用化學燻蒸法,由於使用溴甲烷環氧乙烷等化學燻蒸法引起的殘留毒性、破壞大氣臭氧層等原因,根據蒙特利爾公約,到2005年要在全球範圍內禁止使用溴甲烷。因而利用加速器進行農產品、食品等輻照殺蟲、滅菌得以迅速發展。利用加速器產生的高能電子或X射線可以殺死農產品、食品中的寄生蟲和致病菌,這不僅可減少食品因腐敗和蟲害造成的損失,而且可提高食品的衞生檔次和附加值

粒子加速器醫療衞生

隨着科學技術的進步,人民生活和質量的提高,人們對醫療衞生條件提出了更高的要求。而加速器在醫療衞生中的應用促進了醫學的發展和人類壽命的延長。加速器在醫療衞生方面的應用主要有三個方面,即放射治療、醫用同位素生產以及醫療器械、醫療用品和藥品的消毒。
1) 放射治療
用於惡性腫瘤放射治療(簡稱放療)的醫用加速器是當今世界範圍內,在加速器的各種應用領域中數量最大、技術最為成熟的一種。
用於放療的加速器由50年代的感應加速器,到60年代發展了醫用電子迴旋加速器,進入70年代醫用電子直線加速器逐步佔據了主導地位。,世界上約有3000多台醫用電子直線加速器裝備在世界各地的醫院裏。
除了應用加速器產生的電子線、X射線進行放療外,還可應用加速器進行質子放療、中子放療、重離子放療π介子放療等,這些治癌方法還處在實驗階段,實驗的結果表明,療效顯着。但這些加速器比電子直線加速器能量高得多,結構複雜得多,價格昂貴得多,尚未普及。
利用電子直線加速器開展立體定向放療,俗稱X—刀,發展的新的放療技術。這種技術與常規放療相比,可多保護15%~20%的正常組織,而腫瘤增加20%~40%的劑量,可更有效地殺滅癌細胞,從而增加放療療效。
60年代我國醫院裝備了醫用感應加速器,70年代中期醫用電子直線加速器開始裝備我國各地醫院。截止到2000年初,我國已擁有各種能量的醫用加速器約530台,其中國產醫用加速器約250台,進口醫用加速器約300台。

粒子加速器同位素

現代核醫學廣泛使用放射性同位素診斷疾病和治療腫瘤,已確定為臨牀應用的約80種同位素,其中有2/3是由加速器生產的,尤其是缺中子短壽命同位素只能由加速器生產。這些短壽命同位素主要應用在以下方面:
PET是由病人先吸入或預先注射半衰期極短的發射正電子的放射性核素,通過環形安置的探測器從各個角度檢測這些放射性核素發射正電子及湮滅時發射的光子,由計算機處理後重建出切面組織的圖像。而這些短壽命的放射性核素是由小回旋加速器製備的。最短的半衰期核素如15O僅為123秒,一般為幾分鐘到1小時左右。所以,這種加速器一般裝備在使用PET的醫院裏。生產PET專用短壽命的放射性核素的小回旋加速器,吸引了眾多的加速器生產廠開發研製。,國外幾個加速器生產廠家生產的小回旋加速器已達到幾十台。
利用放射性核素進行閃爍掃描或利用γ照相獲取圖像的方法,可以診斷腫瘤、檢查人體臟器和研究它們的生理生化功能和代謝狀況,獲取動態資料。例如201Tl用於心肌檢查,對早期發現冠心病和心肌梗塞的定位等是最靈敏的檢查手段。而這些放射性核素絕大部分也是由加速器生產的。

粒子加速器輻照消毒

利用加速器對醫用器械、一次性醫用物品、疫苗、抗生素、中成藥等的滅菌消毒是加速器在醫療衞生方面應用的一個有廣闊前途的方向。與前面介紹加速器在食品中的殺蟲、滅菌道理一樣,可取代應用的高温消毒、化學消毒等方法。但滅菌需要的射線劑量要大於殺蟲所需的劑量。
粒子加速器(particle accelerator)是用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。日常生活中常見的粒子加速器有用於電視的陰極射線管及X光管等設施。是探索原子核和粒子的性質、內部結構和相互作用的重要工具,在工農業生產、醫療衞生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際應用。自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10^14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。在生活中,電視和X光設施等都是小型的粒子加速器。
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,從而建立粒子物理學。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 [1] 
參考資料
  • 1.    桂偉燮編. 荷電粒子加速器原理[M]. 清華大學出版社, 1994.
  • 2.    中國科學院技術情報研究所重慶分所. 粒子加速器及其應用[M]. 科學技術文獻出版社重慶分社, 1980.
  • 3.    方陵生. 我們需要粒子加速器的10個理由[J]. 科學24小時, 2015(9):4-7.
  • 4.    歐洲大型強子對撞機啓動  .新浪.2010-12-13[引用日期2014-08-07]