高能加速器

1919年英國科學家盧瑟福（E.Rutherford）用天然放射源中能量為幾個MeV、速度為2×10厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作為“炮彈”，轟擊厚度僅為0.0004厘米的金屬箔的“靶”，實現了人類科學史上第一次人工核反應。利用靶後放置的硫化鋅熒光屏測得了粒子散射的分佈，發現原子核本身有結構，從而激發了人們尋求更高能量的粒子來作為“炮彈”的願望。

靜電加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍壓加速器（1932年）等不同設想幾乎在同一時期提了出來，並先後建成了一批加速裝置。

1932年美國科學家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛爾蘭科學家沃爾頓（E.T.S.Walton）建造成世界上第一台直流加速器——命名為柯克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為0.4MeV的質子束轟擊鋰靶，得到α 粒子和氦的核反應實驗。這是歷史上第一次用人工加速粒子實現的核反應，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎。

1933年美國科學家凡德格拉夫（R.J.van de Graaff）發明了使用另一種產 生高壓方法的高壓加速器——命名為凡德格拉夫靜電加速器（右圖）。

以上兩種粒子加速器均屬直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿所限，大致在10MeV。

奈辛（G.Ising）於1924年，德維羅（E.Wideroe）於1928年分別發明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器，由於受當時高頻技術的限制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV，實用意義不大。但在此原理的啟發下，美國實驗物理學家勞倫斯（E.O.Lawrence）1932年建成了回旋加速器，並用它產生了人工放射性同位素，為此獲得了1939年的諾貝爾物理獎。這是加速器發展史上獲此殊榮的第一人。

由於被加速粒子質量、能量之間的制約，回旋加速器一般只能將質子加速到25MeV左右，如將加速器磁場的強度設計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長，則能將質子加速到上百MeV，稱為等時性回旋加速器。

為了對原子核的結構作進一步的探索和產生新的基本粒子，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前蘇聯科學家維克斯列爾（V.I.Veksler）和美國科學家麥克米倫（E.M.McMillan）各自獨立發現了自動穩相原理，英國科學家阿里芳特（M.L.Oliphant）也曾建議建造基於此原理的加速器——穩相加速器。

自動穩相原理的發現是加速器發展史上的一次重大革命，它導致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產生：同步回旋加速器（高頻加速電場的頻率隨倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子迴旋頻率與加速電場同步）、現代的質子直線加速器、同步加速器（使用磁場強度隨粒子能量提高而增加的環形磁鐵來維持粒子運動的環形軌跡，但維持加速場的高頻頻率不變）等。

自此，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經濟上的限制。隨著能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升，提高能量實際上被限制在1GeV以下。同步加速器的環形磁鐵的造價雖然大大減少，但因橫向聚焦力較差，真空盒尺寸必須很大，造成磁鐵的磁極間隙大，依然需要很重的磁鐵，要想用它把質子加速到10GeV以上仍是不現實的。

1952年美國科學家柯隆（E.D.Courant）、李溫斯頓（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）發表了強聚焦原理的論文，根據這個原理建造強聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價大大降低，使加速器有了向更高能量發展的可能。這是加速器發展史上的又一次革命，影響巨大。此後，在環形或直線加速器中，普遍採用了強聚焦原理。

美國勞倫斯國家實驗室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦質子同步加速器，磁鐵的總重量為1萬噸。而布魯克海文國家實驗室33GeV能量的強聚焦質子同步加速器，磁鐵總重量只有4千噸。這說明了強聚焦原理的重大實際意義。

以上主要介紹的是質子環形加速器，對電子加速器來說情況有所不同。1940年美 國科學家科斯特（D.W.Kerst，右圖）研製出世界上第一個電子感應加速器。但由於電子沿曲線運動時其切線方向不斷放射的電磁輻射造成能量的損失，電子感應加速器的能量提高受到了限制，極限約為100MeV。電子同步加速器使用電磁場提供加速能量，可以允許更大的輻射損失，極限約為10GeV。電子只有作直線運動時沒有輻射損失，使用電磁場加速的電子直線加速器可將電子加速到50GeV，這不是理論的限度，而是造價過高的限制。

加速器的能量發展到如此水平，從實驗的角度暴露出了新的問題。使用加速器作高能物理實驗，一般是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子，然後研究所產生的次級粒子的動量、方向、電荷、數量等，加速粒子能參加高能反應的實際有用能量受到限制。如果採取兩束加速粒子對撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用於高能反應或新粒子的產生。

1960年義大利科學家（B.Touschek）首次提出了這項原理，並在義大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機，驗證了原理，從此開闢了加速器發展的新紀元。

現代高能加速器基本都以對撞機的形式出現，對撞機已經能把產生高能反應的等效能量從1TeV提高到10～1000TeV，這是加速器能量發展史上的又一次根本性的飛躍。

自世界上建造第一台加速器以來，七十多年中加速器的能量大致提高了9個數量級，同時每單位能量的造價降低了約4個數量級，如此驚人的發展速度在所有的科學領域都是少見的。

隨著加速器能量的不斷提高，人類對微觀物質世界的認識逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。

定義高能加速器為，使質子或電子書能得到1京兆電子伏特（即）以上能量的加速器。世界上的高能加速器除了有一個直線加速器外，都是同步加速器。在同步加速器中，被加速的粒子在環形磁鐵的兩極之間的圓形真空室內繞轉。粒子由於通過射頻振蕩器所產生的電場區域而被加速著，令向心力等於磁力，可以求得曲率半徑：

由此可知，如果使動量p與磁場B的比值保持恆定，則軌道的曲率半徑也保持恆定，這樣，粒子就總沿著位於環形真空室中心的圓形軌道運行。

加速器造成的輻射環境，在原理上是極其複雜的，它依賴於許許多多參數，例如被加速的初級粒子的種類，能量，束流強度，靶材料和屏蔽物等等。在非常高能量時，加速器輻射場與初級宇宙輻射在大氣層中造成的輻射環境有許多類似之處。目前，正在研究利用

快中子、π介子及重離子作輻射治療。如果研究成功的話，那麼按裝粒子加速器的醫院就會提出很多有關輻射環境問題。總之，加速器的初級束流引和加速器附近輻射的劑量學問題，是加速器用戶首要關心的課題。

加速器作下部分或全部屏蔽之後，周圍還會有輻射，大致有兩類：瞬發輻射和感生輻射。瞬發輻射包括初級粒子和次級粒子直接在加速器周圍材料中衰減時由電磁的和核的相互作用而在近處和遠處立即產生的輻射，而感生輻射則是由初級粒子和次級粒子在加速器部件和屏蔽物里產生的放射性。由於感生輻射產生的核，有一些是半衰期較長的放射性核素，所以在加速器粒子束流斷掉之後，感生輻射還繼續存在一段時間。

經驗表明，加速器在部分和全部屏蔽的條件下，除了中子和質子之外，其他任何粒子所造成的劑量當量通常很小，可以忽略不計。只是在非常高能量時有例外，即在某些情況下，μ子的貢獻可能變得相當重要。在許多高能加速器附近的輻射環境中，低能中子與核相互作用產生的強電離性輻射佔大部分，例如質子和重的反衝粒子。這些傳能線密度（LET）高的輻射的生物學效應，比輻射防護中研究的低劑量和低劑量率時低LET輻射的生物學效應大得多得多。

高能質子加速器所加速出來的高能質子流打在靜止靶上，可以產生出多種次級的高能粒子流，如反質子流，π介子流、μ子流等等。把這些次級粒子分別引向不同實驗室可做多種高能物理實驗。

其次，組成質子同步加速器的每一級加速器，除了供給下一級加速的質子流以外，都可以引出一部分束流供實驗室使用。因此，一台高能質子同步加速器實際上是一個包括低能、中能和高能的綜合性物理實驗基地。

除作高能物理實驗以外，高能加速器在其他方面的用處，也是非常廣泛、非常誘人的。例如：用強流電子束本身或它產生的輻射模擬核武器爆炸時的破壞效應；用高能電子束或重離子束轟擊聚變材料靶球點燃聚變反應；用高能強流質子束的散裂反應產生很高的中子通量，用這個中子通量製造裂變材料等等。

電子束在同步加速器中會產生同步輻射，這對於提高電子能量來說當然是一件壞事。但所產生的同步輻射，由於強度特大、准直性好、單色性好、而且能譜連續可調等特點，它對分子生物學、表面物理、表面化學、天體物理、非線性光學、半導體器件工藝方面有著非常廣泛的應用。例如：對於超大規模集成電路的光刻，有著非常誘人的前景。因為用同步輻射束光刻可達到一根線只有百萬分之一毫米那樣細。目前大規模集成電路都是利用電子束來刻蝕，一根線的寬度為千分之一毫米，兩者相差—-千倍。這種技術成功后，一個通用計算機就可以做得只有一個火柴合那樣小，或者更小。此外，同步輻射對一些瞬態現象的研究，還有它的特殊用途。如動物的肌肉收縮、神經活動等一些動態現象，可以用同步輻射作光源，把它拍攝下來。如果用普通的X光源拍照，由於強度弱，曝光時間較長，就不可能做到。由於同步輻射有這樣大的用處，所以在美、蘇、日、西德、法、意等國，目前都建造了專門產生這種光輻射的強流電子儲存環——光子工廠。

在醫療方面，高能加速器也有它的特殊用途。因為高能加速器可以產生很多高能粒子，如π介子、質子、中子等，它們對人體的癌細胞都有殺傷作用。特別是π介子。對癌細胞的殺傷作用尤其顯著。因為π介子有一個特性，就是它在射程的末端能夠被原子核所吸收，原子核吸收π介子以後就放出電離作用很強的中子、質子等，將癌細胞殺死。臨床應用時，可以控制π介子的能量，使它剛好射到人體內患癌的部位就停下來被原子核所吸收，然後原子核再放出質子和中子，將癌細胞殺死。這樣，π介子很巧妙地避免對人體內正常組織的破壞，而專門破壞癌細胞。另外，π介子對原子核和“基本”粒子的研究也有廣泛的用處，所以在國外，也有專門生產π介子的流強很大的加速器——介子工廠。

中國第一座高能加速器--北京正負電子對撞機，於1988年10月16日首次對撞成功。這項高科技工程是1984年10月7日破土動工的，它包括以下四個主要組成部分：1、電子注入器，2、貯存環，3、探測器及數據處理中心， 4、同步輻射區。 1988年10月16日凌晨5點56分，中國第一座高能加速器——北京正負電子對撞機首次對撞成功。這是中國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛星上天之後，在高科技領域又一重大突破性成就。

北京正負電子對撞機是黨中央、國務院決策建設的高科技工程。它包括電子注入器、貯存環、探測器及數據處理中心、同步輻射區等4個主要組成部分，是由數 百種、上萬台件高精尖專用設備組成的複雜的系統工程。它的建成和對撞成功，為中國粒子物理和同步輻射應用研究開闢了廣闊的前景，揭開了中國高能物理研究的 新篇章。

這項被認為是中國科學技術史上最大的科研工程，是鄧小平同志在1984年10月7日奠基破土動工的。1984至1988年來，在黨中央、國務院委託的北京正負電子對撞 機工程領導小組卓有成效的組織指揮下，中國科學院高能物理研究所同中央10多個部委及所屬的幾百個工廠、研究所、高等院校近萬名科技人員、工人、幹部、解 放軍官兵，發揚自信、自立、自強的精神，充分吸取了世界先進技術，自力更生，艱苦奮鬥，頑強拚搏，克服了重重困難，出色地完成了自行設計、研製、生產、安 裝、調試任務，創造了建設速度快、投資省、質量好、水平高的奇迹。來京參加中美高能合作會議的李政道教授說，北京正負電子對撞機對撞成功，是國際高能物理 界的一件大事。僅用4年時間就完成了如此複雜的高技術工程，這樣快的速度在國際上是不多的。它能一次對撞成功，這表明對撞機的各種設備、部件的質量、安裝調試的水平在世界上也屬一流。

據中國科學院有關人士說，北京正負電子對撞機今後將建設成為對外開放的國家實驗室，根據它同時具有粒子物理和同步輻射應用研究的特點，它將成為跨部門、跨學科共同享用的實驗研究基地。