加速器的早期探索可以追溯到20世紀(jì)20年代。早在1919年英國科學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量為幾個MeV、速度為米/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(xiàn)了人類科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)。利用靶后放置的硫化鋅熒光屏測得了粒子散射的分布,發(fā)現(xiàn)原子核本身有結(jié)構(gòu),從而激發(fā)了人們尋求更高能量的粒子來作為“炮彈”的愿望。加速器
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(shè)想幾乎在同一時期提了出來,并先后建成了一批加速裝置。
在加速器早期研究的基礎(chǔ)上,全世界的有關(guān)科學(xué)家長期致力于研究和發(fā)展更高能量的粒子加速器。
柯克羅夫特
1932年美國科學(xué)家柯克羅夫特(J.D.Cockcroft)和愛爾蘭科學(xué)家沃爾頓(E.T.S.Walton)建造成世界上第一臺直流加速器——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(zhì)子束轟擊鋰靶,得到α粒子和氦的核反應(yīng)實驗。這是歷史上第一次用人工加速粒子實現(xiàn)的核反應(yīng),因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎。 凡德格拉夫
1933年美國科學(xué)家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)發(fā)明了使用另一種產(chǎn)生高壓方法的高壓加速器——命名為凡德格拉夫靜電加速器。加速器
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。 勞倫斯與回旋加速器
奈辛(G.Ising)于1924年,維德羅(E.Wideroe)于1928年分別發(fā)明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器,由于受當(dāng)時高頻技術(shù)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(fā)下,美國實驗物理學(xué)家勞倫斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器,并用它產(chǎn)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(fā)展史上獲此殊榮的第一人。 由于被加速粒子質(zhì)量、能量之間的制約,回旋加速器一般只能將質(zhì)子加速到25MeV左右,其原因就是隨著粒子的速度不斷的增加,其加速度和外力的關(guān)系不再適用牛頓運動定律,即高頻加速電場的頻率和回旋頻率不再匹配;如將加速器磁場的強度設(shè)計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長,則能將質(zhì)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(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的探索和產(chǎn)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(lián)科學(xué)家維克斯列爾(V.I.Veksler)和美國科學(xué)家麥克米倫(E.M.McMillan)各自獨立發(fā)現(xiàn)了自動穩(wěn)相原理,英國科學(xué)家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建議建造基于此原理的加速器——穩(wěn)相加速器。 美國科學(xué)家麥克米倫
自動穩(wěn)相原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命,它導(dǎo)致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產(chǎn)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,保持了粒子回旋頻率與加速電場同步)、現(xiàn)代的質(zhì)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(huán)形磁鐵來維持粒子運動的環(huán)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(jīng)濟(jì)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(huán)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(zhì)子加速到10GeV以上仍是不現(xiàn)實的。 1952年美國科學(xué)家柯?。‥.D.Courant)、李溫斯頓(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)發(fā)表了強聚焦原理的論文,根據(jù)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(fā)展的可能。這是加速器發(fā)展史上的又一次革命,影響巨大。此后,在環(huán)形或直線加速器中,普遍采用了強聚焦原理。
美國勞倫斯國家實驗室1954年建成的一臺6.2GeV能量的弱聚焦質(zhì)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(zhì)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。 美國科學(xué)家科斯特
1940年美國科學(xué)家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一個電子感應(yīng)加速器。但由于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(yīng)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(fā)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,然后研究所產(chǎn)生的次級粒子的動量、方向、電荷、數(shù)量等,加速粒子能參加高能反應(yīng)的實際有用能量受到限制。如果采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于高能反應(yīng)或新粒子的產(chǎn)生。 意大利科學(xué)家陶歇克
1960年意大利科學(xué)家陶歇克(B.Touschek)首次提出了這項原理,并在意大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機(jī),驗證了原理,從此開辟了加速器發(fā)展的新紀(jì)元。
現(xiàn)代高能加速器基本都以對撞機(jī)的形式出現(xiàn),對撞機(jī)已經(jīng)能把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從1TeV提高到10~1000TeV,這是加速器能量發(fā)展史上的又一次根本性的飛躍。
粒子加速器
用人工方法產(chǎn)生高速帶電粒子的裝置。是探索原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用的重要工具,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)技術(shù)等方面也都有重要而廣泛的實際應(yīng)用。加速器
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(xiàn)了元素的人工轉(zhuǎn)變以后,物理學(xué)家就認(rèn)識到要想認(rèn)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(shù)量和能量,難于開展研究工作。因此為了開展有預(yù)期目標(biāo)的實驗研究,幾十年來人們研制和建造了多種粒子加速器,性能不斷提高。應(yīng)用粒子加速器發(fā)現(xiàn)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,并系統(tǒng)深入地研究原子核的基本結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律,促使原子核物理學(xué)迅速發(fā)展成熟起來;高能加速器的發(fā)展又使人們發(fā)現(xiàn)包括重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子在內(nèi)的幾百種粒子,建立粒子物理學(xué)。近20多年來,加速器的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原子核物理和粒子物理領(lǐng)域,在諸如材料科學(xué)、表面物理、分子生物學(xué)、光化學(xué)等其它科技領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。在工、農(nóng)、醫(yī)各個領(lǐng)域中加速器廣泛用于同位素生產(chǎn)、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(shù)以千計的粒子加速器,其中一小部分用于原子核和粒子物理的基礎(chǔ)研究,它們繼續(xù)向提高能量和改善束流品質(zhì)方向發(fā)展;其余絕大部分都屬于以應(yīng)用粒子射線技術(shù)為主的“小”型加速器。加速器
粒子加速器的結(jié)構(gòu)一般包括3個主要部分:
②真空加速系統(tǒng),其中有一定形態(tài)的加速電場,并且為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速,整個系統(tǒng)放在真空度極高的真空室內(nèi)。
③導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng),用一定形態(tài)的電磁場來引導(dǎo)并約束被加速的粒子束,使之沿預(yù)定軌道接受電場的加速。所有這些都要求高、精、尖技術(shù)的綜合和配合。
加速器的效能指標(biāo)是粒子所能達(dá)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(能量小于10MeV)、中能加速器(能量在10~10MeV)、高能加速器(能量在10~10MeV)和超高能加速器(能量在10MeV以上)。當(dāng)前低能和中能加速器主要用于各種實際應(yīng)用。