高能加速器（1919年英國(guó)盧瑟福發(fā)明的裝置）
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高能加速器
1919年英國(guó)盧瑟福發(fā)明的裝置
高能加速器高能物理主要的實(shí)驗(yàn)研究工具。即利用強(qiáng)磁場(chǎng)把帶電粒子，如電子、質(zhì)子加速到很高速度，然后去與靶物質(zhì)相碰撞，碰撞的結(jié)果可產(chǎn)生大量的新的基本粒子，或新的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)這些新的粒子，新的現(xiàn)象的觀(guān)測(cè)分析，可以不斷加深對(duì)物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。高能加速器能量越來(lái)越高。現(xiàn)認(rèn)為，介子及重子都是由“層子”（或稱(chēng)夸克）組成的。如果證實(shí)了“層子”的存在，判明了它的結(jié)構(gòu)，很多理論問(wèn)題如弱相互作用等問(wèn)題將隨之得到解決。
基本信息
| 中文名 | 高能加速器 |
| 外文名 | electronuclear machine |
| 所屬?lài)?guó)家 | 英國(guó) |
| 發(fā)明者 | 盧瑟福 （E.Rutherford） |
| 發(fā)明時(shí)間 | 1919 |
起源
1919年英國(guó)科學(xué)家盧瑟福（E.Rutherford）用天然放射源中能量為幾個(gè)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(shí)現(xiàn)了人類(lèi)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(cè)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(lái)作為“炮彈”的愿望。
1932年美國(guó)科學(xué)家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛(ài)爾蘭科學(xué)家沃爾頓（E.T.S.Walton）建造成世界上第一臺(tái)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(shí)驗(yàn)。這是歷史上第一次用人工加速粒子實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。
代表人物：盧瑟福
奈辛（G.Ising）于1924年，德維羅（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(xiàn)加速器，由于受當(dāng)時(shí)高頻技術(shù)的限制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV，實(shí)用意義不大。但在此原理的啟發(fā)下，美國(guó)實(shí)驗(yàn)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(jiǎng)。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，如將加速器磁場(chǎng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)成沿半徑方向隨粒子能量同步增長(zhǎng)，則能將質(zhì)子加速到上百M(fèi)eV，稱(chēng)為等時(shí)性回旋加速器。
為了對(duì)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(guó)科學(xué)家麥克米倫（E.M.McMillan）各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動(dòng)穩(wěn)相原理，英國(guó)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。
自動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)同步）、現(xiàn)代的質(zhì)子直線(xiàn)加速器、同步加速器（使用磁場(chǎng)強(qiáng)度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來(lái)維持粒子運(yùn)動(dòng)的環(huán)形軌跡，但維持加速場(chǎng)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(jià)急劇上升，提高能量實(shí)際上被限制在1GeV以下。同步加速器的環(huán)形磁鐵的造價(jià)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(shí)的。
1952年美國(guó)科學(xué)家柯隆（E.D.Courant）、李溫斯頓（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）發(fā)表了強(qiáng)聚焦原理的論文，根據(jù)這個(gè)原理建造強(qiáng)聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價(jià)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(xiàn)加速器中，普遍采用了強(qiáng)聚焦原理。
美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1954年建成的一臺(tái)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(wàn)噸。而布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室33GeV能量的強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵總重量只有4千噸。這說(shuō)明了強(qiáng)聚焦原理的重大實(shí)際意義。
靜電加速器
加速器的能量發(fā)展到如此水平，從實(shí)驗(yàn)的角度暴露出了新的問(wèn)題。使用加速器作高能物理實(shí)驗(yàn)，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(jí)粒子的動(dòng)量、方向、電荷、數(shù)量等，加速粒子能參加高能反應(yīng)的實(shí)際有用能量受到限制。如果采取兩束加速粒子對(duì)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。
1960年意大利科學(xué)家（B.Touschek）首次提出了這項(xiàng)原理，并在意大利的Frascati國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建成了直徑約1米的AdA對(duì)撞機(jī)，驗(yàn)證了原理，從此開(kāi)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(duì)撞機(jī)的形式出現(xiàn)，對(duì)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。
自世界上建造第一臺(tái)加速器以來(lái)，七十多年中加速器的能量大致提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)每單位能量的造價(jià)降低了約4個(gè)數(shù)量級(jí)，如此驚人的發(fā)展速度在所有的科學(xué)領(lǐng)域都是少見(jiàn)的。
隨著加速器能量的不斷提高，人類(lèi)對(duì)微觀(guān)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。
定義
輻射環(huán)境
加速器造成的輻射環(huán)境，在原理上是極其復(fù)雜的，它依賴(lài)于許許多多參數(shù)，例如被加速的初級(jí)粒子的種類(lèi)，能量，束流強(qiáng)度，靶材料和屏蔽物等等。在非常高能量時(shí)，加速器輻射場(chǎng)與初級(jí)宇宙輻射在大氣層中造成的輻射環(huán)境有許多類(lèi)似之處。目前，正在研究利用
快中子、
介子及重離子作輻射治療。如果研究成功的話(huà)，那么安裝粒子加速器的醫(yī)院就會(huì)提出很多有關(guān)輻射環(huán)境的問(wèn)題。總之，加速器的初級(jí)束流引和加速器附近輻射的劑量學(xué)問(wèn)題，是加速器用戶(hù)首要關(guān)心的課題。
加速器作下部分或全部屏蔽之后，周?chē)€會(huì)有輻射，大致有兩類(lèi)：瞬發(fā)輻射和感生輻射。瞬發(fā)輻射包括初級(jí)粒子和次級(jí)粒子直接在加速器周?chē)牧现兴p時(shí)由電磁的和核的相互作用而在近處和遠(yuǎn)處立即產(chǎn)生的輻射，而感生輻射則是由初級(jí)粒子和次級(jí)粒子在加速器部件和屏蔽物里產(chǎn)生的放射性。由于感生輻射產(chǎn)生的核，有一些是半衰期較長(zhǎng)的放射性核素，所以在加速器粒子束流斷掉之后，感生輻射還會(huì)繼續(xù)存在一段時(shí)間。
經(jīng)驗(yàn)表明，加速器在部分和全部屏蔽的條件下，除了中子和質(zhì)子之外，其他任何粒子所造成的劑量當(dāng)量通常很小，可以忽略不計(jì)。只是在非常高能量時(shí)有例外，即在某些情況下，μ子的貢獻(xiàn)可能變得相當(dāng)重要。在許多高能加速器附近的輻射環(huán)境中，低能中子與核相互作用產(chǎn)生的強(qiáng)電離性輻射占大部分，例如質(zhì)子和重的反沖粒子。這些傳能線(xiàn)密度（LET）高的輻射的生物學(xué)效應(yīng)，比輻射防護(hù)中研究的低劑量和低劑量率時(shí)低LET輻射的生物學(xué)效應(yīng)大得多得多。
應(yīng)用
高能物理實(shí)驗(yàn)
高能質(zhì)子加速器所加速出來(lái)的高能質(zhì)子流打在靜止靶上，可以產(chǎn)生出多種次級(jí)的高能粒子流，如反質(zhì)子流，π介子流、μ子流等等。把這些次級(jí)粒子分別引向不同實(shí)驗(yàn)室可做多種高能物理實(shí)驗(yàn)。
其次，組成質(zhì)子同步加速器的每一級(jí)加速器，除了供給下一級(jí)加速的質(zhì)子流以外，都可以引出一部分束流供實(shí)驗(yàn)室使用。因此，一臺(tái)高能質(zhì)子同步加速器實(shí)際上是一個(gè)包括低能、中能和高能的綜合性物理實(shí)驗(yàn)基地。
除作高能物理實(shí)驗(yàn)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(qiáng)流電子束本身或它產(chǎn)生的輻射模擬核武器爆炸時(shí)的破壞效應(yīng)；用高能電子束或重離子束轟擊聚變材料靶球點(diǎn)燃聚變反應(yīng)；用高能強(qiáng)流質(zhì)子束的散裂反應(yīng)產(chǎn)生很高的中子通量，用這個(gè)中子通量制造裂變材料等等。
同步輻射
電子束在同步加速器中會(huì)產(chǎn)生同步輻射，這對(duì)于提高電子能量來(lái)說(shuō)當(dāng)然是一件壞事。但所產(chǎn)生的同步輻射，由于強(qiáng)度特大、準(zhǔn)直性好、單色性好、而且能譜連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)，它對(duì)分子生物學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、天體物理、非線(xiàn)性光學(xué)、半導(dǎo)體器件工藝方面有著非常廣泛的應(yīng)用。例如：對(duì)于超大規(guī)模集成電路的光刻，有著非常誘人的前景。因?yàn)橛猛捷椛涫饪炭蛇_(dá)到一根線(xiàn)只有百萬(wàn)分之一毫米那樣細(xì)。目前大規(guī)模集成電路都是利用電子束來(lái)刻蝕，一根線(xiàn)的寬度為千分之一毫米，兩者相差—-千倍。這種技術(shù)成功后，一個(gè)通用計(jì)算機(jī)就可以做得只有一個(gè)火柴盒那樣小，或者更小。此外，同步輻射對(duì)一些瞬態(tài)現(xiàn)象的研究，還有它的特殊用途。如動(dòng)物的肌肉收縮、神經(jīng)活動(dòng)等一些動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，可以用同步輻射作光源，把它拍攝下來(lái)。如果用普通的X光源拍照，由于強(qiáng)度弱，曝光時(shí)間較長(zhǎng)，就不可能做到。由于同步輻射有這樣大的用處，所以在美、蘇、日、西德、法、意等國(guó)，目前都建造了專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生這種光輻射的強(qiáng)流電子儲(chǔ)存環(huán)——光子工廠(chǎng)。
醫(yī)學(xué)
在醫(yī)療方面，高能加速器也有它的特殊用途。因?yàn)楦吣芗铀倨骺梢援a(chǎn)生很多高能粒子，如π介子、質(zhì)子、中子等，它們對(duì)人體的癌細(xì)胞都有殺傷作用。特別是π介子。對(duì)癌細(xì)胞的殺傷作用尤其顯著。因?yàn)棣薪樽佑幸粋€(gè)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介子以后就放出電離作用很強(qiáng)的中子、質(zhì)子等，將癌細(xì)胞殺死。臨床應(yīng)用時(shí)，可以控制π介子的能量，使它剛好射到人體內(nèi)患癌的部位就停下來(lái)被原子核所吸收，然后原子核再放出質(zhì)子和中子，將癌細(xì)胞殺死。這樣，π介子很巧妙地避免對(duì)人體內(nèi)正常組織的破壞，而專(zhuān)門(mén)破壞癌細(xì)胞。另外，π介子對(duì)原子核和“基本”粒子的研究也有廣泛的用處，所以在國(guó)外，也有專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)π介子的流強(qiáng)很大的加速器——介子工廠(chǎng)。
發(fā)展
中國(guó)第一座高能加速器--北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，于1988年10月16日首次對(duì)撞成功。這項(xiàng)高科技工程是1984年10月7日破土動(dòng)工的，它包括以下四個(gè)主要組成部分：1、電子注入器，2、貯存環(huán)，3、探測(cè)器及數(shù)據(jù)處理中心， 4、同步輻射區(qū)。 1988年10月16日凌晨5點(diǎn)56分，中國(guó)第一座高能加速器——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)首次對(duì)撞成功。這是中國(guó)繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就。
北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是黨中央、國(guó)務(wù)院決策建設(shè)的高科技工程。它包括電子注入器、貯存環(huán)、探測(cè)器及數(shù)據(jù)處理中心、同步輻射區(qū)等4個(gè)主要組成部分，是由數(shù) 百種、上萬(wàn)臺(tái)件高精尖專(zhuān)用設(shè)備組成的復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它的建成和對(duì)撞成功，為中國(guó)粒子物理和同步輻射應(yīng)用研究開(kāi)辟了廣闊的前景，揭開(kāi)了中國(guó)高能物理研究的 新篇章。
這項(xiàng)被認(rèn)為是中國(guó)科學(xué)技術(shù)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(dòng)工的。1984至1988年來(lái)，在黨中央、國(guó)務(wù)院委托的北京正負(fù)電子對(duì)撞擊工程領(lǐng)導(dǎo)小組卓有成效的組織指揮下，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所同中央10多個(gè)部委及所屬的幾百個(gè)工廠(chǎng)、研究所、高等院校近萬(wàn)名科技人員、工人、干部、解 放軍官兵，發(fā)揚(yáng)自信、自立、自強(qiáng)的精神，充分吸取了世界先進(jìn)技術(shù)，自力更生，艱苦奮斗，頑強(qiáng)拼搏，克服了重重困難，出色地完成了自行設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、安 裝、調(diào)試任務(wù)，創(chuàng)造了建設(shè)速度快、投資省、質(zhì)量好、水平高的奇跡。來(lái)京參加中美高能合作會(huì)議的李政道教授說(shuō)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞成功，是國(guó)際高能物理 界的一件大事。僅用4年時(shí)間就完成了如此復(fù)雜的高技術(shù)工程，這樣快的速度在國(guó)際上是不多的。它能一次對(duì)撞成功，這表明對(duì)撞機(jī)的各種設(shè)備、部件的質(zhì)量、安裝調(diào)試的水平在世界上也屬一流。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院有關(guān)人士說(shuō)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)今后將建設(shè)成為對(duì)外開(kāi)放的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)它同時(shí)具有粒子物理和同步輻射應(yīng)用研究的特點(diǎn)，它將成為跨部門(mén)、跨學(xué)科共同享用的實(shí)驗(yàn)研究基地。
參考資料
[1]
加速器的發(fā)展簡(jiǎn)史 · 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所[引用日期2012-07-29]
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