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高能加速器
1919年英國盧瑟福發(fā)明的裝置
基本信息
| 中文名 | 高能加速器 |
| 外文名 | electronuclear machine |
| 所屬?lài)?/td> | 英國 |
| 發(fā)明者 | 盧瑟福 （E.Rutherford） |
| 發(fā)明時(shí)間 | 1919 |
起源
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(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)現了人類(lèi)科學(xué)史上第一次人工核反應。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)現原子核本身有結構，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 粒子和氦的核反應實(shí)驗。這是歷史上第一次用人工加速粒子實(shí)現的核反應，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎。
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，美國實(shí)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，如將加速器磁場(chǎng)的強度設計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長(cháng)，則能將質(zhì)子加速到上百MeV，稱(chēng)為等時(shí)性回旋加速器。
為了對原子核的結構作進(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)現了自動(dòng)穩相原理，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——穩相加速器。
自動(dòng)穩相原理的發(fā)現是加速器發(fā)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(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）、現代的質(zhì)子直線(xiàn)加速器、同步加速器（使用磁場(chǎng)強度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來(lái)維持粒子運動(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)濟上的限制。隨著(zhù)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以上仍是不現實(shí)的。
1952年美國科學(xué)家柯隆（E.D.Courant）、李溫斯頓（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）發(fā)表了強聚焦原理的論文，根據這個(gè)原理建造強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，普遍采用了強聚焦原理。
美國勞倫斯國家實(shí)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(wàn)噸。而布魯克海文國家實(shí)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(shuō)明了強聚焦原理的重大實(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，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(dòng)量、方向、電荷、數量等，加速粒子能參加高能反應的實(shí)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）首次提出了這項原理，并在意大利的Frascati國家實(shí)驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機，驗證了原理，從此開(kāi)辟了加速器發(fā)展的新紀元。
自世界上建造第一臺加速器以來(lái)，七十多年中加速器的能量大致提高了9個(gè)數量級，同時(shí)每單位能量的造價(jià)降低了約4個(gè)數量級，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(zhù)加速器能量的不斷提高，人類(lèi)對微觀(guān)物質(zhì)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
輻射環(huán)境
加速器造成的輻射環(huán)境，在原理上是極其復雜的，它依賴(lài)于許許多多參數，例如被加速的初級粒子的種類(lèi)，能量，束流強度，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)輻射包括初級粒子和次級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處立即產(chǎn)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(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(cháng)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 )繼續存在一段時(shí)間。
應用
同步輻射
電子束在同步加速器中會(huì )產(chǎn)生同步輻射，這對于提高電子能量來(lái)說(shuō)當然是一件壞事。但所產(chǎn)生的同步輻射，由于強度特大、準直性好、單色性好、而且能譜連續可調等特點(diǎn)，它對分子生物學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、天體物理、非線(xiàn)性光學(xué)、半導體器件工藝方面有著(zhù)非常廣泛的應用。例如：對于超大規模集成電路的光刻，有著(zhù)非常誘人的前景。因為用同步輻射束光刻可達到一根線(xiàn)只有百萬(wàn)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(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)通用計算機就可以做得只有一個(gè)火柴盒那樣小，或者更小。此外，同步輻射對一些瞬態(tài)現象的研究，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，由于強度弱，曝光時(shí)間較長(cháng)，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，目前都建造了專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生這種光輻射的強流電子儲存環(huán)——光子工廠(chǎng)。
醫學(xué)
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(chǎn)生很多高能粒子，如π介子、質(zhì)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(zhù)。因為π介子有一個(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的中子、質(zhì)子等，將癌細胞殺死。臨床應用時(shí)，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(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(zhuān)門(mén)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(zhuān)門(mén)生產(chǎn)π介子的流強很大的加速器——介子工廠(chǎng)。
發(fā)展
中國第一座高能加速器--北京正負電子對撞機，于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(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、探測器及數據處理中心， 4、同步輻射區。 1988年10月16日凌晨5點(diǎn)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、人造衛星上天之后，在高科技領(lǐng)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(wù)院決策建設的高科技工程。它包括電子注入器、貯存環(huán)、探測器及數據處理中心、同步輻射區等4個(gè)主要組成部分，是由數 百種、上萬(wàn)臺件高精尖專(zhuān)用設備組成的復雜的系統工程。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(kāi)辟了廣闊的前景，揭開(kāi)了中國高能物理研究的 新篇章。
這項被認為是中國科學(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、國務(wù)院委托的北京正負電子對撞擊工程領(lǐng)導小組卓有成效的組織指揮下，中國科學(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)揚自信、自立、自強的精神，充分吸取了世界先進(jìn)技術(shù)，自力更生，艱苦奮斗，頑強拼搏，克服了重重困難，出色地完成了自行設計、研制、生產(chǎn)、安 裝、調試任務(wù)，創(chuàng )造了建設速度快、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(shí)間就完成了如此復雜的高技術(shù)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(zhì)量、安裝調試的水平在世界上也屬一流。
據中國科學(xué)院有關(guān)人士說(shuō)，北京正負電子對撞機今后將建設成為對外開(kāi)放的國家實(shí)驗室，根據它同時(shí)具有粒子物理和同步輻射應用研究的特點(diǎn)，它將成為跨部門(mén)、跨學(xué)科共同享用的實(shí)驗研究基地。
參考資料
[1]
加速器的發(fā)展簡(jiǎn)史 · 中國科學(xué)院高能物理研究所[引用日期2012-07-29]
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