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粒子加速器
產(chǎn)生高速帶電粒子
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(dá)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(xiàn)代化裝備。
日常生活中常見的粒子加速器有用于電視的陰極射線管及X光管等設(shè)施。一部分低能加速器用于核科學(xué)和核工程，其余的則廣泛用于從化學(xué)、物理及生物的基礎(chǔ)研究。一直到輻射化學(xué)，射線照相、活化分析、離子注入、射線治療、同位素生產(chǎn)、消毒殺菌、焊接與熔煉、種子及食品的射線處理以及國防等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
基本信息
| 中文名 | 粒子加速器 |
| 別名 | 荷電粒子加速器 |
| 外文名 | particle accelerator |
| 形成時(shí)間 | 1932年 |
| 功能 | 產(chǎn)生高速帶電粒子 |
| 分類 | 回旋加速器 直線加速器 |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 放射醫(yī)學(xué) 工農(nóng)業(yè) |
| 生產(chǎn)時(shí)間 | 1932年 |
收起
歷史沿革
發(fā)展歷程
粒子加速器
一、早期
1926年，美國古里奇(Coolidge)用三個(gè)X光管串聯(lián)獲
的電子束。
1928年，伽莫夫關(guān)于量子隧道效應(yīng)的計(jì)算表明，能量遠(yuǎn)低于天然射線的α粒子也有可能透入原子核內(nèi)。該研究結(jié)果進(jìn)一步增強(qiáng)了人們研制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(shí)驗(yàn)室開發(fā)制造了700kV高壓倍加速器加速質(zhì)子，即Cockroft-Walton加速器，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)由人工加速的粒子引起的Li（p，α）He核反應(yīng)。由多級電壓分配器（multi-step voltage divider ）產(chǎn)生恒定的梯度直流電壓，使離子進(jìn)行直線加速。
E.盧瑟福
1930年，Earnest.O. Lawrence制作了第一臺回旋加速器，這臺加速器的直徑只有10cm。隨后，經(jīng)M. Stanley Livingston資助，建造了一臺25cm直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的能量可達(dá)到1MeV。幾年后，他們用由回旋加速器獲得的4.8MeV氫離子和氘束轟擊靶核產(chǎn)生了高強(qiáng)度的中子束，還首次生產(chǎn)出了
、
和
等人工放射性核素。
1940 由 D. W. Kerst 利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦旋電場發(fā)明了新型的加速電子電子感應(yīng)加速器（Betatrons）。它是加速電子的圓形加速器。與回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(yùn)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，并且在一定動(dòng)能范圍內(nèi)，被加速電子的輻射損失能量比質(zhì)子的多。這種丟失的輻射能稱同步加速輻射。因此，電子感應(yīng)加速器的最大能量限制在幾百M(fèi)eV內(nèi)。
在這期間，早期直線共振加速器也曾被研制，但未獲進(jìn)一步發(fā)展。
二、中期
1944至1945年間，美國姆克米蘭(Mcmillan)和蘇聯(lián)的維克斯勒(B．M．Bekcnep)先后幾乎同時(shí)獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)共振加速器以之為基礎(chǔ)的“自動(dòng)穩(wěn)相原理”，使各類準(zhǔn)共振加速器在近似共振的回旋加速器的基礎(chǔ)上迅速地向前推進(jìn)。
至1958年，蘇聯(lián)把該類加速器能量提高到
水平，軌道半徑為28m，磁鐵重量達(dá)
，是迄今為止世界上最重的加速器。
與此同時(shí)，在二次世界大戰(zhàn)后，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，高頻和微波技術(shù)有了很大發(fā)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(shí)驗(yàn)室在阿爾伐瑞茲(Alvarez)領(lǐng)導(dǎo)下建成
質(zhì)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于癌癥治療。隨后，美國致力于該類加速器的研制，斯坦福(Standford)電子直線加速器中心，于1966年建成能量為
的電子行波直線加速器，加速器總長達(dá)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(shí)驗(yàn)室古蘭特(Courant)、里文斯頓(Livingston)、斯內(nèi)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)早于1950年就已寫出了一份未發(fā)表的名為“磁共振加速器中離子和電子的聚焦系統(tǒng)”的報(bào)告，闡述了強(qiáng)聚焦原理。之后他應(yīng)邀赴美國，與里文斯頓等人合作進(jìn)行了強(qiáng)聚焦同步加速器的研究。
粒子加速器
中國發(fā)展
1958年開始，我國加速器事業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段。
·靜電加速器：
1958年科學(xué)院高能所2．5MeV質(zhì)子靜電加速器建成。
1961年上海先鋒電機(jī)廠開始試制并投產(chǎn)靜電加速器。
1958年清華大學(xué)建成400keV質(zhì)子倍壓加速器。
1964年上海先鋒廠開始試制并投產(chǎn)倍壓加速器。 ．
·感應(yīng)加速器： ．
1957—1958年：清華、北大分別引進(jìn)蘇聯(lián)造25MeV電子感應(yīng)加速器。并自力更生研 制2．5MeV、10MeV感應(yīng)加速器。
60年代初，一機(jī)部自動(dòng)化所研制25MeV電子感應(yīng)加速器取得成功，70年代轉(zhuǎn)由保定變壓器廠投產(chǎn)。
·電子回旋加速器：
1957年前后，科學(xué)院開始研制電子回旋加速器。
1958—1959年，清華大學(xué)2．5MeV電子回旋加速器出束。
70年代末至80年代初一機(jī)部自動(dòng)化所與清華大學(xué)、國家計(jì)量局合作研制25MeV電子回旋加速器成功。
·電子直線加速器：
1964年科學(xué)院高能所30MeV電子直線加速器建成。
1977年：上述加速器通過鑒定后，北京醫(yī)療器械研究所、上海醫(yī)療器械廠、南京電子管廠、四川東風(fēng)電機(jī)廠、四機(jī)部十二所開始小批量生產(chǎn)或研制醫(yī)用和工業(yè)用電子行波直線加速器。·
回旋加速器：
1958年：原子能所自蘇聯(lián)引進(jìn)磁極直徑聲1．2m回旋加速器。
我國第一臺籌建的高能加速器——
強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器曾于1977年由高能所全面開展預(yù)制研究，后經(jīng)計(jì)劃調(diào)整，改為建造
正負(fù)電子對撞機(jī)，1988年秋宣告建成。原設(shè)計(jì)作為注入器的’30MeV質(zhì)子直線加速器，則仍按期于1986年建成。
粒子加速器
中國第一臺自行設(shè)計(jì)、制造的質(zhì)子直線加速器首次引出能量為10MeV的質(zhì)子束流，脈沖流達(dá)到14mA.
1988年
北京正負(fù)電子對撞機(jī)實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對撞。
蘭州近代物理研究所用于加速器重離子的分離扇形回旋加速器(HIRFL)建成。
1989年
粒子加速器
2004年
北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程(BEPCⅡ)第一階段設(shè)備安裝和調(diào)試工作取得重大進(jìn)展。同年11月19日16時(shí)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(qiáng)約為2A以上，標(biāo)志著BEPCⅡ直線加速器的改進(jìn)工作取得一個(gè)重要的階段性成果。
2005年
北京正負(fù)電子對撞機(jī)（BEPC）正式結(jié)束運(yùn)行。投資6.4億元的北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程(BEPCⅡ)第二階段——新的雙環(huán)正負(fù)電子對撞機(jī)儲(chǔ)存環(huán)的改建工程施工正式開始。新北京正負(fù)電子對撞機(jī)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(chǔ)科研具有重要意義。
2015年
研究目的
二十世紀(jì)80年代以來，中國陸續(xù)建設(shè)了四大高能物理研究裝置――北京正負(fù)電子對撞機(jī)、蘭州重離子加速器和合肥同步輻射裝置。2000年以后，國家和地方政府合作，花費(fèi)14億元之巨興建了大科學(xué)裝置上海同步輻射光源。為什么國家要花費(fèi)如此巨資，建設(shè)這高能物理研究裝置呢？
粒子加速器
要想了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，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(zhì)，加速器使用電磁力加速帶電粒子，由此產(chǎn)生的粒子束可沿設(shè)定的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)著的帶電粒子經(jīng)過某個(gè)原子時(shí)，就能與原子中的電子相互作用，改變其運(yùn)行軌道和連結(jié)方式，導(dǎo)致一些化合物分解并與其他元素結(jié)合而形成新的聚合物，進(jìn)而使我們了解物質(zhì)的基本性質(zhì)。一直以來科學(xué)家們都致力于粒子加速器小型化，軍事學(xué)家則希望制成能擊穿鋼鐵的粒子槍。
結(jié)構(gòu)
粒子加速器的結(jié)構(gòu)一般包括3個(gè)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中的分子散射的影響的條件下加速，整個(gè)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(qiáng)度（流強(qiáng)）。按照粒子能量的大小，加速器可分為低能加速器（能量小于
）、中能加速器（能量在
）、高能加速器（能量在
）和超高能加速器（能量在
以上)。低能和中能加速器主要用于各種實(shí)際應(yīng)用。
分類
加速器的種類繁多，到目前為止，世界上已建成或曾著手研制的不下數(shù)十種。其中的已被淘汰，有的還不成熟。被廣泛采用和定型的則有十余種，它們的特點(diǎn)各有不同，可按不同的原則加以分類。
1．按加速粒子種類分：
(1)電子加速器；
(3)任意帶電粒子或全粒子加速器。
直線加速器
(1)直線加速器；
(2)回旋加速器；
(3)環(huán)形加速器。
3．按加速電場種類分：
(2)感應(yīng)加速器；
(3)高頻共振加速器。
4．按聚焦方式分：
高壓加速器
(2)強(qiáng)聚焦加速器(超導(dǎo)或非超導(dǎo)磁體)。
5．按加速粒子能量范圍分：
(1)低能加速器 
(2)中能加速器
(3)高能加速器 
(4)超高能加速器 
6．按束流強(qiáng)度分為強(qiáng)流、中流或弱流加速器。
以平均束流強(qiáng)度I計(jì)，一般大體上可以分為以下檔次：
強(qiáng)束流： 
超級粒子加速器
中等流：約
弱束流： 
甚弱： 
粒子運(yùn)行方式
粒子運(yùn)行方式有：直線、回旋、螺旋、自動(dòng)穩(wěn)向機(jī)制等。
利用直線加速器加速帶電粒子時(shí)，粒子是沿著一條近于直線的軌道運(yùn)動(dòng)和被逐級加速的，因此當(dāng)需要很高的能量時(shí)，加速器的直線距離會(huì)很長。有什么辦法來大幅度地減小加速器的尺寸嗎？辦法說起來也很簡單，如果把直線軌道改成圓形軌道或者螺旋形軌道，一圈一圈地反復(fù)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啟發(fā)下，提出了研制回旋加速器的建議。勞倫斯建議在回旋加速器里增加兩個(gè)半圓形磁場，使帶電粒子不再沿著直線運(yùn)動(dòng)，而沿著近似于平面螺旋線的軌道運(yùn)動(dòng)，這種改造使得加速器的電場不至于如此之長而導(dǎo)致電場能損失，是一個(gè)極富設(shè)想的設(shè)計(jì)發(fā)明。1931年建成了第一臺回旋加速器，磁極直徑約10厘米，用2千伏的加速電壓工作，把氘核加速到80keV，證實(shí)了回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厘米的回旋加速器，可以把質(zhì)子加速到1MeV。
回旋加速器的電磁鐵的磁極是圓柱形的，兩個(gè)磁極之間形成接近均勻分布的主導(dǎo)磁場。磁場是恒定的，不隨時(shí)間而變化。在磁場作用下，帶電粒子沿著圓弧軌道運(yùn)動(dòng)，粒子能量不斷地提高，軌道的曲率半徑也不
兩個(gè)磁極之間是真空室。里面裝有兩個(gè)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(gè)D形電極之間的空隙（加速間隙）有高頻電場產(chǎn)生。粒子源安裝在真空室中心的加速間隙中。D形電極內(nèi)部沒有高頻電場，粒子進(jìn)入D形電極之內(nèi)就不再被加速，在恒定的主導(dǎo)磁場作用下做圓周運(yùn)動(dòng)。只要粒子回旋半圓的時(shí)間等于加速電壓半周期的奇整數(shù)倍，就能夠得到諧振加速。用一個(gè)表達(dá)式可以表示成：
這類利用軸向磁場使帶電粒子做回旋運(yùn)動(dòng)，周期性地通過高頻電場加速粒子的回旋加速器又可以分為兩類：
粒子加速器
第二類是有自動(dòng)穩(wěn)相機(jī)制的。屬于這一類型的加速器有：（1）穩(wěn)相加速器；（2）同步加速器；（3）回旋加速器。
穩(wěn)相
SLD事件的示意圖
同步
它的主導(dǎo)磁場是隨時(shí)間改變的以保證帶電粒子在恒定軌道上回旋。為此，磁鐵做成環(huán)形的，可使磁鐵重量減輕。加速電場是交變的，其頻率隨著帶電粒子回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；又能用于加速質(zhì)子，稱為質(zhì)子同步加速器或同步穩(wěn)相加速器。用于加速重離子的同步加速器，顧名思義應(yīng)稱為重離子同步加速器。
回旋
又稱為微波回旋加速器，專門用于加速電子。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恒定的，而所不同的是讓加速間隙位于磁極的一端，電子的軌道為一系列與加速間隙中心線相切的圓。圖2.5是電子回旋加速器中電子軌道的示意圖。電子每回旋一圈，就被加速一次，只要回旋周期等于加速電壓周期的整數(shù)倍，就有可能進(jìn)行諧振加速。電子回旋加速器的能量都不是很高，最大的也不過幾十MeV，束流強(qiáng)度為
微安，大多數(shù)用于醫(yī)療和射線劑量學(xué)等方面。
環(huán)形
粒子加速器
同步輻射是當(dāng)任何帶電粒子加速時(shí)，所發(fā)出的一種電磁輻射。粒子在圓形軌道里運(yùn)動(dòng)時(shí)都有一個(gè)向心加速度，會(huì)讓粒子持續(xù)輻射。此時(shí)必須提供電場加速以補(bǔ)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(chǎn)生同相位的X光。
最早的環(huán)形加速器為 粒子回旋加速器，1932年由 恩奈斯特·勞倫斯（en:Ernest O. Lawrence）所發(fā)明。粒子回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(yùn)動(dòng)粒子轉(zhuǎn)彎。帶電粒子從盒子的圓心地方開始加速，然后依螺旋狀軌跡運(yùn)動(dòng)至盒子邊緣。
粒子回旋加速器有其能量限制，因?yàn)?特殊相對論效應(yīng)會(huì)使得高速下的粒子質(zhì)量改變。粒子的核質(zhì)比與回旋頻率間的關(guān)系因此改變，許多參數(shù)需重新計(jì)算。當(dāng)粒子速度接近光速時(shí)，粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能讓粒子繼續(xù)運(yùn)行，而這時(shí)可能已經(jīng)達(dá)到粒子回旋加速器機(jī)械上的極限。
當(dāng)電子能量到達(dá)約十個(gè)百萬電子伏特（10 MeV）時(shí)，原本的粒子回旋加速器無法對電子再做加速。必須用其它方法，如 同步粒子回旋加速器和 等時(shí)粒子回旋加速器的使用。這些加速器適用于較高的能量，而不用于較低的能量。
如果要到達(dá)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于環(huán)形的真空管中，稱為儲(chǔ)存環(huán)。儲(chǔ)存環(huán)有許多的磁鐵裝置用以聚焦粒子以及讓粒子在儲(chǔ)存環(huán)中轉(zhuǎn)彎，用微波（高頻）共振腔提供電場將粒子加速。
直線
粒子加速器
當(dāng)粒子接近光速時(shí)，會(huì)由于相對論效應(yīng)粒子會(huì)將電能轉(zhuǎn)成質(zhì)能，電場的轉(zhuǎn)換速率必須變得相當(dāng)高以抵抗相對論效應(yīng)，須使用微波（高頻）共振腔來運(yùn)作加速電場。直線加速器由于高電壓的運(yùn)作，會(huì)使儀器表面有感應(yīng)電荷存在，這不只會(huì)造成實(shí)驗(yàn)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(huì)轉(zhuǎn)成更危險(xiǎn)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(yùn)作的電費(fèi)更是一大負(fù)擔(dān)。于是在直線加速器之后，科學(xué)家基于成本和安全要求發(fā)明了回旋加速器(Cyclotron)。 (Ernest Lawrence發(fā)明了回旋加速器并在1939年榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng))
雖然直線加速器有成本和安全的缺點(diǎn)，但是和現(xiàn)今的粒子加速器比較的話，它還是有高功率(短時(shí)間將粒子加速到相對論狀態(tài))和高數(shù)量輸出的優(yōu)點(diǎn)。直線加速器也被稱為Linac（LinearAccelerator的簡稱）。
實(shí)驗(yàn)裝置
北京正負(fù)電子對撞機(jī)
北京正負(fù)電子對撞機(jī)是一臺可以使正、負(fù)兩個(gè)電子束在同一個(gè)環(huán)里沿著相反的方向加速，并在指定的地點(diǎn)發(fā)生對頭碰撞的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置。由于磁場的作用，正負(fù)電子進(jìn)入環(huán)后，在電子計(jì)算機(jī)控制下，沿指定軌道運(yùn)動(dòng)，在環(huán)內(nèi)指定區(qū)域產(chǎn)生對撞，從而發(fā)生高能反應(yīng)。然后用一臺大型粒子探測器，分辨對撞后產(chǎn)生的帶電粒子及其衍變產(chǎn)物，把取出的電子信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正負(fù)電子對撞機(jī)、北京譜儀（大型粒子探測器）和北京同步輻射裝置。
北京正負(fù)電子對撞機(jī)的建成，為中國粒子物理和同步輻射應(yīng)用研究開辟了廣闊的前景。它的主要性能指標(biāo)達(dá)到80年代國際先進(jìn)水平，一些性能指標(biāo)迄今仍然是國際同類裝置的最好水平。而且中美科學(xué)家還于2003年7月30日在北京正負(fù)電子對撞機(jī)上首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)新粒子，中美科學(xué)家合作分析研究從對撞機(jī)上得到的5800萬個(gè)J粒子事例的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)新的短壽命粒子。這可能是幾十年前由科學(xué)家費(fèi)米和楊振寧預(yù)言的多夸克態(tài)粒子。
上海同步輻射光源
上海光源是一臺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(xué)裝置和大科學(xué)平臺，在科學(xué)界和工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值，每天能容納數(shù)百名來自全國或全世界不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師在這里進(jìn)行基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)。
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制的第一臺重離子加速器，同時(shí)也是我國到目前為止能量最高、可加速的粒子種類最多、規(guī)模最大的重離子加速器，是世界上繼法國、日本之后的第三臺同類大型回旋加速器，1989年H月投入正式運(yùn)行，主要指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。中科院近代物理研究所的科研人員以創(chuàng)新的物理思想，利用這臺加速器成功地合成和研究了10余種新核素。
合肥同步輻射裝置
粒子加速器
大型強(qiáng)子對撞器(Large Hadron Collider，LHC），是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機(jī)，作為國際高能物理學(xué)研究之用。(全球定位點(diǎn)：北緯
，東經(jīng)
LHC已經(jīng)建造完成，北京時(shí)間2008年9月10日下午15：30正式開始運(yùn)作，成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。但在2008年9月19日，LHC第三與第四段之間用來冷卻超導(dǎo)磁鐵的液態(tài)氦發(fā)生了嚴(yán)重的泄漏，導(dǎo)致對撞機(jī)暫停運(yùn)轉(zhuǎn)。LHC是一個(gè)國際合作的計(jì)劃，由34國超過兩千位物理學(xué)家所屬的大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室，所共同出資合作興建的。
激光粒子加速器
粒子加速器
傳統(tǒng)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(xué)家所需的程度。幾年來，科學(xué)家發(fā)展出一種主要基于激光等離子體的技術(shù)，可獲得比傳統(tǒng)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(shù)往往導(dǎo)致同步加速器的輻射損失或降低粒子束的質(zhì)量，限制了其對粒子物理學(xué)家的吸引力。
斯坦福大學(xué)研究小組開發(fā)的新方法，在用激光束加速的同時(shí)，施加一個(gè)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于縱向電場和激光束單獨(dú)作用施加能量之和。該裝置在真空中加速電子，而不是在復(fù)雜得多的等離子體環(huán)境中。
粒子加速器
“這項(xiàng)工作最初、最主要的動(dòng)機(jī)是想探索開發(fā)粒子加速器的可能性，從而把現(xiàn)有直線加速器的長度縮減一個(gè)數(shù)量級。”Plettner說，“這將導(dǎo)致碰撞能達(dá)1Tev甚至更高的‘緊湊’型高亮度輕子碰撞的出現(xiàn)。”據(jù)悉，新方法還可能導(dǎo)致小型X射線源技術(shù)的發(fā)展。
作用方式
高能加速器條件下的有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，本質(zhì)上是有關(guān)自然狀態(tài)下自然能團(tuán)（或能簇、能子）之間的能態(tài)在量方面的相對變（轉(zhuǎn)化）關(guān)系。
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(jié)構(gòu)（原子）的條件下，可得到弱相互作用關(guān)系：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(jié)構(gòu)），則得到強(qiáng)相互作用關(guān)系：漸近自由 理論等。
為什么？
上述兩種作用均發(fā)生在能態(tài)層面而非物質(zhì)態(tài)的層面；屬能簇與能簇之間的關(guān)系。
粒子加速器
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(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，由于時(shí)間軸在空間軸上的非對稱性（
），所有弱相互作用均發(fā)生在類弧子結(jié)構(gòu)的能量交換過程中，本質(zhì)上是對自然本在能態(tài)的一種人工擾動(dòng)，并非是物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性改變。類弧子結(jié)構(gòu)是一種能態(tài)轉(zhuǎn)化過程中的普遍存在的剛性結(jié)構(gòu)。當(dāng)外加能量進(jìn)入時(shí)，這些外加能量就被“訓(xùn)化”了，形成適當(dāng)?shù)拇瘟Ｗ硬⒈会尫懦鰜怼＿@些過程是可以反復(fù)和重演的。一切自然能態(tài)在其能量發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時(shí)的唯一結(jié)構(gòu)體，即類弧子體。弱相互作用實(shí)際上是人工條件下對類弧子體的干擾性的物理學(xué)觀察結(jié)果。自然能態(tài)猶如平靜的湖面，人為的力量弄起了幾絲漣紋；當(dāng)這些人工干擾停頓 時(shí)，自然能態(tài)將恢復(fù)如初，并未發(fā)生絲毫的改變。人們總結(jié)出來的理論或規(guī)律，僅僅是有關(guān)那幾絲漣紋的觀察結(jié)果。對于自然的能本態(tài)或物質(zhì)性結(jié)構(gòu)仍是一無所知。
與此不同的強(qiáng)相互作用則全部發(fā)生在能態(tài)的能子層面（狀態(tài)）。能子狀態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體，即絕對弧子。其時(shí)空軸絕對同一，組成絕對弧合子的最小能量子單位，現(xiàn)代人稱為強(qiáng)子。強(qiáng)相互作用就是研究絕對弧合子能量單元之間的關(guān)系。這里，要求人工能量要有極高的能級狀態(tài)，使用很高能量時(shí)才能激發(fā)這種相互作用。強(qiáng)相互作用對外不顯示任何新粒子產(chǎn)生或亞粒子對產(chǎn)生；也就是說，如果產(chǎn)生的話，則是碰撞能量的轉(zhuǎn)化形式。怎樣轉(zhuǎn)化僅僅取決于絕對弧合子吸收人工外加能量的量值。通常情況下不產(chǎn)生。多以光子形式被釋放掉，壽命極短。
絕對弧子好比布滿麻點(diǎn)的皮球，其麻點(diǎn)對應(yīng)最小能單位，在無外加能量時(shí)，每個(gè)麻點(diǎn)的“位置”是同一的，即自由的，任意方位均可“看”到同一個(gè)麻點(diǎn)的存在。對其施加外力（外加能量）時(shí)，球面將會(huì)發(fā)生塌陷，此時(shí)塌陷邊緣上對稱的麻點(diǎn)發(fā)生對稱性的背離運(yùn)動(dòng)，似乎被分開了。由于絕對弧子自身的穩(wěn)定性，也即對人工能量的排斥性，看起來似乎是兩個(gè)麻點(diǎn)拼命想恢復(fù)原狀，給的力越大，凹陷越大，回彈性就越強(qiáng)；凹陷越小，回彈性越弱，按照現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)理解，即漸近自由。這些實(shí)為假象（人工制造的假象）。
概括而論，弱相互作用及其規(guī)律以及強(qiáng)相互作用及其規(guī)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(qiáng)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(tài)在被干擾時(shí)所發(fā)生現(xiàn)象的物理認(rèn)識理論，而非自然本態(tài)的物理理論。其根本錯(cuò)誤在于自然認(rèn)識觀是錯(cuò)誤的，唯有弧理論可以正確概括和闡述各種自然的本在態(tài)結(jié)構(gòu)。
加速能量
粒子加速器
粒子加速器的規(guī)模已有小于一個(gè)大型機(jī)器制造廠，其用電量相當(dāng)于一個(gè)中等城市，工作人員可達(dá)數(shù)千人，有宇宙粒子制造廠之稱。但是，盡管今日粒子加速器能量已經(jīng)夠大的了，可它仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)探索原子奧秘的要求，因此隨著人們對原子奧秘探索的深入，粒子加速器仍會(huì)不斷地改進(jìn)。
應(yīng)用
應(yīng)用加速器產(chǎn)生的電子束或X射線進(jìn)行輻照加工已成為化工、電力、食品、環(huán)保等行業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝，是一種新的加工技術(shù)工藝。它廣泛應(yīng)用于聚合物交聯(lián)改性、涂層固化、聚乙烯發(fā)泡、熱收縮材料、半導(dǎo)體改性、木材-塑料復(fù)合材料制備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脫硫脫硝等加工過程。
經(jīng)輻照生產(chǎn)的產(chǎn)品具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，例如：輻照交聯(lián)聚乙烯電纜經(jīng)105Gy劑量輻照后，其電學(xué)性能、熱性能都有很大提高，使用溫度輻照前為
，輻照后長期使用溫度可達(dá)120℃以上。我國已有用加速器進(jìn)行輻照加工的生產(chǎn)線200多條。
無損檢測
無損檢測就是在不損傷和不破壞材料、制品或構(gòu)件的情況下，就能檢測出它們內(nèi)部的情況，判別內(nèi)部有無缺陷。現(xiàn)代無損檢測的方法很多，例如：超聲波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷法及射線檢測法等。射線檢測法即可檢查工件表面又可檢查工件內(nèi)部的缺陷。設(shè)備可以采用放射性同位素Co60產(chǎn)生的γ射線、X光機(jī)產(chǎn)生的低能X射線和電子加速器產(chǎn)生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領(lǐng)和靈敏度高，作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗(yàn)證手段及在質(zhì)量控制中，在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應(yīng)堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗(yàn)中得到廣泛的應(yīng)用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機(jī)型。
射線檢測的方法根據(jù)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：
a、射線照相法
這種方法與我們體檢時(shí)拍X光膠片相似，射線接受器是X光膠片。探傷時(shí)，將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件背后，用X射線對工件照射后，透過工件的射線使膠片感光，同時(shí)工件內(nèi)部的真實(shí)情況就反映到膠片的乳膠上，對感光后的膠片進(jìn)行處理后，就可以清楚地了解工件有無缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。
b、輻射成像法
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(xué)和清華同方共同研制生產(chǎn)的大型集裝箱檢查系列產(chǎn)品。后者就是用于機(jī)場、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統(tǒng)，也可用于工業(yè)的無損檢測。這種方法配以圖像處理系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)顯示物品內(nèi)部的真實(shí)情況。
c、工業(yè)CT
與醫(yī)用CT原理類似，CT技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助層析成像技術(shù)。選用加速器作為X射線源的CT技術(shù)是一種先進(jìn)的無損檢測手段，主要針對大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和精密工件的檢測而發(fā)展起來。它的密度分辨率可達(dá)0.1%，比常規(guī)射線技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級。在航天、航空、兵器、汽車制造等領(lǐng)域精密工件的缺陷檢測、尺寸測量、裝配結(jié)構(gòu)分析等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。
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(xué)及電學(xué)性能。半導(dǎo)體器件、金屬材料改性和大規(guī)模集成電路生產(chǎn)都應(yīng)用了離子注入技術(shù)。我國現(xiàn)擁有各類離子注入機(jī)100多臺。其中我國自己累計(jì)生產(chǎn)出140多臺離子注入機(jī)，能量為150KeV~600KeV（
），流強(qiáng)為0.5mA到十幾mA。
1.2 低能加速器在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
作為核技術(shù)應(yīng)用裝備的加速器在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，在一些國家普遍使用已有明顯經(jīng)濟(jì)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(yīng)用，主要是利用它產(chǎn)生的高能電子、X射線、快中子或質(zhì)子照射作物的種子、芽、胚胎或谷物花粉等，改變農(nóng)作物的遺傳特性，使它們沿優(yōu)化方向發(fā)展。通過輻射誘變選育良種，在提高產(chǎn)量、改進(jìn)品質(zhì)、縮短生長期、增強(qiáng)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(jīng)過輻照育種后可具有高產(chǎn)、早熟、矮桿及抗病蟲害等優(yōu)點(diǎn)。
2)輻照保鮮
輻照保鮮是繼熱處理、脫水、冷藏、化學(xué)加工等傳統(tǒng)的保鮮方法之后，發(fā)展起來的一種新保鮮技術(shù)。例如，對馬鈴薯、大蒜、洋蔥等經(jīng)過輻照處理，可抑制其發(fā)芽，延長貯存期；對干鮮水果、蘑菇、香腸等經(jīng)過輻照處理，可延長供應(yīng)期和貨架期。
醫(yī)療衛(wèi)生
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活和質(zhì)量的提高，人們對醫(yī)療衛(wèi)生條件提出了更高的要求。而加速器在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展和人類壽命的延長。目前，加速器在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用主要有三個(gè)方面，即放射治療、醫(yī)用同位素生產(chǎn)以及醫(yī)療器械、醫(yī)療用品和藥品的消毒。
1) 放射治療
用于惡性腫瘤放射治療（簡稱放療）的醫(yī)用加速器是當(dāng)今世界范圍內(nèi)，在加速器的各種應(yīng)用領(lǐng)域中數(shù)量最大、技術(shù)最為成熟的一種。
用于放療的加速器由50年代的感應(yīng)加速器，到60年代發(fā)展了醫(yī)用電子回旋加速器，進(jìn)入70年代醫(yī)用電子直線加速器逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。，世界上約有3000多臺醫(yī)用電子直線加速器裝備在世界各地的醫(yī)院里。
除了應(yīng)用加速器產(chǎn)生的電子線、X射線進(jìn)行放療外，還可應(yīng)用加速器進(jìn)行質(zhì)子放療、中子放療、重離子放療和π介子放療等，這些治癌方法還處在實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，療效顯著。但這些加速器比電子直線加速器能量高得多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，價(jià)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(fā)展的新的放療技術(shù)。這種技術(shù)與常規(guī)放療相比，可多保護(hù)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(xì)胞，從而增加放療療效。
60年代我國醫(yī)院裝備了醫(yī)用感應(yīng)加速器，70年代中期醫(yī)用電子直線加速器開始裝備我國各地醫(yī)院。截止到2000年初，我國已擁有各種能量的醫(yī)用加速器約530臺，其中國產(chǎn)醫(yī)用加速器約250臺，進(jìn)口醫(yī)用加速器約300臺。
同位素
現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)廣泛使用放射性同位素診斷疾病和治療腫瘤，已確定為臨床應(yīng)用的約80種同位素，其中有2/3是由加速器生產(chǎn)的，尤其是缺中子短壽命同位素只能由加速器生產(chǎn)。這些短壽命同位素主要應(yīng)用在以下方面：
a、正電子與單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描—PET與SPECT
PET是由病人先吸入或預(yù)先注射半衰期極短的發(fā)射正電子的放射性核素，通過環(huán)形安置的探測器從各個(gè)角度檢測這些放射性核素發(fā)射正電子及湮滅時(shí)發(fā)射的光子，由計(jì)算機(jī)處理后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制備的。最短的半衰期核素如15O僅為123秒，一般為幾分鐘到1小時(shí)左右。所以，這種加速器一般裝備在使用PET的醫(yī)院里。生產(chǎn)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(chǎn)廠開發(fā)研制。，國外幾個(gè)加速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的小回旋加速器已達(dá)到幾十臺。
b、圖像獲取
利用放射性核素進(jìn)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(dòng)態(tài)資料。例如201Tl用于心肌檢查，對早期發(fā)現(xiàn)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(chǎn)的。
輻照消毒
利用加速器對醫(yī)用器械、一次性醫(yī)用物品、疫苗、抗生素、中成藥等的滅菌消毒是加速器在醫(yī)療衛(wèi)生方面應(yīng)用的一個(gè)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(yīng)用的高溫消毒、化學(xué)消毒等方法。但滅菌需要的射線劑量要大于殺蟲所需的劑量。
粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法產(chǎn)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(shè)施。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(shí)際應(yīng)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(shí)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10^14電子伏特（ eV ）的粒子每小時(shí)在 1平方米的面積上平均只降臨一個(gè)，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(shí)驗(yàn)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。在生活中，電視和X光設(shè)施等都是小型的粒子加速器。
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，從而建立粒子物理學(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(gè)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(jì)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。
參考資料
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今天｜7月5日，30年前，我國高能加速器跨入世界先進(jìn)行列2019-07-05T06:44:00+08:00[引用日期2022-06-07 09:36:16]
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葉梅報(bào)告文學(xué)《粲然》：文學(xué)與高能物理的精彩“對撞”2020-09-30T14:53:42+08:00[引用日期2022-06-07 09:39:01]
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好書·新書丨前方“高能”！《高能粒子對撞機(jī)加速器物理與設(shè)計(jì)》出版發(fā)行2021-04-21T15:03:09+08:00[引用日期2022-06-07 10:15:25]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
