[科普中国]-超导回旋加速器

历史沿革

随着粒子能量的提高，粒子的磁刚度越来越大，而通常的常温磁铁一般只能提供最高约2T的磁场，个别磁间隙很小的加速器可以更高一些。因此，为了得到更高能量的束流，只是进一步增大加速器的半径，这会导致加速器造价的急剧增加。随着超导磁铁技术首先在一种粒子探测器——气泡室中得到了应用，采用低温超导技术提高回旋加速器的磁场，在20世纪60年代初就由美国Michigan State University(MSU)的科学家提出来了，但一直到1973年才由加拿大Chalk River实验室提出了一个正式的回旋加速器方案，以作为重离子加速器的后加速级，超导回旋加速器才真正得到国际上的重视，MSU也提出自己的超导重离子回旋加速器计划。

由于MSU先于Chalk River得到经费的支持和积极研制，他们在1982年首先建成了世界上第一台超导回旋加速器，其能量常数为K=500；Chalk River的能量常数为K=520的超导回旋加速器于1985年建成。之后，MSU又于1988年建成了K=1200的超导回旋加速器，其他国家和实验室也在随后的时间内建成了加速重离子的超导回旋加速器。

到目前为止，已建造的规模最大的超导回旋加速器是日本理化所于2006建造的K=2600环形超导回旋加速器。

原理超导回旋加速器的基本原理和常规回旋加速器的原理是一样的，但选择特性参数不同，而且超导磁体的特性参数也与常规磁体不同。2

当带电粒子沿与 磁力线相垂直的方向进入磁场时，粒子受磁场的作用作圆周运动，其角速度(回转运动频率) 仅决定于磁场强度、粒子带的电量及其质量。

回旋加速结构的主要部分是两个半圆形盒状电极，又称D形电极。两电极间相隔很短距离，装在密闭的真空室中。真空室安放在上下两个磁极之间，磁场垂直于D形电极平面，离子源装在盒的中心。两D形电极间加上几十兆赫的高频交流电压，使D形电极间产生高频电场，带电粒子从离子源发射出来后，即在D形电极间高频电场的作用下被加速。由于粒子回旋频率与速度无关，它每经过半圈就被 交变电场加速一次，使粒子在回旋运动中不断地得到加速。

回旋加速器在加速几十兆电 子伏能量以下粒子时是一种很好的设备。由于相对论效应，加速粒子的质量随速度的增大而增大，当粒子质量变大后，其回转频率变小，因而导致回转频率与交变电场的频率不同步，这就限制了加速粒子的最高能量。通常称这类回旋加速器为经典回旋加速器，它的最高能量限于每核子20兆电子伏。为了提高能量上限，发展了调频回旋加速器和等时性回旋加速器等。

面临问题回旋加速器采用超导磁铁技术虽然具有很多优势，但是在设计和建造中，还有不少加速器物理和技术问题需要研究和克服。在20世纪70年代末、80年代初人们开始建造超导回旋加速器时，超导磁铁技术的使用还很不普遍，需要克服许多技术上的困难。，包括超导线圈的绕制问题、低温问题、超导体失超保护问题、高精度的装配问题、非常紧凑空间中的其他设备的设计和安装问题等。

超导回旋加速器中其他的技术问题还包括：①引出系统的设计较为困难，一方面由于引出束流的磁刚度很大，要求的静电偏转枥的电压很高，另一方面狭小的空间对提高静电偏转板的耐压设计制造了困难需要采用特殊的工艺以及采用增加复杂的磁通道来引出束流。②分离扇(环形)超导回旋加速器的技术设计较紧凑型的更为困难，包括巨大的磁力、磁场屏蔽等。③由于空间非常紧张，对机械设计包括不少传动元件是个挑战