[科普中国]-高能加速器

高能加速器高能物理主要的实验研究工具。即利用强磁场把带电粒子，如电子、质子加速到很高速度，然后去与靶物质相碰撞，碰撞的结果可产生大量的新的基本粒子，或新的现象。通过对这些新的粒子，新的现象的观测分析，可以不断加深对物质微观结构的认识。高能加速器能量越来越高。现认为，介子及重子都是由“层子”（或称夸克）组成的。如果证实了“层子”的存在，判明了它的结构，很多理论问题如弱相互作用等问题将随之得到解决。1

起源1919年英国科学家卢瑟福（E.Rutherford）用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×10厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。

静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。

1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿（E.T.S.Walton）建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α 粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

1933年美国科学家凡德格拉夫（R.J.van de Graaff）发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器（右图）。

以上两种粒子加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。

奈辛（G.Ising）于1924年，德维罗（E.Wideroe）于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯（E.O.Lawrence）1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。

为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家维克斯列尔（V.I.Veksler）和美国科学家麦克米伦（E.M.McMillan）各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特（M.L.Oliphant）也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。

自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。

自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。

1952年美国科学家柯隆（E.D.Courant）、李温斯顿（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。

美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。

以上主要介绍的是质子环形加速器，对电子加速器来说情况有所不同。1940年美国科学家科斯特（D.W.Kerst，右图）研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量，可以允许更大的辐射损失，极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。

加速器的能量发展到如此水平，从实验的角度暴露出了新的问题。使用加速器作高能物理实验，一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制。如果采取两束加速粒子对撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。

1960年意大利科学家（B.Touschek）首次提出了这项原理，并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。

现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10～1000TeV，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。

自世界上建造第一台加速器以来，七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级，同时每单位能量的造价降低了约4个数量级，如此惊人的发展速度在所有的科学领域都是少见的。

随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。2

定义我们定义高能加速器为，使质子或电子书能得到1京兆电子伏特（即1GeV=109eV）以上能量的加速器。世界上的高能加速器除了有一个直线加速器外，都是同步加速器。在同步加速器中，被加速的粒子在环形磁铁的两极之间的圆形真空室内绕转。粒子由于通过射频振荡器所产生的电场区域而被加速着，令向心力等于磁力，可以求得曲率半径：

由此可知，如果使动量p与磁场B的比值保持恒定，则轨道的曲率半径也保持恒定，这样，粒子就总沿着位于环形真空室中心的圆形轨道运行。3

辐射环境加速器造成的辐射环境，在原理上是极其复杂的，它依赖于许许多多参数，例如被加速的初级粒子的种类，能量，束流强度，靶材料和屏蔽物等等。在非常高能量时，加速器辐射场与初级宇宙辐射在大气层中造成的辐射环境有许多类似之处。目前，正在研究利用

快中子、π介子及重离子作辐射治疗。如果研究成功的话，那么按装粒子加速器的医院就会提出很多有关辐射环境问题。总之，加速器的初级束流引和加速器附近辐射的剂量学问题，是加速器用户首要关心的课题。

加速器作下部分或全部屏蔽之后，周围还会有辐射，大致有两类：瞬发辐射和感生辐射。瞬发辐射包括初级粒子和次级粒子直接在加速器周围材料中衰减时由电磁的和核的相互作用而在近处和远处立即产生的辐射，而感生辐射则是由初级粒子和次级粒子在加速器部件和屏蔽物里产生的放射性。由于感生辐射产生的核，有一些是半衰期较长的放射性核素，所以在加速器粒子束流断掉之后，感生辐射还继续存在一段时间。

经验表明，加速器在部分和全部屏蔽的条件下，除了中子和质子之外，其他任何粒子所造成的剂量当量通常很小，可以忽略不计。只是在非常高能量时有例外，即在某些情况下，μ子的贡献可能变得相当重要。在许多高能加速器附近的辐射环境中，低能中子与核相互作用产生的强电离性辐射占大部分，例如质子和重的反冲粒子。这些传能线密度（LET）高的辐射的生物学效应，比辐射防护中研究的低剂量和低剂量率时低LET辐射的生物学效应大得多得多。4

应用高能物理实验高能质子加速器所加速出来的高能质子流打在静止靶上，可以产生出多种次级的高能粒子流，如反质子流，π介子流、μ子流等等。把这些次级粒子分别引向不同实验室可做多种高能物理实验。

其次，组成质子同步加速器的每一级加速器，除了供给下一级加速的质子流以外，都可以引出一部分束流供实验室使用。因此，一台高能质子同步加速器实际上是一个包括低能、中能和高能的综合性物理实验基地。

除作高能物理实验以外，高能加速器在其他方面的用处，也是非常广泛、非常诱人的。例如：用强流电子束本身或它产生的辐射模拟核武器爆炸时的破坏效应；用高能电子束或重离子束轰击聚变材料靶球点燃聚变反应；用高能强流质子束的散裂反应产生很高的中子通量，用这个中子通量制造裂变材料等等。

同步辐射电子束在同步加速器中会产生同步辐射，这对于提高电子能量来说当然是一件坏事。但所产生的同步辐射，由于强度特大、准直性好、单色性好、而且能谱连续可调等特点，它对分子生物学、表面物理、表面化学、天体物理、非线性光学、半导体器件工艺方面有着非常广泛的应用。例如：对于超大规模集成电路的光刻，有着非常诱人的前景。因为用同步辐射束光刻可达到一根线只有百万分之一毫米那样细。目前大规模集成电路都是利用电子束来刻蚀，一根线的宽度为千分之一毫米，两者相差—-千倍。这种技术成功后，一个通用计算机就可以做得只有一个火柴合那样小，或者更小。此外，同步辐射对一些瞬态现象的研究，还有它的特殊用途。如动物的肌肉收缩、神经活动等一些动态现象，可以用同步辐射作光源，把它拍摄下来。如果用普通的X光源拍照，由于强度弱，曝光时间较长， 就不可能做到。由于同步辐射有这样大的用处，所以在美、苏、日、西德、法、意等国，目前都建造了专门产生这种光辐射的强流电子储存环——光子工厂。

医学在医疗方面，高能加速器也有它的特殊用途。因为高能加速器可以产生很多高能粒子，如π介子、质子、中子等，它们对人体的癌细胞都有杀伤作用。特别是π-介子。对癌细胞的杀伤作用尤其显著。因为π-介子有一个特性，就是它在射程的末端能够被原子核所吸收，原子核吸收π-介子以后就放出电离作用很强的中子、 质子等，将癌细胞杀死。临床应用时，我们可以控制π-介子的能量，使它刚好射到人体内患癌的部位就停下来被原子核所吸收，然后原子核再放出质子和中子，将癌细胞杀死。这样，π-介子很巧妙地避免对人体内正常组织的破坏，而专门破坏癌细胞。另外，π-介子对原子核和“基本”粒子的研究也有广泛的用处，所以在国外，也有专门生产π-介子的流强很大的加速器——介子工厂。5

发展我国第一座高能加速器--北京正负电子对撞机，于1988年10月16日首次对撞成功。这项高科技工程是1984年10月7日破土动工的，它包括以下四个主要组成部分：1、电子注入器，2、贮存环，3、探测器及数据处理中心， 4、同步辐射区。 1988年10月16日凌晨5点56分，中国第一座高能加速器——北京正负电子对撞机首次对撞成功。这是中国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就。

北京正负电子对撞机是党中央、国务院决策建设的高科技工程。它包括电子注入器、贮存环、探测器及数据处理中心、同步辐射区等4个主要组成部分，是由数 百种、上万台件高精尖专用设备组成的复杂的系统工程。它的建成和对撞成功，为我国粒子物理和同步辐射应用研究开辟了广阔的前景，揭开了我国高能物理研究的 新篇章。

这项被认为是中国科学技术史上最大的科研工程，是邓小平同志在1984年10月7日奠基破土动工的。1984至1988年来，在党中央、国务院委托的北京正负电子对撞 机工程领导小组卓有成效的组织指挥下，中国科学院高能物理研究所同中央10多个部委及所属的几百个工厂、研究所、高等院校近万名科技人员、工人、干部、解 放军官兵，发扬自信、自立、自强的精神，充分吸取了世界先进技术，自力更生，艰苦奋斗，顽强拚搏，克服了重重困难，出色地完成了自行设计、研制、生产、安 装、调试任务，创造了建设速度快、投资省、质量好、水平高的奇迹。来京参加中美高能合作会议的李政道教授说，北京正负电子对撞机对撞成功，是国际高能物理 界的一件大事。仅用4年时间就完成了如此复杂的高技术工程，这样快的速度在国际上是不多的。它能一次对撞成功，这表明对撞机的各种设备、部件的质量、安装调试的水平在世界上也属一流。

据中国科学院有关人士说，北京正负电子对撞机今后将建设成为对外开放的国家实验室，根据它同时具有粒子物理和同步辐射应用研究的特点，它将成为跨部门、跨学科共同享用的实验研究基地。

本词条内容贡献者为:

耿彩芳 - 副教授 - 中国矿业大学