粒子加速器的发展史与应用.docx

粒子加速器的发展史与应用 PAGE \* MERGEFORMAT- 10 - 粒子加速器的发展史与应用 组员：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 粒子加速器的发展史与应用 1、介绍粒子加速器 粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置。日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及 X 光管等设施。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。 粒子加速器的结构一般包括 3 个主要部分 ： ①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。 ②真空加速系统，其中有一定形态的加速电场，并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速 ，整个系统放在真空度极高的真空室内。 ③导引、聚焦系统，用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。 加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于 108eV）、中能加速器（能量在 108～109eV）、高能加速器（能量在 109～1012eV）和超高能加速器（能量在 1012eV 以上)。低能和中能加速器主要用于各种实际应用。 2、世界加速器前期发展回望 1919 年，英国科学技术卢瑟福用天然放射源中能量为几百万电子伏特、速度为2109 cm /s的高速α粒子束即氦核作为炮弹，轰击厚度仅为0.0004cm的金属箔的“靶”，实现了历史上第一个人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们追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。 1928 年，伽莫夫关于量子隧道效应的计算表明，能量远低于天然射线的α粒子也有可能透入原子核内。该研究结果进一步增强了人们研制???造快速粒子源的兴趣和决心。 1930 年美国实验物理学家劳伦斯提出了回旋加速器的工作原理，劳伦斯于 1932 年建成了第 一台直径为 27 厘米的回旋加速器，它能将质子加速到 100 万电子伏，并用它生产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。 1932 年美国科学家科克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造了世界上第一台直流加速器——科克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为 40 万电子伏的质子束轰击锂靶，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，二人因此获得 1951 年的诺贝尔物理奖。 1933 年美国科学家凡德格拉芙发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——凡德格拉芙静电加速器。以上两种粒子加速器均属于直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿有限，大约为 1000 万电子伏。由于被加速粒子能量、质量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到 2500 万电子伏左右，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亿电子伏，成为等时性回旋加速器。带电粒子加速器自 30 年代问世以来，主要是朝更高能量的方向发展。在这个过程中，任何一种加速器都经过了发生、发展和加速能力或经济效应收到限制的三个阶段。自回旋加速器后，又相继出现了同步回旋加速器、电子同步加速器、直线加速器等。 1940 年美国科学家科斯特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限制，极限约为1 亿电子伏。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 100亿电子伏。电子只有作为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 500 亿电子伏，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。 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和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特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。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