带电粒子加速器.doc

加速器原理课程论文

题 目 带电粒子加速器的
历史、发展以及展望
学院名称 核科学技术学院
指导教师 刘 林
职 称 助 教
班 级 核工073班
学 号 20074530350
学生姓名 洪浩浩

年 月 日
目 录

第1节 1
第2节 2
2.1 2
2.1.1………………………………………………………………………………………………. 2
2.1.2………………………………………………………………………………………………. 2
2.2 2
2.3 2
第3节 3
参考文献 4

第一节 加速器的发展史
自从人们开始研究原子核的本质以来，就一直希望能窥探原子核内部结构，但是由于原子核本身具有异常紧密的结构，而且其直径的数量级也在10-15m左右，人们难以直接观察，所以，只能采用间接的方法来了解其内部结构。此时，带电粒子加速器应运而生。带电粒子加速器简称加速器，它通过高强度电磁场来使粒子加速，用加速粒子轰击靶核。这样，人们就能通过研究轰击后产生的粒子来了解核内部的结构了。
加速器的历史可以追溯至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2×109厘米/秒的高速α离子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的靶，发现原子核本身有结构，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间被提出并先后建成了一批加速装置。
1933年美国科学家柯克罗福特（J.D。Cockcroft）（图1.1）和爱尔兰科学家沃尔顿（E.T.S.Walton）（图1.2）建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗福特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV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年的诺贝尔物理学奖。
图1.1 图1.2
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。
以上两种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，维德罗（E.Wideroe）于1928年分别发明了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年的诺贝尔物理学奖。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结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家魏克斯列尔（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，英国科学家阿里方特（M.L.Oliphant）也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。
1954年美国劳伦斯实验室建成了第一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器。而1960年意大利科学家陶歇克（B.Touschek）首次提出了将两束加速粒子对撞的革命性思想，并在意大利Frascati国家实验室建成了肮得乐直径约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。
自第一台加速器问世以来，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的数量级，并且在以后，还会取得更加惊人的发展。

第二节 各种加速器及其简介
1) 早期直线加速器
图2.1

2） 回旋加速器
①近似条件下的同步：

2πm/qeBz=kTrf k=1.3.5…

②回旋加速器的极限能量 图2.2
回旋加速器加速能量的提高受到被加速粒子质量对论性增加的限制
Tc=2πm/qeBz
带电粒子在被加速的过程中，其质量越来越大。在轴向磁场一定的情况下，从而导致其回旋周期越来越长。

3） 稳相加速器
自动稳相原理指出：
在准共振加速器中，那些相位与φs（平衡相位）有一定偏差的大量非同步粒子，并不中断加速，其加速相位将围绕平衡相位φs来回地摆动，从而得以围绕同步粒子“平均”地得到加速，最终达到和同步粒子相当的能量。
自动稳相原理－粒子运动的纵向稳定性
强聚焦原理－粒子运动的横向稳定性
对撞机原理－粒子能量的有效利用

第三节 加速器的应用以及展望
加速器广泛应用在工农业，医疗、科研等各个领域。电子静电加速器则用于辐照加工、消毒等方面。巨型的串列式加速器，如美国橡树岭国家实验室的25 URC和英国达尔士布莱的NSF加速器，其加速电压在25 MV以上，主要用于核物理基础研究。近年来，生产了一批电压1～2 MV的小型串列式加速器，它们在元素痕量分析等方面有着广泛的用途。电磁感应式加速器主要金属构件的无损探伤、肿瘤的辐照治疗等。直线谐振式加速器 在医疗和工业辐照方面用
图3.1 世界上最大的质子—反质子对撞机（Tevatron I）
途极为广泛，大多用来生产各种放射性同位素，回旋加速器进行材料的活化分析以及辐照损伤的研究，例如无损检测，就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部 有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设 备可以采用放射性同位素Co60产生的γ射线、X光机产生的低能X射线和电子加速器产生的高能X射线。尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，作为一种最 终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这 种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。也用来进行中子物理或核结构等的基础研究，人工核反应，合成同位素如24Na、32P和131I等人工放射性核素。电子同步加速器已被广泛地用于固体物理、分子生物学及集成电路研制等等各个方面。电子感应加速器除了主要用于产生的γ射线做核反应等方面的应用外，还广泛用于工业和医疗方面：如无损探伤、工业辐照、放射治疗等。
近年来，越来越多的新品种加速器陆续问世，比如电子感应加速器、质子同步加速器以及储存环和对撞机等等。
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，使用加速器提高作高能物
图 3.2
理实验，一般是用加速的粒子轰击静电靶中的核子，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有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。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，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。
相信在科技日益发展的今天，加速器将会继续在高科技领域扮演重要的角色，也会被运用在越来越多的领域，也会给人类带来越来越多的福利。所以，我们一定要学好加速器这门学科，为加速器的进一步发展做出贡献。

参考文献：
加速器原理概论 清华大学
加速器历史