文档介绍：第四讲 带电粒子加速器的原理及应用
刘瑞芹
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一、带电粒子加速器的发展概述
天然放射性提供的粒子能量有限,只有几兆电子伏特(MeV),天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高,但是粒子流极为微弱
例如能量为1014电子伏特( eV )的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个,而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量,难于开展研究工作
因此为了开展有预期目标的实验研究,几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器,性能不断提高
1. 加速器概念
可以加速的粒子:
许多粒子如电子、质子、α粒子等等都是带电的,它们可在电磁场中被加速而获得很高的能量
粒子加速器
用人工方法产生高速带电粒子的装置,能够使带电粒子在电磁场作用下加速并获得很高能量的机器
2. 加速器的发展
第一次人工核反应
、速度为2×109厘米/秒的高速α粒子束(即氦核)作为“炮弹”,“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
卢瑟福用氮气作为α粒子的轰击靶核,结果看到了从荧光屏上所产生的明亮闪光。而这种闪光是来之不易的,因为原子核实在太小了,其直径约为十亿分之一厘米,所以α粒于束中的绝大多数注定是要打空的。卢瑟福的计算表明,每30万个α粒子中只有一个能侥幸击中氮原子核
卢瑟福的实验装置
卢瑟福第一次人工核反应实验装置示意图
α粒子轰击靶
自20 世纪30 年代初开始,倍压加速器、静电加速器、射频超导直线加速器、回旋加速器等陆续发展起来:
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
直流高压加速器
1932年美国科学家柯克罗夫特()和爱尔兰科学家沃尔顿()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,,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
美国科学家柯克罗夫特
爱尔兰科学家沃尔顿