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
1. 加速器概念
离子加速器:
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
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就是粒子加速器
2. 加速器的发展
,物理学家就认识到要想认识原子核,必须用高速粒子来变革原子核
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
带电粒子加速器的研制是在核物理研究的兴趣开始高涨的本世纪30 年代初开始发展起来的,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:
1932 年世界上第1 台范德格喇夫加速器(静电加速器),第1 台考克饶夫-瓦尔顿加速器(高压倍加速器)和第1 个回旋加速器几乎同时问世。为了将带电粒子加速到能量为几个MeV,这些粒子加速器的原理和结构是简明而巧妙的。它们打开了加速器研究和开发的道路,成为现代科学技术中一个相当重要的领域。、、
第一批粒子加速器的运行,显示了这种用人工方法制造的粒子射线源的很大的优越性,主要有以下一些:
天然的射线源一般只能产生有限的几种射线,如中子、γ射线、β射线、α射线等,而粒子加速器所能产生的射线种类要多得多,例如重离子加速器可以产生出从氢到铀的所有元素的离子束。
由加速器产生的射线束的能量和强度可以根据需要任意选择和精确控制。
加速器产生的粒子束流强度高、性能好。
加速器可以根据需要随时运行和停机,停机以后就不再产生射线,便于管理和维修
1940
1945 ,为高能粒子加速器的发展开辟了道路
二战期间,,为直线加速器的发展奠定了基础
1956 年克斯特提出了一种通过高能粒子束之间的对头碰撞(对撞)来提高粒子束的有效作用能新的建议,从而导致了高能对撞机这种新颖高能加速器的问世
本世纪60 年代后期,重离子加速器的发展,使得可加速的粒子从最初的一些轻元素离子发展到元素周期表上的全部天然元素的离子
Cockcroft and Walton,发明了高压倍加器, MeV,实现了 7Li (p, 2a) 核反应, 粒子;
Van de Graaff,发明了静电加速器, MeV;
Lawrence and Livingston,利用高频电场多次共振原理建成回旋加速器, MeV;
11/12/2017
美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)建造了能量为50 GeV 的电子直线加速器,长度达3 km。
同步加速器也迅速发展起来,并成为高能加速器的主流类型。
对撞机原理的提出,极大地拓展了高能物理的实验能区
70 年代以来,美、欧、日本相继建造了一批大型对撞机。欧洲核子中心(CERN)80 年代末建造的正负电子对撞机LEP 横跨法国和瑞士两国, km,运行耗电占当时全欧洲发电量的7%
随着重离子物理研究和放射性核束物理研究的兴起,大型串列静电加速器、等时性回旋加速器、重离子直线加速器也相继发展起来。
近年来,为满足加速器驱动洁净核能系统和散裂中子源的需要,强流中能(~1GeV)质子直线加速器的研究已成为研究的热点。