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22.122.1.1. 22.1.2. 22.222.32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2109厘米/秒的高速离子束（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1.21933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） 回旋加速器近似条件下的同步： 2m/qeBz=kTrf k=1.3.5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=2m/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s（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s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12 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