粒子加速器的发展历史

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 —— — 柯克罗夫特 , 沃尔顿直流高 ! 压加速器， 压加速器 ，以能量为 !" &( 万电子 伏的质子束轰击锂靶 伏的质子束轰击锂靶， ， 得到 ! 粒子和氦的核反应实验 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 实现的核反应， ， 二人因此获得
化锌荧光屏测得了粒子散射的 分布， 分布 ，发现原子核本身有结构 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。 的愿望 。 、回旋加 静电加速器 （ %+!* 年 ） !"#$ 速 器 （ %Hale Waihona Puke Baidu!+ !"#" 年） 、 倍压加速 等 器（ %+#! 年 ） !"#$ 不同设想几乎 在同一时期提 了出来。 了出来 。 %+#! 年 ， !"#$
万电子伏左右， ， 如 质子加速到 !"## &#%% 万电子伏左右 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 方向随粒子能量同步增长， ， 则能将 质子加速到上亿电 子伏， 子伏 ， 称为等时性回 旋加速器。 旋加速器 。 带电粒子加速 器自 !" $% 年代问世以 来， 主要是朝更高能 量的方向发展。在 这个过程中 这个过程中， ， 任何一种加速器都经 过了发生 过了发生、 、 发展和加速能力或经济
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涉及天体物理到工业和医学 涉及天体物理到工业和医学。 。 在反 物质减速器上 物质减速器上， ， 科学家们试图把一 个个反物质组合在一起 个个反物质组合在一起， ， 而在质子 同步加速器上 同步加速器上， ， 其它的科学家则集 中精确测量特殊原子和粒子的非常 特别的特性 特别的特性。 。 -./,0- 实验 !"#$%! -./,0- 装 置 将 !"#$%! 来自反质子减速器的 能量创造新的粒子 能量创造新的粒子。 。 在固定靶实验 中， 所产生的粒子一般都向前飞行 所产生的粒子一般都向前飞行， ， 所以实验通常都用锥型探测器 所以实验通常都用锥型探测器， ，放 在光束线的下游 在光束线的下游。 。 对撞实验研究两个按相反方向 运动的粒子束发生的对撞 运动的粒子束发生的对撞， ， 所有的 能量都可用来产生新的粒子 能量都可用来产生新的粒子。 。 新产 生的粒子从对撞点向各个方向辐 射 ， 所以探测器大都是球型或圆柱 型。 在大型正负电子对撞机近 !" !& 年 的运行中 的运行中， ， 进行的各项实验详细研 究了电磁和弱力物理的各个方面， 究了电磁和弱力物理的各个方面 ， 对标准模型进行了极为精确的检 验。 在线同位素质量分离 ’()*+, （ !"#$%& 器） 位于质子同步加速器增强器 位于质子同步加速器增强器， ， 是一个独特的低能不稳定放射性同 位素源， 位素源 ， 对它们的研究可使科学家 们改进原子核的模型 们改进原子核的模型， ， 其应用范围 反质子加以减速 反质子加以减速、 、 冷却 和捕获。反质子在称 为潘宁陷阱的电磁高 真空中被捕获 真空中被捕获， ， 同时来 自放射性源的正电子 累积在另一个陷阱里 累积在另一个陷阱里， ， 两群带电粒子 （ 约!万 反质子， 反质子 ， !""" 1$$$ 万正电 子） 混合在一起产生反 氢原子。形成的反氢 原子因为不带净电荷 原子因为不带净电荷， ， 从电磁陷阱中逃逸出来 从电磁陷阱中逃逸出来， ， 然后湮灭， 然后湮灭 ， 被 一 个 特 制 的 探 测 器 探 测 到 。 !" -2 还测量反氢原子光谱， ， 并与 ./,0- 还测量反氢原子光谱 !"#$% 氢原子加以比较 氢原子加以比较， ， 以修正目前的物 质与反物质模型 质与反物质模型。 。 -.3-4 实验 !"#!$ 制造冷反氢原子 制造冷反氢原子， ， 然后减速、 然后减速 、 冷 却 ， 最后在 #5 !" &6 #$ 的绝对温度中储 存起来 存起来。 。 通过对反质子的检测表明 通过对反质子的检测表明， ， 反质子与质子的质荷差小于 " ! 7" !$!! ， 该比较值比以前的精确了约 !"!! 万倍。 。 以往的冷反质子实验都 !$$ 万倍 !"" 是在低能反质子环上进行 是在低能反质子环上进行， ，!""" &$$$ 年 后 ， 反氢原子实验专门为此建造了 反质子降速环上 反质子降速环上， ， 反质子便可在陷 阱中而不是在储存环中累积而被捕 获。 -(-89(- 实验 !"!#$"! 是在低能反质子环和反质子减 速器上开展反质子氦研究的一个项 目， 主要研究反质子氦原子的特性 主要研究反质子氦原子的特性， ， 利用与镤电子原子三重共振中微波 和光束精确测量超精细结构的分 裂 ， 推断出反质子量子电动力学的 基本能量尺度里德伯常数 基本能量尺度里德伯常数， ， 了解在 极低温时反质子的原子相互作用 极低温时反质子的原子相互作用。 。 4( 实验 !" 旨在测量动量在 !" &$ 至 !" %$ 亿电 子伏范围内的质子和 ! : 介子在薄和 厚的核靶上产生的次级强子 厚的核靶上产生的次级强子， ， 以了 介子的产量， ， 优化最近提出的 解! : 介子的产量
器的工作原理， 器的工作原理 ，劳 伦 斯 于 !"#$ !"$& 年 建 成了第一台直径 为 !" &’ 厘 米 的 回 旋 回速器， 回速器 ，它能将质 子 加 速 到 !"" !%% 万 电子伏， 电子伏 ，并用它产 生了人工放射性同位素 生了人工放射性同位素， ， 为此获得 年的诺贝尔物理奖。 。 这是加 了 !"#" !"$" 年的诺贝尔物理奖 速器发展史上获此殊荣的第一人 速器发展史上获此殊荣的第一人。 。 由于被加速粒子质量 由于被加速粒子质量、 、 能量之 间的制约 间的制约， ， 回旋加速器一般只能将
・探索・
用非常大 用非常大， ， 在每个连续的周期内 在每个连续的周期内， ， 能 够处理不同的粒子束流 够处理不同的粒子束流。 。 束流然后 注入到超级质子同步加速器 注入到超级质子同步加速器、 、 大型 正负电子对撞机进一步加速 正负电子对撞机进一步加速。 。 来自质子同步加速器的质子束 流也用来产生反质子 流也用来产生反质子。 。 年代末， ， 欧洲核子 &% 世纪 !" !" ’% 年代末 研究中心建造了一台反质子积累 器 ， 其主要任务是产生和积累高能 的能量， 的能量 ， 亮度高于同时期美国费米 实验室的 !"#$%&’( ()*+,-./ 质子 ! 0 反质子对 撞机。 撞机 。 超级质子同步加速器后来作为 反质子对撞机、 、 重离子加速 质子 ! 0 反质子对撞机 器和大型正负电子对撞机的正负电 子注入器 子注入器， ， 它也可将铅离子加速到 亿电子伏， ，这是目前世界上获 !’%% 亿电子伏 !"## 得的最高的能量 得的最高的能量， ， 用于研究大爆炸 后可能存在的夸克胶子等离子体 后可能存在的夸克胶子等离子体。 。 质 子和 重离 子束 进入 !" !% 亿电 子伏的增强器提供能量后再注入到 质子同步加速器 质子同步加速器。 。 电子先存储起来 电子先存储起来， ， 然后在正负电子积累环中进一步加 速 。 电子束与重金属靶对撞产生正 电子， 电子 ， 也存储在正负电子积累环里 并加速。 并加速 。 随后， 随后 ， 所有粒子束流通过质子 同步加速器 同步加速器， ， 每个加速周期需 &1 !" 2 # 秒 。 质子同步加速器的控制系统作 反质子注入到超级质子同步加速 器 ， 以便将其改造成一台质子 ! 0反 质子对撞机 质子对撞机。 。 有了反质子后， 有了反质子后 ， 物理学 家们认为如果在低能时用这些反质 子会更有收获 子会更有收获。 。 所以该中心又建造 了一台低能反质子环 了一台低能反质子环。 。 反质子积累 环中积累的反质子被引出 环中积累的反质子被引出， ， 在质子 同步加速器中减速 同步加速器中减速， ， 然后注入到低 能反质子环进一步减速 能反质子环进一步减速。 。 以后又在反质子积累器附近建 造了第二个环 造了第二个环， ， 即反质子收集器， 即反质子收集器 ， 以 反 便将反质子的产生率提高 !" !% 倍 。 质子收集器现已改造为反质子减速 器， 又称反物质工厂， 又称反物质工厂 ， 它通过高能对 撞产生反氢原子 撞产生反氢原子， ， 然后将其冷却， 然后将其冷却 ， 减 速到便于运用的能量 速到便于运用的能量， ， 最后将其引 出 ， 提供给物理学家们研究光谱学 和检验物质的基本对成性 和检验物质的基本对成性。 。
了 !"#! 年的诺贝尔物理奖 年的诺贝尔物理奖。 。 !"$$ 年 ，美国科学家凡德格拉 !"## 夫发明了使用另一种产生高压方法 的高压加速器 的高压加速器—— —— — 凡德格拉夫静电 加速器。 加速器 。 以上两种粒子加速器均属 直流高压型 直流高压型， ， 它们能 加速粒子的能量受 高压击穿所限 高压击穿所限， ， 大约 万电子伏。 。 为 !""" !%%% 万电子伏 !"$% 年 ， 美 国 !"#$ 实验物理学家劳伦 斯提出了回旋加速
物理实验项目
利用大型正负电子对撞机产生 的带电粒子束流 的带电粒子束流， ， 让它打固定靶的 原子， 原子 ， 或与来自相反方向同样的束 流发生对撞 流发生对撞， ， 在这两种情况下， 在这两种情况下 ， 都产 生大量的新粒子 生大量的新粒子。 。 物理学家们利用 探测器对每个粒子进行计数 探测器对每个粒子进行计数， ， 跟踪 和描述其特征 和描述其特征， ， 研究许多粒子间的 相互作用过程 相互作用过程。 。 这些实验主要分为 固定靶实验和对撞实验两类 固定靶实验和对撞实验两类。 。 固定靶实验研究粒子束与靶原 子对撞后发生了什么 子对撞后发生了什么。 。 靶反冲中用 去多数的束流能量 去多数的束流能量， ， 只剩下少部分
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速到 ! 亿电子伏。 。 所有类型的粒子 $ 亿电子伏 都在直线加速器进行第一阶段加 速， 它们的质量差别很大 它们的质量差别很大， ， 铅离子比 质子重约 !"" !(( 倍 ，比电子几乎重 !" &( 万倍。 万倍 。 电子的最后能量为百万电子 万电子伏， ，铅离子 伏 ，质子为 !""" ’((( 万电子伏 万电子伏。 。 为 !"# &!( 万电子伏 正电子积累环将电子直线加速 速器里， 速器里 ， 逐渐将束流加速到很高的 能量。 能量 。 这 台 正 负 电 子 对 撞 机 周 长 !" 公里， 公里 ， 主环跨越法国和瑞士国界 主环跨越法国和瑞士国界， ， 占 公顷， ， 总投资 ! 亿美元， ， 由 !" 地 !" #$ 公顷 $ 亿美元 %& 个成员国共同承担 个成员国共同承担。 。 对撞机安装在 米深的隧道中， ， 隧道 地下 !" ’( 至 !"# %"’ 米深的隧道中 截面为圆形 截面为圆形， ， 直径 #) 主环上有 !" * # 米。 米长的二级磁铁、 、 !!" &** 块 !" !"" #$ 米长的二级磁铁 ""$ 块 四极磁铁、 四极磁铁 、 块六级磁铁、 、 ’(& 块六级磁铁 !"# ’(& 块 !"# 二级校正磁铁 二级校正磁铁， ， 以及 !"# !’$ 个超导高 频腔。 频腔 。 对撞区采用 ! * 块超导四极磁 铁 。 !"#" %+*+ 年 * ! 月 %# !" 日实现首次对 撞，最终正负电子能量分别达到 亿电子伏。 。 %((( 亿电子伏 !""" 其中， 其中 ， 电子直线加速器长 !"## $’(( 多米， 多米 ， 先由一段 ! 亿电子伏的高流 强直线加速器提供电子束 强直线加速器提供电子束， ， 打在钨 靶上产生正电子 靶上产生正电子， ， 再由第二段加速 亿电子伏， ，移 器将正电子加速到 ! $ 亿电子伏 开钨靶并减少场梯度 开钨靶并减少场梯度， ， 将电子也加 质 子同 步加 速器 建于 !" !( 世纪 年代， ，是欧洲核子研究中心最早 ’( 年代 !" 建设的加速器 建设的加速器， ，!"#" %+’+ 年开始连续运 当时是世界 行。 它的直径为 !"" !(( 米 ， 上功率最大的加速器 上功率最大的加速器。 。 此次对原有 的质子同步加速器进行了重大改 器引出的 ! $ 亿电子伏的正电子注入 正电子积累环后进行积累 正电子积累环后进行积累， ， 达到足 够强度后引出 够强度后引出， ， 并与电子直线加速 器引出的电子束一起注入质子同步 加速器 加速器。 。 进 ， 使之可加速所有稳定的正负电 子和质子与反质子 子和质子与反质子， ， 以及不同类型 的氧、 的氧 、 硫、 或甚至铅等重离子 或甚至铅等重离子。 。 这些 粒子由离子源中产生 粒子由离子源中产生， ， 或利用二重 等离子体加速器从氢气中获得质 子 ， 在电子枪中从金属表面获得电 子和在电子回旋加速器共振源将铅 原子的电子壳剥离 原子的电子壳剥离。 。 另外， 另外 ， 在原有的质子同步加速 器附近又新建了增强器 器附近又新建了增强器， ， 由环和束 流传输区的设施组成 流传输区的设施组成。 。 增强器的环 周期结构组成， ， 每个周期结构 由 !" %$ 周期结构组成 有一组基本上相同的磁铁 有一组基本上相同的磁铁， ， 包括弯 转磁铁、 转磁铁 、 块四极磁铁、 、 弯转磁铁加 # 块四极磁铁 ! 一个直线节 一个直线节， ， 直线节里包括冲击磁 铁、 切割磁铁、 切割磁铁 、 高频腔、 高频腔 、 束流监测器 等部件。 等部件 。 束流传输区的设施包括注 入线和引出线 入线和引出线， ， 引出线将增强器来 的束流引出并重新组合 的束流引出并重新组合。 。 超级质子同步加速器建于 !"#$ 年 ，它的主加速器平均直径达 %+"$ 深埋于地下， 深埋于地下 ， 有 !" !!(( 米 ， !!"" %’ 层楼那 么 高 。 !"#$ %+*# 年 改 造 成 能 量 分 别 为 &((( 亿 电 子 伏 的 质 子 ! !""" , 反质子对 撞机， 撞机 ， 来自质子同步加速器的质子 和反质子可在这里加速到 !"## !"(( 亿 电子伏， 电子伏 ， 然后进行对撞， 然后进行对撞 ， 这样所得到 的质心系能量相当于 !""#$% %’’-./ 的静 止靶加速器进行同类实验所能达到
粒 子 加 速 器 的 发 展 历 史
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%+%+ 年 ， !"!" 英国科学家卢 瑟福用天然放 射源中能量为 几百万电子 伏、速度为 !" 0 %(+ #$% 厘 米 !1 （ 秒的高速 ! 粒子束 即氦核 ） 作 为 “ 炮弹” ，轰击厚度仅为 靶” ， !" (((& () !!!# 厘米的金属箔的 “ 实现了人类科学史上第一次人 工核反应 工核反应。 。 利用靶后放置的硫