加速器ppt

第一批粒子加速器的运行显示了人工方法产生快速粒子束 的巨大优越性：不仅其强度远高于放射性元素、 的巨大优越性：不仅其强度远高于放射性元素、宇宙射线等 天然快速粒子源，而且粒子的品种、 天然快速粒子源，而且粒子的品种、能量以及粒子束的方向 等都可任意选择、精确调节。但这些加速器的粒子能量低, 等都可任意选择、精确调节。但这些加速器的粒子能量低, 回旋加速器是唯一能将氘和α粒子加速到20 50MeV 20— MeV的加速 回旋加速器是唯一能将氘和α粒子加速到20—50MeV的加速 器. 1940年美国科学家科斯特研制出世界上第一个电子感应加速 1940年美国科学家科斯特研制出世界上第一个电子感应加速 极限约为100MeV。 100MeV 器。极限约为100MeV。 二战期间，出射能量更高的直线加速器快速发展。 二战期间，出射能量更高的直线加速器快速发展。 1945年 1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各 自独立发现了自动稳相原理。 自独立发现了自动稳相原理。自动稳相原理的发现是加速器 发展史上的一次重大革命， 发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器 能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器。 能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器。
加速器基本结构和工作原理
加速器 人工方法产 生高能量带 电粒子束的 机器 1 离子源 3 2 加速 聚焦 产 物 入射粒子与靶物质作用后 1 2 3 4 基本要求和功能 提高带电粒子的能量 增加带电粒子束的强度 使粒子束同靶物质作用 带电粒子在真空管道中行进 产生的粒子或射线 探测和分析这些出射粒子 可获得核过程信息。 可获得核过程信息。 偏转 4 靶物质
静电加速器
1933年美国科学家凡德格拉夫 1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van 年美国科学家凡德格拉夫 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 它的能量均匀度高 被誉 静电加速器。它的能量均匀度高 静电加速器 它的能量均匀度高,被誉 为核结构研究的精密工具。 为核结构研究的精密工具 高压型，它们能加速粒子的能量受高压 击穿所限，大致在10MeV。 高压倍加器和静电加速器均属直流高压
第二节 加速器的发展历史
历史上第一个人工核反应 1919年 卢瑟福( Rutherford)用 1919 年 E. 卢瑟福 ( E.Rutherford) 用 天然放射源实现了第一个人工核反 应 从而激发了人们寻求用人造快速 粒子源来变革原子核的设想。 粒子源来变革原子核的设想。
1919年，卢瑟福利用212Po放出的 年 放出的7.68MeV的α粒子作 放出的 的 粒子作 为枪弹，去射击氮气，结果发现， 为枪弹，去射击氮气，结果发现，有五万分之一的几率发生了如下 的反应： 的反应：
核科学技术学院
第一章Leabharlann Baidu绪论
第一节 加速器的基本构成 第二节 加速器的发展历史 第三节 加速器的分类 第四节 加速器的应用 第五节 粒子运动参量的相对论表述
第一节加速器的基本构成
粒子加速器 particle accelerator 用人工方法借助于各种不同形态的电场， 用人工方法借助于各种不同形态的电场，将各种 电场 不同种类的带电粒子加速到更高能量 带电粒子加速到更高能量的 不同种类的带电粒子加速到更高能量的电磁装置 研制各种加速器的目的
α + N → p+ O
14 17
反应， 即，α粒子与14N反应，产生了 17O和质子。云室中粒子撞击氮 和质子。 原子核的反应可看出质子。 原子核的反应可看出质子。
14
N(α，p) O
17
这是人类历史上第一次人工实 点金术” 现“点金术”：使一种元素变 成另一种元素
1928年,静电加速器（1928年） 、回旋加速 年 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。
加速器的基本构成
1 粒子源 如电子枪、离子源、极化粒子源等，用 以提供所需加速的各种粒子。 2 真空加速系统 a) 加速管或加速腔；b) 控制束流 运动轨道的导引、聚焦系统电磁场系统；c) 真空系 统。带电粒子的加速过程必须在真空条件下进行， 以免与气体分子碰撞而损失。 3 束流输运分析系统 多数加速器还设有由若干弯转 磁铁和电磁四极透镜等组成的，用以在源和加速器 之间、加速器和靶之间，或当多个加速器串接工作 时，在加速器之间输运和分析所需的粒子束。 4 辅助系统 电源系统、控制系统、冷却系统等。
1982年中国第一台自行设计、制造的质子直线加速 年中国第一台自行设计、制造的质子直线加速 年中国第一台自行设计 首次引出能量为10MeV的质子束流，脉冲流达到 的质子束流， 的质子束流 器首次引出能量为 14mA. 北京工业自动化研究所和清华大学等单位合作建成 电子回旋加速器； 的25MeV电子回旋加速器； 电子回旋加速器 中科院上海原子核所建成2×6MV质子串列静电加速器 中科院上海原子核所建成 × 质子串列静电加速器 北京大学建成4.5MV质子单级静电加速器。 质子单级静电加速器。 北京大学建成 质子单级静电加速器 八十年代末 北京2 . 2 / 2 . 8 GeV正负电子对撞机 北京 2 GeV 正负电子对撞机 BEPC） 兰州直经7 （ BEPC）。 兰州直经 7 . 2 米的分离扇型重离子加速 HIRFL)。合肥800MeV同步辐射光源 800MeV同步辐射光源( 器(HIRFL)。合肥800MeV同步辐射光源(HESYRL)
九十年代后期， 九十年代后期，中科院兰州近代物理研究所正在建造 重离子冷却储存环加速装置。 重离子冷却储存环加速装置。 2004年北京正负电子对撞机重大改造工程 年北京正负电子对撞机重大改造工程 (BEPCⅡ)第一阶段设备安装和调试工作取得重大进 Ⅱ 第一阶段设备安装和调试工作取得重大进 展。
2005年北京正负电子对撞机（BEPC）正式结束运行。投 年北京正负电子对撞机（ 年北京正负电子对撞机 ）正式结束运行。 亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ) 资6.4亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程 亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程 Ⅱ 第二阶段——新的双环正负电子对撞机储存环的改建工程 第二阶段 新的双环正负电子对撞机储存环的改建工程 施工正式开始。 施工正式开始。新北京正负电子对撞机的性能将是美国同 一类装置的3~7倍，对研究体积为原子核一亿分之一的夸 一类装置的 倍 克粒子等基础科研具有重要意义。 克粒子等基础科研具有重要意义。
自世界上建造第一台加 速器以来， 速器以来，七十多年中 加速器的能量大致提高 个数量级（ 了9个数量级（参见左 ），同时每单位能量 图），同时每单位能量 的造价降低了约4个数 的造价降低了约4 量级， 量级，如此惊人的发展 速度在所有的科学领域 都是少见的。 都是少见的。 随着加速器能量的不断 提高， 提高，人类对微观物质 世界的认识逐步深入， 世界的认识逐步深入， 粒子物理研究取得了巨 大的成就。 大的成就。
产生各种高能量的带电粒子束，是人们变革原子核和“ 产生各种高能量的带电粒子束 ， 是人们变革原子核和 “ 基 粒子、认识物质深层结构的重要工具；在工农业生产、 本 ” 粒子 、 认识物质深层结构的重要工具 ； 在工农业生产、 医疗卫生、科学技术、国防建设等各个方面都有重要而广 医疗卫生 、 科学技术 、 国防建设等各个方面都 有重要而广 泛的应用。 泛的应用。
V
V0
I
II
III
o
a
x
1932年英国科学家科克罗夫特 1932年英国科学家科克罗夫特 年英国科学家 J.D.Cockcroft） （J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃 尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第 尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第 一台800keV直流加速器 800keV直流加速器——命名为柯 一台800keV直流加速器 命名为柯 克罗夫特-沃尔顿高压倍加器， 克罗夫特-沃尔顿高压倍加器，以能量 0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α MeV的质子束轰击锂靶 为0.4MeV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。
现在， 现在，对撞机已成为获得粒子之间最高有效作用能的主要手 由于这一系列的发展和成就，。 段。由于这一系列的发展和成就，。 几十年来， 几十年来，人们应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元 素和合成的上千种新的人工放射性核素， 素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子 核的基本结构及其变化规律， 核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速地发展成熟 起来；高能加速器的发展又使人们得以发现上百种“基本” 起来；高能加速器的发展又使人们得以发现上百种“基本”粒子 包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子， 包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子，并建立起粒子物理学 这样一门新学科。 这样一门新学科。
• 北京正负电子对撞机和北京谱仪（BEPC/BES ）的成 北京正负电子对撞机和北京谱仪（ 功建造和取得的物理成果， 功建造和取得的物理成果，使中国成为世界上重要的高能 物理实验基地之一，在国际高能物理学界占有了一席之地。 物理实验基地之一，在国际高能物理学界占有了一席之地。 除用于高能物理实验外， 在圆满完成其科研任务之后， 除用于高能物理实验外， 在圆满完成其科研任务之后， BEPC 已于 已于2005 年7 月4 日停机，并进行升级改造 日停机， 强流质子加速器也是我国的一个重要研究方向。 强流质子加速器也是我国的一个重要研究方向。近年 来高能所利用国家973 计划的支持开展了以加速器驱 来高能所利用国家 动的次临界反应堆（ 动的次临界反应堆（ADS ）的基础研究为目标的强流 质子加速器的设计和研制工作， 质子加速器的设计和研制工作，并建成了我国第一台 质子加速器。在国家新一轮973计划 强流四翼型 RFQ 质子加速器。在国家新一轮 计划 和中科院创新项目经费支持下， 和中科院创新项目经费支持下，ADS强流质子加速器 强流质子加速器 研究将进一步得到发展。国家批准中国散裂中子源（ 研究将进一步得到发展。国家批准中国散裂中子源（ CSNS ）的建设为我们又提供了大力发展强流质子加 速器的机会 .
橡树岭电子直线加速器（ORELA）脉冲中子源
中国加速器发展简史
1955年中国科学院原子能所赵忠尧教授建成 年中国科学院原子能所赵忠尧教授建成 700eV质子静电加速器。 质子静电加速器。 质子静电加速器 1958年中国科学院高能所 年中国科学院高能所2.5MeV质子静电加速器建 质子静电加速器建 年中国科学院高能所 质子静电加速器 中国第一台回旋加速器建成。清华大学400keV 回旋加速器建成 成。 中国第一台回旋加速器建成。清华大学 中国加速器发展简史 质子倍压加速器建成 从苏联引进 建成。 从苏联引进) 质子倍压加速器建成。(从苏联引进 1959年清华大学 年清华大学2.5Mev电子回旋加速器出束。 电子回旋加速器出束。 年清华大学 电子回旋加速器出束 1964年中国科学院高能所 年中国科学院高能所30MeV电子直线加速器建 电子直线加速器建 年中国科学院高能所 电子直线加速 。（谢家麟设计 谢家麟设计） 成。（谢家麟设计）
实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反 应,Li (p,α) He。“点石成金” ，因此获得了 。 点石成金” 1951年的诺贝尔物理奖 年的诺贝尔物理奖。 1951年的诺贝尔物理奖。
美国实验物理学家劳伦斯1932年建成了回旋加速器， 年建成了回旋加速器， 美国实验物理学家劳伦斯 年建成了回旋加速器 并获得人工放射性元素为此获得了 为此获得了1939年的诺贝尔物理 并获得人工放射性元素为此获得了 年的诺贝尔物理 他们通过人工加速的p、 和 奖。他们通过人工加速的 、d和α等粒子轰击靶核得到 高强度的中子束，首次制成了24Na、32P、131I等医用 高强度的中子束，首次制成了 、 、 等医用 同位素。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。 同位素。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。