《遗迹：灰烬重生》TOP10粒子加速器介绍

加速器是一种能人工把带电粒子的束流加速到高能量的装置。它是研究原子核和基本粒子的重要设备，近年来，在工农业和医疗卫生事业中的应用也日益广泛。按粒子运动的轨道形状，可分为直线型和圆型加速器两大类，前者有高压倍加器、静电加速器和直线加速器，后者有电子感应加速器、回旋加速器、质子同步加速器等。

目前世界上最大的粒子加速器是美国费密国立加速器实验室的一台质子同步加速器，它可以把质子加速到500GeV（1GeV代表10亿电子状）。束流强度已达2×1013质子／脉冲。实际上这台大加速器是由4台加速器组成：750keV的预注入器，200MeV的直线加速器，8GeV的快速增强器和500GeV的主加速器。预注入器也叫高压倍加器，是用来产生质子束流的低能强流加速器。质子从这里开始加速，把从离子源中引出的负氢离子加速到750keV；直线加速器，它由9节组成，总长约150米，安装在地下隧道之中，它的作用是把预注入器中产生的束流加速到200MeV；束流从直线加速器出来，经中能输运段，就来到快速增强器。这也是一个同步加速器，每秒钟可加速15次。负离子注入时穿过一层薄膜，就剥去外层电子而成为质子。经多次加速后能量可达8GeV。然后引出束流向主加速器注入。主加速器直径2千米，是截面为马蹄形的混凝土隧道，铺设在深约7米的地下。它的作用是把质子加速到高能量，完成最后的加速。正常运行能量为400GeV，最高能量达500GeV。计划在主加速器上再造一个超导主加速器环，预计能量可提高到1000GeV。

直流高压式加速器 粒子加速器

这类加速器将直流高电压加在一对或一系列串接的加速电极上，带电粒子通过电极间的间隙时，受到高压电场的加速，得到同该电压相当的能量。按直流高压电源的不同形式，这种加速器又可分为倍压电路加速器和静

电加速器两类。

倍压电路加速器有高压倍加器（亦称串激倍压整流器，或考克饶夫—瓦耳顿发生器），“地那米”加速器（又称并激高频高压发生器）、马克思脉冲倍压发生器、绝缘芯变压器等。这些装置适宜于产生几十千伏至几兆伏的高电压，并可提供较高的束流功率。大多数高压倍加器的电压在100～600kV之间,主要用作产生(d,d)或(d, t)反应的中子发生器和研制半导体器件的离子注入机；电压在1～4MV的“地那米”和绝缘芯变压器主要用来加速大功率的电子束（数十毫安）供辐照加工之用。马克思脉冲倍压发生器用来产生强度达数十千安的脉冲电子束。 静电加速器 粒子加速器

又称范德格喇夫加速器,它通过输电带或输电链向空心金属电极不断输送电荷，使之充电至高电压用以加速粒子。整个加速器装在密闭的高气压容器之中,典型的工作电压为2～10 MV,加速的粒子流可达数十至数百微安。多数离子静电加速器用于中子反应截面测量、离子束微量分析以及原子和分子物理方面的研究，电子静电加速器则用于辐照加工、消毒等方面。近年来,生产了一批电压1～2 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。

直流高压型加速器的共同特点是可加速任意一种带电粒子，且能量可以平滑调节。但是这类加速器的能量直流受材料击穿电压的限制，不能太高。为了加速粒子至更高能量，发展了电磁感应式和谐振式的加速器。

电磁感应式加速器

粒子加速器

利用交变磁场所感生的涡旋电场加速带电粒子的加速，包括常见的电子感应加速器和研制中的离子直线感应加速器。前者利用具有特殊分布的轴对称交变磁场导引电子沿着恒定半径的圆形轨道旋转。同时由该磁场感生的涡旋电场则使电子加速至高能量。典型的电子感应加速器能量在25 MeV左右。加速过程中，电子要旋转一百万圈以上。

电子感应加速器的流强较低，通常不超过0.5μA。由此产生的轫致辐射,离靶1m处约10～1Gy/min。它主要用于金属构件的无损探伤、肿瘤的辐照治疗等。美国伊利诺伊大学曾建成能量达300 MeV的电子感应加速器。由于圆形轨道的感应加速器不适宜于加速离子，近年来提出了直线式的感应加速器，计划用以加速10 kA的重离子流，目前尚处于研制阶段。

直线谐振式加速器

粒子在高频电场作用下沿直线形轨道加速的加速器。为了使粒子在不太长的距离内加速到终能量,高频电场的振幅通常为1～10MV/m。为此需要使用功率水平很高的高频、微波电源来激励加速腔。这样的功率源物往往只能在脉冲状态下工作。 加速器的主要优点是加速粒子的束流强度高，且其能量可以逐节增加，不受限制。缺点是高频运行的功率消耗大，设备投资高。近年来发展了多种低温超导直线加速结构。超导的直线加速器（见超导加速器）可使运行费用降低3～5倍，原则上可以连续提供粒子束团。

回旋谐振式加速器

粒子加速器

应用高频电场加速粒子的一种圆弧轨道加速器。这类加速器中的粒子在导引磁场控制下回旋运动，反复通过加速电场区，得到多次加速，直至达到额定能量。回旋谐振式加速器可分二类。第一类中磁场不随时间而变，加速粒子的曲率半径随能量的增加而不断增加。经典回旋加速器、扇形聚焦回旋加速器、同步回旋加速器和电子回旋加速器都属此类。另一类中，导引磁场的强度随粒子的动量同步增加，但粒子的曲率半径保持恒定。如电子同步加速器和质子同步加速器都属此类。上述各加速器中,除扇形聚焦回旋加速器外,都存在着自动稳相的现象。

回旋加速器 粒子加速器

经典的回旋加速器有一个产生均匀磁场的磁铁,和一对空心的“D”形高频电极。电极间加有频率固定的高频加速电场。粒子能量低时，其回旋频率同高频电场谐振，它们每转半圈就得到一次加速。然而能量高时，粒子的旋转频率也就随着能量增加愈来愈低于电场的频率，最终导致不能再为电场所加速。由于这个缘故，经典回旋加速器中质子的最高能量仅约20 MeV。为了克服这一困难，可让磁场沿半径方向逐步增高，以使粒子的旋转周期保持恒定。然而单纯的沿半径升高的磁场却导致粒子束在轴向散焦，无法应用。

同步回旋加速器

一种磁场恒定加速电场频率随着粒子的旋转频率同步降低的回旋加速器，又名调频回旋加速器或稳相加速器。根据自动稳相原理，采用这样的加速方式，原则上可将质子加速到无限高的能量。然而，历史上最大的同步回旋加速器能量只达到 700MeV。 这是因为它的磁铁已重达7000吨, 超过了一般的高能加速器磁铁的重量。从经济上和技术上考虑不宜再建造能量更高的调频加速器,由于电场的频率必须随时间而变,同步回旋加速器只能在脉冲状态下工作。脉冲重复率约为30～100Hz。平均流强几微安,比能量相当的扇形聚焦回旋加速器小一二个量级。由于这个缘故相当多的同步回旋加速器已经关闭，有些则改建为等时性回旋加速器。 　　

电子回旋加速器

又称微波回旋加速器，专用于电子的加速。同经典的回旋加速器一样，加速器的磁场是均匀的，加速电场的频率也是恒定的，不同的是加速间隙位于磁极的一端，电子的轨道则为一系列同加速间隙中心线相切的圆，电子每经过一次加速之后，其旋转周期正好增至加速前的整数倍，因而每当这些电子转回加速间隙时，电场又都刚好使它们再次加速。多数电子加速器的能量在10～30MeV间，流强30～120μA。大多用于医疗和剂量标准等方面。 　

同步加速器 粒子加速器

一种加速高能粒子的回旋谐振式加速器。它有一个大的环形磁铁。带电粒子在环形磁场的导引和控制之下沿着半径固定的圆形或接近圆形的轨道回旋运动，穿越沿途设置的一些高频加速腔，从中获取能量。加速过程中，磁场随时间增强，使粒子的轨道半径保持恒定。高频电场的频率则与磁场同步变化，以同粒子的回旋运动保持谐振。由于电、磁场随时间周期变化，加速器在脉冲状态下工作。为了使粒子束约束在狭长的真空室内加速，还需要有足够的聚焦力。早期用梯度数值较小的恒定梯度磁场进行聚焦。由于聚焦力较弱，加速室以及整个加速器的体积不得不做得相当大，这就从经济和技术上限制了同步加速器向 10GeV以上的能量发展。后来发明了交变梯度的强聚焦方式，有效聚焦力大大超过前者，使加速室的体积大为缩小。例如一台强聚焦的 30GeV质子同步加速器磁铁的重量约4000吨, 而如若采用恒定梯度聚焦的话，则将重达100000吨。 　

电子同步加速器 粒子加速器

通常用电子回旋加速器或直线加速器作注入器，将电子预加速至接近光速，然后注入同步加速器进一步加速至额定能量。小的电子同步加速器往往不用注入器，它先在电子感应加速器的状态下启动，待电子预加速至接近光速时,开动高频加速腔,使粒子进入同步加速，以近乎光速旋转的电子其回旋频率不随能量而变，因此电子同步加速器采用恒频的加速电场。典型的电子同步加速器能量为0.3～8 GeV，流强为10pps（粒子／秒），束流脉冲重复频率10～60Hz。

高速电子沿环形轨道运动时所发出的电磁辐射是限制电子同步加速器能量增高的重要因素。电子能量达10 GeV时,每转一圈辐射10 MeV的能量。但这种同步辐射有一系列特殊的优点:即发射由红外到X射线的可以控制的连续性光谱，且辐射是偏振的、强度高、方向性强、有很高的实用价值。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。 　　

质子同步加速器 粒子加速器

通常以高压倍加器和质子直线加速器作注入器,将质子预加速至20～200 MeV后再注入到同步加速器的环形轨道上进行加速。大型的同步加速器往往在注入器之后还增设一个较小的快脉冲同步加速器作中间级（又名“增强器”）将质子加速至10 GeV左右，以增加加速粒子的流强。加速过程中，质子的速度在相当大的范围内变化，电场的频率也必须相应地在相当宽的范围内调变，并需精确地加以控制，使之与磁场的上升同步。为此常常在束流轨道周围设置拾波板，监测质子的运动，并以此信号自动校正高频电场频率调变的进程。老的强聚焦同步加速器的主磁铁采用“复合作用”方案，即每个磁节兼起偏转导引和聚焦二种作用。这种磁铁的轨道磁场不能太高，仅1.4T左右，故用铁量较大；新的巨型同步加速器采用“分离作用”方案，即导引和聚焦分别由二极磁铁如四极透镜承担，结果轨道上的场强可增至2T，大大节省用铁量。

至今，国际上建成的质子同步加速器有十几台，其中九台建于60年代，最大的一台是美国费密国家加速器实验室的1000GeV加速器。 　　

重离子同步加速器

与质子同步加速器的结构基本相同。不过加速过程中重离子的速度变化范围比质子大得多，因此高频电场的频率也要求在更大的范围内调变。另一方面，因重离子加速的路程长，而且同周围气体分子的电荷交换截面大，要求加速室的气压低至10Torr(1Torr＝133.322Pa)。最早使用同步加速方式加速高能重离子的是美国伯克利劳伦斯实验室的贝伐莱克加速器。目前它已能加速N、Ne、Ar、Fe等多种重离子至每核子2GeV以上。流强达到10～10pps。 　　

储存环和对撞机 粒子加速器

这是在同步加速器基础上发展起来的一种超高能试验装置。以前人们总是用相对论速度的粒子轰击静止靶,进行粒子物理试验。然而在这样的作用方式中质心系统中只有一小部分能量可用于产生新粒子或种种有意义的反应。如果变化一下作用方式,让二个相向运动的高能粒子束对头碰撞，那么有效的作用能量将远比前一种方式高得多。

对撞机的优点是可以用造价不算太高的一般高能加速器进行超高能的实验。但它只能实现稳定粒子间的对撞，而且不能像一般加速器那样产生各种次级粒子束。因此它并不能代替超高能加速器。由于这个缘故，目前各高能物理中心都倾向于发展加速器──对撞机的复合体，既可进行多种粒子的对撞，又可进行静止靶的实验。

激光粒子加速器

美国科学家TomasPlettner在近日出版的《物理评论快报》上报告，他和斯坦福大学、斯坦福线形加速器中心（SLAC）的同事一起，用一种波长800纳米的商用激光调节真空中运行的电子的能量，获得了和每米递减4千万伏的电场一样的调制效果。这一技术有望发展成新型激光粒子加速器，用来将粒子加速到Tev（万亿电子伏）的量级。

《粒子加速器技术》反映了当今国际高能加速器科学技术研究的前沿水平，可作为高等院校物理系相关专业的研究生教材或教学参考书，也可供相关专业的研究人员和技术人员参考。

基础科学的基础在于对物质深层结构的探索，如果这个领域没有进展，科学技术整体上就不可能产生重大突破。即将锁死基础科学就等于堵塞该星球提升文明等级的道路。