加速器發(fā)展歷史

2007/2/3 14:24:00

1919年英國(guó)科學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量為幾個(gè)MeV交流等、速度為2×109厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作為“炮彈”更加廣闊，轟擊厚度僅為0.0004厘米的金屬箔的“靶”，實(shí)現(xiàn)了人類科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)提高。利用靶后放置的硫化鋅熒光屏測(cè)得了粒子散射的分布可以使用，發(fā)現(xiàn)原子核本身有結(jié)構(gòu)，激發(fā)了人們尋求更高能量的粒子來(lái)作為“炮彈”的愿望堅實基礎。靜電加速器（1928年）稍有不慎、回旋加速器（1929年）重要作用、倍壓加速器（1932年）等不同設(shè)想幾乎在同一時(shí)期提了出來(lái)，并先后建成了一批加速裝置最為顯著。

1932年美國(guó)科學(xué)家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛(ài)爾蘭科學(xué)家沃爾頓(E.T.S.Walton)建造成世界上第一臺(tái)直流加速器——命名為柯克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器完成的事情，以能量為0.4MeV的質(zhì)子束轟擊鋰靶，得到α 粒子和氦的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)穩定。這是歷史上第一次用人工加速粒子實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎(jiǎng)供給。

1933年美國(guó)科學(xué)家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)發(fā)明了使用另一種產(chǎn)生高壓方法的高壓加速器——命名為凡德格拉夫靜電加速器優勢與挑戰。

以上兩種粒子加速器均屬直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿所限解決方案，大致在10MeV趨勢。

奈辛(G.Ising)于1924年，維德羅(E.Wideroe)于1928年分別發(fā)明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器上高質量，由于受當(dāng)時(shí)高頻技術(shù)的限制一站式服務，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV，實(shí)用意義不大深入交流。但在此原理的啟發(fā)下引領作用，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家勞倫斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它產(chǎn)生了人工放射性同位素臺上與臺下，為此獲得了1939年的諾貝爾物理獎(jiǎng)用的舒心。這是加速器發(fā)展史上獲此殊榮的第一人。

由于被加速粒子質(zhì)量集聚效應、能量之間的制約集成，回旋加速器一般只能將質(zhì)子加速到25MeV左右，如將加速器磁場(chǎng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)成沿半徑方向隨粒子能量同步增長(zhǎng)互動講，則能將質(zhì)子加速到上百M(fèi)eV穩定性，稱為等時(shí)性回旋加速器。

為了對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的探索和產(chǎn)生新的基本粒子過程中，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理去突破。1945年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾(V.I.Veksler)和美國(guó)科學(xué)家麥克米倫(E.M.McMillan)各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動(dòng)穩(wěn)相原理達到，英國(guó)科學(xué)家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建議建造基于此原理的加速器——穩(wěn)相加速器具體而言。

自動(dòng)穩(wěn)相原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命，它導(dǎo)致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產(chǎn)生：同步回旋加速器（高頻加速電場(chǎng)的頻率隨倍加速粒子能量的增加而降低線上線下，保持了粒子回旋頻率與加速電場(chǎng)同步）發揮重要作用、現(xiàn)代的質(zhì)子直線加速器、同步加速器（使用磁場(chǎng)強(qiáng)度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來(lái)維持粒子運(yùn)動(dòng)的環(huán)形軌跡數據顯示，但維持加速場(chǎng)的高頻頻率不變）等高質量。

自此也逐步提升，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經(jīng)濟(jì)上的限制註入了新的力量。隨著能量的提高重要的作用，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價(jià)急劇上升，提高能量實(shí)際上被限制在1GeV以下去創新。同步加速器的環(huán)形磁鐵的造價(jià)雖然大大減少足夠的實力，但因橫向聚焦力較差，真空盒尺寸必須很大結構，造成磁鐵的磁極間隙大更適合，依然需要很重的磁鐵，要想用它把質(zhì)子加速到10GeV以上仍是不現(xiàn)實(shí)的溝通協調。

1952年美國(guó)科學(xué)家柯隆(E.D.Courant)要素配置改革、李溫斯頓(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)發(fā)表了強(qiáng)聚焦原理的論文，根據(jù)這個(gè)原理建造強(qiáng)聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價(jià)大大降低保障性，使加速器有了向更高能量發(fā)展的可能帶動產業發展。這是加速器發(fā)展史上的又一次革命，影響巨大十分落實。此后倍增效應，在環(huán)形或直線加速器中，普遍采用了強(qiáng)聚焦原理製造業。

美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1954年建成的一臺(tái)6.2GeV能量的弱聚焦質(zhì)子同步加速器多樣性，磁鐵的總重量為1萬(wàn)噸。而布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室33GeV能量的強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器新格局，磁鐵總重量只有4千噸明顯。這說(shuō)明了強(qiáng)聚焦原理的重大實(shí)際意義。

以上主要介紹的是質(zhì)子環(huán)形加速器顯示，對(duì)電子加速器來(lái)說(shuō)情況有所不同創新為先。1940年美國(guó)科學(xué)家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一個(gè)電子感應(yīng)加速器。但由于電子沿曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)其切線方向不斷放射的電磁輻射造成能量的損失科普活動，電子感應(yīng)加速器的能量提高受到了限制競爭力，極限約為100MeV。電子同步加速器使用電磁場(chǎng)提供加速能量狀況，可以允許更大的輻射損失機製性梗阻，極限約為10GeV。電子只有作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有輻射損失全過程，使用電磁場(chǎng)加速的電子直線加速器可將電子加速到50GeV集成應用，這不是理論的限度，而是造價(jià)過(guò)高的限制不負眾望。

加速器的能量發(fā)展到如此水平高效流通，從實(shí)驗(yàn)的角度暴露出了新的問(wèn)題調解製度。使用加速器作高能物理實(shí)驗(yàn)，一般是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子功能，然后研究所產(chǎn)生的次級(jí)粒子的動(dòng)量應用的因素之一、方向、電荷預期、數(shù)量等敢於監督，加速粒子能參加高能反應(yīng)的實(shí)際有用能量受到限制。如果采取兩束加速粒子對(duì)撞的方式結構，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反應(yīng)或新粒子的產(chǎn)生重要的作用。

1960年意大利科學(xué)家陶歇克(B.Touschek)首次提出了這項(xiàng)原理，并在意大利Frascati國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建成了直徑約1米的AdA對(duì)撞機(jī)更優美，驗(yàn)證了原理，從此開(kāi)辟了加速器發(fā)展的新紀(jì)元防控。

現(xiàn)代高能加速器基本都以對(duì)撞機(jī)的形式出現(xiàn)成效與經驗，對(duì)撞機(jī)已經(jīng)能把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從1TeV提高到10～1000TeV，這是加速器能量發(fā)展史上的又一次根本性的飛躍堅實基礎。

自世界上建造第一臺(tái)加速器以來(lái)稍有不慎，七十多年中加速器的能量大致提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)每單位能量的造價(jià)降低了約4個(gè)數(shù)量級(jí)等地，如此驚人的發(fā)展速度在所有的科學(xué)領(lǐng)域都是少見(jiàn)的最為顯著。

隨著加速器能量的不斷提高，人類對(duì)微觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)逐步深入規定，粒子物理研究取得了巨大的成就環境。