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探秘粒子加速器

2021-12-11 14:34     来源:中科院高能所      粒子加速器
在 20 世纪 30 年代,科学家发明的粒子加速器,不仅可研究分子和原子层次,还可以研究原子核的结构、组成原子核的质子和中子结构,夸克、轻子和传递相互作用的媒介粒子等“基本粒子”。这些粒子加速器的规模往往十分巨大,用于探索物质深层次的微观结构,因此被称为“超级显微镜”。

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粒子加速器这种“超级显微镜”究竟是怎样工作的呢?加速器经历了从高压倍加器、静电加速器、回旋加速器、感应加速器、稳相加速器、同步加速器直到对撞机的发展历史。这些不同类型加速器的工作原理虽然各不相同,但最基本的一点是相同的,就是利用电磁场使带电粒子束朝着某一个方向运动的速度越来越快、能量越来越高。各种类型加速器的主要差别在于它们采用的电磁场的形态,以及加速粒子的方式。


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粒子加速器并不神秘,显像管电视机就可以说是一台迷你版的粒子加速器。打开电视机的后盖,我们就可以看到显像管头部的电子枪,里面有一组金属钨做的灯丝作为阴极,灯丝通电加热到高温后,就能发射电子。在电子枪的阳极和阴极之间加上 1 万伏左右的高电压,把电子加速到约 1 万电子伏的能量,投射到荧光屏上。在显像管里,还安装了两组线圈,电子束在线圈产生的水平和垂直方向的磁场作用下,逐行快速扫描到荧光屏上,形成一幅幅图像。在这台“粒子加速器”里,电子枪是加速器的粒子源,线圈相当于加速器的束流导向系统,而显像管的荧光屏就相当于物理实验中使用的探测器,探测电子携带的视频信号。


当然,实际的粒子加速器要复杂得多,规模也更为浩大。粒子加速器自诞生以来,不断向提高能量、高流强和高束流品质的方向发展,并形成多种类型的加速器。

按加速电场的类型分,有高压加速器、静电加速器、感应加速器、高频加速器、激光加速器、等离子体加速器和束流尾场加速器等;
按被加速粒子的种类分,有电子加速器、质子加速器和重离子加速器等;
按束流轨道的形状分,有直线加速器、圆形加速器(包括回旋加速器、同步回旋加速器等)和环形加速器(同步加速器)等;
按束流能量分,有低能加速器、中能加速器、高能加速器和超高能加速器;按粒子束的流强分,有强流加速器、弱流加速器和极弱流加速器;
按关键部件材料的导电性分,有常温加速器和超导加速器等;
按束流与靶粒子相互作用的方式分,有静止靶加速器和对撞机等;
按加速器的用途分,有科研用加速器、医用加速器、辐照加速器和无损检测加速器等。
从上述诸多分类中,可组合出多种特定的加速器,如超导高频质子直线加速器、强流离子回旋加速器和环形正负电子对撞机等。

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在高能加速器中,粒子能量远高于它们的静止能量,束流以接近光的速度在真空管道里运动。大家知道,在自然界里,没有一样物体运动的速度能超过光速。目前世界上能量最高的大型强子对撞机LHC,可以把质子从注入时的 0.45 万亿电子伏加速到对撞时的 7 万亿电子伏,能量增加了 14.6 倍,而速度只是从光速的 0.999997826 倍增加到0.999999991倍。由此看来,高能加速器与其说是“加速”器,还不如称为“增能”器。
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