1、加速器专题概述粒子加速器引（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置,日常生活中常见的粒子加速器有用於电视的阴极射线管及 X 光管等设施,是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。自 E.卢瑟福 1919 年用自然放射性元素放射出来的 射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。自然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV） ，自然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为 1014 电子伏
2、特（ eV ）的粒子每小时在 1 平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数目和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器，性能不断提高。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，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子，建立粒子物理学。近 20 多年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，在诸如材料科学、工业、农业医学领域等等。在生活中，电视和 X 光设
3、施等都是小型的粒子加速器。 一、结构及分类粒子加速器的结构一般包括 3 个主要部分 ：粒子源，用以提供所需加速的粒子，有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。真空加速系统，其中有一定形态的加速电场，并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速 ，整个系统放在真空度极高的真空室内。导引、聚焦系统，用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强） 。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于108eV） 、中能加速器（能量在 108109eV） 、高能加速器
4、（能量在 1091012eV）和超高能加速器（能量在 1012eV 以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、同步加速器、电子感应加速器、对撞机等。直线加速器 带电粒子在直线中加速，运行到加速器的末端。较低能量的加速器例如阴极射线管及 X 光产生器，使用约数千伏特的直流电压（DC）差的一对电极板。在 X 光产生器的靶本身是其中一个电极。较高能的直线加速器使用在一直在线排列的电极板组合来提供加速电场。当带电粒子接近其中一个电极板时，电极板上带有相反电性的电荷以吸引带电粒子。当带电粒子通过电极板时，电极板上变成带有相同电性
5、的电荷以排斥推动带电粒子到下一个电极板。所以带电粒子束加速时，必须小心控制每一个板上的交流（AC）电压，让每一个带电粒子束可以持续加速。 当粒子接近光速时，电场的转换速率必须变得相当高，须使用微波（高频） 共振腔来运作加速电场。同时利用直线加速器加速带电粒子时，粒子是沿着一条近于直线的轨道运动和被逐级加速的，因此当需要很高的能量时，加速器的直线间隔会很长。有什么办法来大幅度地减小加速器的尺寸吗？办法说起来也很简单，如果把直线轨道改成圆形轨道或者螺旋形轨道，一圈一圈地反复加速，这样也可以逐级谐振加速到很高的能量，而加速器的尺寸也可以大大地缩减。 1930 年 E.O.劳伦斯在直线加速器谐振加速工
6、作原理的启发下，提出了研制回旋加速器的建议。劳伦斯建议在回旋加速器里增加两个半圆形磁场，使带电粒子不再沿着直线运动，而沿着近似于平面螺旋线的轨道运动，这种改造使得加速器的电场不至于如此之长而导致电场能损失，是一个极富设想的设计发明。1931 年建成了第一台回旋加速器，磁极直径约 10 厘米，用 2 千伏的加速电压工作，把氘核加速到 80keV，证实了回旋加速器的工作原理是可行的。在1932 年又建成了磁极直径为 27 厘米的回旋加速器，可以把质子加速到 1MeV。 回旋加速器的电磁铁的磁极是圆柱形的，两个磁极之间形成接近均匀分布的主导磁场。磁场是恒定的，不随时间而变化。在磁场作用下，带电粒子沿
7、着圆弧轨道运动，粒子能量不断地提高，轨道的曲率半径也不断提高，电场，粒子能量低时，回旋频率能保持与高频电场谐振，而当能量高时，粒子的回旋频率会随着能量的提高而越来越低于高频电场频率，终极不能再被谐振加速。为了克服这个困难，可以使磁场沿半径方向逐步增加，以保持粒子的回旋频率恒定。然而磁场沿半径方向递增却又导致粒子束流轴向散开。为解决这一矛盾，60 年代初研制成功了扇形聚焦回旋加速器，在磁极上巧妙地装上边界弯曲成螺旋状的扇形铁板，它可以产生沿方位角变化的磁场，即使加速粒子轴向聚焦，又使磁场随半径增大而提高，保证粒子的旋转频率不变，即旋转一周的时间不变，因此被称为等时性回旋加速器。粒子回旋加速器有其
8、能量限制，因为 特殊相对论效应会使得高速下的粒子质量改变。粒子的核质比与回旋频率间的关系因此改变，很多参数需重新计算。当粒子速度接近光速时，粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能让粒子继续运行，而这时可能已经达到粒子回旋加速器机械上的极限。当电子能量到达约十个百万电子伏特（10 MeV）时，原本的粒子回旋加速器无法对电子再做加速。必须用其它方法，如 同步粒子回旋加速器和 等时粒子回旋加速器的使用。这些加速器适用于较高的能量，而不用于较低的能量。如果要到达更高的能量，约十亿电子伏特（billion eV or GeV） ，必须使用同步加速器。同步加速器将粒子置于环形的真空管中，称为储存环。储存环
9、有许多的磁铁装置用以聚焦粒子以及让粒子在储存环中转弯，用微波（高频） 共振腔提供电场将粒子加速。从世纪年代到年代后半期的年时间里，加速器的能量增加了几百倍到几千倍。要发现基本粒子，除了到宇宙线中去寻找外，就得到原子核内部去寻找。原子核内部存在非常强大的作用力，即：核力(nuclear force)把基本粒子紧紧地结合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。随着加速器能量的增加，在实验室中所发现的基本粒子数目也增多了。现在，粒子加速器的规模已有小于一个大型机器制造厂，其用电量相当于一个中等城市，工作人员可达数千人，有宇宙粒子制造厂之称。但是，尽管今日粒子加速器能量已经够大的了，可它仍然远远不能适
10、应探索原子奥秘的要求，因此随着人们对原子奥秘探索的深入，粒子加速器仍会不断地改进。目前为止，粒子加速器的最高能量是由欧洲大型强子对撞机 LHC 产生的。两束能量为 3.5Tev 的质子束相互碰撞，能量高达7TeV。二、加速器的发展史 粒子加速器最初是作为人们探索原子核的重要手段而发展起来的。其发展历史概括如下；1919 年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工核反应，激发了人们用快速粒子束变革原子强烈愿望。1928 年，伽莫夫关于量子隧道效应的计算表明，能量远低于天然射线的 粒子也有可能透入原子核内。该研究结果进一步增强了人们研制人造快速粒子源的兴趣和决心。1932 年，JD考克饶夫特（J
11、ohn D. Cockroft）和 E.T.瓦尔顿（Earnest T. S. Walton）在 England 的 Cavendish 实验室开发制造了 700kV 高压倍加速器加速质子，即 Cockroft-Walton 加速器，实现了第一个由人工加速的粒子引起的 Li（p，）He 核反应。由多级电压分配器（multi-step voltage divider ）产生恒定的梯度直流电压，使离子进行直线加速。 1930 年，Earnest O. Lawrence 制作了第一台回旋加速器，这台加速器的直径只有 10cm。随后，经 M. Stanley Livingston 资助，建造了一台 2
12、5cm 直径的较大回旋加速器，其被加速粒子的能量可达到 1MeV。几年后，他们用由回旋加速器获得的 4.8MeV 氢离子和氘束轰击靶核产生了高强度的中子束，还首次生产出了 24Na、32P 和131I 等人工放射性核素。1940 由 D. W. Kerst 利用电磁感应产生的涡旋电场发明了新型的加速电子电子感应加速器（Betatrons） 。它是加速电子的圆形加速器。与回旋加速器的不同之处是通过增加穿过电子轨道的磁通量（magnetic flux ）完成对电子的加速作用，电子在固定的轨道中运行。在该加速器中，必须和处理电子的相对论作用一样来处理由辐射而丢失的能量。所有被加速的粒子辐射电磁能，并
13、且在一定动能范围内，被加速电子的辐射损失能量比质子的多。这种丢失的辐射能称同步加速辐射。因此，电子感应加速器的最大能量限制在几百 MeV 内。 在研制电子感应加速器的过程中提出了电子的振荡理论，并解决了带电粒子在加速过程中的稳定性问题。该理论适用于各种类型的梯度磁场聚焦的加速器。因此，在加速器的发展历史上，该加速器起了重要的作用。电子感应加速器除了主要用于产生的 射线做核反应等方面的应用外，还广泛用于工业和医疗方面：如无损探伤、工业辐照、放射治疗等。 1945 年，维克斯勒尔和.E.M.麦克米伦分别提出了谐振加速中的自动稳相原理，从理论上提出了突破回旋加速器能量上限的方法，从而推动了新一代中高
14、能回旋谐振式加速器如电子同步加速器、同步回旋加速器和质子同步加速器等的建造和发展。三、中国四大高能物理研究装置-中国的粒子加速器 80 年代以来，我国陆续建设了四大高能物理研究装置 DD北京正负电子对撞机、上海同步辐射光源、兰州重离子加速器和合肥同步辐射装置。2000 年以后，国家和地方政府合作，花费 14 亿元之巨兴建了大科学装置-上海同步辐射光源。为什么国家要花费如此巨资，建设这高能物理研究装置呢？随着科学技术的发展，人类对物质结构的认识是从一开始看到身边的各种物质逐渐发展到借助放大镜、显微镜、直到后来的粒子加速器、电子对撞机等，逐步深入到细胞、分子、原子和原子核深层次，每深入一步都会带来
15、巨大的社会效益和经济效益。原子核及其核外电子的发现，带动了无线电、半导体、电视、雷达、激光、 X 光的发展，而近几十年对原子核的研究，则为原子能的利用奠定了理论基础。 1、北京正负电子对撞机 北京正负电子对撞机是一台可以使正、负两个电子束在同一个环里沿着相反的方向加速，并在指定的地点发生对头碰撞的高能物理实验装置。由于磁场的作用，正负电子进入环后，在电子计算机控制下，沿指定轨道运动，在环内指定区域产生对撞，从而发生高能反应。然后用一台大型粒子探测器，分辨对撞后产生的带电粒子及其衍变产物，把取出的电子信号输入计算机进行处理。它始建于 1984 年 10 月 7 日，1988 年 10 月建成，包
16、括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。 北京正负电子对撞机的建成，为我国粒子物理和同步辐射应用研究开辟了广阔的远景。它的主要性能指标达到 80 年代国际先进水平，一些性能指标迄今仍然是国际同类装置的最好水平。2、上海同步辐射光源 上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为 Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称 SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，天天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。3、兰州
17、重离子加速器 兰州重离子加速器 兰州重离子加速器是我国自行研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止能量最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器，是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，1989 年H 月投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。中科院近代物理研究所的科研人员以创新的物理思想，利用这台加速器成功地合成和研究了 10 余种新核素。4、合肥同步辐射装置 合肥国家同步辐射实验室直线加速器 ，该装置主要研究粒子加速器后光谱的结构和变化，是中国科技大学设计的我国最早起步的同步辐射加速器，它由 200MeV 电子直线加速器和 800MeV 储存环组成。四、低能加速
18、器的应用 低能加速器的应用是核技术应用领域的重要分支，目前，在世界各地运行着的数千台加速器中大多数是在工业、农业、医疗卫生等领域内得到广泛应用的低能加速器。低能加速器在这些领域的应用，极大地改变了这些领域的面貌，创造了巨大的经济效益和社会效益。1、低能加速器在工业中的应用辐照加工应用加速器产生的电子束或 X 射线进行辐照加工已成为化工、电力、食品、环保等行业生产的重要手段和工艺，是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。经辐照生产的产品具有许多优良的特点，例如：聚乙烯电缆
19、经 105Gy 剂量辐照后，其电学性能、热性能都有很大提高，使用温度辐照前为 6070，辐照后长期使用温度可达 120以上。目前，我国已有用加速器进行辐照加工的生产线 200 多条。无损检测 无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可以采用放射性同位素 Co60 产生的 射线、X 光机产生的低能 X 射线和电子加速器产生的高能 X 射线。尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，作为一种终极检查手段或其它探
20、伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。射线检测的方法根据对透过工件的射线接受和处理方法的不同，又可把射线检测法分为三种：a、射线照相法 这种方法与我们体检时拍 X 光胶片相似，射线接受器是 X 光胶片。探伤时，将装有 X 光胶片的胶片盒紧靠在被检工件背后，用 X 射线对工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上，对感光后的胶片进行处理后，就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。b、辐射成像法 这种方法的射线接
21、受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的 X 射线安检系统，也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。c、工业 CT 与医用 CT 原理类似，CT 技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速器作为 X 射线源的 CT 技术是一种先进的无损检测手段，主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达 0.1%，比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密工件的缺陷检测、尺寸丈量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。2、低能加速
22、器在农业中的应用 作为核技术应用装备的加速器在农业上的应用，在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面： 1)辐照育种 加速器在辐照育种中的应用，主要是利用它产生的高能电子、X 射线、快中子或质子照射作物的种子、芽、胚胎或谷物花粉等，改变农作物的遗传特性，使它们沿优化方向发展。通过辐射诱变选育良种，在提高产量、改进品质、缩短生长期、增强抗逆性等方面起了显著作用。马铃薯、小麦、水稻、棉花、大豆等作物经过辐照育种后可具有高产、早熟、矮杆及抗病虫害等优点。2)辐照保鲜 辐照保鲜是继热处理、脱水、冷躲、化学加工等传统的保鲜方法之后，发展起来的一种新保鲜技术。例如，对马铃薯、大蒜、洋葱等经过辐照处
23、理，可抑制其发芽，延长贮存期；对干鲜水果、蘑菇、香肠等经过辐照处理，可延长供应期和货架期。3)辐照杀虫、灭菌 目前，在农产品、食品等杀虫灭菌普遍使用化学熏蒸法，由于使用溴甲烷、环氧乙烷等化学熏蒸法引起的残留毒性、破坏大气臭氧层等原因，根据蒙特利尔公约，到 2005 年要在全球范围内禁止使用溴甲烷。因而利用加速器进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速器产生的高能电子或X 射线可以杀死农产品、食品中的寄生虫和致病菌，这不仅可减少食品因*和虫害造成的损失，而且可提高食品的卫生档次和附加值。3、在医疗卫生中的应用 随着科学技术的进步，人民生活和质量的提高，人们对医疗卫生条件提出了更高的
24、要求。而加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。目前，加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面，即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。1) 放射治疗 用于恶性肿瘤放射治疗（简称放疗）的医用加速器是当今世界范围内，在加速器的各种应用领域中数量最大、技术最为成熟的一种。 用于放疗的加速器由 50 年代的感应加速器，到 60 年代发展了医用电子回旋加速器，进入 70 年代医用电子直线加速器逐步占据了主导地位。目前，世界上约有 3000 多台医用电子直线加速器装备在世界各地的医院里。 除了应用加速器产生的电子线、X 射线进行放疗外，还可应用加速器进行质子放疗、
25、中子放疗、重离子放疗和 介子放疗等，这些治癌方法还处在实验阶段，实验的结果表明，疗效显着。但这些加速器比电子直线加速器能量高得多，结构复杂得多，价格昂贵得多，尚未普及。 利用电子直线加速器开展立体定向放疗，俗称 X刀，是近年来发展的新的放疗技术。这种技术与常规放疗相比，可多保护15%20%的正常组织，而肿瘤增加 20%40%的剂量，可更有效地杀灭癌细胞，从而增加放疗疗效。 60 年代我国医院装备了医用感应加速器，70 年代中期医用电子直线加速器开始装备我国各地医院。截止到 2000 年初，我国已拥有各种能量的医用加速器约 530 台，其中国产医用加速器约 230 台，进口医用加速器约 300
26、台。医用同位素生产 现代核医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤，现在已确定为临床应用的约 80 种同位素，其中有2/3 是由加速器生产的，尤其是缺中子短寿命同位素只能由加速器生产。这些短寿命同位素主要应用在以下方面： a、正电子与单光子发射计算机断层扫描PET 与 SPECT PET是由病人先吸入或预先注射半衰期极短的发射正电子的放射性核素，通过环形安置的探测器从各个角度检测这些放射性核素发射正电子及湮灭时发射的光子，由计算机处理后重建出切面组织的图像。而这些短寿命的放射性核素是由小回旋加速器制备的。最短的半衰期核素如 15O 仅为 123 秒，一般为几分钟到 1 小时左右。所以，这种加
27、速器一般装备在使用 PET 的医院里。生产 PET 专用短寿命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了众多的加速器生产厂开发研制。目前，国外几个加速器生产厂家生产的小回旋加速器已达到几十台。 b、图像获取 利用放射性核素进行闪烁扫描或利用 照相获取图像的方法，可以诊断肿瘤、检查人体脏器和研究它们的生理生化功能和代谢状况，获取动态资料。例如 201Tl 用于心肌检查，对早期发现冠心病和心肌梗塞的定位等是目前最灵敏的检查手段。而这些放射性核素绝大部分也是由加速器生产的。辐照消毒 利用加速器对医用器械、一次性医用物品、疫苗、抗生素、中成药的灭菌消毒是加速器在医疗卫生方面应用的一个有广阔前途的方向。与前面先容加速器在食品中的杀虫、灭菌道理一样，可取代目前应用的高温消毒、化学消毒等方法。但灭菌需要的射线剂量要大于杀虫所需的剂量。
