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加速器的种类繁多,不同类型的加速器有着不同的结构和性能特点,也有着不同的适用范围。除了依加速粒子的能量来划分加速器外,常常还依加速粒子的种类或加速电场和粒子轨道的形态来区分加速器。[center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112111445_01_1623423_3.jpg[/img][/center] 电子是最常见的一种带电粒子,它易于以大量自由电子的形式获得,也易于加速,它的静止能量为,0.511MeV,是常见加速粒子中最低的(表1)。电子在加速时容易达到相对论速度,在相同的加速能量下,电子加速器的尺寸、规模和造价在同类加速器中往往是最低的。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211728_01_1623423_3.jpg[/img] 轻离子型加速器加速质子、氘和α粒子以及H-、D-等负离子。氢离子的静止能量为938MeV,是轻离子中最小的,而它的荷质比(电荷数与质量数之比)为1,比氘和α高,是各种粒子中最高的。 原子序数Z2的各原子的(正或负)离子称为重离子。一般重离子的荷质比小,飞行速度低,难于达到相对论的速度。现有的加速器可加速元素周期表上的各种重元素的离子,包括铀离子,但重离子的加速效率低,加速设备的规模一般都比较大,造价昂贵。 加速电场和粒子的轨道形态是反映加速原理,决定加速器结构的关键因素。这四类加速器分别适用于加速不同能量范围、不同粒子,它们在性能上各有特色,相互竞争,相互补充,不断发展完善,而许多大的粒子加速器设备则往往由多种不同类型的加速器互相串接组合而成。 直流高压型加速器是利用直流高压电场加速带电粒子,包括单级和串列静电加速器;后者按电源电路的结构又可分为串激倍压加速器、并激高频倍压加速器、Marx脉冲倍压加速器等。这类加速器的主要特点是可以加速任意一种带电粒子且能量易于平滑调节;然而这类加速器的加速电压直接接受介质击穿的限制,一般不超过30~50MeV的加速能量,因此,加速器的能量不高。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211100_01_1623423_3.jpg[/img] 电磁感应型加速器用交变电磁场所产生的涡流电场加速带电粒子,包括电子感应加速器和直线感应加速器。前者的能量范围在15~50MeV,具有流强低(一般不超过0.5μA)、不宜加速离子的缺点。后者在脉冲状态下工作,既可加速电子也可加速离子,脉冲流强可达数十千安培。 直线共振型加速器利用射频波导或谐振腔中的高频电场加速沿直线形轨道运动的电子和各种粒子,这类加速器的主要优点是粒子束的流强高,并且它的能量可以逐节增高,不受限制。加速器的工作频率随加速粒子的静止质量的增加而降低,加速电子的典型频率为3GHz,质子为200MHz,而重粒子则在70MHz以下。为了使加速器的长度比较合理,通常要求加速电场的振幅达1~10MMeV/m以上,结果导致加速器的高频功耗高达兆瓦级。近几年研发的超导直线加速器可使运行成本降低2/3~4/5,其加速电子的最高能量达50GeV,质子达800MeV。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2009112111025_01_1623423_3.jpg[/img] 回旋共振型加速器应用高频电场加速沿园弧轨道作回旋运动的电子、质子或其它粒子。1930年劳伦斯提出回旋加速器的理论后,经多次反复的研究后于1931年和他的研究生利文斯顿(M. S. Livingston)成功的研制出了世界上第一台回旋加速器,这台加速器的磁极直径为10cm,加速电压为2kV,可使氘离子加速到80keV。几年后,劳伦斯的回旋加速器所达到的能量已超过天然放射性和当时其它加速器的能量。此后,人们按劳伦斯理论建造的经典回旋加速器可产生44MeV的α粒子或22MeV的质子。然而,由于相对论效应所引起的矛盾和限制,经典回旋加速器的能量难以超过20MeV。后来,研究人员根据1938年托马斯(L. H. Thomas)提出的建议,到60年代后建造了新型的等时性扇形聚焦回旋加速器(Sector Focusing Isochronous Cyclotron),70年代后,建造了大批能加速相对论性粒子的回旋加速器,尤其是在质子同步加速器基础上发展起来的贮存环和对撞机,在质心系统的有效作用能可达到2~40TeV。电子同步回旋加速器由于同步辐射的限制,其能量不高于8GeV。
2012年11月07日 来源: 中国科技网 作者: 毛黎 今日视点 http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20121106/021352217578281_change_chd2b25_b.jpg 激光等离子加速器(LAPs)因其加速空腔的长度可用厘米而不是公里(千米)来计量而被称为“桌面加速器”。近年来,由于技术的迅速发展,科学家有望开发出新型实用的激光等离子加速器。与当今传统的加速器相比,激光等离子加速器不仅造价十分低廉,而且对土地和环境的影响要小得多。 “体形”差异甚大 激光等离子加速器的研究已有多年,并取得了可喜的进展。2004年,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室激光和光学加速器系统综合研究项目的科学家,首次向人们展示了具有窄发散能量的激光等离子加速器电子束;2006年,他们首次将电子能量提高到10亿电子伏特。 常规的带电粒子(如电子)加速器有多段真空金属腔连接而成,外加给空腔的振荡电磁场让带电粒子被束缚在空腔内逐级加速,导致带电粒子被加速的主要因素是磁场加速梯度,它用每米多少伏特来表示。通常,输出的带电粒子能量越高,加速器的长度就会越长,因而加速器的长度可达数公里。 激光等离子加速器则不同。激光和光学加速器系统综合研究项目的科学家研发的能够产生10亿电子伏特电子束的激光等离子加速器能够放在手掌上,其长度只有3.3厘米。当强激光器将脉冲聚焦到加速器内的自由电子和正离子时,其辐射压导致电子和离子分离,产生出高强度的加速梯度。部分电子尾随在激光脉冲后面,有些几乎在同时达到了近光速的速度。在短距离内,激光等离子加速器能够维持每米数千亿伏特的加速梯度,常规加速器无法与此相比。 特性测量困难 然而,激光等离子加速器独特的电子加速方法和产生飞秒量级的电子脉冲给测量技术带来了难题,人们一时无法测量激光等离子加速器产生的高能电子束的质量。 现在,测量难题正在被逐步解开,这归功于劳伦斯伯克利国家实验室加速器和聚变研究分部科学家维姆·李曼斯领导的研究团队。李曼斯是激光和光学加速器系统综合研究项目的负责人,他所带领的研究团队拥有理论学家、计算机模拟专家和优秀的实验人员,他们不断改进激光等离子加速器的性能。在研究队伍中,不少学生为研究作出了重要的贡献,并获得了博士学位。例如,法国某综合工科院校的研究生吉拉姆·普拉图,他曾在项目中研究与激光等离子加速器产生的X射线相关的辐射,并将其作为自己博士论文的一部分,目前他在加州大学做博士后研究。 发射度很关键 激光等离子加速器产生的短电子束需要新的测量技术来了解其特性,而最具挑战的性能参数为发射度(emittance)。与普拉图共同在激光和光学加速器系统综合研究项目工作的研究人员卡梅隆·格德斯说,发射度是指电子束聚焦的好坏,小发射度意味着电子的速度方向不是随机四散而去,它们几乎沿着磁力线方向运动。 实验初期,发射度并不是研究所关心的重心。李曼斯表示,开始时,由于要获得与电子束相关的X射线脉冲波的图像,研究小组同德国重离子研究中心建立了合作。该中心的科学家带着高级商业相机来到劳伦斯伯克利实验室,帮助研究人员获得了所需的图像。他们为自己所看到的结果所鼓舞,因而希望了解利用这些图像还能做哪些工作。 实验室工程分部研究人员马尔科·巴塔格利亚随即提供了更先进的相机,它采用坚固和灵敏的劳伦斯伯克利实验室的电荷耦合器件,获得了更佳的图像。李曼斯认为,他们虽不是激光等离子加速器X射线成像的第一人,但是由于新相机成像质量的缘故,他们首次有能力仔细了解激光等离子加速器产生的X射线的光谱。 格德斯解释说,电子束的发射度能够通过光束大小和发散角来测量。传统方法是将丝线扫描仪正对着加速器产生的电子束测量发射度。不过,该方法能破坏低发射度的电子束。此外,在激光等离子加速器中,强激光能够毁坏测量设备。 X射线给答案 研究小组为解决电子束发射度测量的难题,采取了用磁场对激光等离子加速器的电子束进行偏转的方法来测量电子束的能量,同时利用加速器产生的X射线的信息来推算电子束的发射度。为此,他们借助了X射线摄谱仪。 格德斯表示,在等离子中,激光尾场对电子束进行加速。借助X射线成像,他们寻找到在等离子内测量电子束质量的方法。X射线是电子感应加速辐射的结果,产生电子感应加速辐射的原因为电子束内尾随激光脉冲的加速“气泡”。当电子束聚集在“气泡”内时,它们前后摇摆,这种电子感应加速振荡发射出了向前的X射线,其特征是密集、明亮同时超短。 激光束、电子束和X射线均沿相同的方向前行。为无干扰测量X射线,研究人员首先让电子束发生偏转,然而采用箔镜让激光发生反射,而只让X射线脉冲通过箔镜进入能够测量每个X射线辐射量子和计算出其能量的电荷耦合器相机中。虽然相机离加速器5米的距离,但是其捕捉到的密集的电子感应加速辐射脉冲的频谱含带有用来测量电子束半径所必需的信息。 格德斯说,通过将测量到的X射线频谱与理论推测的进行比较,他们确定实验中的电子束半径为0.1微米,此结果比过去任何实验所获得的都要小,同时也帮助他们估算出了电子束横截面的发射度,其为每千分之一弧度0.1厘米。 格德斯补充说,激光等离子加速器电子束的横向发射度可与先进的自由电子激光器和伽马射线源常规加速器的相媲美。他们完成的多次模拟显示,发射度取决于电子束缚在波动中的特殊途径,这为今后进一步降低发射度奠定了基础。 科学家认为,未来的激光电离子加速器既能作为基础物理研究用的紧凑式高能对撞机,又能作为小型光源。它们能够用于探测从人工光合作用到“绿色分析”的化学反应;了解显微镜无法观察的对认识生命和健康十分重要的独特生物结构;分析包括低温超导、拓扑绝缘体、自旋电子元件和石墨纳米结构在内的有望给电子产业带来革命性变化的新材料。毫无疑问,激光等离子加速器所产生的光谱范围从微波到伽马射线的高密度光束,能够为科学发展开拓新的领域。(记者 毛黎) 《科技日报》(2012-11-07 二版)
早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次,因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。为此,象R. Widerö e等一些加速器的先驱者在20年代,就探索利用同一电压多次加速带电粒子,并成功地演示了用同一高频电压使钠和钾离子加速二次的直线装置,并指出重复利用这种方式,原则上可加速离子达到任意高的能量。但由于受到高频技术的限制,这样的装置太大,也太昂贵,也不适用于加速轻离子如质子、氘核等进行原子核研究,结果未能得到发展应用。 1930年,Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理论,他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转,多次反复地通过高频加速电场,直至达到高能量。1931年,他和他的学生利文斯顿(M. S. Livingston)一起,研制了世界上第一台回旋加速器,这台加速器的磁极直径只有10cm,加速电压为2kV,可加速氘离子达到80keV的能量(图1),向人们证实了他们所提出的回旋加速器原理。随后,经M. Stanley Livingston资助,建造了一台25cm直径的较大回旋加速器,其被加速粒子的能量可达到1MeV。回旋加速器的光辉成就不仅在于它创造了当时人工加速带电粒子的能量记录,更重要的是它所展示的回旋共振加速方式奠定了人们研发各种高能粒子加速器的基础。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_625814_1623423_3.jpg[/img] 30年代以来,回旋加速器的发展经历了二个重要的阶段。前20年,人们按照劳伦斯的原理建造了一批所谓经典回旋加速器,其中最大的可生产44MeV的α粒子或22MeV的质子。但由于相对论效应所引起的矛盾和限制,经典回旋加速器的能量难以超过每核子20多MeV的能量范围。后来,人们基于1938年托马斯(L. H. Thomas)提出的建议,发展了新型的回旋加速器。因此,在1945年研制的同步回旋加速器通过改变加速电压的频率,解决了相对论的影响。利用该加速器可使被加速粒子的能量达到700MeV。使用可变的频率,回旋加速器不需要长时间使用高电压,几个周期后也同样可获得最大的能量。在同步回旋加速器中最典型的加速电压是10kV,并且,可通过改变加速室的大小(如半径、磁场),限制粒子的最大能量。 60年代后,在世界范围掀起了研发等时性回旋加速器的高潮。等时性回旋加速器(Isochronous cyclotron)是由3个扇极组合(compact-pole 3 sector)的回旋加速器,能量可变,以第一和第三偕波模式对正离子进行加速。在第一偕波中,质子被加速到6 MeV~ 30 MeV, 氘核在12.5 MeV~25 MeV, α粒子在25 MeV~50 MeV, He3 +2离子在18 MeV ~62 MeV 。磁场的变化通过9对圆形的调节线圈来完成,磁场的梯度与半径的比率为(4.5 – 3.5)×10-3 T/cm。磁场方位角通过六对偕波线圈进行校正。RF系统由180°的两个Dee组成,其操作电压达到80kV,RF振荡器是一种典型的6级振荡器,其频率范围在8.5 - 19 MHz 。通常典型的离子源呈放射状,并且可以通过控制系统进行遥控,在中心区域有一个可以活动的狭缝进行相位调节和中心定位。使用非均匀电场的静电偏转仪(electrostatic deflector)和磁场屏蔽通道进行束流提取,在偏转仪上的最大电势可达到70 kV 。对30 MeV强度为15 mA质子在径向和轴向的发射度(Emittance)为16p mm.mrad 。能量扩散为0.6%,亮度高,在靶内的束流可达到几百mA。用不同的探针进行束流强度的测量,这些探针有普通TV的可视性探针;薄层扫描探针和非截断式(non-interceptive)束流诊断装置。系统对束流的敏感性为1mA,飞行时间精确到0.2 ns 。束流可以传送到六个靶位,可完成100%的传送。该回旋加速器最早在1972年由INP建造,它可使质子加速达到1 MeV,束流强度为几百mA,主要用于回旋加速器系统(离子源、磁场等)的研究。 70年代以来,为了适应重离子物理研究的需要,成功地研制出了能加速周期表上全部元素的全离子、可变能量的等时性回旋加速器,使每台加速器的使用效益大大提高。此外,近年来还发展了超导磁体的等时性回旋加速器。超导技术的应用对减小加速器的尺寸、扩展能量范围和降低运行费用等方面为加速器的发展开辟新的领域。目前的同步加速器可以产生笔尖型(pencil-thin )的细小束流,其离子的能量可以达到天然辐射能的100,000倍。通过设计边缘磁场来改变每级加速管的离子轨道半径。最大的质子同步加速器是Main Ring(500GeV)和Tevatron(1TeV)在Fermi National Accelerator Laboratory Chicago;较高级质子同步加速器的是在Geneva的European Laboratory for Particle Physics (CERN)安装应用的SPS(Super Proton Synchrotron), 450 GeV。(图2,3所示的超导加速器)[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211241_01_1623423_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200911211258_01_1623423_3.jpg[/img]