济南舜盈防护工程有限公司----粒子加速器概述（科普）

一、粒子加速器

加速器的全名叫做带电粒子加速器。它是利用电磁场使带电粒子(如电子、质子、α粒子、氘核、氦核和其他重离子等)获得高能量的装置,可以使粒子的速度达到几千米/秒、几万米/秒,甚至光速(光在真空中传播的速度是30万千米/秒)。由加速器产生的高速带电粒子既可以用来进行物质基本结构的研究,又可以应用到国民经济中的许多领域和国防建设中。根据相对论原理,粒子的速度只能接近光速而永远不能超过光速,但是粒子的能量可以不受限制地增长。通常,用以光速c为单位的相对速度β来描述粒子的速度v,β=u/c_o在相对速度为时,相应的总能量为E,如果用粒子速度为零时的静止质量E。 粒子在低能时,能量随速度变化很明显,但粒子的能量很高时,粒子加速过程中β变化并不大,只不过是在小数点后边不断地增加9,无限地接近1,但其能量由表中数据可以看出,粒子在低能时,能量随速度变化很明显,但粒子的能量很高时,粒E/E。却会迅速增长。加速器实际上是增加了粒子的能量,准确地说“加速器”是“粒子加能器”。只是在它发明初期所取的名字沿用至今未变。加速器最初是为原子核物理研究的需要而发展起来的。20世纪20年代初期,物理学家为了揭示原子核的奥秘及其内在规律,希望能获得具有足够高能量的粒子作为“炮弹”来轰击原子核,以期穿透核外的势垒,进入核内而引起核反应。而今,加速器在国民经济各领域得到愈来愈广泛的应用。

二、加速器的种类

加速器的种类繁多,目前被广泛采用的有二十多种,每种加速器都有它适于工作的能量范围和被加速的粒子,它们各具特色,各自满足某些特殊的需要。加速器可以按不同的原则加以分类,例如按加速粒子的种类分为电子类和离子类加速器;按被加速粒子的能量高低分为低能、中能、高能加速器,一般称能量小于100 MeV的加速器为低能加速器,能量在100~1 000 MeV之间为中能加速器,能量在1～100 GeV之间的为高能加速器,在此之上的统称为超高能加速器。按粒子运动轨道的形式分为直线型、环型和螺旋型轨道加速器。有时又按用途分,如中子发生器、离子注入器、医用加速器、辐照加速器和同步辐射装置等等。现以加速电场及加速机理的不同特点为主要依据同时参照上述不同特点,对加速器进行分类。

(一)电子直线加速器三、加速器的工作原理

在电子直线加速器中,利用高频电磁场在盘荷波导中的行波来加速电子。高频微波可以通过空心的金属管(称为波导管)传送。在波导管中,安装了很多圆片,其作用就像只允许通过一定频带的滤波器,通常称为盘荷波导。见图8-1。波的传播速度取决于圆片之间的距离和圆片上的孔道的大小。由于这些波伴有电场,故可用来加速粒子。在一定相位送入波导管的粒子,随着波一起向前传播。这是一种行波型的加速器,产生脉冲式电子束。

(二)回旋加速器

回旋加速器的基本原理是利用射频电场,在直流控制磁场中加速粒子。回旋加速器的基本结构包含两个电极,看上去像两个半圆形的盒子(见图8-2)。在早期模型中,这两个电极做成字母D的形状,所以称为D形盒。D形盒放在两个磁极之间的真空室中。高频交变电压直接接到D形盒中上。假定D1带负电时,正离子由辐射源S射出,D形盒之间的电场使离子进入D1盒。在D1盒内部离子不受电力的作用,以恒定的速度移动,而磁场又迫使离子进入半圆形轨道,其方向是使离子回到缝隙。当离子回到缝隙时,D形盒的电场正好改变方向,电场再一次使通过缝隙的离子获得加速。结果,离子进入D2盒,其动能比在D1盒中增加。为了与交变电压的相位保持一致,使离子在每个D形盒中经过的时间相同,速度较快的离子在D2内的轨道半径要大于D1内的轨道半径。这样的过程继续下去,就增加了离子的能量。离子沿着扁平的螺旋形轨道前进,一直到P点。在那里,它们从真空室中引出去轰击靶子。在给定的回旋加速器中,离子所获得的最高能量与D形盒的电压无关。若电压低,则离子到达D形盒的外边缘时需要旋转很多圈,当电压高时,旋转的次数就少。回旋加速器典型的工作能量在25～100 MeV之间,流强为0.1～1 mA。回旋加速器的规格用磁极面直径来表示。如“1.5米回旋加速器”是指磁极面直径为1.5米,D形盒的直径比它小几厘米。

(三)同步加速器

在回旋型共振加速器中,加速粒子的圆轨道半径是随能量的增长而加大的,使用磁极是圆柱形的实体,因此建造较高能量的加速器,磁铁就显得十分笨重。如果能实现恒定轨道的共振加速,磁铁就可大大地节省,造价也就可以相应地降低,从而建造更高能量的加速器才成为可能。在电子感应加速器中,电子的理想轨道是一个闭合圆。做到这一点是由于加速器磁场在随时间增长的同时,轨道磁场按一定的规律随时间也相应地增长。可见要实现一种具有封闭轨道的共振加速器是有可能的。在这种加速器中,用谐振腔受激励产生的高频电场来取代磁场随时间变化所形成的涡旋电场,但其轨道磁场仍基本上和感应加速器相同,在加速过程中也是随时间增加的。这种具有封闭轨道的、用调变轨道上主导磁场的方法来实现同步加速的共振加速器叫做同步加速器_o在同步加速器里,粒子围绕着一条固定的轨道作回旋运动,这条固定的轨道叫做加速器的中心轨道。环形真空室就以中心轨道作它的轴线,主导磁场也只需分布在围绕着这条轨的频率和粒子在中心轨道上的回旋频率相同或者是它的整数倍,以保证谐振加速。主导磁场随时间作周期变化。当主导磁场比较低时,适当能量的粒子入射到真空室里,开始在真空室里回旋。主导磁场按一定规律随时间增长,由于受到加速设备的加速,粒子的能量相应地增长,维持它们的轨道大致不变。当粒子的封闭轨道和中心轨道重合,它的相角也恰好合适时,它的能量增长速率正好和主导磁场的增长速率相适应,这就能保持它的封闭轨道不变,一直和中心轨道相重合,并且和加速电压严格同步(或者说谐振)。在这种加速器中产生的高能粒子,不是作为连续的粒子流,而是作为一簇一簇的粒子(脉冲)被引出的。每当主导磁场由低变到最高位,就有一束粒子被加速到最终能量。以后磁场又恢复到原始值,然后再由低变高,循环往复。单位时间内输出粒子束的次数和磁场调变的频率相同,每秒输出数次到数十次不等。

四、加速器的主要组成部分

不同类型的加速器具有不同的结构,但大都具有以下三个主要部分。

(1) 产生带电粒子的结构,即电子枪或离子源

电子枪是在真空状态下工作的,应用高温阴极电子的电子热发射或高电场的电子场致发射来获得电子,在阴极电压的电场作用下,电子从电子枪射出。离子源中经常充以低压气体,气体的种类取决于加速离子的种类,利用热游离或高频游离的方法造成大量离子,再以附加电场将离子引到加速器轨道上去。

(2) 加速器的主体部分

这部分的主要任务是将带电粒子加速到预定的能量,按其功能又可分为三个系统:加速器电场系统:产生电场使粒子加速。控制磁场系统:产生磁场力使粒子按预定的轨迹运动(包括导引磁场系统和电磁聚焦系统等)。真空系统:主要是保证粒子在运动过程中,尽可能减少与气体分子碰撞而造成损失和不必要的影响。

(3) 粒子束引出结构

使已加速到额定能量的粒子束偏离其原来的轨道,按预定方向直接引出,或者打内靶,产生次级粒子,从而开展物理实验或应用。

五、加速器的应用

加速器首先是为了进行原子核物理和“基本”粒子物理的基础研究而发展起来的,但是它很快就在核能利用的研究中起了重要的作用。随着核技术应用的发展,加速器在非核科学的基础研究,如在工业、农业、医学等领域得到愈来愈广泛的应用。利用加速器产生辐射源,具有以下优点:

(1)加速器能产生的粒子种类很多,像质子、氘核、氦核等都是其他辐射源不能产生的。有的重离子加速器能产生从氢到铀等所有元素的离子。

(2)加速器产生粒子的能量、强度都可以在大范围内平滑地调节。

(3)加速器产生的粒子强度大、性能好。目前低能加速器的平均流强可达数十毫安到数百毫安,并且聚焦性能好,粒子流密度大。加速器可在任何需要的时候开机、停机,停机后不再产生辐射,大多数加速器停机后即无放射性,可以检修。由于加速器束流聚焦性能好,也易于控制,辐射利用率高,可达70%。

正因为如此,加速器成为最广泛的一种辐射源。表8.3列出了小型加速器的主要应用领域。

表8. 3小型加速器的主要应用领域