高能加速器的起源

1919英国科学家E .卢瑟福利用天然放射源中能量为几兆电子伏、速度为2×10厘米/秒的高速α粒子束(氦核)作为“炮弹”,轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔,成就了人类科学史上的第一次。利用放置在靶后的硫化锌荧光屏测量粒子散射的分布,发现原子核本身具有结构,激发了人们寻求更高能量的粒子作为“壳”的欲望。

几乎同时提出了静电加速器(1928)、回旋加速器(1929)、倍压加速器(1932)等不同设想,并相继建成了一批加速装置。

1932年,美国科学家J.D.Cockcroft和爱尔兰科学家E.T.S.Walton建造了世界上第一台DC加速器,命名为科克罗夫特-沃尔顿DC高压加速器。用能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶,得到了α粒子与氦的核反应实验。这是历史上第一个通过人为加速粒子实现的核反应,因此获得了1951年的诺贝尔物理学奖。

1933年,美国科学家R.J.van de Graaff利用另一种产生高压的方法发明了一种高压加速器——命名为van de Graaff静电加速器(右图)。

以上两种粒子加速器都属于DC高压型,它们能加速粒子的能量受到高压击穿的限制,大约为10MeV。

1924年,G .伊辛和e .威德罗分别发明了基于漂移管加高频电压原理的直线加速器。由于当时高频技术的限制,这种加速器只能将钾离子加速到50keV,实际意义不大。然而,美国实验物理学家E.O .劳伦斯在这个原理的启发下,于1932年建造了一台回旋加速器,并利用它产生了人造放射性同位素,为此他获得了1939年诺贝尔物理学奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

由于被加速粒子的质量和能量之间的限制,回旋加速器只能将质子加速到25MeV左右。如果把加速器磁场的强度设计成与粒子能量沿径向同步增加,就可以把质子加速到几百兆电子伏,这就叫等时回旋加速器。

为了进一步探索原子核的结构,产生新的基本粒子,需要研究建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年,前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家E.M .麦克米兰分别独立发现了自动稳相原理,英国科学家M.L .奥列芬特也建议根据这一原理建造一台加速器——稳相加速器。

自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重要革命,由此产生了一系列可以突破回旋加速器能量限制的新型加速器:同步回旋加速器(高频加速电场的频率随着双加速粒子能量的增加而降低,保持回旋频率与加速电场同步),现代质子直线加速器, 同步加速器(利用磁场强度随粒子能量增加而增加的环形磁铁来维持粒子运动的圆形轨迹,但维持加速场的高频频率不变)等。

此后,加速器的建造解决了原理限制,但能量的提高在经济上受到了限制。随着能量的增加,回旋加速器和同步回旋加速器所用磁体的重量和成本急剧上升,能量的增加实际上被限制在1GeV以下。虽然同步加速器的环形磁铁成本大大降低,但由于横向聚焦力差,真空箱的尺寸必须很大,导致磁铁的磁极间隙很大,仍然需要很重的磁铁。用它来加速10GeV以上的质子还是不现实的。

1952年,美国科学家E.D.Courant、M.S.Livingston和H.S.Schneider发表了关于强聚焦原理的论文。根据这一原理,可以大大降低真空箱的尺寸和磁体的成本,使加速器向更高能量发展成为可能。这是加速器发展史上的又一次革命,影响巨大。此后,强聚焦原理被广泛应用于环形或直线加速器中。

1954年美国劳伦斯国家实验室建造了一台能量为6.2GeV的弱聚焦质子同步加速器。磁铁的总重量是10000吨。然而,布鲁克海文国家实验室的33GeV能量强聚焦质子同步加速器的磁体总重量只有4000吨。由此可见强聚焦原理的重大现实意义。

以上主要介绍质子环加速器,对于电子加速器情况就不一样了。1940年,美国科学家D.W.Kerst(右)研制出世界上第一台电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时切线方向发射的电磁辐射造成的能量损失,电子感应加速器的能量提高是有限的,极限约为100MeV。电子同步加速器利用电磁场提供加速能量,可以允许更大的辐射损耗,极限约为10GeV。当电子直线运动时,没有辐射损失。电磁场加速的电子直线加速器可以把电子加速到50GeV,这不是理论极限,而是高成本的极限。

加速器的能量已经发展到这样一个水平,从实验的角度来看,新的问题已经暴露出来。使用加速器进行高能物理实验时,一般是用加速粒子轰击静止靶中的原子核,然后研究产生的次级粒子的动量、方向、电荷和数量,这就限制了加速粒子能参与高能反应的实际有用能量。如果两个加速粒子发生碰撞,加速粒子的能量可以完全用于高能反应或新粒子的产生。

1960年,一位意大利科学家(B.Touschek)首次提出了这一原理,并在意大利弗拉斯卡蒂国家实验室建造了直径约为1米的AdA对撞机,验证了该原理,开辟了加速器发展的新时代。

现代高能加速器基本上都是以对撞机的形式出现,已经能够将高能反应的当量能量从1TeV提高到10 ~ 1000 TEV,这是加速器能量发展史上的又一次根本性飞跃。

自世界上第一台加速器建成以来,70多年间,加速器的能量提高了9个数量级,单位能量的成本降低了约4个数量级。如此惊人的发展速度,在所有科学领域都是罕见的。

随着加速器能量的不断提高,人们对微观物质世界的认识逐渐加深,粒子物理研究取得了巨大成就。中国加速器的诞生