粒子加速器

粒子加速器ParticleAccelerators郭之虞北京大学重离子物理研究所2007年9－12月核技术及应用专业必修课第一章绪论第二章回旋加速器第三章同步加速器第四章射频直线加速器第五章高压型加速器第六章其它类型的加速器需具备的基础知识：数学分析、线性代数、常微分方程、贝瑟函数、普通物理、相对论力学、电动力学、传输线理论第一章绪论一、什么是粒子加速器粒子加速器是利用电场加速带电粒子的装置F=qE=ma阴极射线管（显像管）是加速器的雏形粒子速度不能超过光速，但能量增加不受限制，故加速器实际上是增能器。W=qeEsds粒子能量的单位：电子伏（eV）1eV=1.6021019J对e,1.1MeV时=0.95,11MeV时=0.999二、加速器的产生与发展1919年卢瑟福用天然源首次实现人工核反应科学家需要可控的人工射线！20年代末－30年代VandeGraaffHerbCockcroft&WaltonWideröeLawrence思想活跃、发展迅速，静电与回旋为主流二战后－50年代雷达微波功率源射频直线加速器SLAC：e900MeV自动稳相原理(1945)突破回旋能量限制稳相加速器：p700MeV同步加速器：e1GeVp10GeV60－70年代等时性回旋加速器交变梯度强聚焦原理同步：e12GeV,p500GeV直线：e20GeV,p800MeV对撞机原理DESY－Doris5.3GeVe+e+超导加速技术80－90年代对撞机飞速发展同步辐射装置广为建造工业与医学应用得到普及本世纪大型强子对撞机LHC/国际直线对撞机ILC散裂中子源SNS/放射性核束加速装置RIA三代光源/能量回收直线加速器ERL/X波段自由电子激光X-FEL激光等离子体加速牵引力与驱动力三、加速器的构成与主要性能指标1.基本物理问题1）提高能量：加速2）形成轨道：约束3）保持流强：聚焦4）维持寿命：稳定性5）提高亮度：冷却、阻尼粒子/束流动力学2.加速器的构成约束磁铁电磁聚焦粒子源LEBT主加速器HEBT靶/探测器机械真空电源束测控制微波超导低温激光数据获取/成像辐射防护3.主要性能指标1）能量100keV－100MeV低能100MeV－1GeV中能1GeV－100GeV高能100GeV超高能2）加速场强单位长度增能MV/m3）流强pA－nA－A－mA－A－kA－MA4）亮度（对撞机、微束）单位面积流强nA/cm2或n/s/cm25）束流品质发射度（x,x’6维相空间）能散度（W/W）6）束流的时间结构7）经济性指标造价运行费用（能耗）四、加速器的分类1.按粒子种类分电子、质子、重离子（~W关系不同）次级粒子：正电子、反质子、放射性核束2.按轨道形状分直线型回旋型环型3.按加速电场分静电场感应电场射频电磁场4.按加速机制分非谐振(准)谐振－有自动稳相机制静电场感应电场射频电磁场非谐振(准)谐振直线型高压型感应直线射频直线回旋型回旋稳相电子回旋环型电子感应同步五、加速器的应用1.基础研究（大科学工程）1）核物理核反应、核结构放射性核束物理2）高能物理基本粒子、夸克、胶子…（对撞机）3）其它学科凝聚态物理、生命科学（同步辐射、散裂中子源）原子分子物理、化学地学、考古夏商周断代工程2.国计民生1）农业：辐射育种、保鲜、昆虫不育2）医学：放疗、同位素生产、消毒3）能源：反应堆材料、核废料处理、加速器驱动洁净核能系统（ADS）、惯性约束聚变4）环境：环境示踪与分析、三废处理5）信息：半导体与集成光学器件生产、单粒子效应与抗辐射加固6）材料：辐照加工（电线电缆、热缩材料、涂层固化、建材、磁带）、材料改性与精密加工、无损检测3.国防与安全1）安全检查：集装箱、爆炸物、违禁品2）核武器：核爆模拟、闪光照相、核数据3）离子束与激光武器：RFQ、FEL加速器的应用实际上是荷能粒子束及其次级射线的应用应用的基础：粒子束/射线与物质相互作用本质上主要是两类应用：•利用能量效应（辐照、放疗…）•提取信息（核分析技术、成像技术…）六、我国加速器的发展50－60年代赵忠尧：质子静电加速器杨澄中：倍压加速器谢家麟：电子直线加速器从前苏联引进：电子感应、回旋等70年代离子注入机医用电子直线加速器此后众多小型加速器得到快速发展80－90年代：三大工程正负电子对撞机BEPC北京同步辐射装置合肥重离子回旋加速器兰州90年代－本世纪初同步辐射装置二期合肥重离子冷却环兰州神龙一号感应直线九院十一五BEPC－II北京三代同步辐射光源上海中国散裂中子源东莞