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manbet手机版为什么加速器manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版粒子加速器是一种产生高能离子和电子束的装置，它被用于许多不同的目的，其中之一就是超精密显微镜。manbet手机版众所周知，尺寸小到活细胞大小的物体用光学显微镜研究，尺寸小到原子大小的物体用电子显微镜研究。manbet手机版可以看到(分辨)的物体细节是由照射的波长给出的。manbet手机版要穿透原子和分子的内部，就必须使用波长远小于原子尺寸的辐射。manbet手机版原子核内的核子(质子和中子)大小约为10manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版-15年manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版米和被相同数量级的距离隔开。manbet手机版原子核轨道上的电子和核子内部的夸克的大小，如果有的话，都小于10manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版-18年manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版米;manbet手机版他们出现点状。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版研究原子成分需要粒子加速器提供的电子和质子等探测粒子。manbet手机版探测粒子的相关德布罗意波长而不是“宏观”波长定义了可解析的最小物体尺寸。manbet手机版德布罗意波长与粒子动量成反比。manbet手机版例如，如果要求电子具有与核子大小相当的德布罗意波长，则它的动能必须为1200 MeV(对于电子能量高于10 MeV的电子，动能与动量成正比)。manbet手机版这种能量比电子显微镜中使用的典型电子能量高几千倍。manbet手机版单位MeV，百万电子伏，表示单位电荷粒子在一百万伏的电压降中通过后获得的动能。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版除了超精密亚原子显微镜的要求外，来自加速器的粒子与目标粒子碰撞可能导致新粒子的产生，根据公式E=mc从碰撞能量中获得新粒子的质量manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版2manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版．manbet手机版因此，通过将碰撞中多余的动能转化为质量，粒子、反粒子和奇异核就可以被创造出来。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版粒子加速器不仅是探索亚原子世界的独特工具，而且还被用于许多不同的应用，如材料分析、改性和光谱分析，特别是在环境科学中。manbet手机版世界上15000个加速器中大约有一半用于离子注入、表面修饰、杀菌和聚合。manbet手机版当带电粒子在物质中停止时所产生的电离常用于放射手术和癌症治疗等。manbet手机版在医院中，大约有5000个电子加速器用于这一目的。manbet手机版加速器还会产生放射性元素，这些元素在医学、生物学和材料科学中被用作示踪剂。manbet手机版在材料科学中越来越重要的是离子和电子加速器，它们在很大的能量范围内产生大量的中子和光子。manbet手机版例如，定义良好的光子束越来越多地用于光刻，以制造电子学中所需要的非常小的结构。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版关于加速器的更多细节可以在最近的一本书中找到，manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版粒子加速器简介manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版埃德蒙·威尔逊著，2001年由牛津大学出版社出版。manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版1manbet手机版gydF4y2Ba}

manbet手机版历史manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在第一个加速器中，粒子是通过施加在阴极和阳极(电极)之间的高压来加速的。manbet手机版这些被称为阴极射线管，是在19世纪末构思出来的manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版thmanbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版世纪。manbet手机版利用阴极射线管，x射线于1895年被发现manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版威廉·康拉德·伦琴manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版他因此获得了第一届诺贝尔物理学奖(1901年)。manbet手机版1896年manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版约瑟夫·约翰汤姆森manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版研究了阴极射线的性质，发现它是带电的，并具有精确的电荷质量比。manbet手机版第一个基本粒子电子的发现标志着一个新时代的开始，电子时代可以追溯到1896年。manbet手机版汤姆逊因在这一发现方面的工作而被授予1906年诺贝尔奖。manbet手机版今天最常见的加速器是阴极射线管，它被用在电视机和电脑显示器上。manbet手机版在电子管中，一束电子在被加速到最高能量可达30000电子伏后，扫过一个屏幕，当电子撞击屏幕时，屏幕会发光。manbet手机版在下面这些单间隙装置和电子显微镜被忽略。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版现有的各种类型的加速器都是在近40年的时间跨度内发明的。manbet手机版大约在1920年，第一个高压粒子加速器由两个电极组成，放置在一个真空容器中，具有100千伏量级的电位下降，由设计者构思并以其命名manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版约翰·道格拉斯·科克罗夫特manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版而且manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版欧内斯特·托马斯·辛顿·沃尔顿manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版．manbet手机版后来在20世纪20年代，有人建议在一系列间隙上使用时变电位。manbet手机版(参见下面关于线性加速器的部分)。manbet手机版这些建议以重复的方式加速粒子manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版奥兰多欧内斯特•劳伦斯manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版提出加速粒子的新概念。manbet手机版在他发明的回旋加速器中，粒子在磁场中循环，并多次通过同一个加速间隙。manbet手机版用高频电压代替直流电压，使粒子以重复的方式沿着螺旋轨迹加速。manbet手机版在20世纪40年代中期相位稳定原理被发明之后，两种新型加速器被构想出来:线性加速器和同步加速器。manbet手机版在线性加速器中，间隙沿直线放置。manbet手机版在同步加速器中，磁场在加速过程中增加，因此粒子在基本上恒定的轨道上运动。manbet手机版在这些加速器中，粒子以重复的方式加速，能量受限于加速器的大小，而不是可以达到的最大电压。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版电位降加速器manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版电子真空管，发明于19世纪末manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版thmanbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版这个世纪被用来发现电子和x射线。manbet手机版电子在两个电极(阴极和阳极)之间的真空中加速。manbet手机版由于电子与空气分子的碰撞，具有大气压力的空气会使粒子减速。manbet手机版真空管是后来的高压加速器的前身。manbet手机版如上所述，第一台高压粒子加速器的潜在电压下降为100千伏，由科克罗夫特·沃尔顿加速器构想并命名为manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版约翰·道格拉斯·科克罗夫特manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版而且manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版欧内斯特·托马斯·辛顿·沃尔顿manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版．manbet手机版1951年，由于他们在人工加速原子粒子使原子狗万世界杯核发生嬗变方面的开创性工作，他们获得了诺贝尔物理学奖。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版目前使用的最常见的势能下降加速器是以它的发明者——美国人罗伯特·杰米森·范德格拉夫的名字命名的。manbet手机版高压端子通过移动绝缘带与低压(接地)电极连接。manbet手机版电荷在低电位时施加到传送带上，并通过传送带上滑动的导电屏转移到终端。manbet手机版端子上的电位增加，直到从端子到周围的泄漏电流等于皮带提供的电流。manbet手机版通常，终端和管被放置在一个装有SF的容器中manbet手机版gydF4y2Ba_{manbet手机版6manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版高压气体，以提高高压端子与大地之间的绝缘性能。manbet手机版电压被分步分配，并被连续放置在电子或离子加速的真空管内的电极上。manbet手机版电子从加热的电线中获得，离子从置于阴极的气体放电中获得。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版几微安的电子或离子可以在范德格拉夫加速器中加速。manbet手机版在现代的离子类型中，真空管入口和出口的电极处于地电位，高压端子位于真空管的中间。manbet手机版在管入口的小体积内，气体被电离，通常通过放电，并从这个体积中提取负电荷离子。manbet手机版这些离子在管中加速向高压终端移动，在高压终端中，当离子通过非常薄的箔或充满气体的区域时，每个离子的两个或更多的电子被移走。manbet手机版因此，离子的电荷从负极变为正极，离子被端子排斥，加速向接地管的出口驶去。manbet手机版与普通范德格拉夫加速器相比，在一个加速“间隙”中，由于在两个加速“间隙”中利用了势降，可以获得更高的粒子能量。manbet手机版因此，这种类型的加速器被称为“串联加速器”。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版现在大多数范德格拉夫加速器都是商用设备，它们的终端电压在1 - 2500万伏特(MV)之间。manbet手机版通常它们的电压在10mv以下。manbet手机版相比之下，闪电研究中使用的短脉冲达到10 MV，闪电放电前的云中电势约为200 MV。manbet手机版范德格拉夫加速器常用于材料分析和改性，尤其是环境科学领域的质谱分析。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版该图显示了串联范德格拉夫加速器的原理。manbet手机版来自具有接地电位的离子源的带负电的离子被加速到位于中心的具有高正电的终端，在那里气体或薄箔从离子中去除两个或更多的电子，然后变成带正电的，并向接地电极排斥(V=0)。manbet手机版电荷通过传送带从地面传输到终端，由于电荷积累的结果，电位增加。manbet手机版高压(V= 5mv)由高压气体(通常为SF)与地面绝缘manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版6manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版．manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版说明:弗雷德里克·Stendahlmanbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版最大的串联加速器之一在英国的达斯伯里使用了很多年。manbet手机版它的加速管垂直放置，长42米，中心终端可容纳高达2000万伏特的电势。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版照片:CCLRCmanbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版回旋加速器manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版20世纪20年代提出的重复加速原理是追求更高能量的一个重要里程碑。manbet手机版根据这一原理，加速度是通过时变电压来实现的，而不是像范德格拉夫加速器那样使用静态电压。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版基于重复加速原理的第一个具有实际意义的加速器是回旋加速器，由manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版奥兰多欧内斯特•劳伦斯manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版．manbet手机版在回旋加速器中，带电粒子在强磁场中循环，并在一个或多个间隙中被电场加速。manbet手机版通过间隙后，粒子在电极内移动，并与电场隔绝。manbet手机版当粒子从屏蔽区域退出并进入下一个间隙时，时变电压的相位改变了180度，因此粒子再次加速。manbet手机版这个过程是重复的。manbet手机版经过多次加速，形成一个向外的螺旋轨道，粒子在强磁场的边界附近循环。manbet手机版在这里，电场的形状是这样的，循环粒子束可以出现，并形成一个外部束。manbet手机版劳伦斯因发明和发展回旋加速器以及由此取得的成果，特别是在人工放射性元素方面的研究，而被授予1939年的诺贝尔物理学奖。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在欧洲有三位诺贝尔奖得主，manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版弗雷德里克Joliotmanbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版，manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版尼尔斯·亨里克·大卫·玻尔manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版而且manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版卡尔·曼恩·格奥尔格·西格班manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版对第一个回旋加速器有很大贡献。manbet手机版1938年，位于巴黎Collège de France的第一台欧洲回旋加速器将氘核束加速至4 MeV，通过撞击目标，产生了强中子源。manbet手机版大约与此同时，尼尔斯·玻尔研究所的哥本哈根回旋加速器已经准备就绪，在斯德哥尔摩，第一个瑞典加速器的建造工作开始了，大约在1940年准备就绪。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版早期回旋加速器的一个严重问题是质子加速度的能量极限约为10兆电子伏。manbet手机版这一极限取决于在恒定磁场中旋转的质子由于其质量或等效总能量的相对论性增加而变慢。manbet手机版质子的静止质量对应的能量938伏,已经加速10兆电子伏的动能后,质子的旋转频率,这是它的总能量成反比(938 + 10),已经下降了百分之一。当质子旋转频率和电频率相等的开始加速循环,没有滑动阶段和质子加速加速电压在每个缺口。manbet手机版但是，随着质子能量的增加和旋转频率的降低，相对于固定频率加速电压的最大值，质子到达每个间隙的时间会越来越晚。manbet手机版过了一段时间，相已经滑了这么多，在间隙通道不再有任何能量增量。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版回旋加速器对于电子的加速是没有用的，因为它们在磁场中的旋转频率即使在几个电子伏的低能量下也会迅速减慢，因为电子的静止质量很小。manbet手机版根据爱因斯坦公式E = mc，电子的静止质量对应的静止能量为0.511 MeVmanbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版2manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版．manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版回旋加速器的一种变体是微加速器，在微加速器中，电子在轨道外围的一个间隙处被加速。manbet手机版加速电压的频率是电子旋转频率的倍数。manbet手机版膨胀的圆轨道是相切的，并且在加速间隙所在的点上彼此接触。manbet手机版每转一圈的能量增量是这样设计的，即由于电子旋转频率的减慢而使电子完成一圈转所增加的时间对应于在加速间隙处电频率的一个或多个周期。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版同步回旋加速器manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版为了克服回旋加速器的能量限制，相位稳定原理在1944/45年被发明并证实。manbet手机版发明者是杜布纳联合核研究所的Vladimir Iosifovich Veksler。杜布纳联合核研究所是莫斯科以北100公里的一个国际研究中心manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版埃德温Mattison麦克米兰manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版他曾是劳伦斯的学生，就读于加州大学伯克利分校。manbet手机版它们彼此独立地表明，通过调整施加电压的频率，使其与旋转质子的频率相一致，就有可能将质子加速到几百兆电子伏。manbet手机版利用调频同步加速的回旋加速器通常被称为同步回旋加速器或调频回旋加速器。manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版埃德温Mattison麦克米兰manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版荣获1951年诺贝尔化学奖manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版格伦·西奥多。Seaborgmanbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版因为发现了镎元素。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版另一位诺贝尔化学奖得主，manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版西奥多·斯维德贝格manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版他在20世纪40年代中期建议在乌普萨拉建造加速器。manbet手机版受到伯克利工作的启发，他们决定建造一个同步回旋加速器。manbet手机版1950年，产生了185电子伏的质子，乌普萨拉一度是西欧能量最高的粒子。manbet手机版1957年，第一个癌症患者治疗方法被首创。manbet手机版该加速器随后被重建并从1986年开始运行，作为一个扇形聚焦的回旋加速器-同步回旋加速器混合装置。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版相位稳定原理的发明意味着，原则上粒子的加速度没有能量限制。manbet手机版它为两种新型加速器——线性加速器和同步加速器铺平了道路。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版目前仍在使用的最大的同步回旋加速器位于圣彼得堡郊外的加契纳，它能将质子加速到1000千电子伏的动能。manbet手机版加速器的铁杆直径为6米，整个加速器重达1万吨，与埃菲尔铁塔的重量相当。manbet手机版得到的能量相当于一个质子在10亿伏特的势降下加速时的能量。manbet手机版它用于核物理实验和医疗应用。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版图:中国核物理研究所manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版Sector-focusing回旋加速器manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版20世纪60年代初，出现了一种新型的回旋加速器，扇形聚焦回旋加速器。manbet手机版在磁极间隙中引入铁扇形，从而得到磁场的方位变化。manbet手机版这种方位变化为循环离子束提供了强大的垂直聚焦，因此不必像在传统回旋加速器中那样，为了保持垂直聚焦而使方位平均场随半径增加而减小。manbet手机版因此，平均磁场作为半径的函数，可以增加，使离子的旋转频率保持恒定，尽管加速离子的质量增加。manbet手机版由于平均磁场随半径增大而引起的垂直离焦被磁场方位变化引起的垂直聚焦所补偿。manbet手机版因此，加速电压的频率可以保持恒定，同时在每个间隙遍历保持稳定的加速度;manbet手机版能量只受磁铁大小的限制。manbet手机版扇形聚焦回旋加速器有时被称为连续波回旋加速器或等时回旋加速器，以区别于调频回旋加速器或同步回旋加速器。manbet手机版许多扇形聚焦的回旋加速器现在正在运行，它们取代了大部分已被关闭的同步回旋加速器。manbet手机版不仅是质子，原则上任何离子都可以被加速。 Ion sources, which produce ions of practically any element in the periodic table, are nowadays available.

manbet手机版在加速200到600电子伏范围内的质子时，特别值得注意的是分离扇区回旋加速器，它由许多铁扇区组成，而不是普通的带扇区的铁杆。manbet手机版分离扇区回旋加速器有4个扇区磁铁，位于美国印第安纳州布卢明顿的印第安纳大学回旋加速器设施和南非福尔的国家加速器中心。manbet手机版加速器有6个扇区，分别在大阪的核物理研究中心和瑞士维利根的保罗舍勒研究所运行。manbet手机版在此背景下，还应该提到温哥华的三州立大学介子设施，有8个扇区，提供600 MeV Hmanbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版- - - - - -manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版离子。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版回旋加速器是核物理的重要研究工具，在医学和工业中经常用于生产放射性核素。manbet手机版回旋加速器还为放射手术和治疗提供光束，例如南非回旋加速器在很大程度上用于医疗应用。manbet手机版用于癌症治疗的大型回旋加速器正在许多地方出现，特别是在日本。manbet手机版小回旋加速器用于生产不同用途的放射性核素，其中之一是作为正电子发射断层扫描(PET)的示踪剂，PET是一种测绘人体功能的技术。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版同步加速器manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版另外两种基于重复加速原理的加速器，同步加速器和线性加速器，在基础粒子物理研究中非常重要，因为在这些研究中需要尽可能高的粒子能量。manbet手机版在同步加速器中，粒子沿着环形轨道加速，使粒子弯曲的磁场随时间增加，因此在加速过程中保持恒定的轨道。manbet手机版两个最大的质子同步加速器，分别位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)和芝加哥附近的费米实验室(Fermilab)，自20世纪70年代中期以来一直在运行。manbet手机版它们分别将质子加速到450和1000 GeV(见下文对撞机)，位于6.9和6.3公里长的圆形隧道中(1 GeV = 1000 MeV)。manbet手机版这种高能质子不能在回旋加速器或同步加速器中产生。manbet手机版周长6.9公里的铁磁极是远远无法实现的。manbet手机版时变磁场的优点是显而易见的。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版同步加速器的概念似乎是由澳大利亚物理学家马克·奥列芬特在1943年首次提出的。manbet手机版之后,manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版埃德温·m·麦克米兰manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版他在伯克利宣布相位稳定原理时，提出了一种具有可变磁场的加速器。manbet手机版同步加速器概念的第一次实验证明发生在1946年的英国马尔文研究实验室。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版第一个同步加速器是所谓的弱聚焦型。manbet手机版循环粒子的垂直聚焦是通过向内向外半径倾斜的磁场来实现的。manbet手机版在任何给定的时刻，在一个粒子旋转过程中，曲率半径小的粒子所感受到的平均垂直磁场要比曲率半径大的粒子大。manbet手机版这种类型的第一个同步加速器是位于长岛布鲁克海文国家实验室的宇宙加速器。manbet手机版它于1952年开始运行，为质子提供高达3 GeV的能量。manbet手机版1960年，运行中的弱聚焦型同步加速器有伯明翰大学的1 GeV同步加速器、美国加州伯克利劳伦斯辐射实验室的6 GeV Bevatron同步加速器、俄罗斯杜布纳的10 GeV同步加速器和法国伊韦特市萨克雷的3 GeV Saturne同步加速器。manbet手机版磁场从注入能量的0.02特斯拉(几个MeV)到最终能量的约1.5特斯拉变化。manbet手机版这些同步加速器通常加速10manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版11manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版脉冲中的质子通常比一秒短得多。manbet手机版脉冲间隔了几秒钟。manbet手机版20世纪60年代初，世界上能量最高的弱聚焦同步加速器——12.5 GeV零梯度同步加速器(ZGS)在美国芝加哥附近的阿贡国家实验室开始运行。manbet手机版早期的同步加速器是令人印象深刻的设备。manbet手机版杜布纳同步加速器是所有这些加速器中最大的半径为28米，磁铁铁重达36000吨，是这些早期加速器中仅存的一个。manbet手机版它很少使用，可以看作是这个époque的纪念。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版1952年，欧内斯特·d·库朗、米尔顿·斯坦利·利文斯顿和哈特兰·s·斯奈德提出了一个循环粒子束强聚焦的方案，使其尺寸比弱聚焦同步加速器小。manbet手机版在该方案中，弯曲磁体具有交变磁场梯度;manbet手机版当磁体轴向场分量随半径增大而减小后，轴向场分量随半径增大而增大，以此类推。manbet手机版通过这种方式，垂直离焦光束的磁铁后面跟着垂直聚焦光束的磁铁。manbet手机版因此，就像在光学中散焦和聚焦透镜结合起来提供聚焦一样，在交替梯度同步加速器中获得强净聚焦。manbet手机版由于强聚焦，磁体孔径可以做得更小，因此比同等能量的弱聚焦同步加速器所需的铁要少得多。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版第一个交替梯度同步加速器将电子加速到1.5 GeV。manbet手机版它建于纽约州伊萨卡的康奈尔大学，于1954年完工。manbet手机版在2mev van de Graaff加速器中进行预加速，在注入该能量后，环形磁体的磁场为0.002特斯拉。manbet手机版加速度在0.01秒内达到1.5 GeV，在此期间磁场增加到1.35特斯拉。manbet手机版1958年，第一个欧洲强聚焦电子同步加速器(500毫伏)在波恩启动。manbet手机版它是在manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版沃尔夫冈•保罗manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版他是1989年诺贝尔物理学奖得主，因其发展了离子阱技术。manbet手机版60年代早期的其他交替梯度型电子同步加速器位于汉堡(6 GeV)、哈佛-麻省理工学院、剑桥(6 GeV)和东京大学(1.3 GeV)。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版交替梯度聚焦原理发明后不久，日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)实验室和纽约长岛的布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National laboratory)开始建造两个几乎完全相同的超大同步加速器，至今仍在运行。manbet手机版在欧洲核子研究中心，质子被加速到28 GeV，在布鲁克海文被加速到33 GeV。manbet手机版欧洲核子研究中心质子同步加速器(PS)于1959年开始运行，布鲁克海文质子同步加速器(Brookhaven PS)于1960年开始运行。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在20世纪60年代，布鲁克海文PS是所有加速器中最强大的，一些性能数据可能令人感兴趣。manbet手机版采用线性加速器作为注入器，注入能量为50 MeV。manbet手机版质子在沿同步加速器圆周布置的12个加速站中加速。manbet手机版在大约1秒的加速时间内，弯曲磁铁的磁场从0.012提高到1.3特斯拉。manbet手机版考虑到这个长800米的圆环里装满了总重达4000吨的磁铁，这是一个非常大的能量储存变化。manbet手机版强度通常为10manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版11manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版每三分之一秒重复一个脉冲的质子。manbet手机版现在，这种强度要大两个数量级。manbet手机版例如，可以通过欧洲核子研究中心的主页找到目前正在使用的同步加速器的列表。manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版2manbet手机版gydF4y2Ba}

manbet手机版在离子或电子束与目标碰撞时产生的粒子可以形成二次束，二次束在科学和技术上有许多应用。manbet手机版我们可以将短命粒子束(如介子或μ子)与长命粒子束(如光子、中微子、正电子、中子和反质子)区分开来。manbet手机版一些寿命较短的粒子可以被传输到很远的地方，因为根据相对论，在运动速度接近光速的物体中，时间会变慢。manbet手机版例如，在它们自己的休息坐标系中，manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版pmanbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版-介子的寿命为2.6×10manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版8manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版在这段时间内，如果它们以光速移动，它们的最大距离可以达到8米。manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版pmanbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版-介子，在当今最大的质子同步加速器中可用，其能量超过其静止能量(140 MeV) 1000倍。manbet手机版因此，他们的寿命也增加了同样的因素，他们一生中平均可以旅行8公里。manbet手机版这一事实是相对论的一个完美证明，并使形成高能光束成为可能manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版pmanbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版-介子，k介子和μ介子，并将它们传输到实验区。manbet手机版与中微子、光子、反质子和中子等稳定粒子的二次光束一起，二次光束构成了广泛的固定目标物理研究项目的基础，特别是在20世纪60年代和70年代欧洲核子研究中心、布鲁克海文、塞尔普霍夫(俄罗斯)和费米实验室的大型同步加速器。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版加速器中最常见的初级粒子。manbet手机版次级粒子是在初级粒子与物质相互作用时产生的。manbet手机版剩余能量以MeV为单位，使用时间以秒为单位。manbet手机版gydF4y2Ba
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manbet手机版同步加速器的原理。manbet手机版粒子沿环形路径加速。manbet手机版弯曲和聚焦所必需的磁铁被放置在粒子轨道周围。manbet手机版磁场在加速过程中由低到高进行调整，与粒子能量的增加相匹配，因此轨道基本上保持不变。manbet手机版粒子通过沿圆周的一个或几个间隙被高压加速。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版说明:弗雷德里克·Stendahlmanbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版欧洲核子研究中心450gev超级质子同步加速器6.9公里长的隧道内。manbet手机版蓝色磁铁聚焦，红色磁铁弯曲粒子。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版照片:欧洲核子研究中心manbet手机版gydF4y2Ba

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manbet手机版1924年，瑞典人G. Ising提出，通过沿着一条直线放置几个空心圆柱形电极来取代保持直流电压的单一间隙，可以提高最大能量。manbet手机版挪威的罗尔夫Wideröe意识到，如果在粒子在间隙之间移动时，交流电压的相位改变180度，粒子就可以在每个间隙中获得能量。manbet手机版基于这个想法，他建立了一个三级钠离子加速器。manbet手机版线性加速器的想法由此诞生。manbet手机版粒子在小间隙中加速，并在间隙之间移动到屏蔽的圆柱形电极内。manbet手机版线性加速器的改进版本在几年后被构想出来manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版路易斯·沃尔特·阿尔瓦雷斯manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版谁产生的交流电压不同;manbet手机版圆柱形空腔内驻留的射频波。manbet手机版这些所谓的阿尔瓦雷斯结构仍然用于离子加速。manbet手机版阿尔瓦雷斯因其对基本粒子物理学的决定性贡献而被授予1968年诺贝尔物理学奖。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版这些早期的建议对于粒子加速来说并不实用，直到第二次世界大战后电子加速器的发展才真正开始。manbet手机版随着雷达系统的发展，出现了可用于行波直线加速器的波导。manbet手机版在这种加速器中，电磁波在加速器中以光速向前传播，电子也以非常接近光速的速度运动，随着波的速度稳步加速，就像冲浪者在海浪中冲浪一样。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版为了科学目的，目前大约有130个用于电子和正电子的线性加速器，大约有50个用于离子(包括质子)的线性加速器。manbet手机版对于位于斯坦福线性加速器中心(SLAC)的最大电子线性加速器来说，它们涵盖了从几兆电子伏到52千兆电子伏的广泛能量范围。manbet手机版在洛斯阿拉莫斯，一个质子线性加速器将质子加速到800 MeV，在800米的距离上。这个加速器是洛斯阿拉莫斯介子物理设施(LAMPF)的核心，也是世界上最大的质子线性加速器。manbet手机版许多线性加速器被用作同步加速器的注入器。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版除了科学加速器之外，还有成千上万的小型线性加速器用于医院的癌症治疗。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版直线加速器的工作原理。manbet手机版许多电极被小缝隙隔开，沿着一条直线放置。manbet手机版没有磁场可以改变加速粒子的方向。manbet手机版当粒子在一个给定电极的无场区域内移动时，加速电场的方向是相反的，因此粒子总是在电极之间的间隙中加速。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版说明:弗雷德里克·Stendahlmanbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版斯坦福大学3公里长的直线加速器。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版图片来源:斯坦福线性加速器中心manbet手机版gydF4y2Ba

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manbet手机版电子在单隙中加速已有100多年的历史。manbet手机版x光管和电子显微镜是单隙加速器的常见类型，用于各种各样的应用。manbet手机版我们都熟悉的加速器位于电视机内部，在那里电子被加速到30千伏的电压。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版小型电子线性加速器的能量约为10兆电子伏，在医院中非常常见，用于产生用于癌症治疗的强x射线通量。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版高能电子在线性加速器和同步加速器中加速。manbet手机版20世纪60年代早期，在斯坦福大学的领导下进行了开拓性的工作，开发电子加速器manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版伯顿里克特manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版．manbet手机版当时，斯坦福大学通过100米长的线性加速器将能量高达1 GeV的电子散射，测量了原子核的大小。manbet手机版在里克特的领导下，一个3公里长的线性加速器开始建造，并在1967年第一次将电子加速到20 GeV。manbet手机版此外，对撞机的概念(参见对撞机部分)也是在那个时候发展起来的。manbet手机版这一发展导致了电子-正电子对撞机的建立，而里希特利用这种对撞机，与他分享了1976年的诺贝尔物理学奖manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版赵忠廷manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版他们开创性地发现了一种新的重基本粒子。manbet手机版今天的斯坦福大学是电子加速器的重要中心，目前，除了拥有最大的3公里长的线性加速器，两个电子-正电子对撞机是基本粒子物理学研究的有力工具。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版很早就，在电子同步加速器的发展过程中，人们的兴趣集中在同步辐射上。manbet手机版1977年，斯坦福同步辐射实验室(SSRL)启动。manbet手机版现在，许多电子同步加速器是专门为产生同步辐射的次级束而制造的。manbet手机版其中最大的是位于日本西部兵库县Harima的8 GeV SPring8。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版大约有10个电子加速器的功率在几百兆电子伏到几千兆电子伏之间，主要用于应用物理、核物理以及核物理和粒子物理之间的边界的研究。manbet手机版其中最强大的是位于弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家加速器设施的跑道同步加速器。manbet手机版它提供100微安的6 GeV电子的连续强束。manbet手机版gydF4y2Ba

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manbet手机版扇形聚焦回旋加速器在提供低能重离子方面非常有用。manbet手机版离子应该高度带电，以达到一个给定加速器的最大可能能量。manbet手机版一个带电粒子通过电压为V的间隙所获得的能量是ZeV，其中Z是以电子电荷e为单位的离子电荷。各种类型的离子源已经被开发出来，ECR(电子回旋共振)和EBIS(电子束离子源)，它们提供了高强度的低能高电荷离子束。manbet手机版这些源很大，并置于加速器的外部。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版当离子通过薄介质(如箔)时，电子就在离子和介质之间交换。manbet手机版速度越高，离子失去原子电子的机会就越大。manbet手机版对于能量非常高的离子，所有的电子都可以被去除，离子被完全剥离。manbet手机版一个完全剥离的铀离子的电荷是质子的92倍，在通过加速电压时，它的能量是质子的92倍。manbet手机版由于不可能从离子源中产生超过十单位的基本电荷的高电荷离子，两个“级联”加速器可以通过“剥离”的方式来增加离子的电荷。manbet手机版在第一个加速器中加速到高速后，离子被提取出来，并使其通过一个薄箔，在那里电子被剥离。manbet手机版然后，高电荷离子被注入第二个加速器，在那里它们被加速到最后的能量。manbet手机版这种级联设施的一个例子是卡昂的GANIL加速器复合体，其中两个扇区聚焦回旋加速器用于重离子物理。manbet手机版其他设施有达姆施塔特的GSI，在那里有一个线性加速器，通用线性加速器(UNILAC)，作为重离子同步加速器(SIS)的注入器，欧洲核子研究中心PS复体为SPS提供离子。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版由于回旋加速器的最大能量受到磁场强度及其径向延伸的限制，因此在铁极周围使用超导线圈而不是传统的铜线圈来提供更强的磁场。manbet手机版因此可以获得更高的能量，回旋加速器也可以造得更紧凑。manbet手机版超导回旋加速器最早是由美国东兰辛的亨利·布罗塞和他的同事发明的，在那里两个“紧凑”回旋加速器现在被耦合在一起。manbet手机版磁场为5特斯拉，磁极直径分别为1.5米和2米。manbet手机版在这些回旋加速器中，重离子可以被加速到每核子160电子伏的能量。manbet手机版例如，氩离子可以被加速到6400 MeV的总动能。manbet手机版位于东京埼玉县和古的理化研究所正在计划建造一个新的强力重离子设施。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版电子和离子的线性加速器和同步加速器是重要的研究工具，当需要高能量时，也是重离子物理学的重要研究工具。manbet手机版劳伦斯伯克利国家实验室(LBL)，以回旋加速器发明者的名字命名，在20世纪70年代早期改造了现有的线性加速器和同步加速器，将重离子加速到每核子约2000 MeV。manbet手机版伯克利同步加速器现在已经被关闭，但达姆施塔特的SIS重离子同步加速器从1990年开始，为每个核子提供高达1000电子伏的能量，并用于纯物理和应用物理研究。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版利用加速重离子，几个新元素被发现，首先在伯克利和杜布纳，后来在达姆施塔特。manbet手机版迄今为止发现的最重的元素是110号元素，最初是在达姆施塔特发现的，这一发现已被杜布纳和伯克利的研究小组证实。manbet手机版研究仍在加紧进行，112号元素在达姆施塔特被发现，114号元素在杜布纳被发现，116号和118号元素在伯克利被发现。manbet手机版在一项发现被明确确定之前，这些说法需要得到证实。manbet手机版关于达姆施塔特加速器及其研究的信息可以在GSI的主页上找到。manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版3.manbet手机版gydF4y2Ba}

manbet手机版在欧洲核子研究中心，氧和硫离子最初在1986/87年在超级质子同步加速器(SPS)中被加速到每核子158 GeV的能量。manbet手机版从那时起，每核子能量为160 GeV的铅离子，即总能量为33 TeV的铅离子被用来轰击重元素的靶核。manbet手机版最有趣的研究对象是被称为胶子的粒子，它是将夸克聚集在质子和中子内部的强作用力的载体。manbet手机版一个重要的问题是，当如此高能的离子与重靶核发生反应时，是否会形成夸克和胶子的大量聚集，即所谓的夸克-胶子等离子体。manbet手机版夸克-胶子等离子体的性质将使人们对夸克相互作用的动力学和宇宙早期发展有更多的了解，从而理解大爆炸的夸克时代。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版从1996年起，达姆施塔特工厂的离子被用于病人的治疗照射。manbet手机版利用碳离子进行辐照，提出了一种有趣的诊断方法。manbet手机版为了在杀死肿瘤的同时将照射到正常组织的剂量保持在最低限度，有必要对照射的分布进行精确的控制。manbet手机版利用辐照过程中产生的少量放射性碳-11，得到了剂量分布图。manbet手机版与传统的正电子发射断层扫描(PET)一样，正电子与组织的电子湮灭，产生的两个光子记录在探测器中，提供了碳-11核素起源的信息。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版重离子的有趣效应是宇航员闭上眼睛所经历的特殊效应。manbet手机版这些闪光看起来像线条或星状斑点。manbet手机版类似的效果在20世纪70年代早期也可以重现，当时伯克利加速器的离子定向于眼睛、头部或侧面。manbet手机版放射疗法的先驱科尼利厄斯·托拜厄斯(Cornelius Tobias)是第一批在穿透伯克利加速器的重离子后亲身体验“光”效应的人之一。manbet手机版1995年至1999年期间，人们在俄罗斯和平号空间站上对闪光现象进行了广泛研究。manbet手机版利用位置敏感Si带探测器阵列对周围的宇宙粒子辐射进行检测和识别，并将检测到的信号与宇航员通过操纵杆的闪光感觉相关联。manbet手机版通常情况下，闪光间隔7分钟，这种感觉与通过眼睛的离子明显相关。manbet手机版光是在电离粒子的轨迹上产生的，还是眼睛的视杆和视锥直接受到穿透粒子的刺激，这仍然是一个悬而未决的问题。manbet手机版gydF4y2Ba

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manbet手机版在寻找未被发现的重粒子和探索更小距离所需的更高能量的持续竞争中，粒子对撞机被发现优于其他类型的加速器。manbet手机版对撞机由一个或两个存储环组成，在这个存储环中，粒子群以相反的方向加速，顺时针和逆时针。manbet手机版当粒子达到所需的能量时，它们被储存起来，并沿环的圆周在特定的点上碰撞，在那里放置探测器来记录在碰撞中散射和产生的粒子。manbet手机版早在20世纪60年代，在新西伯利亚的Budker研究所(以粒子束电子冷却的发明者命名)就已经完成了如何使两个同步加速器中循环的两束电子束发生碰撞的开创性工作。manbet手机版(参见下面关于冷藏环的部分。)manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版第一个用于实验的对撞机是交叉存储环(ISR)， 1971年至1983年在欧洲核子研究中心使用。manbet手机版质子从质子同步加速器中注入到两个环中，这两个环在八个交叉点相互交叉，使质子发生碰撞。manbet手机版碰撞能量可达62 GeV，每个环的质子电流可达30安培。manbet手机版由于质子的速度接近光速，因此储存的质子数量很容易计算出来。manbet手机版已知ISR的周长约为1公里，我们发现30安培的电流对应于每个环中储存的60亿个质子。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版带负电荷的反质子可以与质子在同一环内循环，但方向相反。manbet手机版1980年，欧洲核子研究中心首次证明反质子可以被处理并形成循环束流。manbet手机版反质子是在质子-核碰撞中产生的，通过一种被称为随机冷却的冷却方法，反质子不断积累并形成一个狭窄的束，这种方法由荷兰人发明，manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版西蒙·范德米尔manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版．manbet手机版1980年以前，反质子的观测时间只有几分之一秒。manbet手机版反质子可以储存好几个小时，在极高真空(10manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版-12年manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版Torr)，以防止它们在遇到正常物质时，即在这种情况下与残留的空气分子相遇时，过快地被破坏。manbet手机版人们期望从物质中分离出来的反质子与质子具有相同的寿命，即它们是稳定的粒子。manbet手机版1984年诺贝尔物理学奖由manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版卡罗•鲁manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版以及范德米尔，他们对发现弱相互作用的传播子场粒子W和Z做出了决定性的贡献。弱相互作用是由在同一个同步加速器环(SPS)中反向循环的质子和反质子之间的碰撞产生的。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在芝加哥附近的费米实验室，世界上第一个基于超导磁铁技术的同步加速器建成并自1987年开始运行。manbet手机版在带有超导线圈的磁体中，质子和反质子被加速到1,000 GeV的能量，储存起来并进行碰撞。manbet手机版能量也可以表示为1tera电子伏(1tev)，费米实验室对撞机的名称Tevatron就是由此而来。manbet手机版1987年，当Tevatron对撞机启动时，通过运行主环以120 GeV的速度产生了反质子。manbet手机版反质子在被转移到随机冷却的蓄能器之前被收集在一个脱散环中。manbet手机版冷却后，将反质子注入主环和Tevatron加速至1 TeV。manbet手机版随着费米实验室综合体的最近扩建，主环已经被一个新的快速循环120 GeV同步加速器，即主注入器所取代。manbet手机版在同一隧道中，使用永磁体建造了一个8 GeV的存储环，即Recycler。manbet手机版回收器作为冷却反质子的储存库，因此允许在蓄能器中保持高速率的冷却，这在低电流下工作最好。manbet手机版回收器还接收在Tevatron完成存储后剩余的和减速的反质子。 Stochastic cooling, initially installed in the Recycler, will be enhanced by the addition of electron cooling in the near future.

manbet手机版费米实验室是第一个大规模引进超导技术的实验室。manbet手机版地板上的圆环由带有超导线圈的磁铁组成，被放置在1997年拆除的现有质子同步加速器下。manbet手机版超导线圈提供高达5特斯拉的磁场。manbet手机版在这个下环中，分别顺时针和逆时针旋转的质子和反质子被加速到1 TeV相当于100万MeV (1 TeV = 1 Tera电子伏)。manbet手机版这种名为Tevatron的加速器是新一代使用超导技术的同步加速器中的第一个，它最终将允许粒子加速到许多TeV的能量。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版照片:费米实验室manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在质子和反质子在Tevatron中的一次正面碰撞中，通常会产生数百个新粒子。manbet手机版根据爱因斯坦的公式E=mcmanbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版2manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版，如果将质子和反质子在一次碰撞中的所有动能转化为质量，那么动能可以转化为的最大质量相当于约2000个质子的质量。manbet手机版相反，如果一个具有相同能量的反质子与目标中的静止质子相撞，则可以产生一个相当于约40个质子质量的最大质量。manbet手机版在后一种情况下，用于大规模生产的能量要少得多，因为在与静止目标的碰撞中，移动的反质子的动量(运动)必须是守恒的。manbet手机版出于类似的原因，两辆行驶中的汽车迎头相撞要比其中一辆静止时猛烈得多。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版2000年，在布鲁克海文(Brookhaven)启动了一个对撞机，对撞机的质量最高可达黄金。manbet手机版相对论重离子对撞机(RHIC)中的两个环利用超导磁体使离子弯曲。manbet手机版它有可能与周期系统中的任何元素发生碰撞，其能量可达每核子100 GeV。manbet手机版2000年6月，记录了与每核子56 GeV金离子的第一次碰撞。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版布鲁克海文国家实验室(BNL)相对论重离子对撞机RHIC的鸟瞰图。manbet手机版还指出了其他加速器，特别是AGS，交替梯度同步加速器。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版布鲁克海文国家实验室提供manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在欧洲核子研究中心，在一个27公里长的隧道中，正在建造两个超导磁体环，用于加速质子和离子。manbet手机版这个对撞机，大型强子对撞机(LHC)，将使研究质子-质子对撞和离子-离子对撞成为可能，在实验室中以最高的能量。manbet手机版每个环中的质子将被加速到7 TeV的能量。manbet手机版提供8.3特斯拉磁场的超导线圈在1.9开尔文的温度下工作，冷却剂是超流氦。manbet手机版在27公里的范围内冷却超过3.1万吨的材料是超导体技术发展的里程碑。manbet手机版大型强子对撞机预计将在2006年左右投入使用。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版就像质子和反质子一样，电子和正电子可以反向循环，并在同一个同步加速器环中碰撞。manbet手机版碰撞能量从1到10 GeV的电子-正电子对撞机是产生介子的常用工具，介子的衰变可以在干净的条件下进行研究。manbet手机版这类对撞机分布在罗马、伊萨卡、新西伯利亚、北京、斯坦福和筑波。manbet手机版北京对撞机始建于1989年，主要用于粲夸克和tau轻子的研究。manbet手机版碰撞能量在2 ~ 5.6 GeV之间。manbet手机版斯坦福和筑波的对撞机，被称为B工厂，在几年前就已经启动了。manbet手机版它们产生大量的B介子和反B介子，我们将研究它们的衰变，以便更好地理解所谓的CP违逆，即物质和反物质粒子衰变中的不对称性。manbet手机版斯坦福B工厂由放置在2.2公里长的隧道中的两个独立的环组成。manbet手机版电子被加速到9 GeV，正电子被加速到3.1 GeV，然后它们才会发生碰撞。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版世界上最大的电子-正电子对撞机，大型电子-正电子对撞机，周长27公里，1989年在欧洲核子研究中心投入使用。manbet手机版在第一阶段，我们研究了Z玻色子静止质量对应的碰撞能量为91.2 GeV的正电子与电子之间的碰撞。manbet手机版在安装了非常强大的超导射频加速腔后，碰撞能量不断增加，最终达到最大209 GeV。manbet手机版在二零零零年年底，大型强子对撞机停止运作，同时，大型强子对撞机开始在轻型强子对撞机隧道内安装。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版对撞机的一个有趣的变种是斯坦福线性对撞机(SLC)。manbet手机版在3公里长的直线加速器中，正电子束和电子束同时加速到约45 GeV。manbet手机版在线性加速器的末端，它们分别从直线方向向左和向右弯曲，然后再向后弯曲，使它们沿直线碰撞。manbet手机版粒子群只相遇一次，而在传统的对撞机中，它们在对撞点处重复相遇。manbet手机版为了获得足够的相互作用速率，在一次通过中碰撞的两束光束必须具有非常小的横向尺寸。manbet手机版两根梁的截面直径只有1微米。manbet手机版SLC现在已经关闭了，但是斯坦福大学的发展对未来的高能电子-正电子对撞机非常有兴趣，为了避免过度的同步辐射，必须将其构造成两个相反方向的线性加速器，使电子和正电子加速到一个碰撞点。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版斯坦福线性对撞机(SLC)。manbet手机版电子和正电子一起在3公里长的线性加速器中加速。manbet手机版在达到它们的最终能量后，正电子和电子被磁力分离，并沿着两个大弧线传输，在弧线的两端，它们在一个单独的碰撞点迎头相遇。manbet手机版正电子是由一小部分加速电子产生的，当加速电子在目标中停止时，会产生大量的正电子、电子和光子。manbet手机版正电子被收集并返回到线性加速器的上游端，在那里它们通过阻尼环形成密集束。manbet手机版随后，它们与电子束一起被加速。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版插图:斯坦福线性加速器中心manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版利用电子-正电子对撞机对电子尺寸的精确测量表明，电子的电荷被限制在至少比质子尺寸小1000倍的尺寸内。manbet手机版很明显，要探测质子的内部结构，电子比质子本身有结构更受欢迎。manbet手机版对质子结构的研究是唯一的电子-质子对撞机——汉堡DESY的HERA对撞机研究的主要目标。manbet手机版在HERA中，27个GeV电子与反向运动的920个GeV质子相撞。manbet手机版超导质子环被放置在电子环的顶部，电子环由传统磁铁构成，在6.3公里长的隧道中。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版未来的电子加速器在TeV范围内将需要非常高的加速度梯度每米，以避免太长。manbet手机版汉堡DESY的超导射频腔的开发使其达到每米30 MV的加速度梯度成为可能。manbet手机版所谓的双束加速方法，是在欧洲核子研究中心的CLIC项目中开发的，它利用一个非常高的频率，30千兆赫，加速电压导致厘米尺寸的加速腔。manbet手机版用低能量、大电流的电子驱动束来激发加速腔，而不是用速调管来激发它们。manbet手机版驱动束与加速束平行运行，能量从驱动束转移到接收腔，接收腔通过短波波导耦合到加速腔。manbet手机版用这个方案，加速梯度为100 MV /米已被证明。manbet手机版这些进展对于美国、欧洲和日本正在考虑的未来线性电子-正电子对撞机非常重要。manbet手机版目标是使加速度能量达到每米150兆电子伏，如果这个目标能够实现，那么两个10公里长的线性加速器的碰撞能量将达到3000兆电子伏。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版冷却储存环manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版冷却一个循环粒子束意味着减少动量扩散和束的横向尺寸。manbet手机版典型的非冷却粒子束的尺寸在mm-cm范围内，动量分布在per米尔-百分比范围内。manbet手机版理想情况下，光束应该是单色的，即所有粒子应该有一个相同的速度，横向尺寸应该像铅笔。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版当粒子能量足够高时，就会发生自冷却机制。manbet手机版电磁辐射，光子，是由循环粒子由于其持续的径向加速度而发射出来的，这种发射，从循环粒子中“钢铁”能量，加上使它们的平均能量保持恒定的加速度，对它们有冷却作用;manbet手机版循环粒子可视为小天线。manbet手机版粒子每转释放的能量，与粒子能量的四次方成正比，与质量的四次方成反比，与曲率半径成反比。manbet手机版这种被称为同步辐射的发射能量，在几百兆电子伏特的电子同步加速器中变得非常重要，而在所有现有的质子同步加速器中则是微不足道的。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版电子冷却是20世纪70年代末在新西伯利亚发明的。manbet手机版然后，一束高质量的电子束被注入一个小型质子同步加速器的直线部分，使其与质子一起移动几米。manbet手机版电子的速度分布非常小，通常是平均电子速度的10万分之一。manbet手机版电子的平均速度被调整为与质子的平均速度相同，电子束电流明显大于质子束电流。manbet手机版在这些条件下，质子的速度差将逐渐接近电子的速度差，即冷却将发生。manbet手机版在最初的试验中，质子被冷却，使它们的速度扩散与电子的速度扩散相等，这一进步大约是1000倍。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版电子冷却有助于提高质子、反质子和离子束的质量。manbet手机版然而，由于在单个间隙中很难将强电子束加速超过几百千伏，电子冷却对于冷却能量在GeV范围内的粒子是没有用的。manbet手机版在新西伯利亚展示了电子冷却之后，欧洲核子研究中心开始研究冷却技术和一种新的方法，随机冷却是由西蒙·范德米尔发明的，并首次在ISR进行了实验演示。manbet手机版在随机冷却中，在外围某一点的电极感知到循环粒子相对于中心轨道的平均位置。manbet手机版产生一个与粒子相对于中心轨道的位移成正比的信号，并将该信号发送到外围的另一个点，在那里，在电极上施加一个校正脉冲电压，迫使粒子接近中心轨道。manbet手机版显然，如果只有一个循环粒子，这个方案就成立。manbet手机版然而，结果表明，对大量粒子的平均位置波动的修正足以产生冷却效应，因此称为随机冷却。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在成功演示质子和反质子的冷却后不久，欧洲核子研究中心建立了两个更冷的环，反质子蓄能器(AA)和低能反质子环(LEAR)。manbet手机版AA接收质子-靶碰撞产生的反质子，通过随机冷却逐渐提高反质子质量。manbet手机版经过数小时的积累和冷却，反质子数量足够多(上千亿)，然后被注入SPS对撞机，1981年至1990年期间，反质子被用于该对撞机的实验，特别是产生中间矢量玻色子W和Z(见对撞机部分)。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版LEAR在1980年至1996年期间运行，它加速并储存了能量在50至1300 MeV的反质子。manbet手机版在LEAR中，电子冷却和随机冷却都被使用，主要用于介子的光谱研究。manbet手机版1995年LEAR项目结束时的一个重大发现是发现了反物质周期表中的第一个元素——反氢。manbet手机版它是由循环的反质子束和氙气体射流相互作用产生的。manbet手机版反质子-氙相互作用中产生的正电子对中的正电子可以被反质子捕获成束缚态。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版冷却技术的发明成功后，印第安纳州布卢明顿市的科学家们提出要为质子建造一个更冷的储存环，在循环的高质量质子束内部放置薄的目标，质子束被电子冷却。manbet手机版印第安纳州的储存环可以储存能量高达400兆电子伏的质子，从80年代中期开始运行。manbet手机版为原子核和粒子物理研究提供能量高达几GeV的质子和离子的较冷的储存环目前也在Jülich、达姆施塔特和乌普萨拉运行。manbet手机版用于原子物理实验的低能离子冷却器储存环位于奥胡斯、海德堡和斯德哥尔摩。manbet手机版在这些低能环中，冷却是由电子冷却和激光冷却提供的，激光冷却是一种用于冷却低能离子的方法。manbet手机版由于这种冷却方法，较冷的储存环开辟了高精度实验的新领域。manbet手机版相对动量减小到10manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版5manbet手机版gydF4y2Ba}manbet手机版横向尺寸小于一毫米可以实现。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版介子工厂manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在20世纪60年代，建造了三个加速器，以提供强烈的中能束通量，几百兆电子伏带电manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版pmanbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版介子。manbet手机版它们被称为介子工厂，因为它们的通量很高，大约每秒有10亿匹介子。manbet手机版的manbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版pmanbet手机版gydF4y2Bamanbet手机版-介子是由被停在靶内的强质子束产生的。manbet手机版在瑞士Villigen和加拿大温哥华的回旋加速器中，在美国Los Alamos的线性加速器中，初级质子被加速。由于质子的强度非常高，在加速和传输到目标的过程中，有必要小心处理质子束，在那里质子和目标材料之间的反应产生pi介子。manbet手机版Villigen的加速器可以将1.5毫安的质子电流加速到590毫伏。manbet手机版如果控制900千瓦的高强度光束击中真空管的壁，就会很快导致熔毁。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版中子源manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版当高能质子穿透铅、钨或铀等重物质的目标时，大量中子被击出。manbet手机版例如，在铀靶中，一个800兆电子伏的质子平均产生约30个中子。manbet手机版(一个铀核由92个质子和146个中子组成，铀中的每个中子平均以8 MeV的速度结合。)manbet手机版最初，中子的速度非常快，动能达到数兆电子伏，但通过慢化剂后，它们的速度会降低，就像来自核研究反应堆的速度一样。manbet手机版中子的动能在它们与慢化剂材料的原子的连续碰撞中逐渐降低，直到中子具有与这些原子相同的平均能量为止。manbet手机版它们被称为热，意味着围绕一个eV的动能。manbet手机版加速器驱动的中子源，通常称为散裂源，通常是脉冲的，与研究反应堆中子源相比，它们具有提供高得多的中子通量的潜力。manbet手机版在研究堆中，通量受堆芯密度的限制。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版目前，最强大的脉冲中子源位于英国牛津附近的Rutherford Appleton实验室，在那里，一个70 MeV线性加速器是同步加速器的注入器，提供800 MeV强度为200微安的质子。manbet手机版光束是脉冲的，重复频率是50赫兹。manbet手机版靶材是钽，每个入射质子产生17个中子。manbet手机版在瑞士的Villigen, 590 MeV的分离扇形回旋加速器提供了连续的中子通量。manbet手机版束流电流创历史新高，达到1.5毫安，而从锆合金靶体产生的中子数是每个入射质子的15个。manbet手机版其他脉冲中子源也在伊利诺斯州的阿贡、新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯和日本的筑波运行。manbet手机版能量分别为450、800和500 MeV，所用靶材为铀、钨和钽。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在材料科学、生物学和医学领域，加速器驱动中子源已被证明是反应堆产生中子源的有价值的补充。manbet手机版在化学中，中子衍射提供分子晶体中原子核的位置信息，而x射线衍射对电子的位置很敏感，两者的结合提供了有关分子结构的宝贵信息。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版1990年，洛斯阿拉莫斯的科学家们提议建造一个线性加速器，其连续电流为250毫安，1600兆电子伏的质子。manbet手机版这些数字意味着光束功率将达到400兆瓦，比现有任何加速器产生的功率都高出两个数量级。manbet手机版根据该提议，这一强大束与铅/铋靶的相互作用应能提供非常强的中子通量，可用于转化武器和反应堆的长寿命放射性废料，并从铀-238或钍-232的欠临界核心生产可持续能源。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在美国、欧洲、俄罗斯和日本的持续研究已经导致该领域更现实的设计，通常被称为加速器驱动嬗变技术(ADDT)。manbet手机版目前，一个原型设施的加速器部分的设计数字是1,000 MeV和10毫安。manbet手机版具有这种性能的加速器将只比现有的洛斯阿拉莫斯和Villigen介子工厂强几倍，与美国、日本和欧洲提出的新散裂中子源相当。manbet手机版因此，这一销毁核废料和生产核能的新原则可根据目前的计划在20年内进行试验。manbet手机版在欧洲，加速器驱动嬗变技术发展背后的主要驱动力之一是卡洛·卢比亚。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版同步加速器辐射manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版在磁场中运行的电子以沿轨道切向发射的电磁辐射(光子)的形式不断损失能量。manbet手机版这被称为同步辐射。manbet手机版1945年，约翰·布莱维特(John Blewett)预测了这一现象，当时他计算出，一束循环电子束应该通过发射辐射和随后的曲率半径减小而失去能量。manbet手机版随后，1947年在通用电气的研究实验室，从一台70 MeV的电子同步加速器中观测到同步辐射。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版根据麦克斯韦方程，例如天线的电磁辐射是由电子以非均匀速度运动引起的。manbet手机版在同步加速器中，电子轨道不断发生偏转，由于这些方向的不断变化，电磁辐射(光子)沿着与轨道切向的直线不断发射出来。manbet手机版同步辐射在天文学中也很重要。manbet手机版由于电子在(星系的)磁场中循环，许多星系发出同步辐射。manbet手机版这种射电星系的辐射是用大型射电望远镜研究的。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版随着电子能量的四次方而增加的巨大能量损失是使用同步加速器将电子加速到与质子相同的高能量是困难和不切实际的主要原因。manbet手机版到目前为止，在欧洲核子研究中心27公里长的地下隧道中，电子被加速后，在LEP中获得了最高能量，104,000 MeV。manbet手机版大约13兆瓦的同步辐射是没有提出比LEP更大的电子同步加速器的原因。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版同步辐射因此限制了圆形电子加速器所能获得的能量，但对于需要高光子通量的研究来说，它已被证明是一种非常有趣的替代方法，可以取代传统的x射线和紫外线光源。manbet手机版同步辐射从轨道切向发射，是脉冲的，极化的，在宽波长的光谱上以高强度发生。manbet手机版通过在适当的晶体或光栅(称为单色仪)中衍射来选择所需的波长。manbet手机版这个词的出现与用棱镜从白光中选择单一颜色的光类似。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版第一次使用同步辐射的实验是在30多年前在主要用于基本粒子研究的同步加速器上开始的。manbet手机版现在，世界各地的实验室专门使用许多同步加速器作为强大的光子源，例如斯坦福、布鲁克黑文(长岛)、阿贡(伊利诺伊州)、伯克利(加利福尼亚州)、达尔斯伯里(英国)、奥赛(巴黎)、格勒诺布尔、柏林、汉堡、隆德、筑波(东京北部)和位于日本西部兵库县Harima的SPring8等大型设施。manbet手机版关于同步辐射设施的更多信息可在格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施中找到。manbet手机版gydF4y2Ba^{manbet手机版4manbet手机版gydF4y2Ba}

manbet手机版用于同步辐射目的的存储电子的能量通常在500至8000 MeV之间，并提供从红外光到硬x射线的波长的辐射。manbet手机版在新的应用中应该提到固体表面原子坐标的测量、量子点和量子条纹的衍射以及从测量到的蛋白质原子结构进行合理药物设计的蛋白质晶体学。manbet手机版在现代微电子学中，短波同步辐射也引起了越来越多的兴趣，在现代微电子学中，可以制作的最小图样现在受到蚀刻所用辐射波长的限制。manbet手机版用亚微米技术在印刷电路板上制造清晰的边界需要比可见光更短的波。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版自由电子激光器(FEL)是许多电子加速器实验室的重要研究项目。manbet手机版FEL由高能电子束穿过交替方向的周期性横向磁场组成。manbet手机版这些场导致电子弯曲并进行波浪形运动。manbet手机版在每一次弯曲处，当电子进行大量弯曲时，会发出非常短的同步辐射脉冲。manbet手机版在每个弯道处相干地增加发射的同步辐射，从而依次形成一个短波近单色辐射脉冲。manbet手机版辐射的波长取决于电子束的能量和引起波状运动的周期性磁场。manbet手机版通过增加电子束的能量，可以使辐射的波长变短。manbet手机版与传统激光器相比，FEL可以连续调谐到任何波长，可以实现短波的辐射。manbet手机版目前在汉堡的DESY，筑波的KEK和斯坦福的SLAC都有FEL x射线的开发项目。manbet手机版其目标是能够产生波长为十分之一纳米(nm)的单色辐射。manbet手机版gydF4y2Ba

	manbet手机版汉堡电子储存环的同步辐射实验大厅。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版照片:谜底manbet手机版gydF4y2Ba
	manbet手机版格勒诺布尔欧洲同步辐射设施(ESRF)的全景图。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版照片:欧洲同步辐射实验室manbet手机版gydF4y2Ba
	manbet手机版2000年初，德国汉堡的电子物理研究所(DESY)创造了自由电子激光器(FEL)辐射波长最短的新纪录。manbet手机版辐射波长可达80 nm，辐射可在80 ~ 180 nm范围内调节。manbet手机版在DESY和其他地方继续研究，目标是在几年内将这些波长减少一个数量级。manbet手机版gydF4y2Ba manbet手机版照片:谜底manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版致谢manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版许多人在准备这篇文章时给予了帮助，我非常感谢这些帮助。manbet手机版我特别感谢Kjell Aleklett, Per Carlson, John Domingo, Tord Ekelöf, Hans-Åke Gustafsson, Hans F. Hoffmann, Bo Höistad, Steve Holmes, Kurt Hübner, Hidetsugu Ikegami, Arne Johansson, Tord Johansson, Rudolf Maier, Hugh Montgomery, Erna Morozova, Dag Reistad, Alexei Vorobyov和Edmund Wilson，他们为我的文本提供了材料和有价值的意见。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版牛津大学出版社因其网站和埃德蒙·威尔逊的《粒子加速器导论》一书中加速器的历史一章而闻名。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版其他资源manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版1.manbet手机版该书的内容可以在网站上找到:http://www.oup.co.uk/isbn/0-19-850829-8，网站上关于加速器应用的章节可以直接访问:http://www.oup.co.uk/pdf/0-19-850829-8.pdf。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版2.manbet手机版欧洲核子研究中心的主页:manbet手机版gydF4y2Ba
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manbet手机版3.manbet手机版助教的主页:manbet手机版gydF4y2Ba
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manbet手机版4.manbet手机版ESFR主页:manbet手机版gydF4y2Ba
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manbet手机版*斯文·库兰德(Sven Kullander)是乌普萨拉大学高能物理学教授。manbet手机版他参与了用一束质子从原子核中击出束缚质子来测量核壳结构，用高能p介子散射研究氦核的形式和结构，用小角度强子-氢弹性散射研究高能下的基本强子-核子散射振幅，manbet手机版在基于高能介子核散射的物质夸克结构的解释和在质子-氢散射中在运动阈值附近产生轻介子的实验中。manbet手机版在他的研究中，他使用了同步回旋加速器、同步加速器和较冷的储存环。manbet手机版他还为加速器、新仪器和测量方法的发展做出了贡献。manbet手机版gydF4y2Ba

manbet手机版首次出版于2001年8月28日manbet手机版gydF4y2Ba