粒子加速器,那是啥科技

在腐朽的西方資本主義世界，有一個大人物叫做托尼·斯塔克，這位大俠長期使用一種叫做“鈀”的元素來給自己補(bǔ)充能量，叱咤美國武林，人送綽號“鋼鐵俠”。可沒想到這種內(nèi)功大補(bǔ)丸還有很強(qiáng)的毒性，鋼鐵俠眼瞅著就要被鈀元素侵害致死，還好他老爹還留下了一本武林秘籍絕本給他以防萬一，鋼鐵俠按照上面的指引終于成功煉制出了無毒無污染的新元素來做補(bǔ)藥。想必看過美國大片《鋼鐵俠2》的朋友都不會對上麗的這頓胡謅亂侃感到陌生，在托尼斯塔克合成新元素的過程里，唱主角的就是我們今天所要介紹的粒子加速器。

基本原理

首先咱們先引用一下專業(yè)人士對粒子加速器的定義。這是一種利用電磁場加速帶電粒子的裝置。它可以加速電子、質(zhì)子、離子等帶電粒子，使粒子的速度達(dá)到幾千公里／秒、幾萬公里／秒，甚至接近光速(30萬公里／秒，根據(jù)愛因斯坦老兒的相對論原理，只能無限接近光速，達(dá)不到光速)。在電影中，鋼鐵俠所使用的粒子加速器可謂是科幻味道十足，絢麗的光束、驚人的威力把人看得一愣一愣的，其實(shí)粒子加速器這東西距離咱們普通人的生活也并不遙遠(yuǎn)。很多童鞋每天面對的電視、電腦顯示器所使用的顯像管就是一臺小的電子加速器。喜歡研究電腦硬件的Geek可能知道，顯像管有玻璃密封外殼，內(nèi)部是真空的，一端的電子槍產(chǎn)生的電子束經(jīng)過聚焦線圈聚焦后在高壓電極的作用下加速向前運(yùn)動，在偏轉(zhuǎn)電極的作用下，自上而下做水平方向的掃描，投射到熒光屏上形成明暗不同的亮點(diǎn)(關(guān)于CRT的原理請見2010年6期《Geek》)。

研究背景

人和動物的本質(zhì)區(qū)別是什么?小時候老師告訴我們，人是會創(chuàng)造和使用工具的，而動物最多只有使用工具，而不會創(chuàng)造工具。那人類創(chuàng)造工具是為了什么啊?老師又告訴我們了，是為了認(rèn)識世界、改變世界的。自從人類解決了基本的生存問題后，就開始沒事瞎思考了，東方也好，西方也罷，都在琢磨著世界的組成，西方智者認(rèn)為大自然中是由土、火、空氣和水四種基本元素組成的。東方英杰則認(rèn)為萬物由金、木、水、火、土五種基本元素構(gòu)成。這時候人們認(rèn)識事物只能通過肉眼觀察，談不上用道具。

后來伽利略、虎克這些人又弄出了望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡這一類的東西，人類才算用自己發(fā)明的工具去看宏觀和微觀的世界了。到19世紀(jì)末的時候，隨著化學(xué)的進(jìn)步，人們已經(jīng)認(rèn)識到物質(zhì)是由分子組成的，而分子是由原子(量度為10^-8厘米)組成的。英國物理學(xué)家盧瑟福在1919年根據(jù)放射性同位素產(chǎn)生的a粒子對金箔的散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了原子結(jié)構(gòu)模型，人類對微觀物質(zhì)的研究就進(jìn)入了更為細(xì)致的核物理時代。1925年，法國物理學(xué)家德布羅意提出運(yùn)動的粒子也具有波的性質(zhì)，根據(jù)這個理論，電子的能量越大，相應(yīng)的波長越短，用被加速的電子束照射物體，可以得到物體的放大圖像，電子顯微鏡應(yīng)聲而出，用它就已經(jīng)可以觀察到分子、原子尺度的微觀物體了。

可在電子顯微鏡發(fā)明之后，人們對微觀事物的觀察就似乎陷入了一個瓶頸，再怎么看也只能看到這個量級了，于是有人就又想到了當(dāng)年盧瑟福所做的那個轟擊實(shí)驗(yàn)。既然現(xiàn)在咱們看表象只能到這種程度，那不妨就把研究對象給轟開，改變研究對象的狀態(tài)，分析改變后的結(jié)果來了解微觀物質(zhì)的組成和運(yùn)動規(guī)律。在這種思想的指引下，粒子加速器的發(fā)明制造也就成了理所當(dāng)然的事情。當(dāng)科學(xué)家們開始用粒子加速器玩上了打靶游戲，他們就開始變得一發(fā)不可收拾，因?yàn)檫@東西實(shí)在是太好玩了，變化多多，滿意多多，粒子加速器的能量越大，元素的研究發(fā)現(xiàn)就越大。憑借著粒子加速器的幫助，人類對物質(zhì)的組成有了更深層次的認(rèn)識：原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子和中子是由夸克組成的。夸克是人類目前認(rèn)識到的最小物質(zhì)單元，它的尺寸小于10^-16厘米。夸克以及包含電子在內(nèi)的6種輕子被認(rèn)為是物質(zhì)最基本的組成單元。科學(xué)們繼續(xù)用粒子加速器轟啊轟，近年來又發(fā)現(xiàn)夸克可能是由更小的粒子組成的跡象，于是乎，大家猜也應(yīng)該猜到了，能量更高的粒子加速器正在研制中。

發(fā)展歷程

粒子加速器的發(fā)明啟迪還得從盧瑟福談起，想當(dāng)年他的那個轟擊實(shí)驗(yàn)用的天然放射性元素放射出來的n粒子束(氦核)來進(jìn)行撞擊的，這是人類歷史首次實(shí)現(xiàn)元素的人工轉(zhuǎn)變。但盧瑟福的這個實(shí)驗(yàn)有個比較明顯的缺點(diǎn)，就是粒子束的能量比較低，只有幾兆電子伏特，要想把元素轟得更徹底，這個能量顯然是不夠的。1928年的時候，蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫又給科學(xué)家們打了一針興奮劑，他的關(guān)于量子隧道效應(yīng)的計算表明，能量遠(yuǎn)低于天然射線的a粒子也有可能透入原子核內(nèi)，這個研究結(jié)果進(jìn)一步增強(qiáng)了人們研制人造快速粒子源的興趣和決心，為此也就需要來制造粒子加速器來提高沖擊炮彈的能量。

條條大路通羅馬，為了提高粒子的能量，科學(xué)家們產(chǎn)生了不同的粒子加速器設(shè)計方案，靜電加速器、回旋加速器、倍壓加速器等想法幾乎同時被提出。1932年美國科學(xué)家柯克羅夫特和愛爾蘭科學(xué)家沃爾頓建造成了世界上第一臺高壓直流加速器，以能量為0.4MeV的質(zhì)子束轟擊鋰靶，得到a粒子和氦的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。在接下來的1933年，美國科學(xué)家凡德格拉夫發(fā)明了另一種高壓方法的直流粒子加速器。以上兩種粒子加速器能加速粒子的能量受高壓擊穿所限，大致在10MeV。各位看官可能想了解的更具體些，不要著急，咱們這個篇章主要是介紹發(fā)明過程，接下來會有章節(jié)來介紹比較主流的粒子加速器類型。同樣是在1932年，美國物理學(xué)家勞倫斯制作了第一臺回旋加速器，幾年后，他用由回旋加速器獲得的4.8MeV氫離子和氘束轟擊靶核產(chǎn)生了高強(qiáng)度的中子束，還首次生產(chǎn)出了鈉24、磷32和碘131等人工放射性核素。可是由于被加速粒子質(zhì)量、能量之間的制約，回旋加速器一般只能將質(zhì)子加速到25MeV左右，可這個能量強(qiáng)度對于物理學(xué)家們來說還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了對原子核的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的探索和產(chǎn)生新的基本粒子，他們必須研究出能建造更高能量的粒子加速器，而當(dāng)時的情況是，科學(xué)理論已經(jīng)開始有點(diǎn)支持不住了。

1945年，蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾和美國科學(xué)家麥克米倫各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動穩(wěn)相原理，這個原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命，它推動了一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產(chǎn)生：同步回旋加速器、現(xiàn)代的質(zhì)子直線加速器、同步加速器等等。由此加速器的建造已經(jīng)解決了理論限制，但經(jīng)濟(jì)上卻面臨著新的困難。因?yàn)殡S著能量的提高，加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升，提高能量實(shí)際上還是被限制在了1GeV以下，但科學(xué)家們還對10GeV以上的能量望眼欲穿呢。

事實(shí)證明，解決經(jīng)濟(jì)問題的最好辦法還是科學(xué)理論的進(jìn)步，1952年美國科學(xué)家柯隆、利文斯頓和施耐德發(fā)表了強(qiáng)聚焦原理的論文，根據(jù)這個原理建造強(qiáng)聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價大大降低，使加速器有了向更高能量發(fā)展的可能。強(qiáng)聚焦原理的應(yīng)用很快就體現(xiàn)出了巨大的價值，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室很快就依舊這個原理制造出了33GeV能量的強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器。

上面介紹的主要都是質(zhì)子加速器，電子加速器也有自己的發(fā)展歷史。1940年美國科學(xué)家科斯特研制出世界上第一個電子感應(yīng)加速器，但由于電子沿曲線運(yùn)動時其切線方向不斷放射的電磁輻射造成能量的損失，電子感應(yīng)加速器的能量提高受到了限制，極限約為100MeV。電子同步加速器使用電磁場提供加速能量，可以允許更大的輻射損失，極限約為10GeV。電子只有作直線運(yùn)動時沒有輻射損失，使用電磁場加速的電子直線加速器可將電子加速到50Gev，但這個能量并不是理論的限度，而是造價過高限制其只能達(dá)到這一水準(zhǔn)。

截止到目前的粒子加速器都是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子，然后研究所產(chǎn)生的次級粒子的動量、方向、電荷、數(shù)量的變化來進(jìn)行分析。在1960年，意大利科學(xué)家陶歇克提出這個思路可以變一變，何不采取兩束加速粒子對撞的方式來進(jìn)行一場革命?他在意大利的弗拉斯卡蒂國家實(shí)驗(yàn)室建成了直徑約1米的Ada對撞機(jī)，從此引領(lǐng)加速器進(jìn)入到對撞機(jī)時代，此后西方國家、俄羅斯、中國都對對撞機(jī)投入了很大的研發(fā)精力，隨著各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的提高，對撞機(jī)已經(jīng)可以把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從1TeV提高到10～1000TeV，實(shí)現(xiàn)了一次跨越性的發(fā)展。

主要類型

粒子加速器的分類有多種方法，按照效能來分，粒子能量在100Mev以下的稱為低能加速器，能量在0.1～1GeV間的稱為中能加速器，能量在1GeV以上的稱為高能加速器；按照被加速粒子的種類，加速器可分為電子加速器、質(zhì)子加速器和重粒子加速器等；按照加速電場和粒子軌道的形態(tài)，又可分為高壓倍加器、靜電加速器、電子直線加速器、電子回旋加速器、對撞機(jī)等等。近年大中型的粒子加速器往往采用多種加速器的串接組合，這樣的系統(tǒng)組合更加有利于發(fā)揮每一類加速器的效率和特色。高壓倍加器：利用倍壓整流方法產(chǎn)生直流高壓，對離子或電子加速。高壓倍加器由高壓倍壓整流電源，離子源(或電子槍)，加速管，聚焦和傳輸系統(tǒng)，真空和控制系統(tǒng)組成。一般倍壓整流器可輸出直流高壓從幾百千伏到兆伏級。高壓倍加器的輸出功率較大，可以用作較理想的中子源、x光源少離子注入機(jī)。

靜電加速器：利用直流高壓靜電場對帶電普子進(jìn)行加速的高壓型加速器。高氣壓型靜電加速器把靜電發(fā)生器、離子源和加速管等封在鋼筒內(nèi)，充以高壓絕緣氣體形成封閉結(jié)構(gòu)。在靜電加速器中，被加速離子的能量連續(xù)可調(diào)，離子的能量單一，可加速多種離子或電子，離子束聚焦良好，離子束靶點(diǎn)小。靜電加速器是低能核物理實(shí)驗(yàn)的理想工具，同時還廣泛應(yīng)用于離子注入，材料分析、材料輻照等領(lǐng)域。

電子直線加速器：利用射頻電場來加速電子的直線軌道加速器，由電子槍、加速管、射頻功率源、射頻傳輸、真空、冷卻水、束流引出和控制等系統(tǒng)組成。這種加速器的應(yīng)用最為廣泛，全世界如今已有數(shù)千臺電子直線加速器用于放射治療、無損探測、輻照加工和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，前文提到的顯像管就是應(yīng)用之一。

電子回旋加速器：利用在均勻磁場中放置的具有一個加速間隙的微波諧振腔來加速電子的加速器。經(jīng)典電子回旋加速器由于其腔體加速電壓和軌道圈數(shù)的限制，以及腔體冷卻的限制，使得加速器的輸出粒子能量和平均流強(qiáng)均較低。為了提高電子束的輸出能量，經(jīng)典電子回旋加速器發(fā)展成為跑道式電子回旋加速器，原來的一塊磁鐵由兩塊端磁鐵所代替，原來的一個加速間隙由一個電子直線加速器所代替。這種加速器在醫(yī)學(xué)方面有較廣泛的應(yīng)用。

對撞機(jī)：對撞機(jī)是在高能同步加速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種裝置，其主要作用是積累并加速相繼由前級加速器注入的兩束粒子流，到一定束流強(qiáng)度及一定能量時使其在相向運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)行對撞，以產(chǎn)生足夠高的相互作用反應(yīng)率，從而便于測量。對撞機(jī)是目前最為尖端的粒子加速器，根據(jù)對撞性質(zhì)和用途的不同又分為：電子，正電子對撞機(jī)、質(zhì)子－質(zhì)子對撞機(jī)、質(zhì)子，反質(zhì)子對撞機(jī)、電子－質(zhì)子對撞機(jī)、電子直線對撞機(jī)、大型強(qiáng)子對撞機(jī)等。對撞機(jī)主要是用來進(jìn)行物理研究，科學(xué)家們試圖用其來還原宇宙大爆炸來探究宇宙的起源，這其中唱主角的就是強(qiáng)子對撞機(jī)。

巨大成就

自上個世紀(jì)50年代以來，利用粒子加速器研究微觀粒子取得了令人矚目的成就。科學(xué)家利用粒子加速器發(fā)現(xiàn)了絕大部分新的超鈾元素和合成的上千種新的人工放射性核素，并系統(tǒng)深入地研究原子核的基本結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，促使原子核物理學(xué)迅速發(fā)展成熟起來；高能加速器的發(fā)展又使人們發(fā)現(xiàn)包括重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子在內(nèi)的幾百種粒子，建立了粒子物理學(xué)。

粒子物理的基本理論是格拉肖、溫伯格和薩拉姆提出的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。標(biāo)準(zhǔn)模型統(tǒng)一了電磁相互作用和弱相互作用(稱為電弱相互作用)，并預(yù)言了傳播弱相互作用的粒子Z和W^±。1983年，C·魯比亞實(shí)驗(yàn)組等在歐洲核子中心540GeV的高能質(zhì)子，反質(zhì)子對撞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的W^±和Z⁰規(guī)范粒子，質(zhì)量及特性同理論上期待的完全相符，這給予電弱統(tǒng)一理論以極大的支持。近幾十年來，加速器的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原子核物理和粒子物理領(lǐng)域，以加速器技術(shù)為基礎(chǔ)的大科學(xué)平臺在材料科學(xué)、表面物理、分子生物學(xué)、光化學(xué)等其他科技領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。在工、農(nóng)、醫(yī)各個領(lǐng)域中加速器廣泛用于同位素生產(chǎn)、腫瘤診斷與治療、射線消毒、無損探傷、高分子輻照聚合、材料輻照改性、離子注入、離子束微量分析以及空間輻射模擬、核爆炸模擬等方面。

《Geek》的話

自世界上建造第一臺加速器以來，七十多年中加速器的能量大致提高了9個數(shù)量級，同時每單位能量的造價降低了約4個數(shù)量級，軌道中的粒子最高被加速到了光速的99.9999991％。一來一去，不僅創(chuàng)造了無數(shù)科學(xué)史上難得一見的奇跡，期間有多名科學(xué)家也因粒子物理學(xué)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。而粒子加速器在進(jìn)入到21世紀(jì)之后更是向高能量前沿不斷推進(jìn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)技術(shù)等方面也都有重要而廣泛的實(shí)際應(yīng)用，甚至肩負(fù)起了探索宇宙起源的使命，其未來的發(fā)展，依舊是不可限量。