加速器發(fā)展歷史

2007/2/3 14:24:00

1919年英國科學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量為幾個MeV、速度為2×109厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作為“炮彈”，轟擊厚度僅為0.0004厘米的金屬箔的“靶”，實(shí)現(xiàn)了人類科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)。利用靶后放置的硫化鋅熒光屏測得了粒子散射的分布，發(fā)現(xiàn)原子核本身有結(jié)構(gòu)，激發(fā)了人們尋求更高能量的粒子來作為“炮彈”的愿望。靜電加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍壓加速器（1932年）等不同設(shè)想幾乎在同一時期提了出來，并先后建成了一批加速裝置。

1932年美國科學(xué)家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛爾蘭科學(xué)家沃爾頓(E.T.S.Walton)建造成世界上第一臺直流加速器——命名為柯克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為0.4MeV的質(zhì)子束轟擊鋰靶，得到α 粒子和氦的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。這是歷史上第一次用人工加速粒子實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎。

1933年美國科學(xué)家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)發(fā)明了使用另一種產(chǎn)生高壓方法的高壓加速器——命名為凡德格拉夫靜電加速器。

以上兩種粒子加速器均屬直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿所限，大致在10MeV。

奈辛(G.Ising)于1924年，維德羅(E.Wideroe)于1928年分別發(fā)明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器，由于受當(dāng)時高頻技術(shù)的限制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV，實(shí)用意義不大。但在此原理的啟發(fā)下，美國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家勞倫斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它產(chǎn)生了人工放射性同位素，為此獲得了1939年的諾貝爾物理獎。這是加速器發(fā)展史上獲此殊榮的第一人。

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，如將加速器磁場的強(qiáng)度設(shè)計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長，則能將質(zhì)子加速到上百M(fèi)eV，稱為等時性回旋加速器。

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，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾(V.I.Veksler)和美國科學(xué)家麥克米倫(E.M.McMillan)各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動穩(wěn)相原理，英國科學(xué)家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建議建造基于此原理的加速器——穩(wěn)相加速器。

自動穩(wěn)相原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命，它導(dǎo)致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（高頻加速電場的頻率隨倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋頻率與加速電場同步）、現(xiàn)代的質(zhì)子直線加速器、同步加速器（使用磁場強(qiáng)度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來維持粒子運(yùn)動的環(huán)形軌跡，但維持加速場的高頻頻率不變）等。

自此，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經(jīng)濟(jì)上的限制。隨著能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升，提高能量實(shí)際上被限制在1GeV以下。同步加速器的環(huán)形磁鐵的造價雖然大大減少，但因橫向聚焦力較差，真空盒尺寸必須很大，造成磁鐵的磁極間隙大，依然需要很重的磁鐵，要想用它把質(zhì)子加速到10GeV以上仍是不現(xiàn)實(shí)的。

1952年美國科學(xué)家柯隆(E.D.Courant)、李溫斯頓(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)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。這是加速器發(fā)展史上的又一次革命，影響巨大。此后，在環(huán)形或直線加速器中，普遍采用了強(qiáng)聚焦原理。

美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室1954年建成的一臺6.2GeV能量的弱聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵的總重量為1萬噸。而布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室33GeV能量的強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵總重量只有4千噸。這說明了強(qiáng)聚焦原理的重大實(shí)際意義。

以上主要介紹的是質(zhì)子環(huán)形加速器，對電子加速器來說情況有所不同。1940年美國科學(xué)家科斯特(D.W.Kerst)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，這不是理論的限度，而是造價過高的限制。

加速器的能量發(fā)展到如此水平，從實(shí)驗(yàn)的角度暴露出了新的問題。使用加速器作高能物理實(shí)驗(yàn)，一般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)量等，加速粒子能參加高能反應(yīng)的實(shí)際有用能量受到限制。如果采取兩束加速粒子對撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反應(yīng)或新粒子的產(chǎn)生。

1960年意大利科學(xué)家陶歇克(B.Touschek)首次提出了這項(xiàng)原理，并在意大利Frascati國家實(shí)驗(yàn)室建成了直徑約1米的AdA對撞機(jī)，驗(yàn)證了原理，從此開辟了加速器發(fā)展的新紀(jì)元。

現(xiàn)代高能加速器基本都以對撞機(jī)的形式出現(xiàn)，對撞機(jī)已經(jīng)能把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從1TeV提高到10～1000TeV，這是加速器能量發(fā)展史上的又一次根本性的飛躍。

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，如此驚人的發(fā)展速度在所有的科學(xué)領(lǐng)域都是少見的。

隨著加速器能量的不斷提高，人類對微觀物質(zhì)世界的認(rèn)識逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。