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P:2009-02-26 08:53:19
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加速器知识
定义:一种使带电粒子增加速度(动能)的装置。
加速器可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。粒子增加的能量一般都在0.1兆电子伏以上。加速器的种类很多,有回旋加速器、直线加速器、静电加速器、粒子加速器、倍压加速器等。
1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α 粒子束(即氦核)作为“炮弹”,轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”,实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布,发现原子核本身有结构,从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。
用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具,在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。
自从E.卢瑟福1919年用天然
粒子加速器的结构一般包括 3个主要部分 :①粒子源 ,用以提供所需加速的粒子,有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。②真空加速系统,其中有一定形态的加速电场,并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速 ,整个系统放在真空度极高的真空室内。③导引、聚焦系统 ,用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束,使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。
加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度(流强)。按照粒子能量的大小,加速器可分为低能加速器(能量小于108eV)、中能加速器(能量在108~109eV)、高能加速器(能量在109~1012eV)和超高能加速器(能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。
1932年美国科学家柯克罗夫特(J.D.Cockcroft)和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器,以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶,得到α 粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应,因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。
1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。
奈辛(G.Ising)于1924年,维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器,由于受当时高频技术的限制,这种加速器只能将钾离子加速到50keV,实用意义不大。但在此原理的启发下,美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器,并用它产生了人工放射性同位素,为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。
为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子,必须研究能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(V.I.Veksler)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)各自独立发现了自动稳相原理,英国科学家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。
以上主要介绍的是质子环形加速器,对电子加速器来说情况有所不同。1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失,电子感应加速器的能量提高受到了限制,极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量,可以允许更大的辐射损失,极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失,使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV,这不是理论的限度,而是造价过高的限制。
1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出了这项原理,并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机,验证了原理,从此开辟了加速器发展的新纪元。
自世界上建造第一台加速器以来,七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级(参见左图),同时每单位能量的造价降低了约4个数量级,如此惊人的发展速度在所有的科学领域都是少见的。
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[xunmeng 在 2009-2-26 8:55:50 编辑过]