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)實驗。這是歷史上第一次用人工加速粒子實現(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，實用意義不大。但在此原理的啟發(fā)下，美國實驗物理學(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MeV，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。

美國勞倫斯國家實驗室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驗室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，從實驗的角度暴露出了新的問題。使用加速器作高能物理實驗，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)首次提出了這項原理，并在意大利Frascati國家實驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機(jī)，驗證了原理，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。