新型加速器的發(fā)展與展望

付振峰+郝超杰

摘 要：1919年，盧瑟福用天然放射源實(shí)現(xiàn)了歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)。隨后，加速器的研究成為科學(xué)界的一大熱門研究課題，其研究與發(fā)展從未停止。從 20世紀(jì) 30年代以來，加速器研究不斷向更高能量和更好性能的方向發(fā)展。隨著研究的不斷深入，粒子加速器一步一步從低能發(fā)展到高能，從弱聚焦發(fā)展到強(qiáng)聚焦，從靜止靶發(fā)展到粒子束對撞。高能量和高亮度是用于高能物理研究的加速器發(fā)展的兩大前沿課題。作為多學(xué)科研究的基礎(chǔ)平臺(tái)，散裂中子源、同步輻射光源和自由電子激光等基于加速器的大科學(xué)裝置也在蓬勃發(fā)展，各種低能加速器廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，新原理、新方法、新技術(shù)層出不窮。在文章中將主要介紹新型加速器的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：粒子加速器；創(chuàng)新；發(fā)展趨勢

1 加速器的歷史

在二十世紀(jì)物理學(xué)的舞臺(tái)上，粒子加速器扮演了重要角色。在粒子加速器問世之前，人們用于研究原子和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法主要分為兩種，一種是利用天然放射性發(fā)出的射線，另一種則是利用來自宇宙空間的高能宇宙射線。但是，天然放射性有著它致命的缺點(diǎn)：放射線粒子流的強(qiáng)度太低（α粒子的能量一般為4-9MeV），能量也達(dá)不到需求，導(dǎo)致產(chǎn)生核反應(yīng)的幾率非常小；而第二種方法得到的粒子流的能量雖然比較高（可高達(dá)1021eV），但是它的強(qiáng)度太弱，僅適用于做一些定性的研究，無法作定量的研究。隨著科學(xué)的發(fā)展，粒子加速器作為一種利用電場和磁場將帶電粒子加速到較高能量的實(shí)驗(yàn)裝置，在上世紀(jì)三十年代初應(yīng)運(yùn)而生。

2 粒子加速器現(xiàn)狀

2.1 國際現(xiàn)狀

國際上著名的加速器有歐洲質(zhì)子同步加速器（Proton Synchrotron）、歐洲超級質(zhì)子同步加速器（Super Proton Synchrotron，簡寫SPS）、歐洲反質(zhì)子積累器（Antiproton Accumulator， 簡寫AA）、歐洲低能反質(zhì)子環(huán)（LEAR）、歐洲大型正負(fù)電子對撞機(jī)（Large Electron Positron Collider，簡寫LEP）、歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，簡寫LHC，是現(xiàn)在世界上最大、能量最高的粒子加速器，屬于質(zhì)子加速器）等。

另外，還有美國斯坦福直線加速器中心的SLAC、美國連續(xù)電子束CEBAF、美國相對論重離子對撞擊RHIC、日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)的KEKB、日本強(qiáng)子裝置J-PARC、意大利Φ介子工廠DE等加速器。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國大約有四十多年的發(fā)展歷史，先后建成了電子靜電加速器、質(zhì)子加速器、回旋加速器和電子感應(yīng)加速器等，為我國的核物理研究、國防科技和應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)，主要的代表有北京正負(fù)電子對撞機(jī)（BEPC）及北京正負(fù)電子對撞機(jī)二代（BEPC-Ⅱ）、合肥同步輻射裝置（HESYRL）、蘭州重離子加速器（HIRFL）以及一系列的低能加速器，主要是醫(yī)療電子直線加速器、工業(yè)探傷用電子加速器、工業(yè)輻照用大功率電子加速器和小型串列加速器。

3 新型加速器的發(fā)展現(xiàn)狀

加速器的發(fā)展，向著高能量和高亮度前沿推進(jìn)。想進(jìn)一步提高加速器的性能和能量，需要探索新的原理、研發(fā)新的加速器。

3.1 新原理

科學(xué)界為探索新的、更高效的加速器加速原理做出了巨大的努力，提出了一系列方案，并對方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討方案的可行性。近年來提出的方案就其能量來源主要分為兩類。

第一類是利用光子能量給粒子加速，主要是指各種激光加速器。

第二類是利用粒子能量傳遞方法給粒子加速。

3.1.1第一類原理

這一類原理又可以分為兩類，第一是用強(qiáng)激光在真空中加速粒子，第二是用強(qiáng)激光在等離子體中加速粒子。第一，在真空中，可利用強(qiáng)激光的相對論有質(zhì)動(dòng)力在半個(gè)脈沖內(nèi)加速帶電粒子（縱向加速），也可以利用線偏振光產(chǎn)生的橫向電場。在強(qiáng)激光的焦點(diǎn)處，電場強(qiáng)度E可達(dá)1010V/m的數(shù)量級，將該電場作用在帶電粒子上，可以使之獲得很大的能量，在適當(dāng)?shù)臈l件下引出離子，從而得到加速（橫向加速）。若給系統(tǒng)加上一個(gè)微小的電場，破壞掉激光場的縱向?qū)ΨQ性，則可以使得粒子在半個(gè)周期內(nèi)獲得加速。第二，在等離子體中， 目前通常采用的方案是利用強(qiáng)激光與等離子體相互作用產(chǎn)生的等離子體波形成的高梯度電場加速粒子。

屬于這一類的加速器有逆契倫柯夫效應(yīng)加速器、逆自由電子激光加速器、等離子體拍波加速器和光柵加速器等。

3.1.2第二類原理

這一類原理也是分為兩類，第一是利用高速運(yùn)動(dòng)的等離子體凝團(tuán)或強(qiáng)流相對論性電子束提供的集體場加速帶電粒子，代表的加速器有相干加速器、電子圈加速器和線性束加速器等。第二是采用諧振腔、等離子體或其他設(shè)備為介質(zhì)，讓低能流束通過介質(zhì)，激起電磁場來加速粒子，代表加速器有尾場加速器、等離子體尾場加速器、雙束加速器和晶體加速器等。

3.2 新的加速器

在高能量前沿，加速器主要發(fā)展在四個(gè)方面，強(qiáng)子對撞機(jī)，正負(fù)電子對撞機(jī)，γ-γ對撞機(jī)和μ子對撞機(jī)。

3.2.1強(qiáng)子對撞機(jī)

在表1中列出了世界上現(xiàn)有或者籌劃中的強(qiáng)子對撞機(jī)的主要性能參數(shù)，按照建成時(shí)間排序，他們分別是美國質(zhì)子與反質(zhì)子對撞機(jī)Tevatron，美國相對論性重離子對撞機(jī)RHIC，歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC和籌劃中的超大型強(qiáng)子對撞機(jī)VLHC。

3.2.2 正負(fù)電子直線對撞機(jī)

在環(huán)形電子對撞機(jī)向更高能量區(qū)發(fā)展的過程中遇到了同步輻射能量損失歲束流能量的四次方增長的困難，進(jìn)而引發(fā)了人們對直線對撞機(jī)的興趣。2004年8月科學(xué)界達(dá)成建造國際直線對撞機(jī)ILC的共識(shí)。如今，ILC的籌劃工作正在穩(wěn)步進(jìn)行。

3.2.3 γ-γ對撞機(jī)

在直線對撞機(jī)中，用激光與高能正負(fù)電子做康普頓散射，再讓產(chǎn)生的γ光子對撞，就是正在討論中的光子對撞機(jī)，這一技術(shù)也是對上面討論的新原理的應(yīng)用與研究。于傳統(tǒng)加速器相比，γ-γ對撞機(jī)是一種不產(chǎn)生更高能量粒子的情況下精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型、超弦模型、人工色模型和其他模型的有效方法。

3.2.4 μ+ -μ-對撞機(jī)

4 新型加速器的未來展望

可以看到，隨著核物理的不斷發(fā)展，各種各樣新型的加速器被提出，設(shè)計(jì)，籌劃，上述的新原理、新技術(shù)在實(shí)驗(yàn)上也得到了一定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是只能說，各種新加速器目前尚處于試驗(yàn)階段，理論上有待進(jìn)一步的深入研究，實(shí)驗(yàn)上仍然存在很大的困難，距離實(shí)際的應(yīng)用還有很長一段路要走。我們相信，只要人們不懈努力，深入探索，新的加速器終會(huì)得到實(shí)際的應(yīng)用，它們將極大的推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]張闖. 國際粒子加速器的前沿[J]. 物理，2008，（05）：289-297.

[2]張闖. 粒子加速器：回顧與展望[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，1997，（06）：8-12.

[3]方守賢，梁岫如. 我國粒子加速器的發(fā)展和展望[J]. 物理，1991，（08）：473-482.endprint