粒子加速器

粒子加速器

粒子加速器(particle accelerator)是用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。日常生活中常見的粒子加速器有用于電視的陰極射線管及X光管等設施。是探索原子核和粒子的性質、內部結構和相互作用的重要工具,在工農業生產、醫療衛生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際套用

  • 中文名稱
    粒子加速器
  • 外文名稱
    particle accelerator
  • 用人工方法
    產生高速帶電粒子的裝置
  • 實際套用
    在工農業生產、醫療衛生、科學技術

歷史沿革

發展歷程

粒子加速器最初是作為人們探索原子核的重要手段而發展起來的。其發展歷史概括如下:

粒子加速器粒子加速器

1919年,盧瑟福用天然放射源實現了歷史上第一個人工核反應,激發了人們用快速粒子束變革原子核的強烈願望。

1928年,伽莫夫關于量子隧道效應的計算表明,能量遠低于天然射線的α粒子也有可能透入原子核內。該研究結果進一步增強了人們研製人造快速粒子源的興趣和決心​。

1932年,J.D.考克饒夫特(John D. Cockroft)和E.T.瓦爾頓(Earnest T. S. Walton)在England的 Cavendish實驗室開發製造了700kV高壓倍加速器加速質子,即Cockroft-Walton 加速器,實現了第一個由人工加速的粒子引起的Li(p,α)He核反應。由多級電壓分配器(multi-step voltage divider )產生恆定的梯度直流電壓,使離子進行直線加速。

1930年,Earnest.O. Lawrence製作了第一台回旋加速器,這台加速器的直徑隻有10cm。隨後,經M. Stanley Livingston資助,建造了一台25cm直徑的較大回旋加速器,其被加速粒子的能量可達到1MeV。幾年後,他們用由回旋加速器獲得的4.8MeV氫離子束轟擊靶核產生了高強度的中子束,還首次生產出了、和等人工放射性核素

E.盧瑟福E.盧瑟福

1940 由 D. W. Kerst 利用電磁感應產生的渦旋電場發明了新型的加速電子電子感應加速器(Betatrons)。它是加速電子的圓形加速器。與回旋加速器的不同之處是通過增加穿過電子軌道的磁通量(magnetic flux )完成對電子的加速作用,電子在固定的軌道中運行。在該加速器中,必須和處理電子的相對論作用一樣來處理由輻射而丟失的能量。所有被加速的粒子輻射電磁能,並且在一定動能範圍內,被加速電子的輻射損失能量比質子的多。這種丟失的輻射能同步加速輻射。因此,電子感應加速器的最大能量限製在幾百MeV內。

在研製電子感應加速器的過程中提出了電子的振蕩理論,並解決了帶電粒子在加速過程中的穩定性問題。該理論適用于各種類型的梯度磁場聚焦的加速器。因此,在加速器的發展歷史上,該加速器起了重要的作用。

粒子加速器粒子加速器

電子感應加速器除了主要用于產生的γ射線做核反應等方面的套用外,還廣泛用于工業和醫療方面:如無損探傷、工業輻照、放射治療等。

1945年,維克斯勒爾和E.M.麥克米倫分別提出了諧振加速中的自動穩相原理,從理論上提出了突破回旋加速器能量上限的方法,從而推動了新一代中高能回旋諧振式加速器如電子同步加速器、同步回旋加速器和質子同步加速器等的建造和發展。

中國發展

1955年

粒子加速器粒子加速器

中國科學院原子能所建成700eV質子靜電加速器。

1957年前後

中國科學院開始研製電子回旋加速器。

1958年

中國科學院高能所2.5MeV質子靜電加速器建成。

中國第一台回旋加速器建成。

清華大學400keV質子倍壓加速器建成。

1958年~1959年

清華大學2.5Mev電子回旋加速器出束。

1964年

中國科學院高能所30MeV電子直線加速器建成。

1982年

中國第一台自行設計、製造的質子直線加速器首次引出能量為10MeV的質子束流,脈沖流達到14mA.

1988年

北京正負電子對撞機實現正負電子對撞。

蘭州近代物理研究所用于加速器重離子的分離扇形回旋加速器(HIRFL)建成。

1989年

北京譜儀推至對撞點上,開始整體檢驗,用已獲得的巴巴事例進行刻度。北京譜儀開始物理工作。中國科技大學設計的我國最早起步的同步輻射加速器建成出光,它由200MeV電子直線加速器和800MeV儲存環組成。

粒子加速器粒子加速器

2004年

北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)第一階段設備安裝和調試工作取得重大進展。同年11月19日16時41分,直線加速器控製室的示波器上顯示出的電子束流流強約為2A以上,標志著BEPCⅡ直線加速器的改進工作取得一個重要的階段性成果。

2005年

北京正負電子對撞機(BEPC)正式結束運行。投資6.4億元的北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)第二階段——新的雙環正負電子對撞機儲存環的改建工程施工正式開始。新北京正負電子對撞機的性能將是美國同一類裝置的3~7倍,對研究體積為原子核一億分之一的誇克粒子等基礎科研具有重要意義。

2015年

2015年10月,中科院高能物理研究所宣布中國將于2020年至2025年間開始建造世界最大粒子加速器,這項安裝將可讓科學家們能更多了解宇宙的運作。這項計畫的最終概念將在2016年底完成。LHC強子對撞機產生了希格斯玻色子,以及還有許多其他種類的粒子。而中國建造的粒子加速器將創造出一個能單單產出希格斯玻色子的高純度環境。

研究目的

二十世紀80年代以來,中國陸續建設了四大高能物理研究裝置――北京正負電子對撞機蘭州重離子加速器合肥同步輻射裝置。2000年以後,國家和地方政府合作,花費14億元之巨興建了大科學裝置上海同步輻射光源。為什麽國家要花費如此巨資,建設這高能物理研究裝置呢?

隨著科學技術的發展,人類對物質結構的認識是從一開始看到身邊的各種物質逐漸發展到借助放大鏡、顯微鏡、直到後來的粒子加速器、電子對撞機等,逐步深入到細胞、分子、原子和原子核深層次,每深入一步都會帶來巨大的社會效益和經濟效益。原子核及其核外電子的發現,帶動了無線電、半導體、電視、雷達、雷射、 X光的發展,而近幾十年對原子核的研究,則為原子能的利用奠定了理論基礎。

粒子加速器粒子加速器

要想了解物質的微觀結構,首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被測物質,讓正負電子在運動中相撞,可以使物質的微觀結構產生最大程度的變化,進而使我們了解物質的基本性質。一直以來科學家們都致力于粒子加速器小型化,軍事學家則希望製成能擊穿鋼鐵的粒子槍。

基本結構

粒子加速器的結構一般包括3個主要部分 :

粒子源,用以提供所需加速的粒子,有電子正電子質子反質子以及重離子等等。

真空加速系統,其中有一定形態的加速電場,並且為了使粒子在不受空氣中的分子散射的影響的條件下加速 ,整個系統放在真空度極高的真空室內。

③導引、聚焦系統,用一定形態的電磁場來引導並約束被加速的粒子束,使之沿預定軌道接受電場的加速。所有這些都要求高、精、尖技術的綜合和配合。

加速器的效能指標是粒子所能達到的能量和粒子流的強度(流強)。按照粒子能量的大小,加速器可分為低能加速器(能量小于10^8eV)、中能加速器(能量在10^8~10^9eV)、高能加速器(能量在10^9~10^12eV)和超高能加速器(能量在10^12eV以上)。低能和中能加速器主要用于各種實際套用。

類別劃分

粒子加速器按其作用原理不同可分為靜電加速器直線加速器回旋加速器電子感應加速器同步回旋加速器對撞機等。

利用直線加速器加速帶電粒子時,粒子是沿著一條近于直線的軌道運動和被逐級加速的,因此當需要很高的能量時,加速器的直線距離會很長。有什麽辦法來大幅度地減小加速器的尺寸嗎?辦法說起來也很簡單,如果把直線軌道改成圓形軌道或者螺旋形軌道,一圈一圈地反復加速,這樣也可以逐級諧振加速到很高的能量,而加速器的尺寸也可以大大地縮減。

1930年E.O.勞倫斯在直線加速器諧振加速工作原理的啓發下,提出了研製回旋加速器的建議。勞倫斯建議在回旋加速器裏增加兩個半圓形磁場,使帶電粒子不再沿著直線運動,而沿著近似于平面螺旋線的軌道運動,這種改造使得加速器的電場不至于如此之長而導致電場能損失,是一個極富構想的設計發明。1931年建成了第一台回旋加速器磁極直徑約10釐米,用2千伏的加速電壓工作,把氘核加速到80keV,證實了回旋加速器的工作原理是可行的。在1932年又建成了磁極直徑為27釐米的回旋加速器,可以把質子加速到1MeV。

回旋加速器的電磁鐵的磁極是圓柱形的,兩個磁極之間形成接近均勻分布的主導磁場。磁場是恆定的,不隨時間而變化。在磁場作用下,帶電粒子沿著圓弧軌道運動,粒子能量不斷地提高,軌道的曲率半徑也不

斷地提高,運動軌道近似于一條平面螺旋線

SLAC的直線加速器中電子槍的原理圖SLAC的直線加速器中電子槍的原理圖

兩個磁極之間是真空室。裏面裝有兩個半圓形空盒狀的金屬電極,通稱為“D形電極”。D形電極接在高頻電源的輸出端上,2個D形電極之間的空隙(加速間隙)有高頻電場產生。粒子源安裝在真空室中心的加速間隙中。D形電極內部沒有高頻電場,粒子進入D形電極之內就不再被加速,在恆定的主導磁場作用下做圓周運動。隻要粒子回旋半圓的時間等于加速電壓半周期的奇整數倍,就能夠得到諧振加速。用一個表達式可以表示成:

Tc=KTrt

式中Tc是粒子的回旋周期,Trt是加速電壓的周期,K應該是奇整數。

這類利用軸向磁場使帶電粒子做回旋運動,周期性地通過高頻電場加速粒子的回旋加速器又可以分為兩類:

第一類是沒有自動穩相機製的。等時性回旋加速器就是屬于這一類。D形電極間加有頻率固定的高頻加速電場,粒子能量低時,回旋頻率能保持與高頻電場諧振,而當能量高時,粒子的回旋頻率會隨著能量的提高而越來越低于高頻電場頻率,最終不能再被諧振加速。為了克服這個困難,可以使磁場沿半徑方向逐步增加,以保持粒子的回旋頻率恆定。然而磁場沿半徑方向遞增卻又導致粒子束流軸向散開。為解決這一矛盾,60年代初研製成功了扇形聚焦回旋加速器,在磁極上巧妙地裝上邊界彎曲成螺旋狀的扇形鐵板,它可以產生沿方位角變化的磁場,即使加速粒子軸向聚焦,又使磁場隨半徑增大而提高,保證粒子的旋轉頻率不變,即旋轉一周的時間不變,因此被稱為等時性回旋加速器。

粒子加速器粒子加速器

第二類是有自動穩相機製的。屬于這一類型的加速器有:(1)穩相加速器;(2)同步加速器;(3)回旋加速器

穩相

軸向磁場保持恆定,而使高頻加速電場的頻率隨著粒子回旋頻率的降低而同步降低,從而使帶電粒子仍能繼續被諧振加速。這類加速器又名調頻回旋加速器或穩相加速器。採用自動穩相機製以後,在理論上可以將質子加速到無限高的能量,然而由于技術上和經濟上的原因,歷史上最大的穩相加速器的能量隻達到700MeV。這一類型的加速器用來加速質子,有的用于加速摻氘核、α粒子甚至氮離子。

SLD事件的示意圖SLD事件的示意圖

同步

它的主導磁場是隨時間改變的以保證帶電粒子在恆定軌道上回旋。為此,磁鐵做成環形的,可使磁鐵重量減輕。加速電場是交變的,其頻率隨著帶電粒子回旋頻率的改變而改變,以保證諧振加速。同步加速器既能加速電子,稱為電子同步加速器;又能用于加速質子,稱為質子同步加速器或同步穩相加速器。用于加速重離子的同步加速器,顧名思義應稱為重離子同步加速器。

回旋

又稱為微波回旋加速器,專門用于加速電子。這一類型的加速器中,軸向磁場是均勻的,加速電場的頻率也是恆定的,而所不同的是讓加速間隙位于磁極的一端,電子的軌道為一系列與加速間隙中心線相切的圓。圖2.5是電子回旋加速器中電子軌道的示意圖。電子每回旋一圈,就被加速一次,隻要回旋周期等于加速電壓周期的整數倍,就有可能進行諧振加速。電子回旋加速器的能量都不是很高,最大的也不過幾十MeV,束流強度為30~120微安,大多數用于醫療和射線劑量學等方面。

環形

被加速的粒子以一定的能量在一圓形結構裏運動,粒子運行的圓形軌道是由磁偶極(dipole magnet)所控製。和直線加速器(Linac)不一樣,環形加速器的結構可以持續地將粒子加速,粒子會重復經過圓形軌道上的同一點,但是粒子的能量會以同步輻射方式發散出去。

粒子加速器粒子加速器

同步輻射是當任何帶電粒子加速時,所發出的一種電磁輻射。粒子在圓形軌道裏運動時都有一個向心加速度,會讓粒子持續輻射。此時必須提供電場加速以補充所損失的能量。同步輻射是一種高功率的輻射,加速器將電子加速以產生同相位的X光。

除了加速電子以外也有些加速器加速較重的離子,如質子,以運作更高的能量領域的研究。譬如高能物理對于誇克膠子的研究分析。

最早的環形加速器為 粒子回旋加速器,1912年由 恩奈斯特·勞倫斯(en:Ernest O. Lawrence)所發明。粒子回旋加速器有一對半圓形(D形)的中空盒子,以固定頻率變換電場,用以加速帶電粒子;以及一組磁偶極提供磁場使運動粒子轉彎。帶電粒子從盒子的圓心地方開始加速,然後依螺旋狀軌跡運動至盒子邊緣。

粒子回旋加速器有其能量限製,因為 特殊相對論效應會使得高速下的粒子質量改變。粒子的核質比與回旋頻率間的關系因此改變,許多參數需重新計算。當粒子速度接近光速時,粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能讓粒子繼續運行,而這時可能已經達到粒子回旋加速器機械上的極限。

當電子能量到達約十個百萬電子伏特(10 MeV)時,原本的粒子回旋加速器無法對電子再做加速。必須用其它方法,如 同步粒子回旋加速器和 等時粒子回旋加速器的使用。這些加速器適用于較高的能量,而不用于較低的能量。

如果要到達更高的能量,約十億電子伏特(billion eV or GeV),必須使用同步加速器。同步加速器將粒子置于環形的真空管中,稱為儲存環。儲存環有許多的磁鐵裝置用以聚焦粒子以及讓粒子在儲存環中轉彎,用微波(高頻)共振腔提供電場將粒子加速。

直線

帶電粒子在直線中加速,運行到加速器的末端。較低能量的加速器例如陰極射線管X光產生器,使用約數千伏特的直流電壓(DC)差的一對電極板。在X光產生器的靶本身是其中一個電極。 此加速方式由Leó Szilárd提出,最後由Rolf Widerøe在1928年成功做出第一台實驗裝置。較高能的直線加速器使用在一直線上排列的電極板組合來提供加速電場。當帶電粒子接近其中一個電極板時,電極板上帶有相反電性的電荷以吸引帶電粒子。當帶電粒子通過電極板時,電極板上變成帶有相同電性的電荷以排斥推動帶電粒子到下一個電極板。為了能讓粒子持續加速通過,科學家通常會把電極版設計成電極環。 所以帶電粒子束加速時,必須小心控製每一個環上的交流(AC)電壓,讓每一個帶電粒子束可以持續加速。由于粒子速度越來越快,要保持電場加速粒子效率,電擊環的長度必須越來越長使電場作用在粒子的時間提高。為了保持粒子運動軌跡的穩定性,通常會使用一連串的四極電磁鐵(Quadrupole magnets)強製讓粒子束往中心方向聚集。

粒子加速器粒子加速器

當粒子接近光速時,會由于相對論效應粒子會將電能轉成質能,電場的轉換速率必須變得相當高以抵抗相對論效應,須使用微波(高頻)共振腔來運作加速電場。 直線加速器由于高電壓的運作,會使儀器表面有感應電荷存在,這不隻會造成實驗誤差更造成安全上的漏電,甚至這些在金屬儀器表面的電能會轉成更危險的熱能,這造成了直線加速器必須有極限電壓以保全全。加上儀器尺寸過大,高電壓運作的電費更是一大負擔。于是在直線加速器之後,科學家基于成本和安全要求發明了回旋加速器(Cyclotron)。 (Ernest Lawrence發明了回旋加速器並在1939年榮獲諾貝爾物理獎)

雖然直線加速器有成本和安全的缺點,但是和現今的粒子加速器比較的話,它還是有高功率(短時間將粒子加速到相對論狀態)和高數量輸出的優點。 直線加速器也被稱為Linac(LinearAccelerator的簡稱)。

實驗裝置

北京正負電子對撞機

北京正負電子對撞機是一台可以使正、負兩個電子束在同一個環裏沿著相反的方向加速,並在指定的地點發生對頭碰撞的高能物理實驗裝置。由于磁場的作用,正負電子進入環後,在電子電腦控製下,沿指定軌道運動,在環內指定區域產生對撞,從而發生高能反應。然後用一台大型粒子探測器,分辨對撞後產生的帶電粒子及其衍變產物,把取出的電子信號輸入電腦進行處理。它始建于1984年10月7日,1988年10月建成,包括正負電子對撞機、北京譜儀(大型粒子探測器)和北京同步輻射裝置

北京正負電子對撞機的建成,為中國粒子物理和同步輻射套用研究開闢了廣闊的前景。它的主要性能指標達到80年代國際先進水準,一些性能指標迄今仍然是國際同類裝置的最好水準。 而且中美科學家還于2003年7月30日在北京正負電子對撞機上首次發現一個新粒子,中美科學家合作分析研究從對撞機上得到的5800萬個J粒子事例的資料時,發現了這個新的短壽命粒子。這可能是幾十年前由科學家費米和楊振寧預言的多誇克態粒子。

上海同步輻射光源

上海光源是一台高性能的中能第三代同步輻射光源,它的英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation Facility,簡稱SSRF。它是中國迄今為止最大的大科學裝置和大科學平台,在科學界和工業界有著廣泛的套用價值,每天能容納數百名來自全國或全世界不同學科、不同領域的科學家和工程師在這裏進行基礎研究和技術開發。

蘭州重離子加速器

蘭州重離子加速器蘭州重離子加速器是中國自行研製的第一台重離子加速器,同時也是我國到目前為止能量最高、可加速的粒子種類最多、規模最大的重離子加速器,是世界上繼法國、日本之後的第三台同類大型回旋加速器,1989年H月投入正式運行,主要指標達到國際先進水準。中科院近代物理研究所的科研人員以創新的物理思想,利用這台加速器成功地合成和研究了10餘種新核素

合肥同步輻射裝置

合肥國家同步輻射實驗室直線加速器合肥同步輻射裝置主要研究粒子加速器後光譜的結構和變化,從而推知這些粒子的基本性質。它始建于1984年4月,1989年4月26日正式建成,迄今已建成5個實驗站,接待了大量國內外使用者,取得了一批有價值的成果。

粒子加速器粒子加速器

中國科學技術大學同步輻射加速器實驗室

中國科學技術大學同步輻射加速器實驗室1989年4月提前建成並調試出束。機器坐落在安徽省合肥市中國科技大學西校園中。

大型強子對撞器

世界上最大、能量最高的粒子加速器——大型強子對撞器(Large Hadron Collider,簡稱LHC)

大型強子對撞器(Large Hadron Collider,LHC),是一座位于瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機,作為國際高能物理學研究之用。(全球定位點:北緯46°14′00″,東經6°03′00″46.233333333333;6.05) LHC已經建造完成,台北時間2008年9月10日下午15:30正式開始運作,成為世界上最大的粒子加速器設施。但在2008年9月19日,LHC第三與第四段之間用來冷卻超導磁鐵的液態氦發生了嚴重的泄漏,導致對撞機暫停運轉。LHC是一個國際合作的計畫,由34國超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室,所共同出資合作興建的。

雷射粒子加速器

美國科學家Tomas Plettner在出版的《物理評論快報》上報告,他和斯坦福大學、斯坦福線形加速器中心(SLAC)的同事一起,用一種波長800納米的商用雷射調節真空中運行的電子的能量,獲得了和每米遞減4千萬伏的電場一樣的調製效果。這一技術有望發展成新型雷射粒子加速器,用來將粒子加速到Tev(萬億電子伏)的量級。

粒子加速器

傳統的加速器必須做成幾百米甚至更長的龐然大物,以將粒子能量提升到粒子物理學家所需的程度。幾年來,科學家發展出一種主要基于雷射電漿的技術,可獲得比傳統加速器更高的加速梯度,從而為縮短加速度的長度帶來可能。然而,之前的一些技術往往導致同步加速器的輻射損失或降低粒子束的質量,限製了其對粒子物理學家的吸引力。

斯坦福大學研究小組開發的新方法,在用雷射束加速的同時,施加一個和雷射同向的縱向電場,形成疊加的加速效果。電子獲得的能量自然等于縱向電場和雷射束單獨作用施加能量之和。該裝置在真空中加速電子,而不是在復雜得多的電漿環境中。

在自然空間,雷射的相位速度——單一波長光的傳播速度——比電子的速度低,因此不會影響加速效果。然而,Plettner和同事用一種鍍金的帶狀聚合物,在電子束和光束互相作用的點上設定一條“邊界線”;該線減輕了電子束和光束之間的相互影響,使兩者之間產生電子加速所需的能量交換,從而克服了這個問題。

粒子加速器粒子加速器

“這項工作最初、最主要的動機是想探索開發粒子加速器的可能性,從而把現有直線加速器的長度縮減一個數量級。”Plettner說,“這將導致碰撞能達1Tev甚至更高的‘緊湊’型高亮度輕子碰撞的出現。”據悉,新方法還可能導致小型X射線源技術的發展。

作用方式

高能加速器條件下的有關物質結構的研究,本質上是有關自然狀態下自然能團(或能簇、能子)之間的能態在量方面的相對變(轉化)關系。

從弧理論的觀念來看,利用高能加速器等方法來轟擊類弧子結構(原子)的條件下,可得到弱相互作用關系:1、對稱理論(普遍的對稱性理論)2、非對稱性理論,特殊條件下得之。如果轟擊能子(弧合子,次原子結構),則得到強相互作用關系:漸近自由 理論等。

為什麽?

上述兩種作用均發生在能態層面而非物質態的層面;屬能簇與能簇之間的關系。

弱相互作用:任何外來能團轟擊類弧子結構時,沿時軸方向進入類弧子(從能量到能量)時,外加能量在進入類弧子結果體時,便會發生弧合作用而產生出對稱弧合,對外顯示出釋放了兩個旋向相反,質量相等能團,即對稱性弧合反應。外加能量的能量級被限製在被轟擊的類弧子的時軸的能量(假設等于1)範圍內:小于0,大于1時,均不能產生出成對的能粒子。隻有在< 1, >0 的條件下,才可以生成亞粒子;在此層面上可以產生出許多亞粒子,理論上是無限多。

粒子加速器粒子加速器

非對稱弱相互作用:如果外加能量與類弧子的空間軸水準進入系統時,由于時間軸在空間軸上的非對稱性(1/3),所有弱相互作用均發生在類弧子結構的能量交換過程中,本質上是對自然本在能態的一種人工擾動, 並非是物質的結構性改變。類弧子結構是一種能態轉化過程中的普遍存在的剛性結構。當外加能量進入時,這些外加能量就被“訓化”了,形成適當的次粒子並被釋放出來。這些過程是可以反復和重演的。一切自然能態在其能量發生相互轉化時的唯一結構體,即類弧子體。弱相互作用實際上是人工條件下對類弧子體的幹擾性的物理學觀察結果。自然能態猶如平靜的湖面,人為的力量弄起了幾絲漣紋;當這些人工幹擾停頓 時,自然能態將恢復如初,並未發生絲毫的改變。人們總結出來的理論或規律,僅僅是有關那幾絲漣紋的觀察結果。對于自然的能本態或物質性結構仍是一無所知。

與此不同的強相互作用則全部發生在能態的能子層面(狀態)。能子狀態的統一結構體,即絕對弧子。其時空軸絕對同一,組成絕對弧合子的最小能量子單位,現代人稱為強子。強相互作用就是研究絕對弧合子能量單元之間的關系。這裏,要求人工能量要有極高的能級狀態,使用很高能量時才能激發這種相互作用。強相互作用對外不顯示任何新粒子產生或亞粒子對產生;也就是說,如果產生的話,則是碰撞能量的轉化形式。怎樣轉化僅僅取決于絕對弧合子吸收人工外加能量的量值。通常情況下不產生。多以光子形式被釋放掉,壽命極短。

絕對弧子好比布滿麻點的皮球,其麻點對應最小能單位,在無外加能量時,每個麻點的“位置”是同一的,即自由的,任意方位均可“看”到同一個麻點的存在。對其施加外力(外加能量)時,球面將會發生塌陷,此時塌陷邊緣上對稱的麻點發生對稱性的背離運動,似乎被分開了。由于絕對弧子自身的穩定性,也即對人工能量的排斥性,看起來似乎是兩個麻點拼命想恢復原狀,給的力越大,凹陷越大,回彈性就越強;凹陷越小,回彈性越弱,按照現代物理學的觀點理解,即漸近自由。這些實為假象(人工製造的假象)。

概括而論,弱相互作用及其規律以及強相互作用及其規律,例如楊振寧等的非對稱性弱相互作用理論和戴維?#26684;羅斯、戴維?#27874;利策和弗蘭克?#32500;爾切克等的強相互作用理論,漸近自由理論都是建立在人工作用條件下的,描述自然本態在被幹擾時所發生現象的物理認識理論,而非自然本態的物理理論。其根本錯誤在于自然認識觀是錯誤的,唯有弧理論可以正確概括和闡述各種自然的本在態結構。

低能加速器的套用

低能加速器的套用是核技術套用領域的重要分支,,在世界各地運行著的數千台加速器中大多數是在工業、農業、醫療衛生等領域內得到廣泛套用的低能加速器。低能加速器在這些領域的套用,極大地改變了這些領域的面貌,創造了巨大的經濟效益和社會效益。

加速能量

從20世紀30年代到50年代後半期的20年時間裏,加速器的能量增加了幾百倍到幾千倍。這是因為要發現基本粒子。除了到宇宙線中去尋找外,就得到原子核內部去尋找。原子核內部存在非常強大的作用力,即:核力(nuclear force)把基本粒子緊緊地結合在一起,因此研究基本粒子需要很大的能量。隨著加速器能量的增加,在實驗室中所發現的基本粒子數目也增多了。

粒子加速器粒子加速器

粒子加速器的規模已有小于一個大型機器製造廠,其用電量相當于一個中等城市,工作人員可達數千人,有宇宙粒子製造廠之稱。但是,盡管今日粒子加速器能量已經夠大的了,可它仍然遠遠不能適應探索原子奧秘的要求,因此隨著人們對原子奧秘探索的深入,粒子加速器仍會不斷地改進。

為止,粒子加速器的最高能量是由歐洲大型強子對撞機LHC產生的。兩束能量為3.5Tev的質子束相互碰撞,能量高達7TeV。

現實套用

套用加速器產生的電子束或X射線進行輻照加工已成為化工、電力、食品、環保等行業生產的重要手段和工藝,是一種新的加工技術工藝。它廣泛套用于聚合物交聯改性、塗層固化、聚乙烯發泡、熱收縮材料、半導體改性、木材-塑膠復合材料製備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脫硫脫硝等加工過程。

經輻照生產的產品具有許多優良的特點,例如:輻照交聯聚乙烯電纜經105Gy劑量輻照後,其電學性能、熱性能都有很大提高,使用溫度輻照前為60~70℃,輻照後長期使用溫度可達120℃以上。,我國已有用加速器進行輻照加工的生產線200多條。

無損檢測

無損檢測就是在不損傷和不破壞材料、製品或構件的情況下,就能檢測出它們內部的情況,判別內部有無缺陷。現代無損檢測的方法很多,例如:超音波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷法及射線檢測法等。射線檢測法即可檢查工件表面又可檢查工件內部的缺陷。設備可以採用放射性同位素Co60產生的γ射線、X光機產生的低能X射線和電子加速器產生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領和靈敏度高,作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗證手段及在質量控製中,在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗中得到廣泛的套用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機型。

射線檢測的方法根據對透過工件的射線接受和處理方法的不同,又可把射線檢測法分為三種:

a、射線照相

這種方法與我們體檢時拍X光膠片相似,射線接受器是X光膠片。探傷時,將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件背後,用X射線對工件照射後,透過工件的射線使膠片感光,同時工件內部的真實情況就反映到膠片的乳膠上,對感光後的膠片進行處理後,就可以清楚地了解工件有無缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。

b、輻射成像法

這種方法的射線接受器是陣列探測器或熒光增感屏。前者就是清華大學和清華同方共同研製生產的大型集裝箱檢查系列產品。後者就是用于機場、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統,也可用于工業的無損檢測。這種方法配以圖像處理系統可以線上即時顯示物品內部的真實情況。

c、工業CT

與醫用CT原理類似,CT技術即電腦輔助層析成像技術。選用加速器作為X射線源的CT技術是一種先進的無損檢測手段,主要針對大型固體火箭發動機和精密工件的檢測而發展起來。它的密度解析度可達0.1%,比常規射線技術高一個數量級。在航天、航空、兵器、汽車製造等領域精密工件的缺陷檢測、尺寸測量、裝配結構分析等方面有重要的套用價值。

離子註入

利用加速器將一定能量的離子註入到固體材料的表層,可以獲得良好的物理、化學及電學性能。半導體器件、金屬材料改性和大規模積體電路生產都套用了離子註入技術。我國現擁有各類離子註入機100多台。其中我國自己累計生產出140多台離子註入機,能量為150KeV~600KeV(1KeV=1×103eV),流強為0.5mA到十幾mA。

1.2 低能加速器在農業中的套用

作為核技術套用裝備的加速器在農業上的套用,在一些國家普遍使用已有明顯經濟效益的主要有三方面:

1)輻照育種

加速器在輻照育種中的套用,主要是利用它產生的高能電子、X射線、快中子或質子照射作物的種子、芽、胚胎或谷物花粉等,改變農作物的遺傳特徵,使它們沿最佳化方向發展。通過輻射誘變選育良種,在提高產量、改進品質、縮短生長期、增強抗逆性等方面起了顯著作用。馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、大豆等作物經過輻照育種後可具有高產、早熟、矮桿及抗病蟲害等優點。

2)輻照保鮮

輻照保鮮是繼熱處理、脫水、冷藏、化學加工等傳統的保鮮方法之後,發展起來的一種新保鮮技術。例如,對馬鈴薯、大蒜、洋蔥等經過輻照處理,可抑製其發芽,延長貯存期;對幹鮮水果、蘑菇、香腸等經過輻照處理,可延長供應期和貨架期。

3)輻照殺蟲、滅菌

,在農產品、食品等殺蟲滅菌普遍使用化學熏蒸法,由于使用溴甲烷、環氧乙烷等化學熏蒸法引起的殘留毒性、破壞大氣臭氧層等原因,根據蒙特利爾公約,到2005年要在全球範圍內禁止使用溴甲烷。因而利用加速器進行農產品、食品等輻照殺蟲、滅菌得以迅速發展。利用加速器產生的高能電子或X射線可以殺死農產品、食品中的寄生蟲和致病菌,這不僅可減少食品因腐敗和蟲害造成的損失,而且可提高食品的衛生檔次和附加值。

醫療衛生

隨著科學技術的進步,人民生活和質量的提高,人們對醫療衛生條件提出了更高的要求。而加速器在醫療衛生中的套用促進了醫學的發展和人類壽命的延長。,加速器在醫療衛生方面的套用主要有三個方面,即放射治療、醫用同位素生產以及醫療器械、醫療用品和葯品的消毒。

1) 放射治療

用于惡性腫瘤放射治療(簡稱放療)的醫用加速器是當今世界範圍內,在加速器的各種套用領域中數量最大、技術最為成熟的一種。

用于放療的加速器由50年代的感應加速器,到60年代發展了醫用電子回旋加速器,進入70年代醫用電子直線加速器逐步佔據了主導地位。,世界上約有3000多台醫用電子直線加速器裝備在世界各地的醫院裏。

除了套用加速器產生的電子線、X射線進行放療外,還可套用加速器進行質子放療、中子放療、重離子放療和π介子放療等,這些治癌方法還處在實驗階段,實驗的結果表明,療效顯著。但這些加速器比電子直線加速器能量高得多,結構復雜得多,價格昂貴得多,尚未普及。

利用電子直線加速器開展立體定向放療,俗稱X—刀,發展的新的放療技術。這種技術與常規放療相比,可多保護15%~20%的正常組織,而腫瘤增加20%~40%的劑量,可更有效地殺滅癌細胞,從而增加放療療效。

60年代我國醫院裝備了醫用感應加速器,70年代中期醫用電子直線加速器開始裝備我國各地醫院。截止到2000年初,我國已擁有各種能量的醫用加速器約530台,其中國產醫用加速器約250台,進口醫用加速器約300台。

同位素

現代核醫學廣泛使用放射性同位素診斷疾病和治療腫瘤,已確定為臨床套用的約80種同位素,其中有2/3是由加速器生產的,尤其是缺中子短壽命同位素隻能由加速器生產。這些短壽命同位素主要套用在以下方面:

a、正電子與單光子發射電腦斷層掃描—PET與SPECT

PET是由病人先吸入或預先註射半衰期極短的發射正電子的放射性核素,通過環形安置的探測器從各個角度檢測這些放射性核素發射正電子及湮滅時發射的光子,由電腦處理後重建出切面組織的圖像。而這些短壽命的放射性核素是由小回旋加速器製備的。最短的半衰期核素如15O僅為123秒,一般為幾分鍾到1小時左右。所以,這種加速器一般裝備在使用PET的醫院裏。生產PET專用短壽命的放射性核素的小回旋加速器,吸引了眾多的加速器生產廠開發研製。,國外幾個加速器生產廠家生產的小回旋加速器已達到幾十台。

b、圖像獲取

利用放射性核素進行閃爍掃描或利用γ照相獲取圖像的方法,可以診斷腫瘤、檢查人體髒器和研究它們的生理生化功能和代謝狀況,獲取動態資料。例如201Tl用于心肌檢查,對早期發現冠心病和心肌梗塞的定位等是最靈敏的檢查手段。而這些放射性核素絕大部分也是由加速器生產的。

輻照消毒

利用加速器對醫用器械、一次性醫用物品、疫苗、抗生素、中成葯等的滅菌消毒是加速器在醫療衛生方面套用的一個有廣闊前途的方向。與前面介紹加速器在食品中的殺蟲、滅菌道理一樣,可取代套用的高溫消毒、化學消毒等方法。但滅菌需要的射線劑量要大于殺蟲所需的劑量。

粒子加速器(particle accelerator)是用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。日常生活中常見的粒子加速器有用於電視的陰極射線管及X光管等設施。是探索原子核和粒子的性質、內部結構和相互作用的重要工具,在工農業生產、醫療衛生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際套用。自E.盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的a射線轟擊氮原子首次實現了元素的人工轉變以後,物理學家就認識到要想認識原子核,必須用高速粒子來變革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限,隻有幾兆電子伏特(MeV),天然的宇宙射線中粒子的能量雖然很高,但是粒子流極為微弱,例如能量為10^14電子伏特( eV )的粒子每小時在 1平方米的面積上平均隻降臨一個,而且無法支配宇宙射線中粒子的種類、數量和能量,難于開展研究工作。因此為了開展有預期目標的實驗研究,幾十年來人們研製和建造了多種粒子加速器,性能不斷提高。在生活中,電視和X光設施等都是小型的粒子加速器。

套用粒子加速器發現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,並系統深入地研究原子核的基本結構及其變化規律,促使原子核物理學迅速發展成熟起來,從而建立粒子物理學。近20多年來,加速器的套用已遠遠超出原子核物理和粒子物理領域,在諸如材料科學、表面物理、分子生物學、光化學等其它科技領域都有著重要套用。在工、農、醫各個領域中加速器廣泛用于同位素生產、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、離子註入、離子束微量分析以及空間輻射模擬、核爆炸模擬等方面。迄今世界各地建造了數以千計的粒子加速器,其中一小部分用于原子核和粒子物理的基礎研究,它們繼續向提高能量和改善束流品質方向發展;其餘絕大部分都屬于以套用粒子射線技術為主的“小”型加速器。

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