几种加速器的单原理

第二节　几种加速器的单原理

静电加速器

静电现象是人们在很久以前就发现的。大约二千年前，我国的学者王充（公元27－97年）在《论衡》中就记载了“顿牟掇芥”，顿牟就是琥珀，掇芥就是吸引轻小物体的意思。琥珀是非常好的绝缘体，当它受摩擦之后就产生静电效应，能吸小小的纸屑等东西。在日常生活中我们也许都有这样一种经验，如果从手中向泥地落下一块石头，会把泥地面撞得凹进去一点，如果石头从几层楼上落下去，那将会把泥地砸得更深，离地面越高，就相当于获得的势能越大，势能就转变成动能与泥地相撞。所以人们就设想让一个带电的粒子相对于零电位获得较高的静电势能，它也就可以从一个高电位向低电位加速地跑去，直到撞到被阻挡的靶原子核上。这就是人们用静电起电的办法，造成一个高电位差，从而让它加速带电粒子去轰击原子核的办法。

早期的静电加速器整个装置暴露在空气之中，这样受到周围环境如潮湿等的影响很大，容易击穿，电压不能升到很高，后来改进为把整个装置外面套了一个大钢桶，里面充有惰性气体。一般充几个大气压的氮气或者氟里昂（CCl₂F₂）气体，这样可以提高击穿电压。

在形成高电压之后，就要进一步考虑怎样让带电粒子在这高电压下均匀地加速。所以在这装置里有一个加速管G，它是由很多段陶瓷或玻璃等做成的绝缘圈和一片片金属加速电极相间封接构成。在加速管和输电带的外面均匀地彼此保持有一定间隙排列着一系列的金属制均压环，利用它使高压球极到地的电压均匀分布，使电压不致于在某处过高，以致局部击穿，破坏电压的提高。把加速管的每片加速电极与均压环相联，这样使加速管在它整个长度上的各带电电极间隙之间电压降均等，提高加速管的耐压性能。为了使带电粒子经过每节电极时被均匀地加速，并保持束流不致于散开，金属加速电极除做成圆形中孔平板之外，也有的做成圆形碟形中孔或者做成圆筒状，它除了在两个相邻电极间均匀地存在很高电压降，以加速带电粒子外，还由于电极的各种电场分布形状对被加速的粒子也起一些聚焦作用。这样有了输电带作为形成高压的手段，有了加速管作为加速粒子的机构，再在高压球极的里面、加速管的上端装上一个离子源，利用电离办法产生质子或其他带电粒子，让粒子通过一个引出装置到加速管中，经过一节节的电极加速，直达加速管的下端，去轰击靶原子核。这时带电粒子一般具有的能量，大约是几百万电子伏特到几十个百万电子伏特，这就是质子静电加速器。离子源可以做成发射其他各种离子如氦离子、氧离子和各种不同元素离子态的发射源，这时就对各种离子进行加速，在加速管下端就得到各种不同能量不同品种的离子束。如果在高压球极内安装一个发电机供电给一个发射电子的灯丝，使它不断发出电子，这就是电子枪，打出的电子也同样可以引入加速管内加速，最后打到管下端相联的靶核上，这是电子静电加速器。当然为了使带电粒子在整个被加速过程中不致与空气相撞而损失能量和发散损失，还必须把整个加速管道抽成相当高的真空，一般的要达到10^－6毫米汞柱。

串列式加速器

随着加速器能量愈高，加速器中静电储能愈多，对加速器各个部件的耐压要求也越来越高。由于实验工作的要求，单级的静电加速器几个百万电子伏特能量已满足不了要求，如果能有十几兆电子伏特甚至几十兆电子伏特的静电加速器，就可以在更广泛的领域里开展研究工作。于是，就提出了二级以及三级串列加速的方法，可以把被加速的带电粒子的能量提高二倍或者三倍。

串列式加速器的起电原理与单级静电加速器相同。但二级串列可以使带电粒子加速二次，钢桶右边外面的负离子源产生负离子，经过聚焦偏转注入低能端加速管，加速管中间是带正电的高压电极，在电场的吸引下使负离子向高压电极端运动时受到加速，当到达中部高压电极时就得到正极静电加速所得到的能量，负离子在正高压电极中间通过电子剥离器，它使负离子与剥离物质的分子碰撞而失去电子转变成正离子。剥离物质通常是用薄的碳片做成，穿过剥离器出来的正离子，又受到高压正电场的排斥，得到第二次加速，就沿着加速管继续前进，并带着二次加速的能量总和飞向靶核。串列式加速器可以由四个主要系统组成，即：

（1）离子源系统，它主要供应负离子，供前级加速。

（2）发生器系统，主要有输电带（或输电链和输电梯）以及起分压作用的分压电阻，电晕分压环和储能的高压电极等几个部件组成。

（3）加速管系统，对离子束进行加速。

（4）分析磁铁和开关磁铁，用以提高束流的单色性和能量稳定度。

近年来，为了尽可能提高束流的能量，还考虑在束流引出加速管经偏转磁铁后再加上一个后加速系统。后加速系统常用另一种类型的直线型加速器如螺旋波导直线加速器，束流经这种加速器再一次加速到更高能量，然后通过实验管道供实验。但为了保证串列式静电加速器的优点，即束流能量稳定性好、能散度低等优点，不宜加太多的后加速加速器。

回旋加速器和同步回旋加速器

前面已经说过，要克服更重原子核的库仑排斥位垒，就必须要有更大能量的“炮弹”才能使被研究的原子核发生各种核反应。所以还得想办法设计更好的加速器，进一步大大地提高带电粒子的能量。这里人们首先想到能否用同一电源对带电粒子多次重复加速，使粒子达到更高能量，这就是采用圆形回旋加速办法的最初想法。

我们来考虑一下带电粒子在磁场中运动的情形。根据电磁场理论，当带电粒于在磁场里作与磁力线相垂直的方向运动时，粒子将受磁场的作用，它不再是直线运动，而是作圆周运动。绕圆周旋转一周所需的时间是与磁场强度成反比，而与粒子的速度无关。

经过简单计算，可以得出粒子绕与磁力线垂直的平面作圆周回转运动的频率仅仅决定于磁场强度、粒子带的电荷以及它自身的质量；反过来说，对一个已经确定的被加速粒子而言，回旋的频率是固定的。下面我们具体介绍一下粒子被加速过程：回旋加速器结构的主要部分是两个半圆形的金属扁盒子（又称D形盒），中间相隔一个很小的距离，D形盒又装在更大的、密闭的真空室中。这真空室安放在上下两个磁极之间，磁场是垂直于盒子的平面，离子源是装在盒的中心。在两个半圆形的D形盒之间，加上高频几十兆周的交变电压，使两个D形盒之间的缝隙一直存在着高频的交变电场。当正离子产生时，如果D形盒之间形成的电场方向是从右到左，则由于我们定义电场强度的方向就是正电荷在那点受力的方向，正离子就得到初次加速跑进左边盒子里，在磁场的作用下，作圆周运动从另一端跑出左半盒；如果这时交变的高频电场强度正好改变方向，即变成由左向右方向，那么正离子又可以在从跑出左半盒经过D形盒空隙时，又得到一次加速机会跑进右半盒，同样它又在磁场作用下作圆周运动跑完右半盒；再转到D形盒当中空隙时，交变电场如果又一次改变方向，则它又得到一次从右到左的加速。上面我们已经说过，粒子的回旋频率与速度无关，即粒子每经过半圈就被交变电场加速一次，这样它就不断地在回旋运动中不断得到加速。在回旋许多次之后，亦即加速若干次之后，能量就逐渐提高，回旋的半径亦逐渐增大。

回旋加速器在加速几十兆伏能量以下粒子时是一个很好的设备。但是被加速的粒子能量能不能单靠加大磁极直径而获得很高呢？我们来分析一下这个情况，当粒子的能量不断增加到一个较大数值时，如果高频交变电场的频率和磁极的磁场强度不变，则可能发生粒子非但不被加速反而会受到减速的情形，这是为什么呢？因为这时发生了相对论效应。即这时被加速的粒子质量会由于速度的增加而增大。

要解决回旋加速器中相对论性效应有什么办法吗？我们从它发生问题的原因中很容易知道，它的主要矛盾是当粒子能量增大时，即速度大的时候质量变大，因而粒子在磁场中的回旋频率f₀与高频交变电场固定频率f₀（指高频发生器频率）因前者变小而不同步。我们抓住这个主要矛盾，想办法把原来固定的高频电场频率f₀变成可变的，调到它使f₀与f₀同步，即f₀随着f₀的减小而减小，也就是说交变电场的周期随时间从中心到D形盒外缘逐步加长。这样仍然保证粒子在通过D形盒缝隙时，始终得到加速方向的电场，这就是同步稳相回旋加速器的设计原理。高频交变电场频率f₀的改变通常可以通过振荡电路电容的机械改变办法来实现，采取同步回旋加速器就可以把粒子加速到几百兆电子伏的能量。

回旋加速器能加速电子吗？不行！回旋加速器在加速电子时遇到的麻烦很大，因为电子质量小，相对论效应在很低能量时就暴露出来，如电子在10MeV时，它的质量已经是静止质量的20倍，这样就得不到高能电子。因而如果仍然想采用圆形轨道加速电子，就必须另找途径。

电子感应加速器

电磁感应就是根据电学上的法拉第定律，当磁通量变动时候，在磁力线通过的周围空间就会感应出一个涡旋形电场。如果磁场是轴对称的，则感应的电场的电力线则是围绕变化磁通空间的同心圆，圆心就在对称轴上；如果这个时候在圆周上有电子，则它就会受到一个电场力的推动，它的动量就会不断增加。由于带电粒子在垂直于均匀磁场平面上运动，它的轨道曲率半径只要适当选择，磁场强度的变化与电子动量变化按一定的比例关系同时增加，则可以维持电子的回旋运动的曲率半径始终不变。一般在保持轨道内的平均磁场是电子运行轨道上的磁场强度二倍时，这条件就可以得到满足。电子感应加速器的磁力线是中间密周围稀，当上下磁极线圈通入交变电流，使磁场起周期变化时，由于电子运动方向与磁场正交，电子受到一个向心力，使它在两磁极中间平面上作圆周运动，而且电子速度是愈转愈高，为了防止电子在运动中与空气中分子相撞而损失能量，必须把整个系统装在一个用陶瓷或者玻璃等制成的真空室里。真空室是一个环形管，像打足气的内胎一样放置在磁极的中间，在真空管里，装有发射电子的热灯丝（电子枪），聚焦杯使大部分电子射向预定的轨道上，大约电子每旋转一周可以获得几百电子伏特的能量，在磁场上升的第一个1／4周期里，电子可以完成在轨道上几十万次的旋转运动，因此一般此时电子速度已经接近光速，并带有几十百万电子伏特能量，如果这时我们及时注入扩大线圈电流，扩大原来的电子旋转平衡轨道，则电子就被引出打在金属靶子上，发出极强的波长很短的X射线。这射线实际上就是波长很短的电磁波（即光子），利用它可以进行许多光核反应。当然在工业、医学上它也有广泛的用途。

直线加速器

前面我们介绍了许多加速器是圆周形循环加速器，现在再来介绍一种直线型的加速器，这种加速器目前也得到很大的发展。直线型加速器又分两种加速方式，一为漂移管驱送管式，另一种是波导形驱送管式。漂移管式加速器是在管式的高度真空谐振腔中间沿轴线排列一系列的金属管即驱送管，几百兆周的高频电磁场从外面输入之后，电场在整个腔内作振荡。我们设计当质子经过每个驱送管间的缺口时电场方向是保证质子向前加速，而在其他地方由于铜质漂移管的屏蔽作用没有电场，质子在管内没有加速作用，仅仅是漂移而过，所以驱送管又叫漂移管。但在质子经过一个驱送管之后处于两个驱送管（漂移管）之间时，都得到一次加速机会，由于质子速度不断增加，所以为了维持质子经过每一个驱送管所需时间是常数，因此驱送管的长度也必须逐节加长。这种加速器可以加速很重的离子，用途很广。另一种波导式直线加速器，主要用作加速电子，因为电子的质量很小，在它能量不大时，它的速度已接近光速即电磁波在真空中传播的速度，所以只要设法使电磁波的速度适当减慢一些，就可以使电磁波的传播速度与电子加速的速度一致，这样只需调节波导管中的电磁波在向前传播时电场方向与管轴平行，并且电子始终是位于电场向前方向的相位上，则电子就犹如“骑”在电磁波上一直向前，那么在电磁波传递的过程中，电子就不断得到加速。当然，随着电子速度的增加，电磁波的速度也相应的变化，所以在波导管中有很多环形的金属片叫盘荷波导，电磁波和电子从中间孔径中穿过。这种波导式加速器使用的频率很高，一般在几千兆周左右。

为了得到更高能量的粒子，还可以把几个漂移管加速器或波导管加速器连接起来，但是这样加速器要做得很长。

此外，目前为了人工合成丰中子、丰质子的同位素以及研究合成超铀元素，还发展了一种重离子加速器，加速器的“炮弹”特别重，可以加速像²³⁵U这样的重元素，所以叫全能加速器。

加速器的种类很多，为了更深入的研究原子核的各种性质以及为了直接研究组成原子核的中子、质子等一系列基本粒子的性质，需要更高能量的加速器。目前有的高能环形加速器直径已达2千米之大，直线型的高能加速器长度甚至超过2千米，加速质子的能量达到500GeV（5000亿电子伏特）。如美国1969—1972年建成的5000亿电子伏特加速器，磁铁重9000吨，电力消耗在峰值时竟达6万千瓦。

为了赶超世界水平，实现四个现代化，我国最近正在建造一台大的高能加速器，它通过几十万伏的高压倍加器引出束流，经几十百万电子伏直线加速器加速，再经10亿电子伏特回旋加速器加速，再进入300—500亿电子伏主加速器使粒子能量最后达到500亿电子伏特。

目前国际上正在倡议搞世界性大加速器，其直径将近20千米，加速能量十万亿电子伏，即比目前最大的加速器再高25倍，估计投资要20亿美元。

以上我们叙述的都是对带电粒子加速器的原理，对于不带电的高能中子怎么得到呢？一般可以通过高能的带电粒子如质子、α粒子轰击其他原子核，使它发生某种可以产生发射中子的核反应来间接得到各种能量中子；也有一种专门产生14MeV中子的中子发生器，它是通过加速氘核轰击氘靶时，产生产额很大的14MeV的高能中子，通常这种中子发生器可以产生10¹¹个中子／秒以上产额的中子。利用中子发生器可以开展许多中子引起的核反应实验，也在工、农、医中得到很大的用途。

还有不少是直接为工农医等部门服务而设计的各种专用加速器，如工业上无损探伤的电子静电加速器和电子感应加速器，以及提高某些材料耐压、耐高温性能的电子辐射处理加速器，农业上有种子辐射处理的专用加速器，医学方面有照射肿瘤的电子加速器和中子发生器，还有产生π介子的高能加速器也用来服务于医学。由此看来，原子核技术已经在人类日常生活中起了不少的作用。