粒子加速器 - DGSO百科
网 页 图 片 百 科 小 说 翻 译

百科首页

粒子加速器 百科内容来自于: 百度百科

粒子加速器(particle accelerator)是用人工方法产生高速带电粒子的装置。日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。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。

简述

粒子加速器。

粒子加速器。

自E·卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的α射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后,物理学家就认识到,要想认识原子核必须和粒子进行同步的研究。
这是应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子

结构

粒子加速器

粒子加速器

粒子加速器的结构一般包括3个主要部分 :
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中的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。
导引、聚焦系统,用一定形态的电磁场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、、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种实际应用

发展

形成历程

粒子加速器最初是作为人们探索原子核的重要手段而发展起来的。其发展历史概括如下:
1919年,卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工核反应,激发了人们用快速粒子束变革原子核
粒子加速器

粒子加速器

强烈愿望。
1928年,伽莫夫关于量子隧道效应计算表明,能量远低于天然射线的α粒子也有可能透入原子核内。该研究结果进一步增强了人们研制人造快速粒子源的兴趣和决心。
1932年,J.D.考克饶夫特(John D. Cockroft)和E.T.瓦尔顿(Earnest T. S. Walton)在England的 Cavendish实验室开发制造了700kV高压倍加速器加速质子,即Cockroft-Walton加速器,实现了第一个由人工加速的粒子引起的Li(p,α)He核反应。由多级电压分配器(multi-step voltage divider )产生恒定的梯度直流电压,使离子进行直线加速。
1930年,Earnest O. Lawrence制作了第一台回旋加速器,这台加速器的直径只有10cm。随后,经M. Stanley Livingston资助,建造了一台25cm直径的较大回旋加速器,其被加速粒子的能量可达到1MeV。几年后,他们用由回旋加速器获得的4.8MeV氢离子束轰击靶核产生了高强度的中子束,还首次生产出了24Na、32P和131I等人工放射性核素
1940 由 D. W. Kerst 利用电磁感应产生的涡旋电场发明了新型的加速电子电子感应加速器(Betatrons)。它是加速电子的圆形加速器。与回旋加速器的不同之处是通过增加穿过电子轨道的磁通量(magnetic flux )完成对电子的加速作用,电子在固定的轨道中运行。在该加速器中,必须和处理电子的相对论作用一样来处理由辐射而丢失的能量。所有被加速的粒子辐射电磁能,并且在一定动能范围内,被加速电子的辐射损失能量比质子的多。这种丢失的辐射能称同步加速辐射。因此,电子感应加速器的最大能量限制在几百MeV内。
在研制电子感应加速器的过程中提出了电子的振荡理论,并解决了带电粒子在加速过程中的稳定性问
粒子加速器

粒子加速器

题。该理论适用于各种类型的梯度磁场聚焦的加速器。因此,在加速器的发展历史上,该加速器起了重要的作用。
电子感应加速器除了主要用于产生的γ射线做核反应等方面的应用外,还广泛用于工业和医疗方面:如无损探伤、工业辐照、放射治疗等。
1945年,维克斯勒尔和.E.M.麦克米伦分别提出了谐振加速中的自动稳相原理,从理论上提出了突破回旋加速器能量上限的方法,从而推动了新一代中高能回旋谐振式加速器如电子同步加速器、同步回旋加速器和质子同步加速器等的建造和发展。

发展情况

中国四大高能物理研究装置——中国的粒子加速器
80年代以来,我国陆续建设了四大高能物理研究装置――北京正负电子对撞机兰州重离子加速器合肥同步辐射装置。2000年以后,国家和地方政府合作,花费14亿元之巨兴建了大科学装置上海同步辐射光源。为什么国家要花费如此巨资,建设这高能物理研究装置呢?
随着科学技术的发展,人类对物质结构的认识是从一开始看到身边的各种物质逐渐发展到借助放大镜显微镜、直到后来的粒子加速器、电子对撞机等,逐步深入到细胞、分子、原子和原子核深层次,每深入一步都会带来巨大的社会效益和经济效益。原子核及其核外电子的发现,带动了无线电、半导体、电视、雷达激光、 X光的发展,而近几十年对原子核的研究,则为原子能的利用
粒子加速器

粒子加速器

奠定了理论基础。
要想了解物质的微观结构,首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被测物质,让正负电子在运动中相撞,可以使物质的微观结构产生最大程度的变化,进而使我们了解物质的基本性质。一直以来科学家们都致力于粒子加速器小型化,军事学家则希望制成能击穿钢铁的粒子枪。
北京正负电子对撞机是一台可以使正、负两个电子束在同一个环里沿着相反的方向加速,并在指定的地点发生对头碰撞的高能物理实验装置。由于磁场的作用,正负电子进入环后,在电子计算机控制下,沿指定轨道运动,在环内指定区域产生对撞,从而发生高能反应。然后用一台大型粒子探测器,分辨对撞后产生的带电粒子及其衍变产物,把取出的电子信号输入计算机进行处理。它始建于1984年10月7日,1988年10月建成,包括正负电子对撞机、北京谱仪(大型粒子探测器)和北京同步辐射装置
北京正负电子对撞机的建成,为我国粒子物理和同步辐射应用研究开辟了广阔的前景。它的主要性能指标达到80年代国际先进水平,一些性能指标迄今仍然是国际同类装置的最好水平。 而且中美科学家还于2003年7月30日在北京正负电子对撞机上首次发现一个新粒子,中美科学家合作分析研究从对撞机上得到的5800万个J粒子事例的数据时,发现了这个新的短寿命粒子。这可能是几十年前由科学家费米和杨振宁预言的多夸克态粒子。
上海同步辐射光源
上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源,它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility,简称SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台,在科学界和工业界有着广泛的应用价值,每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。
兰州重离子加速器
兰州重离子加速器兰州重离子加速器是我国自行研制的第一台重离子加速器,同时也是我国到为止能量最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器,是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器,1989年H月投入正式运行,主要指标达到国际先进水平。中科院近代物理研究所的科研人员以创新的物理思想,利用这台加速器成功地合成和研究了10余种新核素
合肥同步辐射装置
合肥国家同步辐射实验室直线加速器合肥同步辐射装置主要研究粒子加速器后光谱的结构和变化,从而
粒子加速器

粒子加速器

推知这些粒子的基本性质。它始建于1984年4月,1989年4月26日正式建成,迄今已建成5个实验站,接待了大量国内外用户,取得了一批有价值的成果。
中国科学技术大学同步辐射加速器实验室1989年4月提前建成并调试出束。机器坐落在安徽省合肥市中国科技大学西校园中。
世界上最大、能量最高的粒子加速器——大型强子对撞器(Large Hadron Collider,简称LHC)
大型强子对撞器(Large Hadron Collider,LHC),是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机,作为国际高能物理学研究之用。(全球定位点:北纬46°14′00″,东经
6°03′00″46.233333333333;6.05) LHC已经建造完成,北京时间2008年9月10日下午15:30正式开始运作,成为世界上最大的粒子加速器设施。但在2008年9月19日,LHC第三与第四段之间用来冷却超导磁铁的液态氦发生了严重的泄漏,导致对撞机暂停运转。LHC是一个国际合作的计划,由34国超过两千位物理学家所属的大学与实验室,所共同出资合作兴建的。

激光应用

美国科学家Tomas Plettner在出版的《物理评论快报》上报告,他和斯坦福大学、斯坦福线形加速器中心(SLAC)的同事一起,用一种波长800纳米的商用激光调节真空中运行的电子的能量,获得了和每米递减4千万伏的电场一样的调制效果。这一技术有望发展成新型激光粒子加速器,用来将粒子加速到Tev(万亿电子伏)的量级。
传统的加速器必须做成几百米甚至更长的庞然大物,以将粒子能量提升到粒子物理学家所需的程度。几年来,科学家发展出一种主要基于激光等离子体的技术,可获得比传统加速器更高的加速梯度,从而为缩短加速度的长度带来可能。然而,之前的一些技术往往导致同步加速器的辐射损失或降低粒子束的质量,限制了其对粒子物理学家的吸引力。
斯坦福大学研究小组开发的新方法,在用激光束加速的同时,施加一个和激光同向的纵向电场,形成叠加的加速效果。电子获得的能量自然等于纵向电场和激光束单独作用施加能量之和。该装置在真空中加速电子,而不是在复杂得多的等离子体环境中。
在自然空间,激光的相位速度——单一波长光的传播速度——比电子的速度低,因此不会影响加速效果。然而,Plettner和同事用一种镀金的带状聚合物,在电子束和光束互相作用的点上设置一条“边界线”;该线减轻了电子束和光束之间的相互影响,使两者之间产生电子加速所需的能量交换,从而克服了这个问题。
“这项工作最初、最主要的动机是想探索开发粒子加速器的可能性,从而把现有直线加速器的长度缩减一个数量级。”Plettner说,“这将导致碰撞能达1Tev甚至更高的‘紧凑’型高亮度轻子碰撞的出现。”据悉,新方法还可能导致小型X射线源技术的发展。

简史

1955年
中国科学院原子能所建成700eV质子静电加速器。
粒子加速器

粒子加速器

1957年前后
中国科学院开始研制电子回旋加速器。
1958年
中国科学院高能所2.5MeV质子静电加速器建成。
中国第一台回旋加速器建成。
清华大学400keV质子倍压加速器建成。
1958年~1959年
清华大学2.5Mev电子回旋加速器出束。
1964年
中国科学院高能所30MeV电子直线加速器建成。
1982年
中国第一台自行设计、制造的质子直线加速器首次引出能量为10MeV的质子束流,脉冲流达到14mA.
1988年
北京正负电子对撞机实现正负电子对撞。
兰州近代物理研究所用于加速器重离子的分离扇形回旋加速器(HIRFL)建成。
1989年
北京谱仪推至对撞点上,开始总体检验,用已获得的巴巴事例进行刻度。北京谱仪开始物理工作。
粒子加速器

粒子加速器

中国科技大学设计的我国最早起步的同步辐射加速器建成出光,它由200MeV电子直线加速器和800MeV储存环组成。
2004年
北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)第一阶段设备安装和调试工作取得重大进展。同年11月19日16时41分,直线加速器控制室的示波器上显示出的电子束流流强约为2A以上,标志着BEPCⅡ直线加速器的改进工作取得一个重要的阶段性成果。
2005年
北京正负电子对撞机(BEPC)正式结束运行。投资6.4亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)第二阶段——新的双环正负电子对撞机储存环的改建工程施工正式开始。新北京正负电子对撞机的性能将是美国同一类装置的3~7倍,对研究体积为原子核一亿分之一的夸克粒子等基础科研具有重要意义。

分类

粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器直线加速器回旋加速器电子感应加速器
E.卢瑟福

E.卢瑟福

利用直线加速器加速带电粒子时,粒子是沿着一条近于直线的轨道运动和被逐级加速的,因此当需要很高的能量时,加速器的直线距离会很长。有什么办法来大幅度地减小加速器的尺寸吗?办法说起来也很简单,如果把直线轨道改成圆形轨道或者螺旋形轨道,一圈一圈地反复加速,这样也可以逐级谐振加速到很高的能量,而加速器的尺寸也可以大大地缩减。
1930年E.O.劳伦斯在直线加速器谐振加速工作原理的启发下,提出了研制回旋加速器的建议。劳伦斯建议在回旋加速器里增加两个半圆形磁场,使带电粒子不再沿着直线运动,而沿着近似于平面螺旋线的轨道运动,这种改造使得加速器的电场不至于如此之长而导致电场能损失,是一个极富设想的设计发明。1931年建成了第一台回旋加速器磁极直径约10厘米,用2千伏的加速电压工作,把氘核加速到80keV,证实了回旋加速器的工作原理是可行的。在1932年又建成了磁极直径为27厘米回旋加速器,可以把质子加速到1MeV。
回旋加速器电磁铁的磁极是圆柱形的,两个磁极之间形成接近均匀分布的主导磁场。磁场是恒定的,不随时间而变化。在磁场作用下,带电粒子沿着圆弧轨道运动,粒子能量不断地提高,轨道的曲率半径也不
SLAC的直线加速器中电子枪的原理图

SLAC的直线加速器中电子枪的原理图

断地提高,运动轨道近似于一条平面螺旋线
两个磁极之间是真空室。里面装有两个半圆形空盒状的金属电极,通称为“D形电极”。D形电极接在高频电源的输出端上,2个D形电极之间的空隙(加速间隙)有高频电场产生。粒子源安装在真空室中心的加速间隙中。D形电极内部没有高频电场,粒子进入D形电极之内就不再被加速,在恒定的主导磁场作用下做圆周运动。只要粒子回旋半圆的时间等于加速电压半周期的奇整数倍,就能够得到谐振加速。用一个表达式可以表示成:
Tc=KTrt
式中Tc是粒子的回旋周期,Trt是加速电压的周期,K应该是奇整数。
这类利用轴向磁场使带电粒子做回旋运动,周期性地通过高频电场加速粒子的回旋加速器又可以分为两类:
第一类是没有自动稳相机制的。等时性回旋加速器就是属于这一类。D形电极间加有频率固定的高频加速
粒子加速器

粒子加速器

电场,粒子能量低时,回旋频率能保持与高频电场谐振,而当能量高时,粒子的回旋频率会随着能量的提高而越来越低于高频电场频率,最终不能再被谐振加速。为了克服这个困难,可以使磁场沿半径方向逐步增加,以保持粒子的回旋频率恒定。然而磁场沿半径方向递增却又导致粒子束流轴向散开。为解决这一矛盾,60年代初研制成功了扇形聚焦回旋加速器,在磁极上巧妙地装上边界弯曲成螺旋状的扇形铁板,它可以产生沿方位角变化的磁场,即使加速粒子轴向聚焦,又使磁场随半径增大而提高,保证粒子的旋转频率不变,即旋转一周的时间不变,因此被称为等时性回旋加速器。
第二类是有自动稳相机制的。属于这一类型的加速器有:(1)稳相加速器;(2)同步加速器;(3)回旋加速器

稳相

SLD事件的示意图

SLD事件的示意图

轴向磁场保持恒定,而使高频加速电场的频率随着粒子回旋频率的降低而同步降低,从而使带电粒子仍能继续被谐振加速。这类加速器又名调频回旋加速器或稳相加速器。采用自动稳相机制以后,在理论上可以将质子加速到无限高的能量,然而由于技术上和经济上的原因,历史上最大的稳相加速器的能量只达到700MeV。这一类型的加速器用来加速质子,有的用于加速掺氘核、α粒子甚至氮离子。

同步

它的主导磁场是随时间改变的以保证带电粒子在恒定轨道上回旋。为此,磁铁做成环形的,可使磁铁重量减轻。加速电场是交变的,其频率随着带电粒子回旋频率的改变而改变,以保证谐振加速。同步加速器既能加速电子,称为电子同步加速器;又能用于加速质子,称为质子同步加速器或同步稳相加速器。用于加速重离子的同步加速器,顾名思义应称为重离子同步加速器。

回旋

又称为微波回旋加速器,专门用于加速电子。这一类型的加速器中,轴向磁场是均匀的,加速电场的频率也是恒定的,而所不同的是让加速间隙位于磁极的一端,电子的轨道为一系列与加速间隙中心线相切的圆。图2.5是电子回旋加速器中电子轨道的示意图。电子每回旋一圈,就被加速一次,只要回旋周期等于加速电压周期的整数倍,就有可能进行谐振加速。电子回旋加速器的能量都不是很高,最大的也不过几十MeV,束流强度为30~120微安,大多数用于医疗和射线剂量学等方面。

环形

被加速的粒子以一定的能量在一圆形结构里运动,粒子运行的圆形轨道是由磁偶极(dipole magnet)所
粒子加速器

粒子加速器

控制。和直线加速器(Linac)不一样,环形加速器的结构可以持续地将粒子加速,粒子会重复经过圆形轨道上的同一点,但是粒子的能量会以同步辐射方式发散出去。
同步辐射是当任何带电粒子加速时,所发出的一种电磁辐射。粒子在圆形轨道里运动时都有一个向心加速度,会让粒子持续辐射。此时必须提供电场加速以补充所损失的能量。同步辐射是一种高功率的辐射,加速器将电子加速以产生同相位的X光。
除了加速电子以外也有些加速器加速较重的离子,如质子,以运作更高的能量领域的研究。譬如高能物理对于夸克及胶子的研究分析。
最早的环形加速器为 粒子回旋加速器,1912年由 恩奈斯特·劳伦斯(en:Ernest O. Lawrence)所发明。粒子回旋加速器有一对半圆形(D形)的中空盒子,以固定频率变换电场,用以加速带电粒子;以及一组磁偶极提供磁场使运动粒子转弯。带电粒子从盒子的圆心地方开始加速,然后依螺旋状轨迹运动至盒子边缘。
粒子回旋加速器有其能量限制,因为 特殊相对论效应会使得高速下的粒子质量改变。粒子的核质比与回旋频率间的关系因此改变,许多参数需重新计算。当粒子速度接近光速时,粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能让粒子继续运行,而这时可能已经达到粒子回旋加速器机械上的极限。
当电子能量到达约十个百万电子伏特(10 MeV)时,原本的粒子回旋加速器无法对电子再做加速。必须用其它方法,如 同步粒子回旋加速器和 等时粒子回旋加速器的使用。这些加速器适用于较高的能量,而不用于较低的能量。
如果要到达更高的能量,约十亿电子伏特(billion eV or GeV),必须使用同步加速器。同步加速器将粒子置于环形的真空管中,称为储存环。储存环有许多的磁铁装置用以聚焦粒子以及让粒子在储存环中转弯,用微波(高频)共振腔提供电场将粒子加速。

直线

粒子加速器

粒子加速器

带电粒子在直线中加速,运行到加速器的末端。较低能量的加速器例如阴极射线管及X光产生器,使用约数千伏特的直流电压(DC)差的一对电极板。在X光产生器的靶本身是其中一个电极。 此加速方式由Leó Szilárd提出,最后由Rolf Widerøe在1928年成功做出第一台实验装置。较高能的直线加速器使用在一直线上排列的电极板组合来提供加速电场。当带电粒子接近其中一个电极板时,电极板上带有相反电性的电荷以吸引带电粒子。当带电粒子通过电极板时,电极板上变成带有相同电性的电荷以排斥推动带电粒子到下一个电极板。为了能让粒子持续加速通过,科学家通常会把电极版设计成电极环。 所以带电粒子束加速时,必须小心控制每一个环上的交流(AC)电压,让每一个带电粒子束可以持续加速。由于粒子速度越来越快,要保持电场加速粒子效率,电击环的长度必须越来越长使电场作用在粒子的时间提高。为了保持粒子运动轨迹的稳定性,通常会使用一连串的四极电磁铁(Quadrupole magnets)强制让粒子束往中心方向聚集。
当粒子接近光速时,会由于相对论效应粒子会将电能转成质能,电场的转换速率必须变得相当高以抵抗相对论效应,须使用微波(高频)共振腔来运作加速电场。 直线加速器由于高电压的运作,会使仪器表面有感应电荷存在,这不只会造成实验误差更造成安全上的漏电,甚至这些在金属仪器表面的电能会转成更危险的热能,这造成了直线加速器必须有极限电压以保安全。加上仪器尺寸过大,高电压运作的电费更是一大负担。于是在直线加速器之后,科学家基于成本和安全要求发明了回旋加速器(Cyclotron)。 (Ernest Lawrence发明了回旋加速器并在1939年荣获诺贝尔物理奖)
虽然直线加速器有成本和安全的缺点,但是和现今的粒子加速器比较的话,它还是有高功率(短时间将粒子加速到相对论状态)和高数量输出的优点。 直线加速器也被称为Linac(LinearAccelerator的简称)。

作用方式

高能加速器条件下的有关物质结构的研究,本质上是有关自然状态下自然能团(或能簇、能子)之间的能态在量方面的相对变(转化)关系。
从弧理论的观念来看,利用高能加速器等方法来轰击类弧子结构(原子)的条件下,可得到弱相互作用关系:1、对称理论(普遍的对称性理论)2、非对称性理论,特殊条件下得之。如果轰击能子(弧合子,次原子结构),则得到强相互作用关系:渐近自由 理论等。
为什么?
上述两种作用均发生在能态层面而非物质态的层面;属能簇与能簇之间的关系。
弱相互作用:任何外来能团轰击类弧子结构时,沿时轴方向进入类弧子(从能量到能量)时,外加能量
粒子加速器

粒子加速器

在进入类弧子结果体时,便会发生弧合作用而产生出对称弧合,对外显示出释放了两个旋向相反,质量相等能团,即对称性弧合反应。外加能量的能量级被限制在被轰击的类弧子的时轴的能量(假设等于1)范围内:小于0,大于1时,均不能产生出成对的能粒子。只有在< 1, >0 的条件下,才可以生成亚粒子;在此层面上可以产生出许多亚粒子,理论上是无限多。
非对称弱相互作用:如果外加能量与类弧子的空间轴水平进入系统时,由于时间轴在空间轴上的非对称性(1/3),所有弱相互作用均发生在类弧子结构的能量交换过程中,本质上是对自然本在能态的一种人工扰动, 并非是物质的结构性改变。类弧子结构是一种能态转化过程中的普遍存在的刚性结构。当外加能量进入时,这些外加能量就被“训化”了,形成适当的次粒子并被释放出来。这些过程是可以反复和重演的。一切自然能态在其能量发生相互转化时的唯一结构体,即类弧子体。弱相互作用实际上是人工条件下对类弧子体的干扰性的物理学观察结果。自然能态犹如平静的湖面,人为的力量弄起了几丝涟纹;当这些人工干扰停顿 时,自然能态将恢复如初,并未发生丝毫的改变。人们总结出来的理论或规律,仅仅是有关那几丝涟纹的观察结果。对于自然的能本态或物质性结构仍是一无所知。
与此不同的强相互作用则全部发生在能态的能子层面(状态)。能子状态的统一结构体,即绝对弧子。其时空轴绝对同一,组成绝对弧合子的最小能量子单位,现代人称为强子。强相互作用就是研究绝对弧合子能量单元之间的关系。这里,要求人工能量要有极高的能级状态,使用很高能量时才能激发这种相互作用。强相互作用对外不显示任何新粒子产生或亚粒子对产生;也就是说,如果产生的话,则是碰撞能量的转化形式。怎样转化仅仅取决于绝对弧合子吸收人工外加能量的量值。通常情况下不产生。多以光子形式被释放掉,寿命极短。
绝对弧子好比布满麻点的皮球,其麻点对应最小能单位,在无外加能量时,每个麻点的“位置”是同一的,即自由的,任意方位均可“看”到同一个麻点的存在。对其施加外力(外加能量)时,球面将会发生塌陷,此时塌陷边缘上对称的麻点发生对称性的背离运动,似乎被分开了。由于绝对弧子自身的稳定性,也即对人工能量的排斥性,看起来似乎是两个麻点拼命想恢复原状,给的力越大,凹陷越大,回弹性就越强;凹陷越小,回弹性越弱,按照现代物理学的观点理解,即渐近自由。这些实为假象(人工制造的假象)。
概括而论,弱相互作用及其规律以及强相互作用及其规律,例如杨振宁等的非对称性弱相互作用理论和戴维?#26684;罗斯、戴维?#27874;利策和弗兰克?#32500;尔切克等的强相互作用理论,渐近自由理论都是建立在人工作用条件下的,描述自然本态在被干扰时所发生现象的物理认识理论,而非自然本态的物理理论。其根本错误在于自然认识观是错误的,唯有弧理论可以正确概括和阐述各种自然的本在态结构。
低能加速器的应用
低能加速器的应用是核技术应用领域的重要分支,,在世界各地运行着的数千台加速器中大多数是在工业、农业、医疗卫生等领域内得到广泛应用的低能加速器。低能加速器在这些领域的应用,极大地改变了这些领域的面貌,创造了巨大的经济效益和社会效益。

加速能量

从20世纪30年代到50年代后半期的20年时间里,加速器的能量增加了几百倍到几千倍。这是因
粒子加速器

粒子加速器

为要发现基本粒子。除了到宇宙线中去寻找外,就得到原子核内部去寻找。原子核内部存在非常强大的作用力,即:核力(nuclear force)把基本粒子紧紧地结合在一起,因此研究基本粒子需要很大的能量。随着加速器能量的增加,在实验室中所发现的基本粒子数目也增多了。
粒子加速器的规模已有小于一个大型机器制造厂,其用电量相当于一个中等城市,工作人员可达数千人,有宇宙粒子制造厂之称。但是,尽管今日粒子加速器能量已经够大的了,可它仍然远远不能适应探索原子奥秘的要求,因此随着人们对原子奥秘探索的深入,粒子加速器仍会不断地改进。
为止,粒子加速器的最高能量是由欧洲大型强子对撞机LHC产生的。两束能量为3.5Tev的质子束相互碰撞,能量高达7TeV。

辐照加工

应用加速器产生的电子束或X射线进行辐照加工已成为化工、电力、食品、环保等行业生产的重要手段和工艺,是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。
经辐照生产的产品具有许多优良的特点,例如:辐照交联聚乙烯电缆经105Gy剂量辐照后,其电学性能、热性能都有很大提高,使用温度辐照前为60~70℃,辐照后长期使用温度可达120℃以上。,我国已有用加速器进行辐照加工的生产线200多条。

无损检测

无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下,就能检测出它们内部的情况,判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多,例如:超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可以采用放射性同位素Co60产生的γ射线、X光机产生的低能X射线和电子加速器产生的高能X射线。尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高,作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中,在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。
射线检测的方法根据对透过工件的射线接受和处理方法的不同,又可把射线检测法分为三种:
a、射线照相
这种方法与我们体检时拍X光胶片相似,射线接受器是X光胶片。探伤时,将装有X光胶片的胶片盒紧靠在被检工件背后,用X射线对工件照射后,透过工件的射线使胶片感光,同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上,对感光后的胶片进行处理后,就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。
b、辐射成像法
这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的X射线安检系统,也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。
c、工业CT
与医用CT原理类似,CT技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速器作为X射线源的CT技术是一种先进的无损检测手段,主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达0.1%,比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密工件的缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。

离子注入

利用加速器将一定能量的离子注入到固体材料的表层,可以获得良好的物理、化学及电学性能。半导体器件、金属材料改性和大规模集成电路生产都应用了离子注入技术。我国现拥有各类离子注入机100多台。其中我国自己累计生产出140多台离子注入机,能量为150KeV~600KeV(1KeV=1×103eV),流强为0.5mA到十几mA。
1.2 低能加速器在农业中的应用
作为核技术应用装备的加速器在农业上的应用,在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面:
1)辐照育种
加速器在辐照育种中的应用,主要是利用它产生的高能电子、X射线、快中子或质子照射作物的种子、芽、胚胎或谷物花粉等,改变农作物的遗传特性,使它们沿优化方向发展。通过辐射诱变选育良种,在提高产量、改进品质、缩短生长期、增强抗逆性等方面起了显著作用。马铃薯、小麦、水稻、棉花、大豆等作物经过辐照育种后可具有高产、早熟、矮杆及抗病虫害等优点。
2)辐照保鲜
辐照保鲜是继热处理、脱水、冷藏、化学加工等传统的保鲜方法之后,发展起来的一种新保鲜技术。例如,对马铃薯、大蒜、洋葱等经过辐照处理,可抑制其发芽,延长贮存期;对干鲜水果、蘑菇、香肠等经过辐照处理,可延长供应期和货架期。
3)辐照杀虫、灭菌
,在农产品、食品等杀虫灭菌普遍使用化学熏蒸法,由于使用溴甲烷、环氧乙烷等化学熏蒸法引起的残留毒性、破坏大气臭氧层等原因,根据蒙特利尔公约,到2005年要在全球范围内禁止使用溴甲烷。因而利用加速器进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速器产生的高能电子或X射线可以杀死农产品、食品中的寄生虫和致病菌,这不仅可减少食品因腐败和虫害造成的损失,而且可提高食品的卫生档次和附加值。

应用

随着科学技术的进步,人民生活和质量的提高,人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。,加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面,即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。
1) 放射治疗
用于恶性肿瘤放射治疗(简称放疗)的医用加速器是当今世界范围内,在加速器的各种应用领域中数量最大、技术最为成熟的一种。
用于放疗的加速器由50年代的感应加速器,到60年代发展了医用电子回旋加速器,进入70年代医用电子直线加速器逐步占据了主导地位。,世界上约有3000多台医用电子直线加速器装备在世界各地的医院里。
除了应用加速器产生的电子线、X射线进行放疗外,还可应用加速器进行质子放疗、中子放疗、重离子放疗和π介子放疗等,这些治癌方法还处在实验阶段,实验的结果表明,疗效显着。但这些加速器比电子直线加速器能量高得多,结构复杂得多,价格昂贵得多,尚未普及。
利用电子直线加速器开展立体定向放疗,俗称X—刀,发展的新的放疗技术。这种技术与常规放疗相比,可多保护15%~20%的正常组织,而肿瘤增加20%~40%的剂量,可更有效地杀灭癌细胞,从而增加放疗疗效。
60年代我国医院装备了医用感应加速器,70年代中期医用电子直线加速器开始装备我国各地医院。截止到2000年初,我国已拥有各种能量的医用加速器约530台,其中国产医用加速器约250台,进口医用加速器约300台。

同位素

现代核医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤,已确定为临床应用的约80种同位素,其中有2/3是由加速器生产的,尤其是缺中子短寿命同位素只能由加速器生产。这些短寿命同位素主要应用在以下方面:
a、正电子与单光子发射计算机断层扫描—PET与SPECT
PET是由病人先吸入或预先注射半衰期极短的发射正电子的放射性核素,通过环形安置的探测器从各个角度检测这些放射性核素发射正电子及湮灭时发射的光子,由计算机处理后重建出切面组织的图像。而这些短寿命的放射性核素是由小回旋加速器制备的。最短的半衰期核素如15O仅为123秒,一般为几分钟到1小时左右。所以,这种加速器一般装备在使用PET的医院里。生产PET专用短寿命的放射性核素的小回旋加速器,吸引了众多的加速器生产厂开发研制。,国外几个加速器生产厂家生产的小回旋加速器已达到几十台。
b、图像获取
利用放射性核素进行闪烁扫描或利用γ照相获取图像的方法,可以诊断肿瘤、检查人体脏器和研究它们的生理生化功能和代谢状况,获取动态资料。例如201Tl用于心肌检查,对早期发现冠心病和心肌梗塞的定位等是最灵敏的检查手段。而这些放射性核素绝大部分也是由加速器生产的。

辐照消毒

利用加速器对医用器械、一次性医用物品、疫苗抗生素、中成药等的灭菌消毒是加速器在医疗卫生方面应用的一个有广阔前途的方向。与前面介绍加速器在食品中的杀虫、灭菌道理一样,可取代应用的高温消毒、化学消毒等方法。但灭菌需要的射线剂量要大于杀虫所需的剂量。
粒子加速器(particle accelerator)是用人工方法产生高速带电粒子的装置。日常生活中常见的粒子加速器有用於电视的阴极射线管及X光管等设施。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E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后,物理学家就认识到要想认识原子核,必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限,只有几兆电子伏特(MeV),天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高,但是粒子流极为微弱,例如能量为10^14电子伏特( eV )的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个,而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量,难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究,几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器,性能不断提高。在生活中,电视和X光设施等都是小型的粒子加速器。
应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素,并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律,促使原子核物理学迅速发展成熟起来,从而建立粒子物理学。近20多年来,加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域,在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速器广泛用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速器,其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究,它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展;其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”型加速器。