高能物理核技术

    粒子加速器

    一、简介
        粒子加速器(particle accelerator)全名为“荷电粒子加速器”,是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置。是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备[1] 。
         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。一部分低能加速器用于核科学和核工程,其余的则广泛用于从化学、物理及生物的基础研究。一直到辐射化学,射线照相、活化分析、离子注入、射线治疗、同位素生产、消毒杀菌、焊接与熔炼、种子及食品的射线处理以及国防等国民经济的各个领域[2] 。
          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。随后应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成了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了包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子。

    二、结构
    粒子加速器的结构一般包括3个主要部分 :

    ①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影响的条件下加速 ,整个系统放在真空度极高的真空室内。

    ③导引、聚焦系统,用一定形态的电磁场来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、精、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。
    三、分类
    加速器的种类繁多,到目前为止,世界上已建成或曾着手研制的不下数十种。其中的已被淘汰,有的还不成熟。被广泛采用和定型的则有十余种,它们的特点各有不同,可按不同的原则加以分类[1] 。

    1.按加速粒子种类分:

    (1)电子加速器;

    (2)离子加速器、重离子加速器;

    (3)任意带电粒子或全粒子加速器。

    2.按粒子运动轨道形状分:


    直线加速器

    直线加速器(3张)


    (1)直线加速器;

    (2)回旋加速器;

    (3)环形加速器。

    3.按加速电场种类分:

    (1)高压加速器;

    (2)感应加速器;

    (3)高频共振加速器。

    4.按聚焦方式分:

    (1)常规弱聚焦加速器;
      


    高压加速器

    高压加速器

    (2)强聚焦加速器(超导或非超导磁体)。

    5.按加速粒子能量范围分:

    (1)低能加速器 10~一101×106eV

    (2)中能加速器 102×106eV

    (3)高能加速器 1—102×109eV

    (4)超高能加速器 >1×1012eV

    6.按束流强度分为强流、中流或弱流加速器。

    以平均束流强度I计,一般大体上可以分为以下档次:

    强束流: >1A

    较强流: 1—102mA


    超级粒子加速器

    超级粒子加速器

    中等流: 约102uA

    弱束流: 1—101uA

    甚弱: <>

    四、粒子运行方式

    粒子运行方式有:直线、回旋、螺旋、自动稳向机制等。

    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厘米的回旋加速器,可以把质子加速到1MeV。

    回旋加速器的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断地提高,运动轨道近似于一条平面螺旋线。


    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

    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,1932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)。

    五、应用

    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。