粒子加速器,那是啥科技

在腐朽的西方资本主义世界，有一个大人物叫做托尼・斯塔克，这位大侠长期使用一种叫做“钯”的元素来给自己补充能量，叱咤美国武林，人送绰号“钢铁侠”。可没想到这种内功大补丸还有很强的毒性，钢铁侠眼瞅着就要被钯元素侵害致死，还好他老爹还留下了一本武林秘籍绝本给他以防万一，钢铁侠按照上面的指引终于成功炼制出了无毒无污染的新元素来做补药。想必看过美国大片《钢铁侠2》的朋友都不会对上丽的这顿胡诌乱侃感到陌生，在托尼斯塔克合成新元素的过程里，唱主角的就是我们今天所要介绍的粒子加速器。

基本原理

首先咱们先引用一下专业人士对粒子加速器的定义。这是一种利用电磁场加速带电粒子的装置。它可以加速电子、质子、离子等带电粒子，使粒子的速度达到几千公里／秒、几万公里／秒，甚至接近光速(30万公里／秒，根据爱因斯坦老儿的相对论原理，只能无限接近光速，达不到光速)。在电影中，钢铁侠所使用的粒子加速器可谓是科幻味道十足，绚丽的光束、惊人的威力把人看得一愣一愣的，其实粒子加速器这东西距离咱们普通人的生活也并不遥远。很多童鞋每天面对的电视、电脑显示器所使用的显像管就是一台小的电子加速器。喜欢研究电脑硬件的Geek可能知道，显像管有玻璃密封外壳，内部是真空的，一端的电子枪产生的电子束经过聚焦线圈聚焦后在高压电极的作用下加速向前运动，在偏转电极的作用下，自上而下做水平方向的扫描，投射到荧光屏上形成明暗不同的亮点(关于CRT的原理请见2010年6期《Geek》)。

研究背景

人和动物的本质区别是什么?小时候老师告诉我们，人是会创造和使用工具的，而动物最多只有使用工具，而不会创造工具。那人类创造工具是为了什么啊?老师又告诉我们了，是为了认识世界、改变世界的。自从人类解决了基本的生存问题后，就开始没事瞎思考了，东方也好，西方也罢，都在琢磨着世界的组成，西方智者认为大自然中是由土、火、空气和水四种基本元素组成的。东方英杰则认为万物由金、木、水、火、土五种基本元素构成。这时候人们认识事物只能通过肉眼观察，谈不上用道具。

后来伽利略、虎克这些人又弄出了望远镜、显微镜这一类的东西，人类才算用自己发明的工具去看宏观和微观的世界了。到19世纪末的时候，随着化学的进步，人们已经认识到物质是由分子组成的，而分子是由原子(量度为10-8厘米)组成的。英国物理学家卢瑟福在1919年根据放射性同位素产生的a粒子对金箔的散射实验结果提出了原子结构模型，人类对微观物质的研究就进入了更为细致的核物理时代。1925年，法国物理学家德布罗意提出运动的粒子也具有波的性质，根据这个理论，电子的能量越大，相应的波长越短，用被加速的电子束照射物体，可以得到物体的放大图像，电子显微镜应声而出，用它就已经可以观察到分子、原子尺度的微观物体了。

可在电子显微镜发明之后，人们对微观事物的观察就似乎陷入了一个瓶颈，再怎么看也只能看到这个量级了，于是有人就又想到了当年卢瑟福所做的那个轰击实验。既然现在咱们看表象只能到这种程度，那不妨就把研究对象给轰开，改变研究对象的状态，分析改变后的结果来了解微观物质的组成和运动规律。在这种思想的指引下，粒子加速器的发明制造也就成了理所当然的事情。当科学家们开始用粒子加速器玩上了打靶游戏，他们就开始变得一发不可收拾，因为这东西实在是太好玩了，变化多多，满意多多，粒子加速器的能量越大，元素的研究发现就越大。凭借着粒子加速器的帮助，人类对物质的组成有了更深层次的认识：原子核是由质子和中子组成的，质子和中子是由夸克组成的。夸克是人类目前认识到的最小物质单元，它的尺寸小于10-16厘米。夸克以及包含电子在内的6种轻子被认为是物质最基本的组成单元。科学们继续用粒子加速器轰啊轰，近年来又发现夸克可能是由更小的粒子组成的迹象，于是乎，大家猜也应该猜到了，能量更高的粒子加速器正在研制中。

发展历程

粒子加速器的发明启迪还得从卢瑟福谈起，想当年他的那个轰击实验用的天然放射性元素放射出来的n粒子束(氦核)来进行撞击的，这是人类历史首次实现元素的人工转变。但卢瑟福的这个实验有个比较明显的缺点，就是粒子束的能量比较低，只有几兆电子伏特，要想把元素轰得更彻底，这个能量显然是不够的。1928年的时候，苏联物理学家伽莫夫又给科学家们打了一针兴奋剂，他的关于量子隧道效应的计算表明，能量远低于天然射线的a粒子也有可能透入原子核内，这个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，为此也就需要来制造粒子加速器来提高冲击炮弹的能量。

条条大路通罗马，为了提高粒子的能量，科学家们产生了不同的粒子加速器设计方案，静电加速器、回旋加速器、倍压加速器等想法几乎同时被提出。1932年美国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建造成了世界上第一台高压直流加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到a粒子和氦的核反应实验。在接下来的1933年，美国科学家凡德格拉夫发明了另一种高压方法的直流粒子加速器。以上两种粒子加速器能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。各位看官可能想了解的更具体些，不要着急，咱们这个篇章主要是介绍发明过程，接下来会有章节来介绍比较主流的粒子加速器类型。同样是在1932年，美国物理学家劳伦斯制作了第一台回旋加速器，几年后，他用由回旋加速器获得的4.8MeV氢离子和氘束轰击靶核产生了高强度的中子束，还首次生产出了钠24、磷32和碘131等人工放射性核素。可是由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，可这个能量强度对于物理学家们来说还是远远不够的。为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，他们必须研究出能建造更高能量的粒子加速器，而当时的情况是，科学理论已经开始有点支持不住了。

1945年，苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，这个原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它推动了一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器、现代的质子直线加速器、同步加速器等等。由此加速器的建造已经解决了理论限制，但经济上却面临着新的困难。因为随着能量的提高，加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上还是被限制在了1GeV以下，但科学家们还对10GeV以上的能量望眼欲穿呢。

事实证明，解决经济问题的最好办法还是科学理论的进步，1952年美国科学家柯隆、利文斯顿和施耐德发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建 造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。强聚焦原理的应用很快就体现出了巨大的价值，美国布鲁克海文国家实验室很快就依旧这个原理制造出了33GeV能量的强聚焦质子同步加速器。

上面介绍的主要都是质子加速器，电子加速器也有自己的发展历史。1940年美国科学家科斯特研制出世界上第一个电子感应加速器，但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量，可以允许更大的辐射损失，极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50Gev，但这个能量并不是理论的限度，而是造价过高限制其只能达到这一水准。

截止到目前的粒子加速器都是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量的变化来进行分析。在1960年，意大利科学家陶歇克提出这个思路可以变一变，何不采取两束加速粒子对撞的方式来进行一场革命?他在意大利的弗拉斯卡蒂国家实验室建成了直径约1米的Ada对撞机，从此引领加速器进入到对撞机时代，此后西方国家、俄罗斯、中国都对对撞机投入了很大的研发精力，随着各项相关技术的提高，对撞机已经可以把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10～1000TeV，实现了一次跨越性的发展。

主要类型

粒子加速器的分类有多种方法，按照效能来分，粒子能量在100Mev以下的称为低能加速器，能量在0.1～1GeV间的称为中能加速器，能量在1GeV以上的称为高能加速器；按照被加速粒子的种类，加速器可分为电子加速器、质子加速器和重粒子加速器等；按照加速电场和粒子轨道的形态，又可分为高压倍加器、静电加速器、电子直线加速器、电子回旋加速器、对撞机等等。近年大中型的粒子加速器往往采用多种加速器的串接组合，这样的系统组合更加有利于发挥每一类加速器的效率和特色。高压倍加器：利用倍压整流方法产生直流高压，对离子或电子加速。高压倍加器由高压倍压整流电源，离子源(或电子枪)，加速管，聚焦和传输系统，真空和控制系统组成。一般倍压整流器可输出直流高压从几百千伏到兆伏级。高压倍加器的输出功率较大，可以用作较理想的中子源、x光源少离子注入机。

静电加速器：利用直流高压静电场对带电普子进行加速的高压型加速器。高气压型静电加速器把静电发生器、离子源和加速管等封在钢筒内，充以高压绝缘气体形成封闭结构。在静电加速器中，被加速离子的能量连续可调，离子的能量单一，可加速多种离子或电子，离子束聚焦良好，离子束靶点小。静电加速器是低能核物理实验的理想工具，同时还广泛应用于离子注入，材料分析、材料辐照等领域。

电子直线加速器：利用射频电场来加速电子的直线轨道加速器，由电子枪、加速管、射频功率源、射频传输、真空、冷却水、束流引出和控制等系统组成。这种加速器的应用最为广泛，全世界如今已有数千台电子直线加速器用于放射治疗、无损探测、辐照加工和科学研究等诸多领域，前文提到的显像管就是应用之一。

电子回旋加速器：利用在均匀磁场中放置的具有一个加速间隙的微波谐振腔来加速电子的加速器。经典电子回旋加速器由于其腔体加速电压和轨道圈数的限制，以及腔体冷却的限制，使得加速器的输出粒子能量和平均流强均较低。为了提高电子束的输出能量，经典电子回旋加速器发展成为跑道式电子回旋加速器，原来的一块磁铁由两块端磁铁所代替，原来的一个加速间隙由一个电子直线加速器所代替。这种加速器在医学方面有较广泛的应用。

对撞机：对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置，其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流，到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞，以产生足够高的相互作用反应率，从而便于测量。对撞机是目前最为尖端的粒子加速器，根据对撞性质和用途的不同又分为：电子，正电子对撞机、质子－质子对撞机、质子，反质子对撞机、电子－质子对撞机、电子直线对撞机、大型强子对撞机等。对撞机主要是用来进行物理研究，科学家们试图用其来还原宇宙大爆炸来探究宇宙的起源，这其中唱主角的就是强子对撞机。

巨大成就

自上个世纪50年代以来，利用粒子加速器研究微观粒子取得了令人瞩目的成就。科学家利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；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，建立了粒子物理学。

粒子物理的基本理论是格拉肖、温伯格和萨拉姆提出的“标准模型”。标准模型统一了电磁相互作用和弱相互作用(称为电弱相互作用)，并预言了传播弱相互作用的粒子Z和W±。1983年，C・鲁比亚实验组等在欧洲核子中心540GeV的高能质子，反质子对撞的实验中发现的W±和Z0规范粒子，质量及特性同理论上期待的完全相符，这给予电弱统一理论以极大的支持。近几十年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，以加速器技术为基础的大科学平台在材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其他科技领域都有着重要的应用。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。

《Geek》的话

自世界上建造第一台加速器以来，七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级，同时每单位能量的造价降低了约4个数量级，轨道中的粒子最高被加速到了光速的99.9999991％。一来一去，不仅创造了无数科学史上难得一见的奇迹，期间有多名科学家也因粒子物理学获得了诺贝尔物理学奖。而粒子加速器在进入到21世纪之后更是向高能量前沿不断推进，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，甚至肩负起了探索宇宙起源的使命，其未来的发展，依旧是不可限量。