粒子加速器的發(fā)展及其應(yīng)用

1、粒子加速器的發(fā)展及其應(yīng)用摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了粒子加速器的發(fā)展歷史和在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了國(guó)內(nèi)外加速器的發(fā)展現(xiàn)狀，以及加速器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：加速器、粒子、發(fā)展、應(yīng)用自盧瑟福1919年利用天然放射性元素放射出來(lái)的射線轟擊金屬箔，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)后，物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到要想認(rèn)識(shí)原子核，必須用高速粒子來(lái)轟擊原子核。在粒子加速器問(wèn)世之前，人們用于研究原子核結(jié)構(gòu)的粒子束有兩種：天然放射性核素發(fā)出的射線和來(lái)自天外的宇宙射線。然而，前者放射線粒子的流強(qiáng)太低，能量不高，因而產(chǎn)生核反應(yīng)的幾率很小。宇宙射線粒子的能量可高達(dá)eV，但其強(qiáng)度太弱，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以預(yù)料。因此，粒子加速器因運(yùn)而生。粒子

2、加速器引（particle accelerator）是用人工方法產(chǎn)生高速帶電粒子的裝置，是探索原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用的重要工具，在醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)等方面也都有重要而廣泛的實(shí)際應(yīng)用。1、粒子加速器的發(fā)展1.1直線加速器第一代加速器屬于直線加速器。一個(gè)電子經(jīng)過(guò)電勢(shì)差為1伏特的電場(chǎng)加速后的能量是1電子伏特（簡(jiǎn)寫(xiě)為1eV）。借助一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，質(zhì)子或者電子被加速。這種加速器的主要目標(biāo)是要獲得盡可能高的電壓。1932年美國(guó)科學(xué)家柯克羅夫特和愛(ài)爾蘭科學(xué)家沃爾頓建造成世界上第一臺(tái)直流加速器柯克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為40萬(wàn)電子伏特的質(zhì)子束轟擊鋰靶，得到粒子和氦的核

3、反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。這是歷史上第一次用人工加速粒子實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)，二人因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。雖然直線加速器取得了一系列的成果，但是要進(jìn)一步提高加速粒子的能量就要進(jìn)一步提高電壓，這成了直線加速器發(fā)展的瓶頸。直線加速器所加速的粒子能量比較低，這對(duì)于探索原子核、發(fā)現(xiàn)新粒子起不了很大的作用，物理學(xué)家迫切需要更高能量的粒子來(lái)轟擊原子核，探索更深層次的物理世界。1.2 回旋加速器第二代加速器是回旋加速器。1930年美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家勞倫斯提出了回旋加速器的工作原理，并于1932年建成了第一臺(tái)回旋加速器。并用它產(chǎn)生了人工放射性同位素，為此獲得了1939年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。這是加速器發(fā)展史上獲此殊榮的第一人。回

4、旋加速器的主要結(jié)構(gòu)是在磁極間的真空室內(nèi)有兩個(gè)半圓形的金屬扁盒（D形盒），與盒子垂直方向有一個(gè)恒定不變的磁場(chǎng)。D形盒上加上交變電壓，其間隙處產(chǎn)生交變電場(chǎng)。置于中心的粒子源產(chǎn)生帶電粒子射出來(lái)，受到電場(chǎng)加速，在D形盒內(nèi)不受電場(chǎng)，僅受到磁極間磁場(chǎng)的洛倫茲力，在垂直磁場(chǎng)平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)。D形盒上所加的交變電壓的頻率恰好等于粒子在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的頻率，粒子繞行半圈后正趕上D形盒上極性變號(hào)，粒子仍處于加速狀態(tài)。由于上述粒子繞行半圈的時(shí)間與粒子的速度無(wú)關(guān)，因此粒子每繞行半圈受到一次加速，繞行半徑增大。經(jīng)過(guò)很多次加速，粒子沿螺旋形軌道從D形盒邊緣引出。這種回旋加速器的能量受制于隨粒子速度增大的相對(duì)論效應(yīng)，粒子

5、的質(zhì)量增大，粒子繞行周期變長(zhǎng)，從而逐漸偏離了交變電場(chǎng)的加速狀態(tài)?；匦铀倨饕话阒荒軐①|(zhì)子加速到25MeV左右，如將加速器磁場(chǎng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)成沿半徑方向隨粒子能量同步增長(zhǎng)，則能將質(zhì)子加速到上百M(fèi)eV，稱(chēng)為等時(shí)性回旋加速器。為了對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的探索和產(chǎn)生新的基本粒子，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾(V.I.Veksler)和美國(guó)科學(xué)家麥克米倫(E.M.McMillan)各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動(dòng)穩(wěn)相原理。自動(dòng)穩(wěn)相原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命，它導(dǎo)致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產(chǎn)生：同步回旋加速器（高頻加速電場(chǎng)的頻率隨倍加速粒子能量

6、的增加而降低，保持了粒子回旋頻率與加速電場(chǎng)同步）、現(xiàn)代的質(zhì)子直線加速器、同步加速器（使用磁場(chǎng)強(qiáng)度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來(lái)維持粒子運(yùn)動(dòng)的環(huán)形軌跡，但維持加速場(chǎng)的高頻頻率不變）等。自此，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經(jīng)濟(jì)上的限制。2、粒子加速器在各個(gè)方面的應(yīng)用粒子加速器和探測(cè)器中采用了最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，它們不僅用來(lái)研究純粹粒子物理學(xué)，還廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域，帶來(lái)的成果已經(jīng)融入人們的生活之中。2.1 加速器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用2.1.1加速器與腫瘤的治療放射治療是腫瘤治療的重要手段，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有75%的惡性腫瘤患者在疾病發(fā)展的不同時(shí)期需要接受目的不同的放射治療。所有放射治療設(shè)備都必

7、須有產(chǎn)生放射線的放射源，放射源主要有四類(lèi)：發(fā)射、射線和中子射線的放射性同位素；產(chǎn)生不同能量X射線的X射線治療機(jī)；產(chǎn)生高能電子束和高能X射線的各類(lèi)醫(yī)用加速器；產(chǎn)生質(zhì)子束、中子束、負(fù)介子束，以及其他重粒子束的各類(lèi)重粒子加速器。以放射性同位素為放射源的放射治療設(shè)備和X射線治療機(jī)，在腫瘤治療方面已經(jīng)取得了明顯的成績(jī)，但是由于它們本身存在的缺點(diǎn)和弊端已經(jīng)漸漸地被摒棄。以醫(yī)用加速器為放射源的放射治療設(shè)備成為目前腫瘤放射治療的主要設(shè)備。放射治療設(shè)備的一項(xiàng)重要進(jìn)展是重粒子治療機(jī)的研制和開(kāi)發(fā)。重粒子束治療腫瘤具有以下臨床優(yōu)點(diǎn)： 目前對(duì)健康組織損傷最低的輻射療法；高治愈率，不存留腫瘤核；極少的劑量，無(wú)明顯副作用；

8、治療無(wú)痛苦感，輻照時(shí)間外患者正?；顒?dòng)；束流斑點(diǎn)發(fā)散小適合高精度治療，如頭顱；三維適形點(diǎn)掃描、實(shí)時(shí)監(jiān)控；治療周期短，療程420次。由于重粒子束在腫瘤治療方面所具有的一系列放射物理和放射生物學(xué)優(yōu)勢(shì)，重粒子成為21世紀(jì)最理想的放射治療射線，而相應(yīng)的粒子加速器的發(fā)展將會(huì)對(duì)腫瘤的治療發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。2.1.2 加速器與疾病的診斷當(dāng)今社會(huì)，放射性同位素而產(chǎn)生的同位素示蹤法已經(jīng)被廣泛的用于醫(yī)學(xué)診斷方面，而回旋加速器就成為了主要的生產(chǎn)同位素工具。回旋加速器應(yīng)用的另一重要方面是在正電子斷層顯像裝置（PET）中，正電子發(fā)射斷層顯像，是采用發(fā)射正電子的短壽命核素標(biāo)記的藥物的方法。從體外動(dòng)態(tài)地觀測(cè)人體吸收葡萄

9、糖、氨基酸等在分子水平的生理、生化過(guò)程。它既是早期診斷某些疾病的工具，又是研究人腦認(rèn)知活動(dòng)的獨(dú)特手段，2.2 加速器的工業(yè)應(yīng)用加速器用于工業(yè)生產(chǎn)，以低能加速器和離子源為主，包括輻射加工、無(wú)損探傷、離子摻雜等方面。輻射加工是通過(guò)加速器產(chǎn)生的電子束對(duì)高分子材料照射導(dǎo)致聚合物交聯(lián)，從而改善性能。電纜經(jīng)過(guò)輻照，可以大大提高耐溫，輻照后的熱縮薄膜或管材，有加熱后恢復(fù)原形的“記憶”，都有十分廣泛的應(yīng)用。輻射還可縮短噴漆、彩印的固化時(shí)間，減少了貯存待干的廠房面積。藥品、手術(shù)器械和食品的消毒、滅菌、保鮮是輻照應(yīng)用的另一些方面。使用電子加速器產(chǎn)生射線，用于大型機(jī)械鍛、鑄件中的無(wú)損探傷，已有幾十年的歷史。近年一個(gè)

10、有意義的發(fā)展是將加速器與核物理探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)集裝箱進(jìn)行不必開(kāi)箱的透視檢查。使用離子源產(chǎn)生的不同能量和脈寬的各種離子束注入到基金屬中滲雜、改性或者制造新材料，已經(jīng)得到了應(yīng)用。使用回旋加速器將金屬或陶瓷等機(jī)械零件的表面薄層活化，再根據(jù)放射性產(chǎn)生的射線，測(cè)量其磨損情況，這是檢驗(yàn)各種耐磨措施（如用離子注入提高硬度）的有效方法。2.3 加速器與農(nóng)業(yè)育種我國(guó)在太空育種方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是目前太空育種中種子的誘變是宇宙射線和太空特殊環(huán)境的綜合結(jié)果，具有被動(dòng)性、不可控、有益誘變成功的幾率低、成本高等缺點(diǎn)。因此，利用加速器產(chǎn)生高能的質(zhì)子、射線等成為了未來(lái)農(nóng)業(yè)育種的趨勢(shì)。多年來(lái)，我國(guó)科研人員利用離子

11、束對(duì)水稻、小麥、玉米、花卉、馬鈴薯、甜高粱、牧草等作物種子進(jìn)行了輻照，并選育出了一大批新品種、新品系和大量有益性狀的突變體，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2.4 加速器在環(huán)境治理方面的應(yīng)用電子束輻射技術(shù)在環(huán)保方面的應(yīng)用一直備受關(guān)注，大量的研究發(fā)現(xiàn)電子束輻照處理在“三廢”（廢水、廢氣和固體廢棄物）治理方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的填埋、投海、焚燒等處理方法相比，輻照處理“三廢”不會(huì)造成環(huán)境的二次污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。3、國(guó)內(nèi)外加速器的發(fā)展現(xiàn)狀在20世紀(jì)物理學(xué)的舞臺(tái)上,粒子加速器扮演了重要角色。在過(guò)去的幾十年里，加速器的能量每隔10年增加一個(gè)多數(shù)量級(jí)?，F(xiàn)在加速器已經(jīng)能把質(zhì)子加速到1TeV。人

12、類(lèi)向物質(zhì)結(jié)構(gòu)更深層次的探索，要求粒子加速器提供更高能量的束流。在高能量前沿有4個(gè)發(fā)展方向，一是強(qiáng)子對(duì)撞擊，二是正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)，此外還有-對(duì)撞機(jī)和子對(duì)撞機(jī)。當(dāng)今世界上用來(lái)做粒子物理實(shí)驗(yàn)的超級(jí)加速器主要有：歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC、位于美國(guó)斯坦福直線加速器中心的斯坦福直線對(duì)撞機(jī)(SLC)、美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（Tevatron）、位于德國(guó)漢堡電子同步加速器研究所的電子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（HERA）、美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重粒子對(duì)撞機(jī)(RHIC)和日本高能加速器研究組織的強(qiáng)流質(zhì)子加速器（PARC）。歐洲核子研究中心(CERN)的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Larg

13、e Hadron Collider，LHC）是現(xiàn)在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)坐落于日內(nèi)瓦附近，是一個(gè)國(guó)際合作的計(jì)劃，由世界34個(gè)國(guó)家超過(guò)兩千位物理學(xué)家所屬的大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室，所共同出資合作興建的。它將對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的驗(yàn)證等粒子物理學(xué)的發(fā)展發(fā)揮重要的作用。相比于國(guó)外，我國(guó)的加速器的發(fā)展起步較晚，但是發(fā)展迅速。1988年10月我國(guó)首個(gè)高能加速器北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所建成。BEPC投入運(yùn)行后，對(duì)撞機(jī)的亮度迅速達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，在18.9億電子伏時(shí)為成為在-粲能區(qū)性能具國(guó)際領(lǐng)先地位的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置。20世紀(jì)90年代以來(lái)，北京譜儀合作組在對(duì)撞機(jī)上獲得了輕子質(zhì)

14、量精確測(cè)量、R值精確測(cè)量、膠子球的研究和新粒子的發(fā)現(xiàn)等一批國(guó)際領(lǐng)先的重大成果，在國(guó)際權(quán)威的粒子數(shù)據(jù)表上就有400多項(xiàng)數(shù)據(jù)是在北京譜儀合作組在對(duì)撞機(jī)上測(cè)定的，高能物理研究所也躋身于世界八大高能加速器實(shí)驗(yàn)中心之一。目前，我國(guó)比較大型的加速器主要有：國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、蘭州重離子加速器、新竹同步輻射研究中心（臺(tái)灣）等。雖然我國(guó)的加速器取得了一定的成果，但是相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)，我國(guó)加速器給粒子加速的能量偏低。我國(guó)的加速器發(fā)展及粒子與原子核物理的研究還有很長(zhǎng)的一段路要走。4、加速器的發(fā)展趨勢(shì)電子、質(zhì)子和其他粒子的加速器和對(duì)撞機(jī)是粒子物理實(shí)驗(yàn)的先決條件。許多重大的發(fā)現(xiàn)均依賴(lài)于日益強(qiáng)大的加速器。總的來(lái)說(shuō)，只有兩

15、種類(lèi)型的加速器有可能成為下一代很高能量的機(jī)器，其一為環(huán)形質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，其二為直線電子正電子對(duì)撞機(jī)。國(guó)際和地區(qū)間的合作將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。由于加速器昂貴的造價(jià)和維護(hù)，任何一個(gè)國(guó)家想要單獨(dú)建造大型的加速器變得不太現(xiàn)實(shí)，國(guó)際間的合作顯得更加重要。5、結(jié)束語(yǔ)在21世紀(jì)，粒子加速器將繼續(xù)向高能量前沿和高亮度前沿推進(jìn)。加速器將為粒子物理、核物理的研究及諸多學(xué)科和社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。參考文獻(xiàn)：1 張闖. 粒子加速器的回顧與展望J. 核科學(xué)與工程, 2001年第1期：39-44.2 Martinus Veltman. 神奇的粒子世界M. 北京:世界圖書(shū)出版公司,2007:198. 3、4 景心. 粒子加速器的發(fā)展歷史J. 國(guó)外科技動(dòng)態(tài),2005年第2期:6-10.5 6 葉建紅等. 腫瘤放射治療設(shè)備及其進(jìn)展J. 醫(yī)療保健器具,2007年第6期:37-39.7 陳學(xué)忠等. 重離子束治療腫瘤臨床研究結(jié)果J. 甘肅醫(yī)藥,2008年第27卷第1期:1-2.8、 9 謝家麟. 加速器與科技創(chuàng)新M. 北京：清華大學(xué)出版社，2000:274210 “2007年全國(guó)離子束輻射育種機(jī)理及應(yīng)用專(zhuān)題討論會(huì)”會(huì)議紀(jì)要. 原子核物理評(píng)論，2008年6月，第25