粒子加速器的回顾与展望

第21卷　第1期核科学与工程Vo1.21　No.1　2001年　3月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineeringMar.　2001

收稿日期:2001202214作者简介:张闯(1944—),1968年毕业于清华大学工程物理系加速器专业,研究员,博士生导师,长期从事粒子加速器研究,参加北京正负电子对撞机设计、研制、运行、

改进等工作。粒子加速器的回顾与展望

张　闯

(中国科学院高能物理研究所,北京市918信箱,100039)

摘　要:在回顾20世纪加速器能量提高和技术的发展的基础上,展望了粒子加速器向高能量前沿、高亮度前沿、实际应用以及新原理、新技术的发展。关键词:粒子加速器;束能;亮度

1　加速器的能量提高和技术发展

在20世纪物理学的舞台上,粒子加速器扮

演了重要角色。在粒子加速器问世之前,人们

用于研究原子核结构的粒子束有两种,一种是

天然放射性核素发出的射线,另一种则是来自

天外的高能宇宙射线。前者固然简单方便,但

放射线粒子的流强太低,能量不高,因而产生核

反应的几率很小。宇宙线粒子的能量可高达

1021eV,但其强度太弱,适宜于做定性的研究。

就这样,粒子加速器作为一种利用电磁场将带

电粒子加速到高能量的人工装置,在20世纪

30年代初应核物理研究之运而生。用加速器作为“显微镜”研究物质微观结

构,其分辨能力λ(deBroglie波长)与产生的束

流的能量E相关:

λ=hp=hcEβ(1)

式中,p为粒子动量,β为相对论速度,h=4114×10-24GeV・s为普朗克常数,c为光速。对于

E=1GeV,由式(1)得λ～1×10-13cm,与质子

的直径相当。因此,为了研究质子和中子的结

构,束流的能量须高于1GeV。这也是把1

GeV作为中能与高能之分界的原因。现在加速器已能把质子加速到1TeV,相应的实验分

辨力达到10-16cm,深入到强子的内部。

在过去的60多年间,加速器的能量每隔

10年增加一个多数量级,而单位能量的造价则大大下降。这些改进是与粒子物理互相促进、

同步发展,也是加速器原理和技术发展的结果。

图1展示了加速器能量逐年增加的情况。

相应于直流高压、交变磁场和高频电场这

三种电磁场形态,产生了高压型、感应型和高频

共振型三类加速器。最早的加速器是高压型加

速器。这种加速器的能量受击穿电压的限制,导致了回旋加速器的发展。在回旋型加速器

中,引进磁场使束流沿曲线轨道运动,实现高频

电场或感应电场对带电粒子的多次加速,其偏

转半径

ρ=pcZeB(2)

式中,B为主导磁场强度,e为电子电荷量,Z为粒子电荷数。可见在给定束流能量和种类的

情况下,如要减小加速器的偏转半径(从而机器

尺寸),需要尽可能采用高磁场。

为了克服在恒频的回旋加速器中粒子能量

增加引起的滑相,出现了调频回旋、电子回旋和

等时性回旋加速器。在回旋型加速器中,主导

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图1　粒子加速器的速流能量逐年提高的情况Fig.1　Beamenergyincreaseofparticleaccelerators

磁场必须覆盖不同半径的螺旋线轨道。为了解

决由此引起的磁铁庞大的问题,又发明了磁场

随束流能量提高而增强的同步加速器,将束流

约束在环型真空盒内。弱聚焦加速器真空盒截

面太大限制了能量进一步提高,导致了交变梯

即强聚焦加速器的出现。环型加速器中,特别

是电子环型加速器中,存在的同步辐射阻碍向

更高能区推进,促进了直线型加速器的发展。

常规的磁铁和高频腔的功率损耗限制加速器向

超高能进军,促进了超导技术在加速器中的应

用。而让两束相向运动的粒子对撞来提高有效

作用能的对撞机,则把束流的等效能量推向新

的高度。

高能物理需要寻找新粒子,研究新反应,因

而关心的是质心系能量或有效作用能。在打静

止靶情况下,有效作用能

ECM≈2E0E(3)

即大部分能量浪费在对撞粒子及其产物的动能

上。式中,E0为粒子的静止能量。对撞机则可

使束流的能量得以充分利用:ECM=2E(4)

在图1中的“等效能量”即为达到该对撞机的质心系能量所需打静止靶束流的能量:

Eeff=ECM2/2E0(5)

对撞机在粒子物理近20年激动人心的进展中崭露头角,已成为一种占主导地位的高能加速器。20世纪70年代J/ψ粒子、τ轻子和Υ

粒子等都是同时或相继在打静止靶加速器和对撞机上获得的,而能量更高的中间玻色子W±

和Z0以及近年发现的t夸克,则是在对撞机上找到并加以研究的。对撞机赢得了有效作用能,但要获得能与打静止靶加速器相比拟的反应事例,必须提高其对撞亮度:

N=L・σ(6)这里,σ是反应截面,N为反应事例数,L为对撞亮度。因而,为了提高亮度,又需要在加速器中储存尽可能多的粒子(N1,N2)、减小对撞束团的包络尺寸(σx,σy),并提高对撞频率(f):

L=fN1N24πσxσy(7)

04 由此可见,更高的能量和更高的亮度(性

能),是高能加速器发展的两个前沿。与此同

时,加速器还将更广泛地应用于国民经济的诸

多领域。为了达到这些目标,还需要不断探索

加速粒子的新技术和新原理。

2　高能量前沿

在高能量前沿有三个发展方向,一是强子

对撞机,二是正负电子线型对撞机,三是μ子对

撞机。

在强子对撞机方面,美国的相对论性重离

子对撞机RHIC已经建成,它可以加速从质子

(250GeV)直到金离子(100GeV/核子)并使之对撞[1]。自从SSC计划被否决后,人们就把希

望寄托在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机

LHC上[2]。LHC将安装在周长为27公里的

LEP隧道中,可以把质子束加速到2×7TeV,亮度达1×1034cm-2s-1,计划在2005年建成。与此同时,人们又在讨论更高能量的强子对撞

机VLHC[3]。

环型电子对撞机向更高能区发展遇到了同

步辐射能量损失随束流能量的4次方增长的困

难,因此,线型对撞机作为新一代高能对撞机而

得到世界各国的重视。目前,世界上有四台能

量为2×250GeV,亮度为(1～10)×1033

cm-2s-1的线型对撞机在设计研究中,它们是

美国的NLC,日本的JLC,德国的TESLA和欧

洲的CLIC[4]。目前各国正在积极进行关键技

术研究和试验装置建造,争取在本世纪初着手

建造新一代线型对撞机。在线型对撞机中用激

光与高能正负电子作康普顿散射,再让所产生

的高能γ光子对撞,这就是研讨中的光子对撞

机。

另一种正在研究中的高能轻子加速器是μ

子对撞机[5]。μ子和电子一样,也是一种轻子。

由于μ子的质量约比电子大200倍,同步辐射

损失小,容易在环形加速器中被加速到更高能

量。μ子是一种不稳粒子,其静止寿命约为2μs。由于相对论效应,在被加速到高能量时粒

子寿命将以γ倍因子提高,因而仍有可能得到

足够的对撞时间。在μ子对撞机中μ子衰变时

会产生大量中微子,可用以研究中微子物理。因此,μ子对撞机同时又是中微子工厂。

3　高亮度前沿

在前驱的加速器上发现发新粒子、新现象

之后,需要建造新的高性能加速器或高亮度对

撞机,以便在这已知又知之不多的能区进行更

深入、更细致的研究。在高亮度前沿有强流加

速器和高亮度环形正负电子对撞机2粒子工厂

两个方面。

在强流加速器方面,继美国的连续电子束

CEBAF建成之后,世界上有多个用作π介子工厂和散裂中子源的强流质子加速器在研制、发

展中。日本最近批准强子装置JHF的计划,它

包括一台400MeV的质子直线加速器,一台3

GeV快速强流增强器和一台50GeV强流质子同步加速器,开展K介子稀有衰变和CP破坏、μ子物理、中子物理以及中微子振荡等方面的研究。正在建造中的兰州重离子冷却储存环将

放射性束、高品质重离子束技术相结合,具有束

流能量范围宽(低、中能和高能低端)、束流种类

多(丰中子、丰质子放射性核束,特别是远离稳

定线极短寿命的滴线核束,同质异能态束,以及

高离化态重离子束等)、束流品质高、准连续运

行和能量灵活可调等优点,在未来10年中将具

有明显的先进性[6]。

在正负电子对撞机2粒子工厂方面,意大利

的φ介子工厂DEΦNE已经建成[7],但对撞亮度离设计指标还有一个数量级以上的差距。两

台B介子工厂,即美国的PEP2Ⅱ[8]和日本的

KEKB[9],在1998年相继建成后已投入运行,经过努力目前亮度已达到2×1033cm-2s-1以

上,成为目前亮度最高的对撞机,正在大量“生

产”B介子,深入进行B系统中的CP破坏等方

面的研究。在所有这些粒子工厂中,并没有τ2

粲粒子工厂。北京正负电子对撞机(BEPC)目

前是,而且在今后若干年或更长时间里仍然是τ2粲能区国际领先的对撞机,性能居τ2粲能区

的亮度前沿[10]。

4　加速器的应用

在加速器的诸多应用中,产生于GeV级的

电子储存环中的同步辐射算得上是最有价值、

14应用最广的一种。同步辐射最初是作为电子同

步加速器的有害产品而加以研究的,现在已成

为一种有着广泛应用的高性能光,在物理学、化

学、生物学、医学、地质学、材料科学、微电子和

微加工等等领域有着广泛应用。目前,世界上

有35台同步辐射光源在运行,有13台在建造

中,还有近20台在设计阶段。我国正在筹建以

高性能、宽波段、高效性、短脉冲和长寿命为特

点的上海同步辐射装置[11]。同步辐射X射线

衍射和X射线光谱学来测定物质结构,研究宏

观量子现象和复杂体系物理,在生物学和医学

方面用于研究生物大分子结构及其与功能的关

系,在工业上可用以生成更具活性的蛋白质如

酶,发展以结构为基础的制药技术。利用同步

辐射光的高耀度和时间结构,可用于研究急剧

变化中的材料特性和相变,这对于改进化工和

冶金的工艺有重要价值。同步辐射也将推动微

电子机械新产业的发展。

自由电子激光器(FFL)是近20年内发展

起来的一种将加速器产生的电子束能量逆转为

激光的装置。与原子、分子中的束缚态电子的

轨道跃迁为机制的普通激光器不同,FEL的

“工作物质”是自由的电子,因而具有高功率、高

效率和宽频率调谐范围等一系列优点,成为各

国竞相发展的技术。目前世界上已有数十个大

型装置已在运行。我国在FEL方面,特别是在

其低频段,已有长足发展[12]。加速器提供的电

子能量和波荡器场强愈高,所输出激光的频率

也愈高。因此,改变电子束的能量和波荡器场

强,就能获得所需频率的激光。用于FEL的加

速器可以是电子储存环或电子直线加速器。高

能加速器对应的通常是紫外以上频段的FEL。

电子直线加速器能提供低于激光波长的发射度

的GeV级电子束,因而在X特别是硬X波段

比电子储存环更具优势,FEL在激光光谱学、

光通信、光雷达、光化学、超导技术、激光加工、

激光医学个激光驱动核聚变等方面有着广泛的

应用前景。

自20世纪90年代起,强流质子加速器已

成为国际上的一个重要发展方面。强流脉冲束

质子加速器可用作散裂中子源。与X射线相

比,用中子作为“探针”具有能精确测定较轻原子特别是氢原子的位置、能区分元素周期表上

的近邻原子和同位素、能直接测定原子的磁结

构以及具有很强的穿透力等特点。与反应堆产

生的中子相比,散裂源中子束具有脉冲性、高分

辨、低本底和能量范围大等优点。是生命科学、

材料科学和核物理研究的有效手段,在国防建

设、新型核能开发以及同位素开发、核医学和中

子照相等方面的有重要的应用价值。在这些研

究和应用领域,散裂中子源是与同步辐射装置

互相补充的、不可取代的装置。正因为如此,美

国、欧洲、日本等国都在大力发展高通量的一代

散裂中子源,我国科学家也正在积极研究建造