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1、核科学技术学院核科学技术学院参考书目1陈佳洱，加速器物理基础，原子能出版社(1993)2徐建铭，加速器原理，科学出版社(1981)3桂伟燮，荷电粒子加速器原理，清华大学出版社(1994）4谢家麟，加速器与科技创新，清华大学出版社，暨南大学出版社(2000)5冼鼎昌，神奇的光一同步辐射，湖南教育出版社(1994）6方守贤，梁岫如，神通广大的射线装置-带电粒子加速器，清华大学出版社(2001)7顾本广，医用加速器8 W.Scharf,Particle Accelerators and Their Uses，Harwood Academic Publishers(1986）9 P.Metcalfe,
2、the Physics of Radiotherapy X-Rays from Linear Accelerators,Medical Physics Publishing(1977）10 M.S.Livingston,High-Energy Accelerator,Interscience Publishers,Inc.New York(1954)11 C.J.Karzmark,C.S.Nunan,E.Tanabe,Medical Electron Accelerators,McGRAW-HILL,INC.(1993）第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 加速器的基本构成加速器的基本构成 第
3、二节第二节 加速器的发展历史加速器的发展历史 第三节第三节 加速器的分类加速器的分类 第四节第四节 加速器的应用加速器的应用第五节第五节 粒子运动参量的相对论表述粒子运动参量的相对论表述 第一节加速器的基本构成第一节加速器的基本构成 粒子加速器粒子加速器particleaccelerator用人工方法借助于各种不同形态的电场，将各种不同种类的带电粒子加速到更高能量的电磁装置产生各种高能量的带电粒子束，是人们变革原子核和“基本”粒子、认识物质深层结构的重要工具；在工农业生产、医疗卫生、科学技术、国防建设等各个方面都有重要而广泛的应用。研制各种加速器的目的研制各种加速器的目的入射粒子与靶物质作用后
4、入射粒子与靶物质作用后产生的粒子或射线产生的粒子或射线探测和分析这些出射粒子探测和分析这些出射粒子可获得核过程信息。可获得核过程信息。1 离子源离子源2 加速加速 聚焦聚焦3 偏转偏转4 靶物质靶物质加速器加速器人工方法产人工方法产生高能量带生高能量带电粒子束的电粒子束的机器机器加速器基本结构和工作原理加速器基本结构和工作原理 基本要求和功能基本要求和功能1 1 提高带电粒子的能量提高带电粒子的能量2 2 增加带电粒子束的强度增加带电粒子束的强度 3 3 使粒子束同靶物质作用使粒子束同靶物质作用4 4 带电粒子在真空管道中行进带电粒子在真空管道中行进产产物物加速器的基本构成加速器的基本构成1
5、粒子源粒子源 如电子枪、离子源、极化粒子源等，用以提供所需加速的各种粒子。2 真空加速系统真空加速系统a)加速管或加速腔；b)控制束流运动轨道的导引、聚焦系统电磁场系统；c)真空系统。带电粒子的加速过程必须在真空条件下进行，以免与气体分子碰撞而损失。3 束流输运束流输运 分析系统分析系统多数加速器还设有由若干弯转磁铁和电磁四极透镜等组成的，用以在源和加速器之间、加速器和靶之间，或当多个加速器串接工作时，在加速器之间输运和分析所需的粒子束。4 辅助系统辅助系统 电源系统、控制系统、冷却系统等。1919年E.卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源实现了第一个人工核反应 从而激发了人们寻求用
6、人造快速粒子源来变革原子核的设想。第二节加速器的发展历史第二节加速器的发展历史 用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2109厘米/秒的高速 粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了第一个人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，1928年年G.伽莫夫伽莫夫关于量子隧道效应的计算后。静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。IIIIII19321932年英国科学家年英国科学家科克科克罗夫特夫特（J.D.Cockcroft
7、J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃和爱尔兰科学家沃尔顿尔顿(E.T.S.Walton)E.T.S.Walton)建造成世界上第建造成世界上第一台一台800800keVkeV直流加速器直流加速器命名为柯命名为柯克罗夫特克罗夫特-沃尔顿高压倍加器，以能量沃尔顿高压倍加器，以能量为为0.40.4MeVMeV的质子束轰击锂靶，得到的质子束轰击锂靶，得到 粒子和氦的核反应实验。粒子和氦的核反应实验。实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反应实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反应,Li(p,)He。“点石成金点石成金”，因此获得了，因此获得了19511951年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖
8、。1941年美国科学家利用年美国科学家利用200Hg+1H-197Au+4He人们利用加速器制造比黄金贵千万倍的贵金属人们利用加速器制造比黄金贵千万倍的贵金属科克罗夫特：科克罗夫特：19141914年进入曼彻斯特大学学习数学，年进入曼彻斯特大学学习数学，19181918年年转到技术学院，改学电气工程，转到技术学院，改学电气工程，19221922年获硕士学位，又进年获硕士学位，又进到剑桥大学在到剑桥大学在19241924年取得了数学学士学位。就留在卡文迪年取得了数学学士学位。就留在卡文迪什实验室，跟随卢瑟福教授工作。科克罗夫特和沃尔顿的什实验室，跟随卢瑟福教授工作。科克罗夫特和沃尔顿的这一成就的
9、重大意义在于他们首次用人工控制的方法改变这一成就的重大意义在于他们首次用人工控制的方法改变了原子体系中的粒子，他们用诱导核反应的方法释放出了了原子体系中的粒子，他们用诱导核反应的方法释放出了威力巨大的原子能，他们的实验为爱因斯坦所建立的质能威力巨大的原子能，他们的实验为爱因斯坦所建立的质能关系理论提供了第一个最重要的证据。瑞典皇家科学院于关系理论提供了第一个最重要的证据。瑞典皇家科学院于19511951年年1010月月1515日决定把该年度的诺贝尔物理奖颁赠给科克日决定把该年度的诺贝尔物理奖颁赠给科克罗夫特教授和沃尔顿教授。罗夫特教授和沃尔顿教授。19331933年美国科学家凡德格拉夫年美国科
10、学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器命名为凡德格拉夫静电加速器静电加速器。它的能量均匀度高它的能量均匀度高,被被誉为核结构研究的精密工具誉为核结构研究的精密工具。高压加速器和静电加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。静电加速器奈辛(G.Ising)于1924年，维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。回旋加速器回旋加速器劳伦斯(E.O.Lawrence)美国实验物理学家1
11、932年建成了回旋加速器，并获得人工放射性元素为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。他们通过人工加速的p、d和等粒子轰击靶核得到高强度的中子束，首次制成了24Na、32P、131I等医用同位素。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。劳伦斯(ErnestOrlandoRawrence)是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者1劳伦斯与奥本海默的分歧在伯克利辐射实验室，劳伦斯和奥本海默被指定为这一事业中执行主要任务的科学家。他们把37寸的回旋加速器转换为质谱仪。用于田纳西州的橡树岭实验室，为制造轰炸广岛的原子弹提供所需的U235。第一颗原子弹就是在橡树岭实验室制造的。后来劳伦斯积极地倡议制造另一更大破坏
12、性的武器，(亦称氢弹)。奥本海默反对这种倡议，在所谓美国的合理防务形势问题上他与劳伦斯发生深刻的分歧，因而结束他们长期的友谊。2出色的教育家正如1968年度获奖的阿尔瓦雷兹所指出的，劳伦斯的影响的标志之一就是这样一个事实：我是他那实验室工作人员中第八个获得了科学家所能获得的最高荣誉诺贝尔奖金的人。3“大科学”创立人劳伦斯在伯克利所创立的“大科学”和“大规模物理”的风格，后来推广到世界各地所设立的机构中，如纽约的布鲁克海汉国立实验室、瑞士的欧洲核研究中心(CERN)、伊利诺斯的国立加速器实验室等。4放射医疗的先驱103号元素，人们为了纪念劳伦斯，把它叫“铹”。50 多年来，实验室一直在许多学科的
13、科学研究上处于领先的地位，在国际上赢得了很高的声誉。该室的研究人员曾9 次获得诺贝尔奖金。例如，G.T.西博格和E.M.麦克米伦由于发现超铀元素和美籍华人李远哲由于研究交叉分子束方法而分别获得1951 和1986 年诺贝尔化学奖。镎、钚、锆、锎、锿、钔、锘和铹都是在该室发现的。对于镅和镄的发现，该室也起了重要作用。该室的许多重要设备，包括世界上第一台回旋加速器和后来的超重离子直线加速器和高能重离子加速器（Bevalac）等，都是本室自己设计和建造的。出版物有劳伦斯-伯克利实验室报告等。第一批粒子加速器的运行显示了人工方法产生快速粒子束的巨大优越性：不仅其强度远高于放射性元素、宇宙射线等天然快速
14、粒子源，而且粒子的品种、能量以及粒子束的方向等都可任意选择、精确调节。但这些加速器的粒子能量低,回旋加速器是唯一能将氘和回旋加速器是唯一能将氘和粒子加速到粒子加速到20205050MeVMeV的加速器的加速器.此时人类对物质微观结构此时人类对物质微观结构“探源探源”的追求，发的追求，发展到要研究原子核结构的阶段。原子核中的中展到要研究原子核结构的阶段。原子核中的中子和质子子和质子 靠什么力靠什么力(短程力短程力)联系在一起的？联系在一起的？19351935年汤川秀树年汤川秀树(YukawaYukawa)提出粒子之间是通过提出粒子之间是通过交换一种叫介子的媒介子来实现的。并估计其交换一种叫介子的
15、媒介子来实现的。并估计其质量介于质子和电子质量之间，质量介于质子和电子质量之间，(故称介子故称介子)。证实这个问题，就要寻找介子，即要求粒证实这个问题，就要寻找介子，即要求粒子加速器能量达到子加速器能量达到200300200300MeVMeV以上。以上。突破回旋加速器极限能量限制的方法突破回旋加速器极限能量限制的方法 同步回旋加速器同步回旋加速器调节高频电场频率：调节高频电场频率：调频回调频回旋加速器，稳相加速器旋加速器，稳相加速器扇形聚焦回旋加速器磁场强度沿半径与离子扇形聚焦回旋加速器磁场强度沿半径与离子能量同步增长：能量同步增长：等时性回旋加速器，等时性回旋加速器，n1MeV)中子产生(钽
16、靶)1011中子/脉冲50kW时1014中子/秒5X 1018 中子/秒(峰值)中子光谱(钽靶)1MeV 时4X 1013 中子/MeV/秒14MeV时4X 1010 中子/MeV/秒飞行轨迹数10个飞行站数18个飞行轨迹长度9-200米装置参数 橡树岭电子直线加速器（ORELA）脉冲中子源 中国粒子加速器的发展中国粒子加速器的发展历史和现状历史和现状 50年代末期赵忠尧教授北京近代物理研究所研制成功我国第一台质子静电加速器。北大、清华、原子能研究院从苏联引进2台25MeV电子感应加速器和直径1.2米的回旋加速器。中科院兰州近代物理研究所，克服原苏联专家撤退的困难，使受到中断威胁的从原苏联引进
17、的1.7米直径回旋加速器建造得以恢复，并终于在上世纪六十年代中期建成。60年代谢家麟设计研制能量最高的30MeV电子直线加速器。清华大学、北京大学、复旦大学、兰州大学、河北大学、原第一机械工业部机电研究院、上海先锋电机厂、保定变压器厂，研制各种类型的低能加速器(诸如，倍压加速器、静电加速器、电子感应加速器、电子回旋加速器、)；到上世纪60年代中期，总台数达5060台，加速器事业有了一个良好的基础。七十年代初，以中科院高能物理研究所，清华大学，南京大学，四川东风电机厂为核心的上海，北京，南京，四川地区四个会战组先后开始研制医用电子直线加速器。1977年北京地区，上海地区分别研制成功我国首批医用电
18、子直线加速器(能量810MeV)。从那时起，医用电子直线加速器生产逐渐发展成产业。八十年代中科院高能所建成的35MeV质子直线加速器；机械部北京工业自动化研究所和清华大学等单位合作建成的25MeV电子回旋加速器；中科院上海原子核所建成26MV质子串列静电加速器；北京大学建成4.5MV质子单级静电加速器。八 十 年 代 北 京 2.2/2.8GeV正 负 电 子 对 撞 机（BEPC）。兰州直经7.2米的分离扇型重离子加速器(HIRFL)。合肥800MeV同步辐射光源(HESYRL)九十年代后期，中科院兰州近代物理研究所正在建造重离子冷却储存环加速装置，目前工程已进入后期；800MeV合肥同步辐
19、射光源的二期工程已接近完成；最近中科院高能物理研究所已开始北京正负电子对撞机升级工程（BEPCII），它的完成可将目前的对撞亮度提高两个数量级，以保持在所处能级对撞机在国际上具有最高亮度。不久在上海还要建造3.5GeV的第三代同步辐射光源。上海先锋电机厂，上海原子核研究所，高能物理研究所，兰州近代物理研究所，北京工业自动化研究所批量生产了高频高压加速器（地那米加速器），绝缘芯变压器型高压加速器为代表的一批辐照处理与加工用途为目的的加速器，数量达四十多台。十多年来，中国原子能科学研究院，北京工业自动化研究所，清华大学，清华同方威视技术股份有限公司，北京医疗器械研究所生产了一批能量分别为4、6、9
20、和15MeV无损检测用驻波电子直线加速器。几年前，中国原子能科学研究院还和比利时IBA公司合作，研制成能量为30MeV的，生产医用短寿命放射性同位素的回旋加速器。近年来，为适应开展燃煤烟气除硫脱硝应用的需要。上海原子核研究所和兰州近代物理研究所还正在研制0.81.5MeV，300450KW大功率辐照电子加速器。清华大学和信息产业部第十二研究所，以及北京医疗器械研究所合作或独自研制成功及批量生产4MeV，6MeV和14MeV医用驻波加速管。北京医疗器械研究所、广东威达医疗集团公司和山东新华医疗股份公司批量生产了4MeV、6MeV和14MeV医用驻波加速器，总数已达300多台，和进口机平分了全国医
21、用电子直线加速器的市场。医用电子直线加速器是我国数量最多的加速器。中国科学院高能物理研究所90MeV加速器全貌中国第一台回旋加速器高能物理研究所10MeV质子直线加速器主体中国第一台电子辐射加速器高 能物 理 研究所35MeV质 子 直线 加 速器 的 加速腔高能物理研究所750keV预注入器兰州重离子加速器工程图为初步安装就位的扇形磁铁按加速粒子能量：按加速粒子能量：1 1低能加速器，能量在100MeV以下 2中能加速器，能量在0.11GeV间的称3高能加速器，能量高于1GeV。按加速电场：按加速电场：1直流高压式加速器 2电磁感应式加速器 3谐振式加速器按粒子运动轨道：按粒子运动轨道：1直
22、线加速器 2回旋加速器（开螺旋线）3同步加速器（闭合环）按粒子种类：按粒子种类：1电子加速器 2质子加速器 3重离子加速器第三节第三节 加速器的分类加速器的分类 射频共射频共振型振型 射频射频电场电场 开螺开螺旋线旋线6.经典回旋加速器经典回旋加速器质子，离子质子，离子低能低能中等中等7.分离扇回旋加速器分离扇回旋加速器质子，离子质子，离子低中能低中能中等中等8.等时回旋加速器等时回旋加速器质子，离子质子，离子低能低能中等中等9.调频回旋加速器调频回旋加速器质子，离子质子，离子低能低能中下中下10.电子回旋加速器电子回旋加速器电子电子低能低能中等中等闭合闭合环环11.弱聚焦电子同步加速器弱聚焦
23、电子同步加速器电子电子中高能中高能弱弱12.弱聚焦质子同步加速器弱聚焦质子同步加速器质子，离子质子，离子中高能中高能弱弱13.强聚焦电子同步加速器强聚焦电子同步加速器电子电子高能高能弱弱14.强聚焦质子同步加速器强聚焦质子同步加速器质子，离子质子，离子高能高能弱弱15.粒子对撞机粒子对撞机正负电子正反质子正负电子正反质子离子离子高能高能弱弱直线直线型型16.行波电子直线加速器行波电子直线加速器电子电子低，中，高能低，中，高能中等中等17.驻波直线加速器驻波直线加速器电子，质子，离子电子，质子，离子低，中，高能低，中，高能中等中等18.漂移管型直线加速器漂移管型直线加速器质子，离子质子，离子低能
24、低能中等中等19.RFQ加速器加速器质子，离子质子，离子低能低能中等中等第四节第四节 加速器的应用加速器的应用“物质探源”是加速器发展的强大动力加速器的出现是人们希望研制出能轰击原子核的“大炮”，MeV级加速器的出现人类生产了第一个人造元素-锝(Tc)。发现了一系列的超铀元素(A92)。美国加州大学辐射实验室的麦克米伦(E.M.McMillan)和西博格(G.T.Seaborg)于1951年获诺贝尔化学奖。1935年汤川秀树(Yukawa)提出粒子之间是通过交换一种叫介子的媒介子来实现的。并估计其质量介于质子质量和电子质量之间，约(故称介子)。证实这个问题，就要寻找介子，即要求粒子加速器能量达
25、到200300MeV以上。300MeV500MeV的电子同步加速器和稳相加速器(或称调频回旋加速器)的出现极大地推动着介子实验研究(其时，把在核相互作用中产生和吸收的介子，称为介子)，用这些加速器研究介子性质(质量，平均寿命)，测量其次级反应的截面。当时人们认为质子，中子，介子()和轻子是构成物质世界的基本粒子。其后在高空，观察到高能宇宙射线存在一批明显重于 介子的介子，分别称为V介子，介子，介子。要人工产生它们，估计需要GeV能级的加速器。当时世界上最大的稳相加速器是美国加州大学柏克莱实验室的184英寸(4.66m)，质子能量为350MeV的机器。其磁铁重量为4300吨。我们知道，稳相加速器
26、采用的实芯磁铁。磁铁重量随加速粒子的能量三次方增加。如果能量增加10倍，(达3.5GeV)磁铁重量增加1000倍。这在工程上是不能接受的，必须在加速器原理上有所突破。美国布鲁海汶国家实验室于1952年6月建成最高能量为2.3GeV的质子同步稳相加速器。这是人类第一次把粒子加速到涉及宇宙线级的能量，故它被称为宇宙线能级加速器(英文名称为Cosmotron)。其后不久，1954年3月美国加州大学辐射研究所建成质子能量为6.4千兆电子伏(6.4GeV)的同步稳相加速器，被称为千兆电子伏加速器(英文名称为Bevatron)。它们的相继建成极大地推动了对介子物理的研究，以前只能从宇宙线的实验观察到反应，
27、现在可以利用Cosmotron和Bevatron进行。例如1953年在Cosmotron上第一次人工产生奇异 粒子和 超子(一种重于核子的粒子)，就是很典型的例子。在大量的基本问题在追求中。如物质世界的最基本组成、夸克产生、宇宙起源、生命起源、人体科学等，在这些方面，粒子加速器都发挥着重要作用。加速器的应用还渗透到科学研究的各个方面。TeV级加速器、储存环、对撞机、电子同步辐射光源(加速器)的发展及应用就是一些突出的例子。“生产活动”是加速器发展的强烈需求加速器研制成功后，马上就设法满足各种生产活动的需要：加速器研制成功后，马上就设法满足各种生产活动的需要：1医用行波电子直线加速器，英国在第二
28、次世界大战之后，依靠雷达技术的成就，于1946年发明了第一台行波直线加速器。人们马上意识到这种人工产生的电子线，作为一种辐射源，可以治疗恶性肿瘤，希望立即研制医用行波电子直线加速器。两年之后，英国科学家就在英国卫生部主持下研究如何将电子直线加速器用于恶性肿瘤的放射治疗。四年后，机器建成，安装于Hammersmith医院，1953年8月正式用于临床。什么时候才停止发展这些能量高而又高的加速器呢？2医用驻波电子直线加速器：1964年间美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LASL）为了研制800MeV质子直线加速器以建造“介子工厂”，发明了边耦合加速结构，它具有高的分流阻抗，好的工作稳定性，对频率相对不敏感
29、等一系列优点。美国瓦里安公司（Varian）马上意识到这种边耦合加速结构用到加速电子，必将能极大地满足恶性肿瘤放射治疗地进一步要求，于是将上述适合加速质子的工作频率为805MHz的结构按比例缩小，改造为工作频率为2998MHz适合加速电子的结构，并于1968年研制出采用边耦合结构的医用驻波电子直线加速器及无损检测用驻波电子直线加速器。目前国际上已有医用驻波电子直线加速器约有60007000台，约占医用电子加速器的8090，是世界上数量最多的一种加速器加速器的研发目的，一开始就是为了应用：加速器的研发目的，一开始就是为了应用：1各种辐照加速器-如地那米加速器，绝缘芯变压器等是为满足工业、农业、医
30、药等辐照需求而发展起来的，它们已经发展成产业。各种辐照加速器已超过一千五百台，国际上每年辐照处理产业的产值超过二百亿美元（包括60Co放射源）辐照加工。2电子束辐照加速器：又例如近年来国际上为环保，减少燃煤烟气中CO2和NOX的排放，发展起以加速器为辐射源的电子束辐照除硫脱硝技术，这种技术需要发展1MeV左右，数百kW的低能大功率辐照加速器。以此为推动，国际上已发展起1MeV百kW级高压型电子加速器。3电子感应加速器：是为适应无损检查大型锅炉的焊缝，原子反应堆顶盖，大型发电机主轴，大型化学反应高压容器焊缝，大型铸件的砂眼而发展起来的。但嫌其剂量率低。六十年代末期发明出驻波电子直线加速器，马上就
31、研制成功无损检测用驻波电子直线加速器，估计全世界已有500台以上。中国也已批量生产4，6，9，15MeV的此类型机器。1992年全世界不同用途加速器统计表加速器分类在用的加速器台数1）高能加速器（能量高于1GeV）1122）各种中低能研究型加速器10003）放射治疗的加速器70004）辐照处理与加工15005）无损检测用加速器5006）医用同位素生产用加速器2007）离子注入机（包括半导体注入，表面改性）60008）同步辐射光源（加速器）80第五节第五节 粒子运动参量的相对论表述粒子运动参量的相对论表述 相对速度：粒子的运动质量：粒子的总能量：粒子的动量：作业：1 加速器由几个部分组成，分别具有什么作用2加速器发展的历史中，有哪些具有划时代的发明33 推导以下关系：