新型加速器的发展与展望

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摘 要：1919年，卢瑟福用天然放射源实现了历史上第一个人工核反应。随后，加速器的研究成为科学界的一大热门研究课题，其研究与发展从未停止。从 20世纪 30年代以来，加速器研究不断向更高能量和更好性能的方向发展。随着研究的不断深入，粒子加速器一步一步从低能发展到高能，从弱聚焦发展到强聚焦，从静止靶發展到粒子束对撞。高能量和高亮度是用于高能物理研究的加速器发展的两大前沿课题。作为多学科研究的基础平台，散裂中子源、同步辐射光源和自由电子激光等基于加速器的大科学装置也在蓬勃发展，各种低能加速器广泛地应用于国民经济的各个领域，新原理、新方法、新技术层出不穷。在文章中将主要介绍新型加速器的现状和未来发展趋势。

关键词：粒子加速器；创新；发展趋势

1 加速器的历史

在二十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，人们用于研究原子和内部结构的方法主要分为两种，一种是利用天然放射性发出的射线，另一种则是利用来自宇宙空间的高能宇宙射线。但是，天然放射性有着它致命的缺点：放射线粒子流的强度太低（α粒子的能量一般为4-9MeV），能量也达不到需求，导致产生核反应的几率非常小；而第二种方法得到的粒子流的能量虽然比较高（可高达1021eV），但是它的强度太弱，仅适用于做一些定性的研究，无法作定量的研究。随着科学的发展，粒子加速器作为一种利用电场和磁场将带电粒子加速到较高能量的实验装置，在上世纪三十年代初应运而生。

2 粒子加速器现状

2.1 国际现状

国际上著名的加速器有欧洲质子同步加速器（Proton Synchrotron）、欧洲超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron，简写SPS）、欧洲反质子积累器（Antiproton Accumulator， 简写AA）、欧洲低能反质子环（LEAR）、欧洲大型正负电子对撞机（Large Electron Positron Collider，簡写LEP）、欧洲大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简写LHC，是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，属于质子加速器）等。

另外，还有美国斯坦福直线加速器中心的SLAC、美国连续电子束CEBAF、美国相对论重离子对撞击RHIC、日本高能加速器研究机构的KEKB、日本强子装置J-PARC、意大利Φ介子工厂DE等加速器。

2.2 国内现状

我国大约有四十多年的发展历史，先后建成了电子静电加速器、质子加速器、回旋加速器和电子感应加速器等，为我国的核物理研究、国防科技和应用做出了贡献，主要的代表有北京正负电子对撞机（BEPC）及北京正负电子对撞机二代（BEPC-Ⅱ）、合肥同步辐射装置（HESYRL）、兰州重离子加速器（HIRFL）以及一系列的低能加速器，主要是医疗电子直线加速器、工业探伤用电子加速器、工业辐照用大功率电子加速器和小型串列加速器。

3 新型加速器的发展现状

加速器的发展，向着高能量和高亮度前沿推进。想进一步提高加速器的性能和能量，需要探索新的原理、研发新的加速器。

3.1 新原理

科学界为探索新的、更高效的加速器加速原理做出了巨大的努力，提出了一系列方案，并对方案进行实验研究，探讨方案的可行性。近年来提出的方案就其能量来源主要分为两类。

第一类是利用光子能量给粒子加速，主要是指各种激光加速器。

第二类是利用粒子能量传递方法给粒子加速。

3.1.1第一类原理

这一类原理又可以分为两类，第一是用强激光在真空中加速粒子，第二是用强激光在等离子体中加速粒子。第一，在真空中，可利用强激光的相对论有质动力在半个脉冲内加速带电粒子（纵向加速），也可以利用线偏振光产生的横向电场。在强激光的焦点处，电场强度E可达1010V/m的数量级，将该电场作用在带电粒子上，可以使之获得很大的能量，在适当的条件下引出离子，从而得到加速（横向加速）。若给系统加上一个微小的电场，破坏掉激光场的纵向对称性，则可以使得粒子在半个周期内获得加速。第二，在等离子体中， 目前通常采用的方案是利用强激光与等离子体相互作用产生的等离子体波形成的高梯度电场加速粒子。

属于这一类的加速器有逆契伦柯夫效应加速器、逆自由电子激光加速器、等离子体拍波加速器和光栅加速器等。

3.1.2第二类原理

这一类原理也是分为两类，第一是利用高速运动的等离子体凝团或强流相对论性电子束提供的集体场加速带电粒子，代表的加速器有相干加速器、电子圈加速器和线性束加速器等。第二是采用谐振腔、等离子体或其他设备为介质，让低能流束通过介质，激起电磁场来加速粒子，代表加速器有尾场加速器、等离子体尾场加速器、双束加速器和晶体加速器等。

3.2 新的加速器

在高能量前沿，加速器主要发展在四个方面，强子对撞机，正负电子对撞机，γ-γ对撞机和μ子对撞机。

3.2.1强子对撞机

在表1中列出了世界上现有或者筹划中的强子对撞机的主要性能参数，按照建成时间排序，他们分别是美国质子与反质子对撞机Tevatron，美国相对论性重离子对撞机RHIC，欧洲核子研究中心大型强子对撞机LHC和筹划中的超大型强子对撞机VLHC。

3.2.2 正负电子直线对撞机

在环形电子对撞机向更高能量区发展的过程中遇到了同步辐射能量损失岁束流能量的四次方增长的困难，进而引发了人们对直线对撞机的兴趣。2004年8月科学界达成建造国际直线对撞机ILC的共识。如今，ILC的筹划工作正在稳步进行。

3.2.3 γ-γ对撞机

在直线对撞机中，用激光与高能正负电子做康普顿散射，再让产生的γ光子对撞，就是正在讨论中的光子对撞机，这一技术也是对上面讨论的新原理的应用与研究。于传统加速器相比，γ-γ对撞机是一种不产生更高能量粒子的情况下精确检验标准模型、超弦模型、人工色模型和其他模型的有效方法。

3.2.4 μ+ -μ-对撞机

4 新型加速器的未来展望

可以看到，随着核物理的不断发展，各种各样新型的加速器被提出，设计，筹划，上述的新原理、新技术在实验上也得到了一定的实验验证，但是只能说，各种新加速器目前尚处于试验阶段，理论上有待进一步的深入研究，实验上仍然存在很大的困难，距离实际的应用还有很长一段路要走。我们相信，只要人们不懈努力，深入探索，新的加速器终会得到实际的应用，它们将极大的推动物理学的发展和社会经济的进步。

参考文献

[1]张闯. 国际粒子加速器的前沿[J]. 物理，2008，（05）：289-297.

[2]张闯. 粒子加速器：回顾与展望[J]. 科技导报，1997，（06）：8-12.

[3]方守贤，梁岫如. 我国粒子加速器的发展和展望[J]. 物理，1991，（08）：473-482.