菜鸟|从文明奇观到千家万户——粒子加速器菜鸟笔记笔记|辐照|文明|粒子加速器|菜

【 菜鸟|从文明奇观到千家万户——粒子加速器菜鸟笔记】From Wonders to Daily Life
A Rookie’s Note for Particle Accelerators
罗箐
中国科学技术大学国家同步辐射实验室
前言
谢邀，人在单位，刚离开中控室。
近期工作较多，拖了比较久，被催稿的疯狂程度仅有人力资源部给我们的压力可以比拟，特此感（qian）谢（ze）。
粒子加速器，顾名思义，是用人工方式加速带电粒子的装置。本文写作的目的是对粒子加速器作为一个行业的来龙去脉进行极其简单的介绍，面向的对象是行外感兴趣的朋友或者将入行的本科生和研究生们。
从事科研工作十余年、教学工作八年以来，常常感到自己的知识储备还很不够、努力程度也还不足，再加上行文仓促，一家之言以及错误疏漏都是难免的，因此，姑且用我们上个世纪大学生的习惯，命名为“菜鸟笔记”。文章参考了很多同行前辈和朋友的讲义、报告和论文，难以一一提及，在此谨表示感谢。
大科学时代与粒子加速器
翻开现代科学史，我们将会发现，以二战为分界点，人类科学发展的模式有了巨大的变化。战争期间，发达国家网罗大量科技工作者，组成之前历史上从未有过的大规模团队，在同一战略目标之下分工协同。这一工作模式推动了一系列关键科学技术突破，从中获益极大的美国在战争结束后率先引入了“国家实验室”的概念，建设以诸多大型粒子加速器为代表的大科学装置群、部署系列大型研究计划。冷战期间主要发达国家共建设了几十个国家级研究中心，例如美国的阿贡国家实验室（ANL）、劳伦斯-伯克利国家实验室（LBNL），俄罗斯的布德克核物理研究所（BINP），以及日本的高能加速器研究机构（KEK）等。随着冷战结束，这种趋势更进一步发展为全球性科技合作，典型的例如欧洲核子研究组织（CERN）周长27公里的大型强子对撞机（LHC）、多国科学家共同完成的人类基因组计划、16国共同建造的国际空间站，以及全世界主要核国家和主要发达国家共同参与、目前正值发展关键时期的国际热核聚变实验堆计划（ITER）等。可以说，二十世纪八九十年代以来，科技的发展已经正式进入了“大科学”（Mega Science）时代，为推动人类对世界的认知变革、带动多个领域的突破，需要花费巨额的投资、组织数以百千计的研究人员、经过漫长的周期、完成海量的工作，因此非一个单位所能完成，甚至需要多国合作。当前，诸多重大科学工程和研究计划已成为各主要国家科技发展战略的核心支撑力量。

文章插图
图1 工程师们站在LHC的超导磁铁旁边。超导磁铁由美国的Fermi实验室建造。

文章插图
图2 第一张黑洞照片。结合世界各地的射电望远镜同时协调，形成口径等效于地球直径的虚拟望远镜，全球30多个研究所的200多位科研人员参与。
其中，大科学工程或称大科学装置是建设性项目，与有指定目标的研究性项目有所区别，它们主要侧重大型核心科研设施的建设与运行，通过向外界用户提供具备独特条件的研究平台，在一个相当长时期内推动相关学科的整体发展。在我国，大科学装置也常被称为“国家重大科技基础设施”。
在诸多不同类型的大科学装置中，粒子加速器具有相当独特的地位。一方面，历史上，最初的大科学装置大多是用于基础物理研究的加速器，其发展也推动了诸多新技术的产生，“互联网和第三次科技革命诞生于加速器实验室”已经是为科学家们津津乐道的入门小故事。另一方面，从机理上来说，与其他一些装置不同，加速器大科学装置往往不直接观察、测量和记录科学事件，而是先“制造事件”，再进行观测。典型的如各类对撞机，是先加速粒子进行对撞，然后探测产生的事例；各种同步辐射光源则是先加速电子并产生光，再用光作为显微工具。这种机理是粒子加速器在物理学、化学、材料和生物学等多个不同学科的前沿均发挥重大作用的前提。迄今为止有四分之一到三分之一的诺贝尔科学奖与加速器有关，特别是在物理学和化学奖中可能达到一半。
除了大型装置之外，中小型粒子加速器也有自己的用途，而且不仅局限于在大型实验室中扮演主角，例如：在科研领域，可开展质谱分析、核物理研究，或模拟宇宙空间环境等；在工业领域，可提供辐照加工、离子注入、无损检测等；在农业、生物学和食品领域，可进行辐照育种、辐照保鲜和灭菌、除虫等；在医学领域，还可用于生产医用放射性同位素和辐照治疗等。