菜鸟|从文明奇观到千家万户——粒子加速器菜鸟笔记( 二 ) 笔记|辐照|文明|粒子加速器|菜

在今天，假设有一位读者清晨起床，一边吃早饭一边打开手机，早饭里的火腿、麦片可能经过辐照保鲜，网络信号多半由经过离子注入的芯片处理和传递；出门乘坐地铁的时候，随身携带的包需要经过加速器的安检；晚上与亲密爱人分享来自荷兰的巧克力，而让巧克力更美味的制造方法，可能仰赖在同步辐射光源上对可可脂分析研究的结论。可以说，粒子加速器虽然以人类文明建造的“大型奇观”为起点，今天却已经成为了千家万户日常生活的一部分。
粒子加速器概述
显然，粒子加速器设计和建造的基本宗旨是为了定制具有指定品质的带电粒子束，以下称为束流（beam，束流也可用来指代光子束），一个beam可能由若干个束团（bunch）组成。一台粒子加速器的基本构成必然包括粒子源、加速电场、传输装置和粒子利用端，例如，一台老式CRT显示器就是一台加速器，从电子枪中打出电子，由石墨电极提供高压加速，经过偏转线圈打在荧光屏上发光。
不同领域的科学家或工程师将工作需求转换为对束流性能的要求；加速器物理学家据此设计和建造加速器，在此过程中，自然地，还需要高品质的粒子源，以及精确可靠的束流测量与控制技术。对已建成的加速器，可能发现束流未曾预料的新特性或新现象，可满足预期目标之外的用途，从而催生新的专用装置类型；对难以实现的性能指标，又需要发展新的原理与技术；这些都推动了加速器科学技术的发展，并再次带动了新一轮需求的产生。下图描述了这一发展循环。

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图3 束流物理与加速器技术的发展循环
科学家们在加速器上建立了现代核物理与粒子物理学科。在此过程中，原来仅仅是高能物理加速器寄生产物的同步辐射日益受到重视，利用它研究化学、材料科学和生物学等的专用光源应运而生，并迅速得到推广，目前世界上的大型同步辐射光源可能超过60台。在大型加速器装置上获得使用的新原理、新技术往往又会迅速应用到小型装置上并商品化。粒子加速器就是这样从人类文明顶点的工业奇观起步，逐渐影响到千家万户的。

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图4 世界同步辐射光源的分布
带电粒子是如何加速的呢？基本的物理很简单，带电粒子可受到电磁场的作用，不带电的粒子则不受力。电场力将粒子势能转换为动能，垂直于粒子运动方向的磁场产生洛伦兹力。因此，只有电场才能够加速粒子，而磁场作用下粒子方向可以发生偏转。
很容易想到直接利用直流高压电场来加速粒子，这就是最早出现的加速器类型：高压加速器，包括静电加速器和倍压加速器等。这种加速器最关键的原理当然是如何产生和维持高压。电气工程学的发展曾为早期高压加速器的发展提供了保障，例如1929年荷裔美国科学家范德格拉夫（Van de Graaff）发明的范德格拉夫起电机，它可以提供几兆伏的高压。完善和发展这项发明的人包括MIT教授屈润普（John G. Trump），我国核物理和加速器事业的开拓者之一赵忠尧先生在他的帮助下学习了静电加速器的知识，回国后利用他支援的退役加速器部件建成了我国第一台静电质子加速器。在当前，这位屈润普教授的侄子远远比他更为有名，他的姓如今被翻译为“特朗普”。
即使是几十兆伏的高压加速器，仍然属于低能量范畴，再往上提升电压是很困难的；很自然地，人们会考虑，既然高压难于获得和维持，是否可以利用相对低的电压来反复加速同一束流，从而获得高能量呢？在这种指导思想下产生的加速器包括感应加速器和共振加速器。
顾名思义，感应加速器是利用变化的磁场激励起感应电场，利用感应电场来加速粒子。典型的如1932-1940年间发明和完善的电子感应加速器（图5），如果用交变电场励磁产生交变磁场，再由交变磁场激励起交变的涡旋电场，在设计合适的情况下，1/4个周期内电子可以沿平衡轨道旋转并加速百万圈，从而获得几十MeV的能量。直线感应加速器的原理与之有相似之处，能量可能达到更高，而流强可以达到数千A。
电子感应加速器同样有能量限制，原因从图5中可以看出，只有1/4个周期可以用来加速电子，否则磁通变化反向，电子将被减速。那么，我们会想到，仍然采用周期性变化的电场，但是让粒子只有在指定空间内才能看到电场周期的指定部分（譬如说，波峰）；指定空间外，粒子走、电场也变，但是互相看不见，不就可以了吗？当粒子走出指定空间时，电场被屏蔽，粒子运动时电场持续变化、下一次再经过指定空间时看到的电场又已经变化到上一次同样的相对位置（称之为“加速相位”），电场变化与粒子运动“共振”，这就是所谓的“共振加速器”。