菜鸟|从文明奇观到千家万户——粒子加速器菜鸟笔记( 三 ) 笔记|辐照|文明|粒子加速器|菜

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图5 电子感应加速器原理示意（《加速器物理基础》，陈佳洱等著）
最早出现并成熟的共振型加速器是欧内斯特·劳伦斯（E. O. Lawrence）于1931年发明的回旋加速器。恒定磁场中放置两个D形盒电极，粒子回旋一圈经过两次D电极的间隙，加速两次，电隙之外由磁场偏转并回旋。经典回旋加速器的成立条件，由高中物理的知识可以知道，要求磁感应强度和粒子质量之比为常数，旋转频率可以是一个常数并与电场变化频率谐振，而与离子的速度或轨道半径无关。

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图6 经典回旋加速器原理示意（《加速器物理基础》，陈佳洱等著）
这个条件显然不适用于相对论条件下的高速粒子。考虑到相对论效应，经典回旋加速器的改进方向有二：在等时性回旋加速器中，高频电场不变，磁场的平均强度沿半径方向与离子的能量同步增长，使离子的旋转周期在加速过程中始终保持恒定，不随能量而变，从而保证回旋的等时性；在同步回旋加速器中，则是高频加速电压与粒子回旋频率的变化同步，从而保证始终与粒子共振。这两种方法分别要求对磁铁的精密加工和对高频的精确控制，因此直到20世纪四五十年代后计算机、精密加工和微波高频技术成熟之后才得到迅速的发展，并使得离子加速器进入中能阶段。其中，同步回旋加速器也叫做稳相加速器，其得名是因为40年代发现的“自动稳相原理”，该原理保证了绝大部分共振型加速器中相位、能量与理想粒子稍有偏差的粒子也能一同被稳定加速，从而获得较大的电流。回旋加速器和稳相加速器的磁场一般来说都是固定不变的。
回旋加速器和稳相加速器的加速过程中，粒子轨道半径由小到大变化，磁铁需要覆盖很大的面积，大型磁铁需要使用巨量的铜材、钢材并消耗很高的功率，这限制了加速器能量的进一步提升，一般的等时性回旋加速器能量仅延伸到中能区范围。为了克服这个问题，让我们重新回顾之前电子感应加速器的平衡轨道，假定我们仍然采用类似回旋共振的办法，但将束流的轨道固定，只需要初始束流具备一定的能量，就可以不断升高磁场来约束不断加速的束流，这样就可以只在环形轨道上布置磁铁，省去大量的代价；整块环形磁铁的加工安装仍然存在困难，进一步的将整块环形磁铁分离为多块磁铁，中间用直线真空管道连接，这样就形成了一种新的加速器类型：同步加速器（图7）。同步加速器一般都需要前级加速器作为注入器，其本身也可以不为粒子升能而只是存储粒子以供实验，此时称为储存环。相对论性粒子束在磁场中受力弯转的时候发出强大的辐射，覆盖长频段、具备高亮度和高准直性等优点，这种辐射最早就是在同步加速器中发现的，因此被称为同步辐射。
上面所有的讨论集中于粒子如何获得能量。事实上，束流中的粒子不可能同时存在于同一个点上，必然有一定的能量、位置与角度分布，实际上是大量粒子沿着平衡轨道一边振荡一边前进，因此加速器物理的另一个重要问题是聚焦。早期的加速器利用同一磁铁实现两个方向的同时聚焦，一般让磁场随半径增大而下降来保证束流在垂直轨道平面的方向（轴向）聚焦，同时又限制磁场下降的速度以保证束流在指向轨道旋转中心的方向（径向）聚焦，这两个方向因为都垂直于粒子运动方向，所以统称为横向，相应的，粒子运动方向称为纵向。显然，这样的做法不可能在两个方向都同时提供很强的聚焦力，限制了束流品质的提高；随着能量提高，即使是同步加速器仍然会遇到真空室尺寸过大、造价高、耗电多的瓶颈。如果我们回顾高中物理的知识，可以发现，一定条件下，一块凸透镜和一块凹透镜组成的组合透镜系统是聚焦的，这个现象背后的本质是数学计算的客观规律。1952年，欧内斯特·科朗特（E. D. Courant）利用类似的原理，在粒子轨道上交替排布轴向聚焦但径向散焦和径向聚焦但轴向散焦的磁铁，最终实现轴向和径向都聚焦。这种排布可以提供极强的聚焦力，为现代最重要的加速器类型——交变梯度强聚焦共振加速器的出现奠定了基础。这种加速器既可以是射频直线加速器，也可以是环形的同步加速器；它们利用二极铁弯转束流，利用交替排布的四极铁聚焦束流（图7）。交变梯度强聚焦加速器之父欧内斯特·科朗特，是哥廷根学派重要成员理查·科朗特（Richard Courant，1888-1972）之子；1995年，欧内斯特·科朗特被中国科学技术大学聘为名誉教授。