菜鸟|从文明奇观到千家万户——粒子加速器菜鸟笔记( 四 ) 笔记|辐照|文明|粒子加速器|菜

共振加速、自动稳相和交变梯度强聚焦的陆续出现，最终攻克了通往巨型粒子加速器文明奇观的三道难关。从上世纪60~70年代以来，大部分加速器大科学装置都是同步加速器或直线加速器，束流能量从几百MeV跨越到几TeV。其建造过程推动了一系列科学技术的进步，其运行开放也带来了多个不同学科的无数重大发现。目前常见的加速器类型见表1。在当前，低能量的加速器多为民用和医用；中等能量的加速器一般用于小型实验室和面向工业的检测用途；中高能加速器往往既可作为核与粒子物理实验研究平台，也可作为同步辐射光源提供多学科（主要是化学、材料和生命科学）的显微平台；更高能量的加速器则主要用于核物理和粒子物理研究。总的来说，粒子加速器可以定制束流，而定制的束流与物质相互作用的效应能够为人们利用。按照通用的划分方式，核技术是基于原子核科学、粒子加速与射线产生的原理和方法，利用射线与物质相互作用而产生的物理、化学或生物效应为人类服务的交叉学科领域，划分为两类：一类是核武器和核能源，一类是除此之外的所有“非动力核技术”。粒子加速器物理与技术正是非动力核技术的核心驱动力量。

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图7 分离作用同步加速器和四极磁铁
表1 常见加速器的分类

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大科学装置的前沿
从之前的总结中，我们可以简单地推出结论，粒子加速器的核心问题有二：第一，如何加速？第二，如何聚焦和提高束流品质？延伸开来，还有两个拓展性的关键问题：如何获得初始的注入粒子束？如何测量粒子束，使我们知道它的品质符合要求？实际上，我们可以说，束流物理与加速器技术的绝大部分工作，都是围绕这四个问题所展开的。在美国物理学会中，为此单独成立了束流物理部门，其地位与凝聚态物理、粒子物理等地位相当（Division of Physics of Beams），出现了很多优秀的加速器物理学家。
近十年来，下一代加速器大科学装置的概念正在形成。例如：在核物理领域，中国的中科院近代物理研究所和美国的布鲁克海文国家实验室（BNL）等都在研究EIC，即电子-离子对撞机；在高能物理领域，分为高能量前沿和高精度前沿，其中，在高能量前沿，国际直线对撞机ILC渐渐淡出视野，取而代之的是欧洲的未来环形对撞机FCC-ee和中国的大型环形正负电子对撞机CEPC这样两个雄心勃勃而又充满争议的方案；在支撑多个学科特别是材料科学的同步辐射光源领域，世界各地纷纷开始兴建或研究的，是基于超导直线加速器的高重复频率X射线自由电子激光（FEL）和基于超低发射度电子储存环的衍射极限储存环光源，已建成的例如瑞典隆德大学MAXIV光源，正在建设中的例如美国先进光子源APS-U、中国中科院高能所承建的高能光源HEPS和中科院上海高等研究院承建的硬X射线自由电子激光装置，正在预研中的例如中科大国家同步辐射实验室合肥先进光源HALF等。
上述多个大科学装置的科普性介绍，在互联网上俯拾即是，在此不再赘述。单纯就其共性来说，以环形加速器为例，无论是环形超级对撞机，还是衍射极限储存环同步辐射光源，最核心的要点在于，约定能量的同时要提供比现存大部分加速器强得多的横向聚焦。对于对撞机来说，强聚焦使得对撞点的束流包络缩小，可以简单理解为束团尺寸减小，那么单位时间、单位面积上出现的粒子数量就显著增加，对应的，粒子对撞的事件发生率（称为对撞机亮度）和累积事件数大幅上升，为研究基本粒子及其相互作用提供了强大而不可或缺的工具。对于同步辐射光源，强聚焦使得束流横向发射度（可理解为由束团内所有粒子横向的位置、散角所构成的相空间内所占的面积）减小，也可以简单理解为发光的光源尺寸减小，同步辐射光的亮度与横向发射度平方成反比，在亮度迅速提升的同时，对于束流发射度小于其波长/(4π)的同步辐射光，可以认为其横向全相干，高亮度相干光源对于多种前沿学科的研究有极其重要的作用。
强聚焦的好处如此巨大，对应的代价自然也十分沉重。最典型、最首要的问题是动力学性能如动力学孔径和动量接受度等的恶化。以动力学孔径为例，我们知道粒子在加速器中是沿着轨道振荡的，那么，其横向振荡存在一个稳定区，我们称之为“动力学孔径”，跃出粒子动力学孔径的粒子就会丢失。在下一代大科学装置中，为了提供强聚焦，四极铁的强度大为提升，所产生的束流“色品”需要补偿；简单来说可以理解为，把四极铁当成光学中的透镜，四极铁越强，动量不同的粒子经过四极铁后的偏差就越大，类似透镜中的色散现象，绝对值大的负色品会导致束流丢失。为了补偿色品，需要增大六极铁等非线性元件的强度，而强大的非线性将导致动力学性能急剧恶化。首先是难以获得很好的动力学孔径，一般来说，目前正在设计的大型储存环光源的动力学孔径常常只有2-5毫米，与现有的同步辐射光源相比小了一个数量级；对于在研的下一代正负电子对撞机，动力学孔径甚至难以优化到10σ以上（σ为束团横向尺寸）。其次，孔径等动力学性能指标的下滑会导致现有的多种成熟技术无法继续采用，甚至束流寿命等相关的束流品质指标也会下降。