9.11 加速器的发明与建造

核物理学的发展和加速器有密切的关系。因为有了加速器，人们就可以得到比天然放射性（包括宇宙射线在内）种类更多、能量更高、更便于控制的各种粒子，以从事各种试验。从 20 世纪 30 年代开始，由于加速器的发明和建造，物理学转入了大规模集体研究的轨道，物理学家越来越多地参加有组织的研究工作，实验室的规模越来越大，物理学与技术的关系越来越密切。这意味着人类开始以更积极的方式探索自然、变革自然、开发自然和更充分地利用大自然的潜力。

9.11.1 人工加速带电粒子的各种尝试

1919 年，卢瑟福宣称，如果粒子有更大的能量，就有希望击破更多元素的核。人们开始认识到，利用实验条件加速粒子，向各种原子轰击，是进一步实现核转变的关键所在。大约在 1925 年，美国的布赖特（G.Breit）、托夫（M.Tuve）和达耳（O.Dahl）首先进行了一项试验。他们建造了一个可以产生几百万伏高压的变压器（忒斯拉线圈），并且把这一电压加在可用于加速粒子的管道上。不过他们并没有实现核反应。不久，柏林的布拉什（A.Brasch）和兰格（F.Lange）利用脉冲发生器加速质子。1928 年，布拉什企图利用大气电，将它接到放电管，希望能引起核转变。指导最初几次大气高压电实验的乌尔班（C.Urban）竟因遭闪电袭击而丧生。他们的尝试证明是不成功的。

1925 年，美国的索伦森（R.W.Sorensen）发明了多级变压器，劳里参（C.C.Lauritsen）和他的助手们将它用于放电管的加速电极。后来，克朗（H.R.Crane）从放电管获得了高强度 X 射线和质子流。

早在 1890 年，开尔文勋爵就提出过，可以利用电荷分布于导体表面的原理得到高电压。1931 年，美国普林斯顿大学的范德格拉夫（R.J.van de Graaf）采用在绝缘的金属球中心连续供给电荷的方法，发明了一种能够有稳定输出的高压发生器，电压达 1 500 千伏。这种高压装置成功地用于加速带电粒子，在后来的核物理和高能粒子的研究中发挥了作用。

1930 年卡文迪什实验室的考克饶夫（J.D.Cockcroft，1897—1967）和瓦尔顿（E.T.S.Walton，1903—1995）发展了瑞士人格雷纳切（H.Greinacher）的电压倍加方法，用于加速质子。这件工作受到了他们的导师卢瑟福的支持和鼓励，更得益于伽莫夫（G.Gamov）的势垒穿透理论。1932 年，他们用 770 千伏电压获得了锂分裂为两个 α 粒子的核转变。

然而，所有上述试验都要受到高电压的限制，因为粒子的能量都是从高电压直接获得的。例如：能量为 1 MeV 的质子，电压必须加高到 1 兆伏。这样高的电压在绝缘上会有极大的困难。因此，人们早就想利用较低的电压，使粒子加速到高能量。

9.11.2 劳伦斯发明回旋加速器

劳伦斯（Ernest Lawrence，1901—1958）是美国伯克利加州大学教授，很早就选定了核物理学作为自己的科研方向。1929 年，正当他苦思如何利用低电压获得高能粒子之际，一篇讨论正离子多级加速的论文吸引了他，使他想到让正离子在磁场的作用下，在两个半圆形电极（D 形电极，如图 9 – 22）之间进行回旋运动，从而得到加速的方法。他不仅提出了巧妙的方案，更为重要的是以不懈的努力实现了自己的方案。

1930 年春，劳伦斯让他的研究生爱德勒夫森（Nels Edlefson）做了两个结构相当简陋的回旋加速器模型。真空室只有 10.16 厘米的直径，其中之一居然显示出了使离子回旋加速的效果。

1931 年，他又让利文斯顿（M.S.Livingston）做一微型回旋加速器，直径（指真空室）11.43 厘米，在两 D 形电极上加不到 1 千伏电压，竟得到了 8 万伏的加速效果。

1932 年，劳伦斯继续试验。新的装置使质子加速到 1.25 MeV，并且很容易地就检验了考克饶夫和瓦尔顿的锂转变，显示了回旋加速器的优越性。这个新的回旋加速器直径只有 27.94 厘米。

接着，劳伦斯用 D 形电极直径为 68.58 厘米的回旋加速器加速氘核，取得更佳效果。因为氘核是由一个质子和一个中子组成的复合核，氘核在强电场作用下会解体为质子和中子，而中子的穿透力特别强，所以用氘核作入射粒子，可以实现许多新的人工核反应。

1936 年，在劳伦斯的主持下，伯克利的 68.58 厘米回旋加速器改装成 0.94 米，使粒子能量达 6 MeV，用它测量了中子的磁矩，并且产生了第一个人造元素——锝（Tc）。

1939 年，大型的 1.52 米回旋加速器问世。用这台仪器发现了一系列超铀元素。

9.11.3 同步回旋加速器的发展

回旋加速器也有其不足之处，当粒子速度达到一定值后，由于相对论性效应，粒子的回旋运动频率同加速电场的频率不能保持一致，粒子能量不能继续提高。为此人们想出了一些加速频率与粒子回旋频率保持同步的办法，于是各种同步加速器发展起来。1944—1945 年，前苏联物理学家维克斯列尔（B.M.Bekcnep）和美国物理学家麦克米伦（E.M.McMillan，1907—1991）分别提出谐振加速原理。美国伯克利辐射实验室在 1949 年建成 4.67 米电子同步稳相加速器。

还有一种办法是调节磁场强度，以使粒子回旋频率保持与加速电场频率同步。这些加速器在核物理研究中发挥了重要作用，发现了许多新现象，产生了几千种稳定的和放射性的同位素。根据这一原理制成的重离子加速器有广泛应用。20 世纪 60 年代，美国和前苏联先后合成了 102 至 106 号元素，20 世纪 70 年代末联邦德国合成了 107，108，109 号元素。

后来人们把磁铁做成环形，采用同时调变磁场强度和电场频率的办法，将粒子约束在环形区域内运动。这类加速器称为同步加速器。第一台质子同步加速器于 1952 年在美国纽约长岛的布鲁海文国家试验室（BNL）建成，质子能量可达 3 GeV，称为宇宙线级加速器（COSMOTRON）。1953 年用它所加速的粒子束打出了 K，Λ，Σ 等奇异粒子。两年后，美国加州大学又建成一台同类加速器，可把质子加速到 6.4 GeV，由此于 1955 年第一次发现了反质子，次年又发现了反中子。1957 年前苏联在杜布纳联合原子核研究所建成的同步加速器能量达 10 GeV，以中国物理学家王验昌（1907—1998）为首的国际小组在 1955 年用它发现了反西格马负超子。这些发现为证实反物质的存在做出了重要贡献。

高能加速器的设计由于采用了强聚焦法又取得了重大突破。由西欧各国组成的欧洲核研究中心（CERN）于 1959 年在日内瓦建成的强聚焦质子同步加速器（CPS），能量达 28 GeV。1973 年就用它发现了中性弱流，为电弱统一理论提供了证据。布鲁海文实验室于 1960 年建成了 33 GeV 的强聚焦质子同步加速器。利用这座加速器 1962 年发现了两种不同的中微子，1974 年发现了 J/Ψ 粒子，为粲夸克的存在提供了证据。至此，新发现的粒子增加到上百种。

20 世纪 70 年代采用了分离作用强聚焦原理，加速器能量又提高一个数量级。主要是两台，美国伊利诺依州巴塔维亚（Batvia）的费米国立加速器实验室（FNAL）的质子同步加速器（TEVATRON Ⅰ），最高能量达到 500 GeV。欧洲核研究中心的质子同步加速器（SPS）平均直径 2.2 公里，跨越瑞士、法国两国国界，最高能量 400 GeV。

从 20 世纪 60 年代开始运用超导磁体代替常规磁体，不仅可产生高磁场而且大大节约电能。世界上第一台采用超导磁体的高能质子同步加速器（TEVATRON Ⅱ）是费米实验室在原有 500 GeV 同步加速器隧道内增设超导磁体环，于 1986 年建成，磁场强度增加 10 倍，质子能量可达 1 000 GeV。

美国物理学家开斯特（D.W.Kerst）和奥尼耳（G.K.O’Neill）在 1956 年提出对撞机原理。根据动量和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量（即能引起粒子反应的能量）只取决于粒子的相对速度。例如，一个具有能量 1 000 GeV 的质子打一个静止的质子，有效能量只有 43 GeV，其余的都变成了质子的动能。而如果用对撞的办法，只要 21.5 GeV 的能量，即可使有效能量达到 43 GeV，因为碰撞后动能为零，没有损失任何能量。这种对撞的效果对于更高能量和更轻的粒子（如电子）更为显著。我国于 1988 年建成的 2×2.2 GeV 的正负电子对撞机（代号为 BEPC）就是根据这一原理。这台对撞机虽处低能区，但正是研究 J/Ψ 粒子和 τ 轻子的最好能区，且对撞点亮度是同类中最高的，用它测得的 τ 轻子质量比原有结果精确了 5 至 7 倍（见图 9 – 28）。

发布时间：2024/3/4 18:57:00  阅读次数：144