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来源:中科院半导体所发布时间:2023-01-211470浏览
询问 AI
《三体》动画的一开头就有这样的台词：
“科学发展，突破口在哪儿？”
“粒子对撞实验？！”
接下来我们就看到了太空中的对撞机：
当然也看到了智子对实验的干扰。三体人为何如此害怕地球人的对撞机？对撞机实际上是粒子加速器的一种。按照原著的设定，三体人担心人类利用加速器揭示物质的本质，实现技术的飞跃，成为它们的有力劲敌。
这个设定非常科学！粒子加速器确实在人类的科技发展史上有着举足轻重的地位。通过人工方法加速带电粒子，科学家们既可以用加速器做高大上的物理实验，探索物质世界的基本组成，推动基础科学的发展；也可以对材料进行探伤，处理美味的食物，甚至婴儿们离不开的尿不湿也和加速器有关！
加速器到底是什么样子的，又是如何工作的？今天，我们就向大家介绍三种常见的加速器。
直线加速器——可能是你家的老电视
顾名思义，直线加速器（Linear Accelerator ,Linac）是将带电粒子沿直线加速的加速器。早在1924年，英国物理学家伊辛就提出了直线加速器的概念——利用多次加速电场来使带电粒子获得更高的能量。1928年，来自挪威的维德罗发展了伊辛的原理，建成了世界上第一台直线共振加速器。
上世纪八九十年代流行的“大屁股”电视机其实就是一台直线加速器，通过阴极射线管产生的电子束击打屏幕内侧的发光涂料产生图像。
电视机里的加速器
（来源：CERN）
直线加速器是目前最常见的加速器之一。当你美滋滋地啃着从超市购买的泡椒凤爪时，很有可能你就在享受加速器带来的便利。基于直线加速器的辐照加工技术（射线照射），是一种高效安全的杀菌技术，可以让泡椒凤爪的保质期从3-5天延长到几个月，还不用添加防腐剂。
直线加速器的原理并不复杂：只要给粒子提供一个加速电场，粒子便可沿直线运动。如果采用合适的交变电场，就可以做到让粒子持续加速了。
但是一般交变电场有正有负，如何保证粒子的速度只增不减呢？科学家们巧妙地使用了一种叫做漂移管的结构。当遇到负向电压时，粒子恰好能够躲进漂移管，这样粒子束流（通常叫做束流）就可以在直线段中勇往无前了！
漂移管直线加速器原理
（来源：veer 王力实修改）
漂移管直线加速器示意图
（来源：William A. Barletta, USPAS）
上图中红红绿绿的圆筒就是漂移管。细心的读者可能会发现这些圆筒变得越来越长，这是因为：随着粒子能量升高、速度变快，单位时间内移动的距离也就越长，因此相应的漂移管的长度逐渐变长。
漂移管直线加速器的内部结构
（来源：CERN）
按照这个原理，如果想得到越高能量的粒子，直线加速器的长度就会越长，从而使加速器的成本显著升高。为了避免建造过长的加速器，回旋加速器应运而生。
回旋加速器——可能像切开的蛋糕
美国物理学家劳伦斯在直线加速器的基础上脑洞大开，于1932年设计和制造了第一台回旋加速器，通过施加外部磁场，将加速粒子的直线轨道变为螺旋线的形式。这项开创性的成果解决了因加速器过长而导致的加速效率过低的问题，劳伦斯也因此获得了1939年的诺贝尔物理学奖。
劳伦斯与他的回旋加速器
（来源：LBNL）
回旋加速器是如何工作的呢？大家看看下面的图就会有一个初步的认识了：
经典回旋加速器原理图
（来源：王力实）
如图所示，粒子从回旋加速器中心注入，通过D型盒狭缝进行加速。由于粒子每次经过D型盒狭缝都会加速，因此在固定的磁场作用下每一圈半径都会变大，运动轨迹也就形成了螺旋线轨道。
随后，为了满足核物理和粒子物理的实验要求，经典的回旋加速器又进行了一系列升级，比如改进成带有螺旋角的扇聚焦回旋加速器。这里的“聚焦”可以这样理解：我们可以把粒子束想象成一束平行的太阳光，通过一种透镜（在这里是带有梯度的磁场）作用把它汇聚成更小更耀眼的光点，这样就能提高粒子在材料中的碰撞效率。
带有螺旋角的聚焦结构
（来源：Mike Seidel, CAS, Cyclotrons, 2019）
上世纪70年代以来，作为扇聚焦回旋加速器的合理拓展，科学家们又研制了分离扇回旋加速器，进一步提高了加速所需的电压，提升了运行效率。尤其在当时，为了适应重离子物理研究的需要，分离扇回旋加速器是一个非常不错的选择。
看看中国科学院近代物理研究所于1988年建成的分离扇回旋加速器，是不是挺像被切好的四块蛋糕？
中科院近代物理所建成的分离扇回旋加速器。
（来源：近代物理所）
环型加速器——怎么指挥粒子跑圈？
在《三体》中，刘慈欣老师还设想了这样一种环日加速器：
太空中没有空气，使得环日加速器成为了可能。工程师们无需建造整体管道，只需要建立一些环绕太阳的中继加速线圈就能够组建一个前所未有的环日加速器。这个加速器预计能够真正将粒子加速到宇宙大爆炸时的创世能量。但即使是这样，工程师们也需要建造三千两百个加速线圈，并将它们精确地运到环日轨道上，每个加速线圈相隔一百五十万千米。
这个宏伟构想其实就对应了我们要提到的第三种加速器——环型加速器。无独有偶，大物理学家费米曾经也提出过“环球加速器”的设想，这种加速器也是基于环型加速器而言的。
费米设想的“环球”加速器
（来源：Enrico Fermi: The Master Scientist）
1952年，美国布鲁克海文国家实验室的列文斯通（另一位加速器大佬）打破传统加速器的聚焦结构（一周都是相同聚焦的结构，即弱聚焦同步加速器），将具有聚焦作用和散焦作用的磁铁交替排列（即聚焦-散焦-聚焦-散焦-…），结果竟然出乎意料的好（总的效果是聚焦的）！但是列文斯通对这个结果心存怀疑，就请同事考兰特做了计算。考兰特重新研究了该结果，并与施耐德等人在此基础上提出了交变梯度聚焦的原理，也叫做强聚焦原理。强聚焦原理与自动稳相原理后来成为现代加速器的两大基石。
美国布鲁克海文国家实验室于上世纪五十年代建造的质子加速器（Cosmotron），这是世界上第一台弱聚焦同步加速器。
(来源：BNL)
美国布鲁克海文国家实验室于上世纪五十年代建造的交变梯度同步加速器(Alternating Gradient Synchrotron)，这是世界上第一台强聚焦同步加速器。
(来源：BNL)
弱聚焦和强聚焦的对比图。由于聚焦、散焦交替排列，右下图显得“犬牙交错”。
（来源：王旭东绘制）
近代物理所建成的环型加速器——冷却储存环
（来源：近代物理所）
环型加速器中粒子的轨道要比回旋加速器简单得多，就是闭合的圆形轨道。粒子通过一种叫二极磁铁的磁元件进行偏转，形成圆形轨道，并在类似于直线加速器的腔体中进行加速。与此同时，为了保证束流运动过程中不会“跑散”，环型加速器中还使用了四极磁铁等元件对其进行队形的调整，这样粒子束就在磁铁的指挥下有序地运动。
环型加速器原理
（来源：王力实）
环型加速器能够更好地储存加速粒子，并且可以有效地调整粒子束团的质量。如今，多数大型加速器都是以环型加速器作为主要部分，直线加速器和回旋加速器一般会作为环型加速器的注入器使用，大家各显神通。例如目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机，还有国内的同步辐射光源、散裂中子源等等，它们的主体都是环型加速器。
我国在广东惠州建设的强流重离子加速器（HIAF）结构示意图。这台加速器就是由直线加速器和环型加速器等组成的。
（来源：近代物理所）
我们为什么需要加速器？
人类如此大费周章地建设各种各样的加速器，不断探索新的加速器技术，为何我们如此需要加速器？
探索微观世界一直是科学家们的夙愿。曾经，“核物理学之父”卢瑟福就说过：“长期以来，我一直希望能够获得大量的原子和电子开展研究，这些原子和电子的能量远远超过来自放射性物体的粒子”。
从最早卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验打开原子物理研究的大门，到2013年大型强子对撞机发现希格斯粒子，加速器无疑是科学家们开展物质科学研究最重要、最前沿的工具。我们不但能用它发现新的基本粒子，也能合成新的同位素，甚至可以体验一把造物主的感觉——合成新元素！
高能量的粒子对撞机对撞出我们对世界的新认知。
(来源：CERN)
加速器对基础研究的贡献不仅仅在核物理和粒子物理领域中。利用带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道运动时发出的电磁辐射，科学家们建造了同步辐射光源，开展材料科学、结构生物学等学科的相关实验。这些实验帮助人类更清晰地了解微观世界的结构，在解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠病毒结构，筛选抗病毒药物与抗体等方面发挥着重要作用。
北京高能同步辐射光源组成示意图。
（来源：高能物理研究所）
除了基础科学研究，通过加速不同的带电粒子束或离子束，比如电子、重离子等等，科学家们可以开展各种各样的应用研究。加速器的应用已经渗透到人类生活的诸多方面了：
我们可以利用加速器治疗癌症。重离子放疗是目前国际上公认的先进放疗手段，重离子束就像一枚精准的导弹，能直接击中病灶，集中释放能量，消杀癌细胞。
近代物理所研制的碳离子治疗装置，这台加速器是由回旋加速器和环型加速器组成的。
（来源：近代物理所）
甚至，可口的巧克力和婴儿尿不湿的生产也和加速器有关！同步辐射光源技术可使制造的巧克力不发生反霜，提升巧克力的质感、口感和外观。美国劳伦斯伯克利实验室曾利用先进光源（ALS）产生的X射线，帮助道氏公司的化学家深入了解并改进了尿不湿中高吸水性聚合材料，从而改变了父母照顾婴儿的方式。
加速器的应用还远不止于此，安检系统、无损探伤设备、辐照诱变育种、污水处理、航空航天……都与加速器技术息息相关。难怪，三体人会这么害怕地球人的加速器了！如果你能来现场参观，相信你的震撼一定不会比读《三体》差！
参考文献：
[1] 刘慈欣. 三体[M].重庆出版社, 2010
[2] 桂伟燮. 荷电粒子加速器原理[M]. 清华大学出版社, 1994.
[3] Wangler T P . Principles RF Linear Accelerators[M]. 2008.
[4] Sloan D H , Lawrence E O . The Production of Heavy High Speed Ions without the Use of High Voltages[J]. Physical Review, 1931,38(11):2021-2032.
[5] 陈佳洱. 加速器物理基础[M]. 北京大学出版社, 2012.
[6] Jay Orear. Enrico Fermi: The Master Scientist[M], 2004
[7] Courant E D , Livingston M S , Snyder H S . The Strong-Focusing Synchroton-A New High Energy Accelerator[J]. Phys Rev, 1952, 88(5):1190-1196.
[8] Alexander Wu Zhao. LECTURES ON ACCELERATOR PHYSICS[M], World scientific, 2020
[9] 魏宝文：开拓重离子物理研究新领域(https://mp.weixin.qq.com/s/gQwCTsXV0YONanIVXHTkvA)
[10] 巧克力如此美味，别忘了感谢粒子加速器（https://mp.weixin.qq.com/s/ccWC3uU-7rPJRnB3NE4Pag）
[11] 现代尿不湿，还有粒子加速器的功劳（https://mp.weixin.qq.com/s/Y75HKCsxJXF5MqJkNjyrQA）
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