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proton synchrotron

  加速质子的环形加速器,它主要是由环形磁铁、加速设备、环形真空室以及控制、束流测量、校正、注入引出等系统组成。

  质子同步加速器的工作原理与电子同步加速器的类似。磁场是随时间改变的,随着粒子能量提高,磁场也加强,以保证粒子在恒定的闭合轨道附近回旋运动。磁场分布在设计的闭合轨道附近的环形区域内,环形真空室位于磁铁的磁极间隙里,粒子在真空室内回旋运动。在粒子轨道上安放有一个或数个加速设备,加速设备产生高频电场来加速粒子。加速电场的频率是粒子回旋频率的整数倍,在加速过程中,随着粒子回旋频率增高,加速电场的频率也增高,这一点是它与电子同步加速器的最大区别。利用质子同步加速器现已能把质子加速到800GeV。对质子同步加速器某些系统的指标进行必要的修改,也能加速比质子重的一些离子,以进行高能重离子的物理实验。

  质子同步加速器主要用来进行高能物理实验,或者作质子对撞机或另一台更高能量的质子同步加速器的注入器。强流质子同步加速器还可用作强脉冲中子源,产生散裂中子,用于凝聚态物理研究或模拟核爆炸。

  1952年,在美国布鲁克黑文国家实验室建成第一台质子同步加速器,设计能量为3GeV。之后,在美国伯克利和苏联杜布纳联合原子核研究所相继建成了6.4GeV和10GeV的质子同步加速器。1959年,在日内瓦欧洲核子中心建成了28GeV的质子同步加速器,它的磁铁系统采用了强聚焦原理,这种加速器称为强聚焦质子同步加速器,而以前建成的弱聚焦质子同步加速器现大部分已关闭。

  按照磁铁系统又可分为采用常温磁铁的常温质子同步加速器和采用超导磁体的超导质子同步加速器,前者加速时间只要一二秒,而后者要长达十秒以上,超导质子同步加速器还可按储存环(见对撞机)方式工作,而常温质子同步加速器如改为储存环方式工作,一般要降低能量。按照脉冲周期有快脉冲同步加速器和慢脉冲同步加速器之分,前者在0.1秒以下,后者在一秒以上。

目录

磁铁系统

  磁铁的主要作用是弯转粒子轨道,使粒子沿设计的环形轨道回旋运动。另一个作用是聚焦粒子束,使粒子于整个加速过程中在设计的轨道附近振荡运动。磁铁系统由若干块磁铁组成,各块磁铁之间留有空隙,粒子在间隙里的轨道是直线,这些间隙称为直线节。直线节内安装有加速设备,注入、引出系统,束流测量、校正元件和真空设备。

磁场

  粒子的能量和在磁场中的轨道曲率半径 ρ与磁感应强度B的关系式为         

2007120318001238-01.gif (1)

ρ以米为单位,B以特斯拉为单位,W为粒子的动能,ε0为粒子的静止能量,都以兆电子伏为单位,Z为粒子的电荷数。对于同步加速器,轨道曲率半径不随时间变化,粒子的动能随磁感应强度的增大而增大。

  磁场随时间变化的波形,对于慢脉冲同步加速器,是梯形波;对于快脉冲同步加速器,是有恒定偏磁的正弦波。

聚焦方式

  同步加速器的聚焦方式有弱聚焦,组合作用强聚焦和分离作用强聚焦几种类型。

  同步加速器的磁场沿半径有一定分布,以对回旋运动的粒子束施以聚焦力或散焦力。50年代建成的同步加速器大都是弱聚焦的,它的磁场随半径增加而逐渐减弱。磁场随半径r变化的程度用场指数n表示         

2007120318001238-02.gif

B0是r=ρ的磁感应强度。弱聚焦同步加速器中,所有磁铁的n值都一样,一般在0.7左右,所以弱聚焦又称为常梯度聚焦。

  60年代开始建造强聚焦同步加速器。在这种加速器里,n 1和-n 1的磁铁交替周期性安置。适当选择参量,使得粒子在径向和垂直方向(即磁场方向)都受到较强的聚焦作用。由于磁场梯度沿粒子轨道周期地变化,所以强聚焦又称为周期聚焦或交变梯度聚焦。强聚焦原理是1950年N.C.克里斯托菲洛斯提出来的,1952年E.D.库朗等也提出这一原理,并应用于同步加速器,大大降低了磁铁系统的造价。60年代建造的强聚焦同步加速器,它的磁铁兼起弯转粒子轨道和聚焦粒子束两种作用。这种强聚焦称为组合作用强聚焦。

  利用二极磁铁产生的均匀磁场来弯转粒子轨道,用四极磁铁产生的沿径向线性分布的磁场来产生聚焦作用,这样的强聚焦系统称为分离作用强聚焦系统。这一聚焦原理是中国科学家在1957年首先提出的,70年代建造的同步加速器和对撞机都采用了这个原理,使磁铁系统造价进一步降低,聚焦性能也便于调节。

高频加速系统

  在同步加速器里,粒子的回旋频率随粒子的能量增大而增大,加速电场的频率也相应增大。根据式(1)可以得出   

2007120318021238-03.gif(2)

f为粒子的回旋频率,以兆周/秒为单位,R是加速器的平均半径2007120318031238-04.gif以米为单位。对于电子同步加速器和很高能量的质子同步加速器,回旋频率随能量增大很不显著,因此加速电场的频率近似是个常数。

  对目前建造的质子同步加速器,为保持粒子轨道恒定,粒子动能的每圈增长率2007120318031238-05.gif与磁场增长速率2007120318031238-06.gif的关系为        

2007120318031238-07.gif

而加速电压与磁场增长速率之间有       

2007120318031238-08.gif

的关系,式中V为总加速电压幅值,嗞S为平衡相角。在这两个式子中忽略了随时间变化的磁场的感应电压和粒子作曲线运动的电磁辐射作用,动能W以电子伏为单位,电压V以伏为单位。

  质子同步加速器的加速设备一般都采用铁氧体加载的同轴谐振腔。通过调节铁氧体环上的偏磁电流,改变铁氧体的磁导率,就能调节谐振腔的谐振频率,使加速电场的频率按加速要求调变。

粒子的注入

  粒子在进入同步加速器之前,要先经过预加速到一定能量,如几十兆电子伏甚至几吉电子伏。这是因为,如果粒子进入同步加速器时的能量太低,开始加速时加速器的磁场也要很低,加速电场频率变化范围就会太大,引起技术上的困难,影响加速器的性能。此外在很低的能量下,同种粒子之间静电斥力也很大,会影响可能入射进去粒子的数目,影响加速器的束流强度。

  同步加速器前对粒子进行预加速的加速器称为入射器或预加速器。入射器早期采用静电加速器,目前多采用质子直线加速器。入射器的能量由同步加速器能量决定,同步加速器能量越大,要求入射器的能量越高。

  高能量的质子同步加速器需要的入射能量很高,而质子直线加速器的造价较高,采用高能质子直线加速器很不经济,因此常用一台小的质子同步加速器来入射,称之为增强器。增强器本身又用直线加速器作它的入射器。增强器有快脉冲增强器、多环慢脉冲增强器、单环慢脉冲增强器和大环慢脉冲增强器等几种。此外,也有人考虑采用其他类型的加速器(如分轨回旋加速器)作增强器。

  为了入射更多的粒子,以增加同步加速器的束流强度,希望延长有效入射时间,使它为数个甚至数十个粒子回旋周期。这种入射方式称为多圈入射。

粒子的引出

  粒子加速到需要的能量,就要引出来,加以利用。常用的引出方式有慢引出、快引出和切削引出。慢引出的整个引出过程持续时间在数毫秒到一秒以上;快引出是利用上升时间很短的脉冲磁场,在一个粒子回旋周期内,把粒子束引出真空室;而切削引出则在几个或十几个粒子回旋周期内,把粒子束引出真空室。

  参考书目

  徐建铭编著:《加速器原理》,修订版,科学出版社,北京,1981。

  方守贤:高能物理实验用加速器,《国外科学》,第1集,科学技术文献出版社,北京,1977。

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