粒子加速器
作者：未知 来源：未知 2012-07-06 11:51
作者：未知 来源：未知 2012-07-06 11:51
在20世纪早期，人们发现了原子的结构，之后人们了解到原子是由更小的亚原子粒子组成的——特别是质子、中子和电子。但是，在20世纪后半期使用原子粉碎机或粒子加速器进行的实验发现原子的亚原子结构非常复杂。粒子加速器可以提取一个粒子，如电子，将粒子的运动速度加快到接近光速，然后使其与原子碰撞，从而能够发现其内部的组成部分。
在20世纪30年代，科学家对宇宙射线进行了研究。当这些高能量的粒子（质子）从外层空间撞击铅原子（也就是原子核）时，会喷射出许多更小的粒子。这些粒子不是质子或中子，而是比它们更小。因此，科学家推断核子肯定是由更多、更小的基本粒子组成。此后人们便开始了对这些粒子的探索。
当时，要用高能量的粒子碰撞原子，只能到山顶上进行实验，因为只有在山顶上才容易找到宇宙射线。但是，物理学家很快设计出了称为“粒子加速器”或“原子粉碎机”的设备。在这些设备中加速粒子，当其达到非常高的速度（高动能），然后用它们撞击目标原子。之后对撞击产生的粒子以及放射物进行检测和分析，这样得到的信息就可以告诉我们有关构成原子的粒子以及原子聚合力的情况。自从帝国大厦对电视的研究尘埃落定后，粒子加速器实验一直被描述为是通过观察粒子来确定电视的结构的。
您是否知道其实在您的家里已经有了一种粒子加速器？事实上，您可能正在使用一种粒子加速器阅读文章！任一电视机或计算机显示器的阴极射线管（CRT）实际上就是一种粒子加速器。
CRT从阴极提取粒子（电子），对它们进行加速并且用电磁体在真空中改变它们的方向，使它们撞击到屏幕上的荧光分子，这种碰撞会在电视机或计算机显示器上产生亮点或像素。
粒子加速器的原理是相同的，只不过它们更大，粒子运动更快（接近光速），碰撞会产生更多的亚原子粒子和各种核辐射。粒子会通过设备内部的电磁波加速，这与冲浪运动员借助波浪获得推动力非常相象。粒子获得的能量越多，就越有利于我们看到物质的结构。这就像台球游戏中开球一样，当母球（赋能粒子）加速时，它会获得更多能量，因此能更好地击散球堆（释放出更多粒子）。
粒子加速器基本上有两种：
回旋加速器与直线性加速器的作用相同。但是，回旋加速器不采用线性长轨道，而是沿着环形轨道多次推进粒子。每次通过时，电磁场都会加强，使得粒子每通过一圈速度都会加快。当粒子达到最高速或获得期望的能量时，就会将目标放置在粒子束的行进路径上，周围或附近放置有检测器。回旋加速器是1929年发明的第一种加速器。事实上，第一个回旋加速器（如下所示）的直径只有10厘米。
劳伦斯的回旋加速器采用了两个D形磁体（称为Dee），磁体间隔有一个小缝隙。这两个磁体会产生一个环形磁场。振动电压在缝隙间形成一个电场，粒子（离子）每旋转一圈速度都会加快。随着粒子运动速度越来越快，圆形路径的半径越来越大，直到撞击最外面一圈上的目标。劳伦斯的回旋加速器有效，但是能够使粒子达到的能量不及现代回旋加速器。
现代回旋加速器在环形铜管周围放置速调管和电磁体来加速粒子。许多回旋加速器还有一个短的直线加速器，用来在粒子进入圆环之前对粒子进行初始加速。例如，在伊利诺斯州的费米国家加速器实验室就有一个现代回旋加速器，覆盖面积约25.6平方公里。
 布鲁克海文国家实验室供图 两束金原子在相对论重离子对撞机中碰撞后的端视图 |
在20世纪30年代，科学家对宇宙射线进行了研究。当这些高能量的粒子（质子）从外层空间撞击铅原子（也就是原子核）时，会喷射出许多更小的粒子。这些粒子不是质子或中子，而是比它们更小。因此，科学家推断核子肯定是由更多、更小的基本粒子组成。此后人们便开始了对这些粒子的探索。
 布鲁克海文国家实验室供图 两束金原子在相对论重离子对撞机中碰撞后的侧视图 |
当时，要用高能量的粒子碰撞原子，只能到山顶上进行实验，因为只有在山顶上才容易找到宇宙射线。但是，物理学家很快设计出了称为“粒子加速器”或“原子粉碎机”的设备。在这些设备中加速粒子，当其达到非常高的速度（高动能），然后用它们撞击目标原子。之后对撞击产生的粒子以及放射物进行检测和分析，这样得到的信息就可以告诉我们有关构成原子的粒子以及原子聚合力的情况。自从帝国大厦对电视的研究尘埃落定后，粒子加速器实验一直被描述为是通过观察粒子来确定电视的结构的。
您是否知道其实在您的家里已经有了一种粒子加速器？事实上，您可能正在使用一种粒子加速器阅读文章！任一电视机或计算机显示器的阴极射线管（CRT）实际上就是一种粒子加速器。
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CRT从阴极提取粒子（电子），对它们进行加速并且用电磁体在真空中改变它们的方向，使它们撞击到屏幕上的荧光分子，这种碰撞会在电视机或计算机显示器上产生亮点或像素。
粒子加速器的原理是相同的，只不过它们更大，粒子运动更快（接近光速），碰撞会产生更多的亚原子粒子和各种核辐射。粒子会通过设备内部的电磁波加速，这与冲浪运动员借助波浪获得推动力非常相象。粒子获得的能量越多，就越有利于我们看到物质的结构。这就像台球游戏中开球一样，当母球（赋能粒子）加速时，它会获得更多能量，因此能更好地击散球堆（释放出更多粒子）。
粒子加速器基本上有两种：
- 直线型——料子沿长直轨道行进，撞击目标。
- 回旋型——粒子一直作循环运动，直到撞击目标。
 SLAC供图 SLAC直线加速器的俯视图：该直线加速器 掩埋在地下，线路如图中白线所示。 |
回旋加速器与直线性加速器的作用相同。但是，回旋加速器不采用线性长轨道，而是沿着环形轨道多次推进粒子。每次通过时，电磁场都会加强，使得粒子每通过一圈速度都会加快。当粒子达到最高速或获得期望的能量时，就会将目标放置在粒子束的行进路径上，周围或附近放置有检测器。回旋加速器是1929年发明的第一种加速器。事实上，第一个回旋加速器（如下所示）的直径只有10厘米。
 劳伦斯伯克力国家实验室供图 恩尼斯特·劳伦斯在1929年设计了第一个粒子加速器（回旋加速器） |
劳伦斯的回旋加速器采用了两个D形磁体（称为Dee），磁体间隔有一个小缝隙。这两个磁体会产生一个环形磁场。振动电压在缝隙间形成一个电场，粒子（离子）每旋转一圈速度都会加快。随着粒子运动速度越来越快，圆形路径的半径越来越大，直到撞击最外面一圈上的目标。劳伦斯的回旋加速器有效，但是能够使粒子达到的能量不及现代回旋加速器。
 SLAC供图 回旋加速器的原理图 |
现代回旋加速器在环形铜管周围放置速调管和电磁体来加速粒子。许多回旋加速器还有一个短的直线加速器，用来在粒子进入圆环之前对粒子进行初始加速。例如，在伊利诺斯州的费米国家加速器实验室就有一个现代回旋加速器，覆盖面积约25.6平方公里。
 费米国家加速器实验室供图 费米国家加速器实验室的俯视图 |