漫談粒子加速器

華興恒

發現、研究新的基本粒子，探索微觀結構的極限，其使用的基本工具，就是復雜、神秘而又昂貴的人工粒子源——加速器。

高能加速器擔負的任務是把帶電粒子（質子、離子、電子）加速到一定的能量，作為“探針”供各種不同的實驗使用。通常研究的客體越小，“探針”的能量必須越高?，F代高能加速器已能夠獲得密度為每秒鐘10¹⁸個粒子的束流，于是可以開展大量的、有目的的實驗研究，并應用到醫學、現代工業等方面。

1932年，英國科學家科克勞夫與沃頓建造了一臺高壓加速器，把質子加速到具有70萬電子伏（1電子伏=1.6×10^-19焦耳）的動能，并在歷史上首次使用人工加速的粒子實現了核反應。次年，美國的科學家范德格拉夫把高壓加速器的記錄提高到1.2兆電子伏。幾乎同時，美國的物理學家勞倫斯發明了回旋加速器，回旋加速器巧妙地利用磁場把粒子限制在一定大小的兩個“D”形盒中，在阿個“D”形盒的接縫處加上高頻交變電場，使粒子加速。到上個世紀30年代末期，它的能量已高達20兆電子伏，成為各種加速器的最高者，勞倫斯兇此獲得了諾貝爾物理學獎。

由于相對論效應，粒子速度越高，質量就越大，旋轉一周所需的時間就越長，若加速電場的周期不變，這樣就產生了不合拍的現象，也就限制了能量的提高。有鑒于此，科學家們又先后發明了“等時性回旋加速器”和“穩相加速器”。前者是把磁場強度做得不均勻，從而抵消掉相對論效應的影響，加速能量達幾億電子伏；后者是根據“自動穩相”原理設計的，改變加速電場的頻率，以適應粒子回旋頻率的變化，其能量水平也達到幾億電子伏。雖然這兩種加速器從理論上說，可以把粒子加速到任意商的能量，但是由于能量的提高伴隨著軌道半徑的增大，因而磁極也越來越大，這樣就顯得極為笨重。因此科學家們又想到了把磁鐵心挖掉，變為磁鐵環的辦法，從而使粒子不再沿形如鐘表發條的軌道回旋，而是在半徑從幾米到幾千米的環形磁跑道里加速，跑道每隔一定的距離就有磁鐵來控制粒子的軌跡，并伴隨著粒子速度的增加，磁場亦按同樣的步伐增強，這就是同步加速器的基本特征。

同步加速器可加速電子和質子等重粒子。從技術上考慮，一般先用別的加速器把粒子加速到一定的速度后，再送人同步加速器中加速。電子同步加速器出現于上個世紀40年代中期。電子在以接近于光速的速度做圓周運動時，會在切線方向強烈地輻射出光子，這就是同步輻射。它使電子的能量損失很大，這部分損失的能量由加速器上的高頻腔來補充。人們發現，同步輻射在分子生物學、表面物理、非線性光學、半導體器件丁藝等方面有著廣泛應用，已成為一門新興的技術。

質子同步加速器在原理上與電子同步加速器基本相同，但加速對象是質子，它的質量比電子大得多（1837倍），要求軌道半徑也大得多。目前，同步加速器能使能量提高到幾百億電子伏。

1952年，又出現了“強聚焦同步加速器”。它是在普通加速器的基礎上，進一步加強聚焦能力，把粒子更加嚴格地限制在軌道上，這樣可以更進一步地提高能量，達到幾千億電子伏，而加速器設備也更加龐大，占地面積達到幾萬畝，造價均為上十億美元。

為了進一步提高效率，“對撞機”應運而生了。顧名思義，對撞機就是讓兩束高能粒子相互對撞。乍一看，對撞能量至少提高一倍，其實若從有效能的觀點看，對撞的好處更大，特別是對質量較小的粒子（如電子）。對撞機的結構與同步加速器極為相似，高能粒子經過預加速后注入對撞機中，在環形真空室中貯存起來，當其積累到一定的密度時就進行對撞，在對撞點對反應進行探測。目前，世界上的大型加速器多是對撞機，如北京正負電子對撞機、美國斯坦福大學的正負電子對撞機、日本的正負電子對撞機、美國的質子對撞機，以及歐洲核子中心的大型強子對撞機。此外，美國還投資近百億美元，建造了超導超級對撞機，其周長達87千米。

粒子物理學家們正是利用這些加速器，探索物質組成的微觀奧秘。今后，新加速器原理和新加速器的出現，必將給人類探索微觀世界提供更加有力的工具。