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粒子加速器

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发表于 2011-3-1 11:16:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、粒子加速器的发展史
1919年,E.卢瑟福用天然放射源实现了第一个原子核反应,不久,人们就提出了用人造快速粒子源来变革原子核的设想。1928年G.伽莫夫关于量子隧道效应的计算表明,能量远低于天然α射线的粒子,也可透入核内,这就进一步激发了人们研制人造快速粒子源的热情。
20年代中,探讨过许多加速带电粒子的方案,进行过许多试验。30年代初,高压倍加器、回旋加速器、静电加速器相继问世。1932年J.D.考克饶夫和E.T.S.瓦耳顿用他们建造的700kV高压倍加器加速质子,实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反应,Li(p,α)He。同年E.O.劳伦斯等发明的回旋加速器开始运行。几年之后他们通过人工加速的p、d和α等粒子轰击靶核得到高强度的中子束,还首次制成了Na、P、I等医用同位素。这几位研制加速器的先驱者后来分别获得了诺贝尔物理学奖。同一期间R.J.范德格喇夫创建了静电加速器,它的能量均匀度高,被誉为核结构研究的精密工具。
以后的几十年间,随着人们对微观物质世界深层结构研究的不断深入,各个科学技术领域对各种快速粒子束的需要不断增长,提出了多种新的加速原理和方法,发展了具有各种特色的加速器。
第一批粒子加速器的运行显示了人工方法产生快速粒子束的巨大优越性:不仅其强度远高于放射性元素、宇宙线等天然快速粒子源,而且粒子的品种、能量以及粒子束的方向等都可任意选择、精确调节。
1940年D.W.克斯特制成了利用电磁感应产生的涡旋电场加速电子到高能量的电子感应加速器;1945年Β.И.韦克斯勒和E.M.麦克米伦各自独立提出了谐振加速的自动稳相原理,为高能加速器的发展开辟了道路;40年代中期在第二次世界大战期间发展起来的高频、微波技术基础上,L.W.阿耳瓦雷茨和W.W.汉森分别制成了第一台质子驻波直线加速器和电子行波直线加速器,为直线加速器的发展奠定了基础;50年代初M.S.利文斯顿、E.D.库朗等提出了强聚焦加速器原理,大大缩减了加速器的尺寸,在此基础上诞生了强聚焦的高能加速器以及扇形聚焦回旋加速器;1956年克斯特提出了通过高能粒子束间的对撞来提高有效作用能的概念,导致了高能对撞机的发展。
60年代后期以来,在寻求超重核,发展重离子核物理的推动下,发展了加速重离子的技术和能力,并形成了自成一族的重离子加速器,使加速粒子的品种自初期的少数轻离子发展到元素周期表上全部天然元素的离子。
二、粒子加速器的原理
在直线加速器中,粒子沿加速管道运行并不断增加速度,从而获得高速粒子。在加速管道的外部,套有许多的电磁线圈。由于通电螺线管内部具有磁场,也即,具有沿同一个方向递进的磁力线能量。
    据统一场理论,粒子不仅仅是一个个极其微小的物质体,而且是一个个具有磁矩的、体积极其极其微小的能量体。其磁矩磁力线从粒子的北极射出后,回到南极而输入。在粒子内部,磁矩磁力线从南极流向北极。
     在两个磁体之间,由于彼此磁力线具有“同极相斥、异极相吸”作用特性,以及磁力线的可重组和共享特性。因此,当粒子处于一个尺度较长的、强度很大的磁场磁力线的内部之际,比如在直线加速器中,其从北极射出的微弱磁矩磁力线能量,必将与加速器中那个强大的磁场磁力线合并而重组且共享,那个强大的磁场磁力线的其中一束又必然从该粒子的南极输入。因此,在这个粒子的外部空间,就不会再有从自身北极射出并立即向南极折返的磁矩磁力线,只有与加速器的强大磁力线相共享的磁力线从粒子的南极穿进、从北极穿出,使得粒子犹如一个套在螺杆上的螺母。
    当加速器的电场加强,则意味其中的磁力线的加强,也即是磁力线螺旋速度的加快。所以,外套于这个螺旋速度加快步伐的磁力线之上的粒子,必然加速不待。 因此,粒子的加速速度与加速器的电磁场具有成正比之规律性特征。
三、粒子加速器的种类
按作用原理分:粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器 、对撞机等。按照粒子能量的大小:加速器可分为低能加速器(能量小于108eV)、中能加速器(能量在108~109eV)、高能加速器(能量在109~1012eV)和超高能加速器(能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。
粒子轨道的形态分,大体上可分为四大类:直流高压式加速器、电磁感应式加速器、直线谐振式加速器和回旋谐振式加速器。按回旋运动分:第一类是没有自动稳相机制的,等时性回旋加速器就是属于这一类。第二类是有自动稳相机制的,属于这一类型的加速器有稳相加速器电子回旋加速器同步加速器。
四、粒子加速器在其他领域的应用
(1)在医疗卫生中的应用
  随着科学技术的进步,人民生活和质量的提高,人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。目前,加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面,即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。
 ①放射治疗
  用于恶性肿瘤放射治疗(简称放疗)的医用加速器是当今世界范围内,在加速器的各种应用领域中数量最大、技术最为成熟的一种。
  用于放疗的加速器由50年代的感应加速器,到60年代发展了医用电子回旋加速器,进入70年代医用电子直线加速器逐步占据了主导地位。目前,世界上约有3000多台医用电子直线加速器装备在世界各地的医院里。
  除了应用加速器产生的电子线、X射线进行放疗外,还可应用加速器进行质子放疗、中子放疗、重离子放疗和π介子放疗等,这些治癌方法还处在实验阶段,实验的结果表明,疗效显着。但这些加速器比电子直线加速器能量高得多,结构复杂得多,价格昂贵得多,尚未普及。
  利用电子直线加速器开展立体定向放疗,俗称X—刀,是近年来发展的新的放疗技术。这种技术与常规放疗相比,可多保护15%~20%的正常组织,而肿瘤增加20%~40%的剂量,可更有效地杀灭癌细胞,从而增加放疗疗效。
(2)低能加速器在农业中的应用
  作为核技术应用装备的加速器在农业上的应用,在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面:
 ①辐照育种
  加速器在辐照育种中的应用,主要是利用它产生的高能电子、X射线、快中子或质子照射作物的种子、芽、胚胎或谷物花粉等,改变农作物的遗传特性,使它们沿优化方向发展。通过辐射诱变选育良种,在提高产量、改进品质、缩短生长期、增强抗逆性等方面起了显著作用。马铃薯、小麦、水稻、棉花、大豆等作物经过辐照育种后可具有高产、早熟、矮杆及抗病虫害等优点。
 ②辐照保鲜
  辐照保鲜是继热处理、脱水、冷藏、化学加工等传统的保鲜方法之后,发展起来的一种新保鲜技术。例如,对马铃薯、大蒜、洋葱等经过辐照处理,可抑制其发芽,延长贮存期;对干鲜水果、蘑菇、香肠等经过辐照处理,可延长供应期和货架期。
 ③辐照杀虫、灭菌
  目前,在农产品、食品等杀虫灭菌普遍使用化学熏蒸法,由于使用溴甲烷、环氧乙烷等化学熏蒸法引起的残留毒性、破坏大气臭氧层等原因,根据蒙特利尔公约,到2005年要在全球范围内禁止使用溴甲烷。因而利用加速器进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速器产生的高能电子或X射线可以杀死农产品、食品中的寄生虫和致病菌,这不仅可减少食品因腐败和虫害造成的损失,而且可提高食品的卫生档次和附加值。
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发表于 2012-12-24 18:14:17 | 显示全部楼层
同年E.O.劳伦斯等发明的回旋加速器开始运行。几年之后他们通过人工加速的p、d和α等粒子轰击靶核得到高强度的中子束,还首次制成了Na、P、I等医用同位素。
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请问这是否意味着:用加速器加速p、d和α等粒子打靶,发生核反应的几率是很高的(如可达10%以上)?
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