走近粒子加速器

粒子加速器全名为“荷电粒子加速器”，是一种可以使带电粒子在高真空环境中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置，也是为人类提供各种能量的粒子束或辐射线，如电子、质子、氘核、α粒子、各种重离子以及其他一些微观粒子的现代化装备。本文写作的目的是对粒子加速器作为一个行业的来龙去脉进行极其简单的介绍.

大科学时代与粒子加速器

翻开现代科学史，我们将会发现，以二战为分界点，人类科学发展的模式有了巨大的变化。战争期间，发达国家网罗大量科技工作者，组成之前历史上从未有过的大规模团队，在同一战略目标之下分工协同。这一工作模式推动了一系列关键科学技术突破，从中获益极大的美国在战争结束后率先引入了“国家实验室”的概念，建设以诸多大型粒子加速器为代表的大科学装置群、部署系列大型研究计划。冷战期间主要发达国家共建设了几十个国家级研究中心，例如美国的阿贡国家实验室（ANL）、劳伦斯-伯克利国家实验室（LBNL），俄罗斯的布德克核物理研究所（BINP），以及日本的高能加速器研究机构（KEK）等。随着冷战结束，这种趋势更进一步发展为全球性科技合作，典型的例如欧洲核子研究组织（CERN）周长27公里的大型强子对撞机（LHC）、多国科学家共同完成的人类基因组计划、16国共同建造的国际空间站，以及全世界主要核国家和主要发达国家共同参与、目前正值发展关键时期的国际热核聚变实验堆计划（ITER）等。可以说，二十世纪八九十年代以来，科技的发展已经正式进入了“大科学”（MegaScience）时代，为推动人类对世界的认知变革、带动多个领域的突破，需要花费巨额的投资、组织数以百千计的研究人员、经过漫长的周期、完成海量的工作，因此非一个单位所能完成，甚至需要多国合作。

图1 工程师们站在LHC的超导磁铁旁边。超导磁铁由美国的Fermi实验室建造

图2 第一张黑洞照片

其中，大科学工程或称大科学装置是建设性项目，与有指定目标的研究性项目有所区别，它们主要侧重大型核心科研设施的建设与运行，通过向外界用户提供具备独特条件的研究平台，在一个相当长时期内推动相关学科的整体发展。在我国，大科学装置也常被称为“国家重大科技基础设施”。

在诸多不同类型的大科学装置中，粒子加速器具有相当独特的地位。一方面，历史上，最初的大科学装置大多是用于基础物理研究的加速器，其发展也推动了诸多新技术的产生，“互联网和第三次科技革命诞生于加速器实验室”已经是为科学家们津津乐道的入门小故事。另一方面，从机理上来说，与其他一些装置不同，加速器大科学装置往往不直接观察、测量和记录科学事件，而是先“制造事件”，再进行观测。典型的如各类对撞机，是先加速粒子进行对撞，然后探测产生的事例；各种同步辐射光源则是先加速电子并产生光，再用光作为显微工具。这种机理是粒子加速器在物理学、化学、材料和生物学等多个不同学科的前沿均发挥重大作用的前提。迄今为止有四分之一到三分之一的诺贝尔科学奖与加速器有关，特别是在物理学和化学奖中可能达到一半。

除了大型装置之外，中小型粒子加速器也有自己的用途，而且不仅局限于在大型实验室中扮演主角，例如：在科研领域，可开展质谱分析、核物理研究，或模拟宇宙空间环境等；在工业领域，可提供辐照加工、离子注入、无损检测等；在农业、生物学和食品领域，可进行辐照育种、辐照保鲜和灭菌、除虫等；在医学领域，还可用于生产医用放射性同位素和辐照治疗等。

粒子加速器概述

显然，粒子加速器设计和建造的基本宗旨是为了定制具有指定品质的带电粒子束，以下称为束流（beam，束流也可用来指代光子束），一个beam可能由若干个束团（bunch）组成。一台粒子加速器的基本构成必然包括粒子源、加速电场、传输装置和粒子利用端，例如，一台老式CRT显示器就是一台加速器，从电子枪中打出电子，由石墨电极提供高压加速，经过偏转线圈打在荧光屏上发光。

不同领域的科学家或工程师将工作需求转换为对束流性能的要求；加速器物理学家据此设计和建造加速器，在此过程中，自然地，还需要高品质的粒子源，以及精确可靠的束流测量与控制技术。对已建成的加速器，可能发现束流未曾预料的新特性或新现象，可满足预期目标之外的用途，从而催生新的专用装置类型；对难以实现的性能指标，又需要发展新的原理与技术；这些都推动了加速器科学技术的发展，并再次带动了新一轮需求的产生。

科学家们在加速器上建立了现代核物理与粒子物理学科。在此过程中，原来仅仅是高能物理加速器寄生产物的同步辐射日益受到重视，利用它研究化学、材料科学和生物学等的专用光源应运而生，并迅速得到推广，目前世界上的大型同步辐射光源可能超过60台。在大型加速器装置上获得使用的新原理、新技术往往又会迅速应用到小型装置上并商品化。粒子加速器就是这样从人类文明顶点的工业奇观起步，逐渐影响到千家万户的。

图3  世界同步辐射光源的分布

带电粒子是如何加速的呢？基本的物理很简单，带电粒子可受到电磁场的作用，不带电的粒子则不受力。电场力将粒子势能转换为动能，垂直于粒子运动方向的磁场产生洛伦兹力。因此，只有电场才能够加速粒子，而磁场作用下粒子方向可以发生偏转。

很容易想到直接利用直流高压电场来加速粒子，这就是最早出现的加速器类型：高压加速器，包括静电加速器和倍压加速器等。这种加速器最关键的原理当然是如何产生和维持高压。电气工程学的发展曾为早期高压加速器的发展提供了保障，例如1929年荷裔美国科学家范德格拉夫（Vande Graaff）发明的范德格拉夫起电机，它可以提供几兆伏的高压。

即使是几十兆伏的高压加速器，仍然属于低能量范畴，再往上提升电压是很困难的；很自然地，人们会考虑，既然高压难于获得和维持，是否可以利用相对低的电压来反复加速同一束流，从而获得高能量呢？在这种指导思想下产生的加速器包括感应加速器和共振加速器。

顾名思义，感应加速器是利用变化的磁场激励起感应电场，利用感应电场来加速粒子。典型的如1932-1940年间发明和完善的电子感应加速器，如果用交变电场励磁产生交变磁场，再由交变磁场激励起交变的涡旋电场，在设计合适的情况下，1/4个周期内电子可以沿平衡轨道旋转并加速百万圈，从而获得几十MeV的能量。直线感应加速器的原理与之有相似之处，能量可能达到更高，而流强可以达到数千A。

电子感应加速器同样有能量限制，原因从图4中可以看出，只有1/4个周期可以用来加速电子，否则磁通变化反向，电子将被减速。那么，我们会想到，仍然采用周期性变化的电场，但是让粒子只有在指定空间内才能看到电场周期的指定部分（譬如说，波峰）；指定空间外，粒子走、电场也变，但是互相看不见，不就可以了吗？当粒子走出指定空间时，电场被屏蔽，粒子运动时电场持续变化、下一次再经过指定空间时看到的电场又已经变化到上一次同样的相对位置（称之为“加速相位”），电场变化与粒子运动“共振”，这就是所谓的“共振加速器”。

图4 电子感应加速器原理示意图

最早出现并成熟的共振型加速器是欧内斯特·劳伦斯（E. O.Lawrence）于1931年发明的回旋加速器。恒定磁场中放置两个D形盒电极，粒子回旋一圈经过两次D电极的间隙，加速两次，电隙之外由磁场偏转并回旋。经典回旋加速器的成立条件，由高中物理的知识可以知道，要求磁感应强度和粒子质量之比为常数，旋转频率可以是一个常数并与电场变化频率谐振，而与离子的速度或轨道半径无关。

图5  经典回旋加速器原理示意图

这个条件显然不适用于相对论条件下的高速粒子。考虑到相对论效应，经典回旋加速器的改进方向有二：在等时性回旋加速器中，高频电场不变，磁场的平均强度沿半径方向与离子的能量同步增长，使离子的旋转周期在加速过程中始终保持恒定，不随能量而变，从而保证回旋的等时性；在同步回旋加速器中，则是高频加速电压与粒子回旋频率的变化同步，从而保证始终与粒子共振。这两种方法分别要求对磁铁的精密加工和对高频的精确控制，因此直到20世纪四五十年代后计算机、精密加工和微波高频技术成熟之后才得到迅速的发展，并使得离子加速器进入中能阶段。其中，同步回旋加速器也叫做稳相加速器，其得名是因为40年代发现的“自动稳相原理”，该原理保证了绝大部分共振型加速器中相位、能量与理想粒子稍有偏差的粒子也能一同被稳定加速，从而获得较大的电流。回旋加速器和稳相加速器的磁场一般来说都是固定不变的。

回旋加速器和稳相加速器的加速过程中，粒子轨道半径由小到大变化，磁铁需要覆盖很大的面积，大型磁铁需要使用巨量的铜材、钢材并消耗很高的功率，这限制了加速器能量的进一步提升，一般的等时性回旋加速器能量仅延伸到中能区范围。为了克服这个问题，让我们重新回顾之前电子感应加速器的平衡轨道，假定我们仍然采用类似回旋共振的办法，但将束流的轨道固定，只需要初始束流具备一定的能量，就可以不断升高磁场来约束不断加速的束流，这样就可以只在环形轨道上布置磁铁，省去大量的代价；整块环形磁铁的加工安装仍然存在困难，进一步的将整块环形磁铁分离为多块磁铁，中间用直线真空管道连接，这样就形成了一种新的加速器类型：同步加速器。同步加速器一般都需要前级加速器作为注入器，其本身也可以不为粒子升能而只是存储粒子以供实验，此时称为储存环。相对论性粒子束在磁场中受力弯转的时候发出强大的辐射，覆盖长频段、具备高亮度和高准直性等优点，这种辐射最早就是在同步加速器中发现的，因此被称为同步辐射。

上面所有的讨论集中于粒子如何获得能量。事实上，束流中的粒子不可能同时存在于同一个点上，必然有一定的能量、位置与角度分布，实际上是大量粒子沿着平衡轨道一边振荡一边前进，因此加速器物理的另一个重要问题是聚焦。早期的加速器利用同一磁铁实现两个方向的同时聚焦，一般让磁场随半径增大而下降来保证束流在垂直轨道平面的方向（轴向）聚焦，同时又限制磁场下降的速度以保证束流在指向轨道旋转中心的方向（径向）聚焦，这两个方向因为都垂直于粒子运动方向，所以统称为横向，相应的，粒子运动方向称为纵向。显然，这样的做法不可能在两个方向都同时提供很强的聚焦力，限制了束流品质的提高；随着能量提高，即使是同步加速器仍然会遇到真空室尺寸过大、造价高、耗电多的瓶颈。如果我们回顾高中物理的知识，可以发现，一定条件下，一块凸透镜和一块凹透镜组成的组合透镜系统是聚焦的，这个现象背后的本质是数学计算的客观规律。1952年，欧内斯特·科朗特（E.D.Courant）利用类似的原理，在粒子轨道上交替排布轴向聚焦但径向散焦和径向聚焦但轴向散焦的磁铁，最终实现轴向和径向都聚焦。这种排布可以提供极强的聚焦力，为现代最重要的加速器类型——交变梯度强聚焦共振加速器的出现奠定了基础。这种加速器既可以是射频直线加速器，也可以是环形的同步加速器；它们利用二极铁弯转束流，利用交替排布的四极铁聚焦束流。

共振加速、自动稳相和交变梯度强聚焦的陆续出现，最终攻克了通往巨型粒子加速器文明奇观的三道难关。从上世纪60~70年代以来，大部分加速器大科学装置都是同步加速器或直线加速器，束流能量从几百MeV跨越到几TeV。其建造过程推动了一系列科学技术的进步，其运行开放也带来了多个不同学科的无数重大发现。目前常见的加速器类型见表1。在当前，低能量的加速器多为民用和医用；中等能量的加速器一般用于小型实验室和面向工业的检测用途；中高能加速器往往既可作为核与粒子物理实验研究平台，也可作为同步辐射光源提供多学科（主要是化学、材料和生命科学）的显微平台；更高能量的加速器则主要用于核物理和粒子物理研究。总的来说，粒子加速器可以定制束流，而定制的束流与物质相互作用的效应能够为人们利用。按照通用的划分方式，核技术是基于原子核科学、粒子加速与射线产生的原理和方法，利用射线与物质相互作用而产生的物理、化学或生物效应为人类服务的交叉学科领域，划分为两类：一类是核武器和核能源，一类是除此之外的所有“非动力核技术”。粒子加速器物理与技术正是非动力核技术的核心驱动力量。

图6 分离作用同步加速器和四极磁铁

表1 常见加速器的分类

大科学装置的前沿

从之前的总结中，我们可以简单地推出结论，粒子加速器的核心问题有二：第一，如何加速？第二，如何聚焦和提高束流品质？延伸开来，还有两个拓展性的关键问题：如何获得初始的注入粒子束？如何测量粒子束，使我们知道它的品质符合要求？实际上，我们可以说，束流物理与加速器技术的绝大部分工作，都是围绕这四个问题所展开的。

近十年来，下一代加速器大科学装置的概念正在形成。例如：在核物理领域，中国的中科院近代物理研究所和美国的布鲁克海文国家实验室（BNL）等都在研究EIC，即电子-离子对撞机；在高能物理领域，分为高能量前沿和高精度前沿，其中，在高能量前沿，国际直线对撞机ILC渐渐淡出视野，取而代之的是欧洲的未来环形对撞机FCC-ee和中国的大型环形正负电子对撞机CEPC这样两个雄心勃勃而又充满争议的方案；在支撑多个学科特别是材料科学的同步辐射光源领域，世界各地纷纷开始兴建或研究的，是基于超导直线加速器的高重复频率X射线自由电子激光（FEL）和基于超低发射度电子储存环的衍射极限储存环光源，已建成的例如瑞典隆德大学MAXIV光源，正在建设中的例如美国先进光子源APS-U、中国中科院高能所承建的高能光源HEPS和中科院上海高等研究院承建的硬X射线自由电子激光装置，正在预研中的例如中科大国家同步辐射实验室合肥先进光源HALF等。

图7 高能光源HEPS效果图

上述多个大科学装置的科普性介绍，在互联网上俯拾即是，在此不再赘述。单纯就其共性来说，以环形加速器为例，无论是环形超级对撞机，还是衍射极限储存环同步辐射光源，最核心的要点在于，约定能量的同时要提供比现存大部分加速器强得多的横向聚焦。对于对撞机来说，强聚焦使得对撞点的束流包络缩小，可以简单理解为束团尺寸减小，那么单位时间、单位面积上出现的粒子数量就显著增加，对应的，粒子对撞的事件发生率（称为对撞机亮度）和累积事件数大幅上升，为研究基本粒子及其相互作用提供了强大而不可或缺的工具。对于同步辐射光源，强聚焦使得束流横向发射度（可理解为由束团内所有粒子横向的位置、散角所构成的相空间内所占的面积）减小，也可以简单理解为发光的光源尺寸减小，同步辐射光的亮度与横向发射度平方成反比，在亮度迅速提升的同时，对于束流发射度小于其波长/(4π)的同步辐射光，可以认为其横向全相干，高亮度相干光源对于多种前沿学科的研究有极其重要的作用。

强聚焦的好处如此巨大，对应的代价自然也十分沉重。最典型、最首要的问题是动力学性能如动力学孔径和动量接受度等的恶化。以动力学孔径为例，我们知道粒子在加速器中是沿着轨道振荡的，那么，其横向振荡存在一个稳定区，我们称之为“动力学孔径”，跃出粒子动力学孔径的粒子就会丢失。在下一代大科学装置中，为了提供强聚焦，四极铁的强度大为提升，所产生的束流“色品”需要补偿；简单来说可以理解为，把四极铁当成光学中的透镜，四极铁越强，动量不同的粒子经过四极铁后的偏差就越大，类似透镜中的色散现象，绝对值大的负色品会导致束流丢失。为了补偿色品，需要增大六极铁等非线性元件的强度，而强大的非线性将导致动力学性能急剧恶化。首先是难以获得很好的动力学孔径，一般来说，目前正在设计的大型储存环光源的动力学孔径常常只有2-5毫米，与现有的同步辐射光源相比小了一个数量级；对于在研的下一代正负电子对撞机，动力学孔径甚至难以优化到10σ以上（σ为束团横向尺寸）。其次，孔径等动力学性能指标的下滑会导致现有的多种成熟技术无法继续采用，甚至束流寿命等相关的束流品质指标也会下降。

另一个关联问题是集体效应。上面我们讨论的所有物理问题，多半是“单粒子动力学”，单粒子动力学的含义不是说“只有一个粒子”，而是认为粒子与粒子之间没有相互作用，“粒子的悲喜并不相通”；而显然，粒子与粒子之间是存在相互作用的。最容易理解的例如，我们知道束流中的粒子都是带相同电荷的，那么，将束团压得越“小”，库伦斥力就越强，束流品质越容易被破坏。除此之外，在对撞机中，还存在对撞点处碰撞束流间的束-束效应、轫致辐射等等。总而言之，各种集体效应可能诱发束流的各种不稳定，后果不太严重的可能使得束流寿命缩短、品质下降，后果严重的可能直接导致束流丢失，称为“相干不稳定性”。对未来加速器大科学装置的束流物理研究，主要的工作就是优化与平衡上述问题。

当前，一批新的大科学装置正在建设或预研中，还有全国多个城市和单位正提议兴建大科学装置，这将为加速器学科的发展提供丰沃的土壤。

目前，世界上运转的粒子加速器已经达到了数万台，它们在各行各业、各个领域发挥着重要的作用。未来，随着新型加速器技术的研发和推广，粒子加速器将会更加广泛、深入应用于工业、农业、医疗、环保等领域，进一步助推我国经济社会的发展，为人类生活生产带来更多便利。