什麼是質子同步加速器

加速質子的環形加速器，它主要是由環形磁鐵、加速裝置、環形真空室以及控制、束流測量、校正、注入引出等系統組成。

質子同步加速器的工作原理與電子同步加速器的類似。磁場是隨時間改變的，隨著粒子能量提高，磁場也加強，以保證粒子在恆定的閉合軌道附近迴旋運動。磁場分佈在設計的閉合軌道附近的環形區域內，環形真空室位於磁鐵的磁極間隙裡，粒子在真空室內迴旋運動。在粒子軌道上安放有一個或數個加速裝置，加速裝置產生高頻電場來加速粒子。加速電場的頻率是粒子迴旋頻率的整數倍，在加速過程中，隨著粒子迴旋頻率增高，加速電場的頻率也增高，這一點是它與電子同步加速器的最大區別。利用質子同步加速器現已能把質子加速到800GeV。對質子同步加速器某些系統的指標進行必要的修改，也能加速比質子重的一些離子，以進行高能重離子的物理實驗。

質子同步加速器主要用來進行高能物理實驗，或者作質子對撞機或另一臺更高能量的質子同步加速器的注入器。強流質子同步加速器還可用作強脈衝中子源，產生散裂中子，用於凝聚態物理研究或模擬核爆炸。

1952年，在美國布魯克黑文國家實驗室建成第一臺質子同步加速器，設計能量為3GeV。之後，在美國伯克利和蘇聯杜布納聯合原子核研究所相繼建成了6.4GeV和10GeV的質子同步加速器。1959年，在日內瓦歐洲核子中心建成了28GeV的質子同步加速器，它的磁鐵系統採用了強聚焦原理，這種加速器稱為強聚焦質子同步加速器，而以前建成的弱聚焦質子同步加速器現大部分已關閉。

按照磁鐵系統又可分為採用常溫磁鐵的常溫質子同步加速器和採用超導磁體的超導質子同步加速器，前者加速時間只要一二秒，而後者要長達十秒以上，超導質子同步加速器還可按儲存環（見對撞機）方式工作，而常溫質子同步加速器如改為儲存環方式工作，一般要降低能量。按照脈衝週期有快脈衝同步加速器和慢脈衝同步加速器之分，前者在0.1秒以下，後者在一秒以上。

磁鐵系統

磁鐵的主要作用是彎轉粒子軌道，使粒子沿設計的環形軌道迴旋運動。另一個作用是聚焦粒子束，使粒子於整個加速過程中在設計的軌道附近振盪運動。磁鐵系統由若干塊磁鐵組成，各塊磁鐵之間留有空隙，粒子在間隙裡的軌道是直線，這些間隙稱為直線節。直線節內安裝有加速裝置，注入、引出系統，束流測量、校正元件和真空裝置。

磁場

粒子的能量和在磁場中的軌道曲率半徑 ρ與磁感應強度B的關係式為

(1)

ρ以米為單位，B以特斯拉為單位，W為粒子的動能，ε0為粒子的靜止能量，都以兆電子伏為單位，Z為粒子的電荷數。對於同步加速器，軌道曲率半徑不隨時間變化，粒子的動能隨磁感應強度的增大而增大。

磁場隨時間變化的波形，對於慢脈衝同步加速器，是梯形波；對於快脈衝同步加速器，是有恆定偏磁的正弦波。

聚焦方式

同步加速器的聚焦方式有弱聚焦，組合作用強聚焦和分離作用強聚焦幾種型別。

同步加速器的磁場沿半徑有一定分佈，以對迴旋運動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，它的磁場隨半徑增加而逐漸減弱。磁場隨半徑r變化的程度用場指數n表示

，

B0是r=ρ的磁感應強度。弱聚焦同步加速器中，所有磁鐵的n值都一樣，一般在0.7左右，所以弱聚焦又稱為常梯度聚焦。

60年代開始建造強聚焦同步加速器。在這種加速器裡，n

1和－n

1的磁鐵交替週期性安置。適當選擇參量，使得粒子在徑向和垂直方向(即磁場方向)都受到較強的聚焦作用。由於磁場梯度沿粒子軌道週期地變化，所以強聚焦又稱為週期聚焦或交變梯度聚焦。強聚焦原理是1950年N.C.克里斯托菲洛斯提出來的，1952年E.D.庫朗等也提出這一原理，並應用於同步加速器，大大降低了磁鐵系統的造價。60年代建造的強聚焦同步加速器，它的磁鐵兼起彎轉粒子軌道和聚焦粒子束兩種作用。這種強聚焦稱為組合作用強聚焦。

利用二極磁鐵產生的均勻磁場來彎轉粒子軌道，用四極磁鐵產生的沿徑向線性分佈的磁場來產生聚焦作用，這樣的強聚焦系統稱為分離作用強聚焦系統。這一聚焦原理是中國科學家在1957年首先提出的，70年代建造的同步加速器和對撞機都採用了這個原理，使磁鐵系統造價進一步降低，聚焦效能也便於調節。

高頻加速系統

在同步加速器裡，粒子的迴旋頻率隨粒子的能量增大而增大，加速電場的頻率也相應增大。根據式(1)可以得出

(2)

f為粒子的迴旋頻率，以兆周／秒為單位，R是加速器的平均半徑

以米為單位。對於電子同步加速器和很高能量的質子同步加速器，迴旋頻率隨能量增大很不顯著，因此加速電場的頻率近似是個常數。

對目前建造的質子同步加速器，為保持粒子軌道恆定，粒子動能的每圈增長率

與磁場增長速率

的關係為

而加速電壓與磁場增長速率之間有

的關係，式中V為總加速電壓幅值，嗞S為平衡相角。在這兩個式子中忽略了隨時間變化的磁場的感應電壓和粒子作曲線運動的電磁輻射作用，動能W以電子伏為單位，電壓V以伏為單位。

質子同步加速器的加速裝置一般都採用鐵氧體載入的同軸諧振腔。通過調節鐵氧體環上的偏磁電流，改變鐵氧體的磁導率，就能調節諧振腔的諧振頻率，使加速電場的頻率按加速要求調變。

粒子的注入

粒子在進入同步加速器之前，要先經過預加速到一定能量，如幾十兆電子伏甚至幾吉電子伏。這是因為，如果粒子進入同步加速器時的能量太低，開始加速時加速器的磁場也要很低，加速電場頻率變化範圍就會太大，引起技術上的困難，影響加速器的效能。此外在很低的能量下，同種粒子之間靜電斥力也很大，會影響可能入射進去粒子的數目，影響加速器的束流強度。

同步加速器前對粒子進行預加速的加速器稱為入射器或預加速器。入射器早期採用靜電加速器，目前多采用質子直線加速器。入射器的能量由同步加速器能量決定，同步加速器能量越大，要求入射器的能量越高。

高能量的質子同步加速器需要的入射能量很高，而質子直線加速器的造價較高，採用高能質子直線加速器很不經濟，因此常用一臺小的質子同步加速器來入射，稱之為增強器。增強器本身又用直線加速器作它的入射器。增強器有快脈衝增強器、多環慢脈衝增強器、單環慢脈衝增強器和大環慢脈衝增強器等幾種。此外，也有人考慮採用其他型別的加速器（如分軌迴旋加速器）作增強器。

為了入射更多的粒子，以增加同步加速器的束流強度，希望延長有效入射時間，使它為數個甚至數十個粒子迴旋週期。這種入射方式稱為多圈入射。

粒子的引出

粒子加速到需要的能量，就要引出來，加以利用。常用的引出方式有慢引出、快引出和切削引出。慢引出的整個引出過程持續時間在數毫秒到一秒以上；快引出是利用上升時間很短的脈衝磁場，在一個粒子迴旋週期內，把粒子束引出真空室；而切削引出則在幾個或十幾個粒子迴旋週期內，把粒子束引出真空室。

參考書目

徐建銘編著：《加速器原理》，修訂版，科學出版社，北京，1981。

方守賢：高能物理實驗用加速器，《國外科學》，第1集，科學技術文獻出版社，北京，1977。