(又稱電子-正電子對(duì)撞機(jī))是一個(gè)使正負(fù)電子產(chǎn)生對(duì)撞的設(shè)備,它將各種粒子(如質(zhì)子、電子等)加速到極高的能量,然后使粒子轟擊一固定靶。通過(guò)研究高能粒子與靶中粒子碰撞時(shí)產(chǎn)生的各種反應(yīng)研究其反應(yīng)的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)新粒子、新現(xiàn)象。用加速器的粒子轟擊靜止的靶,就像在一起交通事故中的一輛汽車撞到一輛停在路邊的汽車上,撞車的能量很大一部分要消耗到使停在路邊的汽車向前沖上,碰撞的威力就不夠大。如果使兩輛相向開(kāi)行的高速汽車對(duì)頭相撞,碰撞的威力就大許多倍?;谶@種想法,科學(xué)家們?cè)?0年代初研制成功了對(duì)撞機(jī)。目前世界上已建成或正在興建的對(duì)撞機(jī)有10多臺(tái)。
中文名稱 | 電子對(duì)撞機(jī) | 別稱 | 電子-正電子對(duì)撞機(jī) |
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應(yīng)用 | 材料科學(xué)、地球科學(xué)、化學(xué)化工 | 作用 | 將各種粒子加速到極高的能量 |
正負(fù)電子在對(duì)撞機(jī)里相向高速回旋、對(duì)撞,探測(cè)對(duì)撞產(chǎn)生的"碎片"--次級(jí)粒子并加以研究,就能了解物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的許多奧秘。雖然我們還不能預(yù)言這些研究結(jié)果將會(huì)有什么樣的實(shí)際應(yīng)用,但可以相信,微觀奧秘的揭示一定會(huì)對(duì)人類的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,就象電磁波的發(fā)現(xiàn)已成為信息時(shí)代的先導(dǎo)、對(duì)原子核的研究導(dǎo)致了核能的廣泛應(yīng)用那樣。而利用電子在對(duì)撞機(jī)里偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生的一種光輻射--同步輻射,又可以把對(duì)分子和原子的研究,由靜態(tài)的和結(jié)構(gòu)性的開(kāi)拓到動(dòng)態(tài)的和功能性的。
但是,由于電子回旋時(shí)引起的同步輻射損失,使這種對(duì)撞機(jī)能量的進(jìn)一步提高發(fā)生了困難,因?yàn)橥捷椛涔β逝c電子的能量二次方成正比,且與回旋半徑的平方成反比,為了減少輻射損失,一般高能量的電子對(duì)撞機(jī)均采用大半徑方案,即采用只有幾千高斯的低磁場(chǎng)來(lái)控制電子的運(yùn)動(dòng),即使如此,目前電子對(duì)撞機(jī)的最高能量仍然受到很大的限制,例如,10GeV的電子在曲率半徑為100m的對(duì)撞機(jī)中運(yùn)動(dòng)時(shí),每圈的輻射損失約為10MeV,如果對(duì)撞機(jī)中的回旋電流為1A,要補(bǔ)償這束電子流的輻射損失,就需要平均功率為10MW的高頻功率。假如正電子流也為1A,則總的平均功率為20MW,由此可見(jiàn),對(duì)撞機(jī)中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來(lái)補(bǔ)償這一同步輻射損失的。
輻射特性雖然給電子能量的進(jìn)一步提高帶來(lái)了困難,但也有一定的好處,這是因?yàn)殡娮踊蛘娮幼⑷雽?duì)撞機(jī)后,由于電子的輻射損失,使電子截面受到強(qiáng)烈的壓縮,電子很快集中到一個(gè)很小的區(qū)域中,其余的空間可以用來(lái)容納再一次注入的電子,這樣使積累過(guò)程簡(jiǎn)化,而且允許采用較低能量的注入器,通常采用直線加速器,也有采用電子同步加速器的。
這種對(duì)撞機(jī)中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶后產(chǎn)生的,為了得到盡可能強(qiáng)的正電子束,往往需要建造一臺(tái)低能量的強(qiáng)流電子直線加速器。另外產(chǎn)生出來(lái)的正電子束尚需再度注入到注入器中,與電子一起加速到必要的能量,再注入到對(duì)撞機(jī)中去。由于正電子束的強(qiáng)度只及電子束的千分之一到萬(wàn)分之一,所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累,才能達(dá)到足夠的強(qiáng)度。
北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的外型,象一只碩大的羽毛球拍。圓形的球拍是周長(zhǎng)240米的儲(chǔ)存環(huán),球拍的把柄就是全長(zhǎng)202米的行波直線加速器。
由電子槍產(chǎn)生的電子,和電子打靶產(chǎn)生的正電子,在加速器里加速到15億電子伏特,輸入到儲(chǔ)存環(huán)。正負(fù)電子在儲(chǔ)存環(huán)里,可以22億電子伏即接近光的速度相向運(yùn)動(dòng)、回旋、加速,并以每秒125萬(wàn)次不間斷地進(jìn)行對(duì)撞。而每秒有價(jià)值的對(duì)撞只有幾次。有著數(shù)萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)通道的北京譜儀,猶如幾萬(wàn)只眼睛,實(shí)時(shí)觀測(cè)對(duì)撞產(chǎn)生的次級(jí)粒子,所有數(shù)據(jù)自行傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中??茖W(xué)家通過(guò)這些數(shù)據(jù)的處理和分析,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)粒子的性質(zhì),從而揭示微觀世界的奧秘。
研究未有窮期。為探索物質(zhì)奧秘并造福人類,我國(guó)科學(xué)家將在不斷認(rèn)識(shí)微觀世界的跋涉中繼續(xù)奮進(jìn)。
對(duì)撞機(jī)又作為同步輻射裝置,在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、地球科學(xué)、化學(xué)化工、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)和考古等應(yīng)用研究領(lǐng)域取得了一大批驕人的成果。利用同步輻射光對(duì)高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行的深入研究;對(duì)世界上最大尺寸的碳60晶體以及在0.1-0.3微米X射線光刻技術(shù)的研究均取得重要突破;在微機(jī)械技術(shù)方面,制成了直徑僅4毫米超微電機(jī),這種電機(jī)將能在醫(yī)療、生物和科研等方面有獨(dú)特的用途。
粒子對(duì)撞機(jī)屬于高能物理當(dāng)中的研究方向。建一個(gè)粒子對(duì)撞機(jī)大概需要幾百到幾千億。
急需電子對(duì)講門(可視)、電子對(duì)講系統(tǒng)的價(jià)格?
可視門和對(duì)講系統(tǒng)我們是按戶計(jì)價(jià)的,一般的每套1500元左右
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歷時(shí)5年的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程圓滿完成。中科院高能物理研究所在京宣布了這一消息。
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大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(Large Electron-Positron Collider,簡(jiǎn)稱:LEP)是歐洲核子研究組織(CERN)的粒子加速器之一,1989年開(kāi)始營(yíng)運(yùn),位在瑞士和法國(guó)的邊界附近,大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的周長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)27公里,專門加速電子和正子,是目前已建成的最高能量的輕子加速器,且迄今為止還保留著粒子加速器的速度紀(jì)錄。在2000年末的時(shí)候,LEP被關(guān)停并拆解,以給在建的新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)騰出軌道空間。
1、電子-正電子對(duì)撞機(jī)又稱正負(fù)電子對(duì)撞機(jī),由于正負(fù)電子的電荷相反,所以這種對(duì)撞機(jī)只要建立一個(gè)環(huán)就可以了。相應(yīng)的造價(jià)就比較低,世界上已建成的對(duì)撞機(jī)大部分是屬于這一類的。
但是,由于電子回旋時(shí)引起的同步輻射損失,使這種對(duì)撞機(jī)能量的進(jìn)一步提高發(fā)生了困難,因?yàn)橥捷椛涔β逝c電子的能量二次方成正比,且與回旋半徑的平方成反比,為了減少輻射損失,一般高能量的電子對(duì)撞機(jī)均采用大半徑方案,即采用只有幾千高斯的低磁場(chǎng)來(lái)控制電子的運(yùn)動(dòng),即使如此,電子對(duì)撞機(jī)的最高能量仍然受到很大的限制,例如,10GeV的電子在曲率半徑為100m的對(duì)撞機(jī)中運(yùn)動(dòng)時(shí),每圈的輻射損失約為10MeV,如果對(duì)撞機(jī)中的回旋電流為1A,要補(bǔ)償這束電子流的輻射損失,就需要平均功率為10MW的高頻功率。假如正電子流也為1A,則總的平均功率為20MW,由此可見(jiàn),對(duì)撞機(jī)中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來(lái)補(bǔ)償這一同步輻射損失的。
輻射特性雖然給電子能量的進(jìn)一步提高帶來(lái)了困難,但也有一定的好處,這是因?yàn)殡娮踊蛘娮幼⑷雽?duì)撞機(jī)后,由于電子的輻射損失,使電子截面受到強(qiáng)烈的壓縮,電子很快集中到一個(gè)很小的區(qū)域中,其余的空間可以用來(lái)容納再一次注入的電子,這樣使積累過(guò)程簡(jiǎn)化,而且允許采用較低能量的注入器,通常采用直線加速器,也有采用電子同步加速器的。
這種對(duì)撞機(jī)中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶后產(chǎn)生的,為了得到盡可能強(qiáng)的正電子束,往往需要建造一臺(tái)低能量的強(qiáng)流電子直線加速器。另外產(chǎn)生出來(lái)的正電子束尚需再度注入到注入器中,與電子一起加速到必要的能量,再注入到對(duì)撞機(jī)中去。由于正電子束的強(qiáng)度只及電子束的千分之一到萬(wàn)分之一,所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累,才能達(dá)到足夠的強(qiáng)度。
2、質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)這種對(duì)撞機(jī)需要建造兩個(gè)環(huán),分別儲(chǔ)存兩束相反方向回旋的質(zhì)子束,才能實(shí)行質(zhì)子與質(zhì)子的對(duì)撞。由于質(zhì)子作回旋運(yùn)動(dòng)時(shí),其同步輻射要比電子小得多,在質(zhì)子達(dá)到的能量范圍內(nèi),可以略去不計(jì),因此為縮小這類對(duì)撞機(jī)的規(guī)模,盡量采用強(qiáng)磁場(chǎng),這就需要采用超導(dǎo)磁體。另外,質(zhì)子束的積累也不如電子對(duì)撞機(jī)那樣方便,它必須依靠動(dòng)量空間的積累來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此,必須首先在高能同步加速器中,將質(zhì)子加速到高能(一般為幾十吉電子伏),依靠絕熱壓縮,將質(zhì)子束的動(dòng)量散度壓縮上百倍,再注入到對(duì)撞機(jī)中去進(jìn)行積累,質(zhì)子對(duì)撞機(jī)中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來(lái)進(jìn)行動(dòng)量空間的積累及積累完畢后的進(jìn)一步加速,因此所需要的高頻功率也比電子對(duì)撞機(jī)小得多。由于上述原因,質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的規(guī)模要比電子-正電子對(duì)撞機(jī)大,投資也較高。
3、質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量相同,電荷相反,也只需要造一個(gè)環(huán)就能進(jìn)行對(duì)撞。這種對(duì)撞機(jī)發(fā)展得較晚,主要原因在于由高能質(zhì)子束打靶產(chǎn)生的反質(zhì)子束強(qiáng)度既弱,性能又差,無(wú)法積累到足夠的強(qiáng)度與質(zhì)子對(duì)撞。70年代后期,“冷卻”技術(shù)的成功,給予這種對(duì)撞機(jī)巨大的生命力(見(jiàn)加速器技術(shù)和原理的發(fā)展)。
歐洲核子中心
建成的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)如歐洲核子中心代號(hào)ISR的交叉儲(chǔ)存環(huán),其能量為2×31GeV,它于1971年已投入運(yùn)行。由于電子冷卻及隨機(jī)冷卻技術(shù)(見(jiàn)加速器技術(shù)和原理的發(fā)展)的成功,使反質(zhì)子束的性能大大得到改善,而且束流可以積累到足夠的強(qiáng)度,從而有可能在同一環(huán)中進(jìn)行質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞。
為了增加對(duì)撞的幾率(即提高對(duì)撞機(jī)的亮度),歐洲核子中心于1981年將一臺(tái)能量為400GeV的質(zhì)子同步加速器(即SPS)改建成質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī),并于1983年取得了極其重要的實(shí)驗(yàn)成果,發(fā)現(xiàn)了W±、Z0粒子 。
70年代初期
70年代初期,出現(xiàn)了在對(duì)撞區(qū)中插入一種特殊的稱為低包絡(luò)插入節(jié)的聚焦結(jié)構(gòu),使束流在對(duì)撞點(diǎn)的橫截面受到強(qiáng)烈的壓縮,從而使對(duì)撞點(diǎn)的束流密度大大增加。
由于采用了這種結(jié)構(gòu),使70年代建造的對(duì)撞機(jī)的亮度比以前提高了一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。另外,為了盡可能的延長(zhǎng)束流的壽命,對(duì)撞機(jī)環(huán)內(nèi)的真空度平均不得低于10-8~10-9Torr,尤其是在對(duì)撞區(qū)附近。為了減少物理實(shí)驗(yàn)的本底,即為了保證使束流與束流發(fā)生對(duì)撞的幾率大大超過(guò)束流與殘余氣體相撞的幾率,真空度應(yīng)維持在10-10~10-11Torr左右。所以大體積高真空這一技術(shù)也隨著對(duì)撞機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)了。對(duì)撞機(jī)的類型電子-正電子對(duì)撞機(jī)又稱正負(fù)電子對(duì)撞機(jī),由于正負(fù)電子的電荷相反,所以這種對(duì)撞機(jī)只要建立一個(gè)環(huán)就可以了。相應(yīng)的造價(jià)就比較低,世界上已建成的對(duì)撞機(jī)大部分是屬于這一類的 。
同步輻射損失
但是,由于電子回旋時(shí)引起的同步輻射損失,使這種對(duì)撞機(jī)能量的進(jìn)一步提高發(fā)生了困難,因?yàn)橥捷椛涔β逝c電子的能量二次方成正比,且與回旋半徑的平方成反比,為了減少輻射損失,一般高能量的電子對(duì)撞機(jī)均采用大半徑方案,即采用只有幾千高斯的低磁場(chǎng)來(lái)控制電子的運(yùn)動(dòng),即使如此,電子對(duì)撞機(jī)的最高能量仍然受到很大的限制,例如,10GeV的電子在曲率半徑為100m的對(duì)撞機(jī)中運(yùn)動(dòng)時(shí),每圈的輻射損失約為10MeV,如果對(duì)撞機(jī)中的回旋電流為1A,要補(bǔ)償這束電子流的輻射損失,就需要平均功率為10MW的高頻功率。
假如正電子流也為1A,則總的平均功率為20MW,由此可見(jiàn),對(duì)撞機(jī)中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來(lái)補(bǔ)償這一同步輻射損失的。輻射特性雖然給電子能量的進(jìn)一步提高帶來(lái)了困難,但也有一定的好處,這是因?yàn)殡娮踊蛘娮幼⑷雽?duì)撞機(jī)后,由于電子的輻射損失,使電子截面受到強(qiáng)烈的壓縮,電子很快集中到一個(gè)很小的區(qū)域中,其余的空間可以用來(lái)容納再一次注入的電子,這樣使積累過(guò)程簡(jiǎn)化,而且允許采用較低能量的注入器,通常采用直線加速器,也有采用電子同步加速器的。這種對(duì)撞機(jī)中所需的正電子是由能量為幾十兆電子伏以上的電子打靶后產(chǎn)生的,為了得到盡可能強(qiáng)的正電子束,往往需要建造一臺(tái)低能量的強(qiáng)流電子直線加速器。另外產(chǎn)生出來(lái)的正電子束尚需再度注入到注入器中,與電子一起加速到必要的能量,再注入到對(duì)撞機(jī)中去。由于正電子束的強(qiáng)度只及電子束的千分之一到萬(wàn)分之一,所以需要幾分甚至幾十分鐘的積累,才能達(dá)到足夠的強(qiáng)度。
質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)這種對(duì)撞機(jī)需要建造兩個(gè)環(huán),分別儲(chǔ)存兩束相反方向回旋的質(zhì)子束,才能實(shí)行質(zhì)子與質(zhì)子的對(duì)撞。由于質(zhì)子作回旋運(yùn)動(dòng)時(shí),其同步輻射要比電子小得多,在質(zhì)子達(dá)到的能量范圍內(nèi),可以略去不計(jì),因此為縮小這類對(duì)撞機(jī)的規(guī)模,盡量采用強(qiáng)磁場(chǎng),這就需要采用超導(dǎo)磁體。另外,質(zhì)子束的積累也不如電子對(duì)撞機(jī)那樣方便,它必須依靠動(dòng)量空間的積累來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此,必須首先在高能同步加速器中,將質(zhì)子加速到高能(一般為幾十吉電子伏),依靠絕熱壓縮,將質(zhì)子束的動(dòng)量散度壓縮上百倍,再注入到對(duì)撞機(jī)中去進(jìn)行積累,質(zhì)子對(duì)撞機(jī)中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來(lái)進(jìn)行動(dòng)量空間的積累及積累完畢后的進(jìn)一步加速,因此所需要的高頻功率也比電子對(duì)撞機(jī)小得多。
由于上述原因,質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的規(guī)模要比電子-正電子對(duì)撞機(jī)大,投資也較高。質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量相同,電荷相反,也只需要造一個(gè)環(huán)就能進(jìn)行對(duì)撞。這種對(duì)撞機(jī)發(fā)展得較晚,主要原因在于由高能質(zhì)子束打靶產(chǎn)生的反質(zhì)子束強(qiáng)度既弱,性能又差,無(wú)法積累到足夠的強(qiáng)度與質(zhì)子對(duì)撞 。
“冷卻”技術(shù)的成功
70年代后期,“冷卻”技術(shù)的成功,給予這種對(duì)撞機(jī)巨大的生命力(見(jiàn)加速器技術(shù)和原理的發(fā)展)。由于冷卻技術(shù)的成功,使得現(xiàn)有的高能質(zhì)子同步加速器,只要它的磁鐵性能及真空度夠好的話,均有可能可以改成質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。
今后再建的超高能質(zhì)子同步加速器,均考慮了同時(shí)進(jìn)行質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞的可能,由此可見(jiàn),這一技術(shù)成功的意義是何等重要。實(shí)現(xiàn)質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞雖然比質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞能節(jié)省一個(gè)大環(huán),但也有一定的弱點(diǎn),主要是由于盡管經(jīng)過(guò)冷卻及積累,反質(zhì)子的強(qiáng)度仍然比質(zhì)子的低得多,這樣使得質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的亮度比質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)低得多,前者最大為1029~1030cm-2·s-1,后者則為1032cm-2·s-1。電子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)這種對(duì)撞機(jī)的主要困難在于電子束的橫截面很小,線度約為幾分之一毫米,而質(zhì)子的橫截面較大,線度約為一厘米左右。前者束流較密集,后者較疏松,兩者相撞時(shí)作用幾率很小 。
現(xiàn)階段的研究
正在研究中,實(shí)現(xiàn)這種對(duì)撞需建立兩個(gè)環(huán),一個(gè)是低磁場(chǎng)的常規(guī)磁鐵環(huán),以儲(chǔ)存及加速電子;另一個(gè)是高場(chǎng)的超導(dǎo)磁體環(huán),以儲(chǔ)存并加速質(zhì)子,兩個(gè)環(huán)的半徑相同并放在同一隧道中,所以電子的能量通常是幾十吉電子伏,質(zhì)子的能量為幾百吉電子伏。
隨著加速器技術(shù)的提高,為了節(jié)約投資,新建的巨型加速器,往往在一個(gè)隧道中建造三個(gè)環(huán),以便可能進(jìn)行多種粒子對(duì)撞,例如質(zhì)子-質(zhì)子、質(zhì)子-反質(zhì)子,電子-正電子、質(zhì)子-電子對(duì)撞。電子直線對(duì)撞機(jī)為避免電子作回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)同步輻射損失引起的困難。
早在1965年已有人指出,在電子能量高于上百吉電子伏時(shí),應(yīng)采用直線型來(lái)進(jìn)行對(duì)撞,就是說(shuō),應(yīng)采用兩臺(tái)電子直線加速器加速兩股運(yùn)動(dòng)方向相反的電子束(或正負(fù)電子束)待達(dá)到預(yù)定能量后,兩股電子束被引出并在某點(diǎn)相碰。碰撞一次后的電子束即被遺棄,不再重復(fù)利用。當(dāng)然,只有當(dāng)這些被遺棄的電子束單位時(shí)間所帶走的能量小于環(huán)形對(duì)撞機(jī)中同步輻射的損失功率,這種方案才會(huì)被考慮。另外,由于電子直線加速功率的限制,每秒能提供的電子束脈沖數(shù)是有限的,所以單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的碰撞次數(shù)也比環(huán)形對(duì)撞機(jī)少得多,為了保證直線對(duì)撞機(jī)與環(huán)形對(duì)撞機(jī)有相同的亮度,要求在碰撞點(diǎn)的橫截面進(jìn)一步壓縮,約比環(huán)形對(duì)撞機(jī)中的碰撞截面小幾十到幾百倍,十多年來(lái)技術(shù)上的進(jìn)展,使這種對(duì)撞機(jī)受到重視,有關(guān)的各種問(wèn)題正在解決中。