大型正負(fù)電子對撞機(jī)（Large Electron-Positron Collider，簡稱：LEP）是歐洲核子研究組織（CERN）的粒子加速器之一，1989年開始營運(yùn)，位在瑞士和法國的邊界附近，大型正負(fù)電子對撞機(jī)的周長長達(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)子對撞機(jī)騰出軌道空間。

1、電子－正電子對撞機(jī)又稱正負(fù)電子對撞機(jī)，由于正負(fù)電子的電荷相反，所以這種對撞機(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撞機(jī)均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場來控制電子的運(yùn)動(dòng)，即使如此，電子對撞機(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的對撞機(jī)中運(yùn)動(dòng)時(shí),每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機(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，對撞機(jī)中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來補(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)一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因?yàn)殡娮踊蛘娮幼⑷雽ψ矙C(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容納再一次注入的電子，這樣使積累過程簡化，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，往往需要建造一臺低能量的強(qiáng)流電子直線加速器。另外產(chǎn)生出來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)子對撞機(jī)這種對撞機(jī)需要建造兩個(gè)環(huán),分別儲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)，因此為縮小這類對撞機(jī)的規(guī)模,盡量采用強(qiáng)磁場,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撞機(jī)那樣方便，它必須依靠動(dòng)量空間的積累來實(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，再注入到對撞機(jī)中去進(jìn)行積累，質(zhì)子對撞機(jī)中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來進(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撞機(jī)小得多。由于上述原因，質(zhì)子－質(zhì)子對撞機(jī)的規(guī)模要比電子－正電子對撞機(jī)大，投資也較高。

3、質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機(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)行對撞。這種對撞機(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，無法積累到足夠的強(qiáng)度與質(zhì)子對撞。70年代后期，“冷卻”技術(shù)的成功，給予這種對撞機(jī)巨大的生命力(見加速器技術(shù)和原理的發(fā)展)。

歐洲核子中心

建成的質(zhì)子對撞機(jī)如歐洲核子中心代號ISR的交叉儲存環(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)子對撞。

為了增加對撞的幾率（即提高對撞機(jī)的亮度），歐洲核子中心于1981年將一臺能量為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)，使束流在對撞點(diǎn)的橫截面受到強(qiáng)烈的壓縮，從而使對撞點(diǎn)的束流密度大大增加。

由于采用了這種結(jié)構(gòu)，使70年代建造的對撞機(jī)的亮度比以前提高了一兩個(gè)數(shù)量級。另外，為了盡可能的延長束流的壽命，對撞機(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)生對撞的幾率大大超過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)也隨著對撞機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來了。對撞機(jī)的類型電子－正電子對撞機(jī)又稱正負(fù)電子對撞機(jī)，由于正負(fù)電子的電荷相反，所以這種對撞機(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撞機(jī)均采用大半徑方案，即采用只有幾千高斯的低磁場來控制電子的運(yùn)動(dòng)，即使如此，電子對撞機(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的對撞機(jī)中運(yùn)動(dòng)時(shí),每圈的輻射損失約為10MeV，如果對撞機(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，對撞機(jī)中高加速頻系統(tǒng)的功率絕大部分是用來補(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)一步提高帶來了困難，但也有一定的好處，這是因?yàn)殡娮踊蛘娮幼⑷雽ψ矙C(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容納再一次注入的電子，這樣使積累過程簡化，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，往往需要建造一臺低能量的強(qiáng)流電子直線加速器。另外產(chǎn)生出來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)子對撞機(jī)這種對撞機(jī)需要建造兩個(gè)環(huán),分別儲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)，因此為縮小這類對撞機(jī)的規(guī)模,盡量采用強(qiáng)磁場,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撞機(jī)那樣方便，它必須依靠動(dòng)量空間的積累來實(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，再注入到對撞機(jī)中去進(jìn)行積累，質(zhì)子對撞機(jī)中的高頻加速系統(tǒng)主要是用來進(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撞機(jī)小得多。

由于上述原因，質(zhì)子－質(zhì)子對撞機(jī)的規(guī)模要比電子－正電子對撞機(jī)大，投資也較高。質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機(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)行對撞。這種對撞機(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，無法積累到足夠的強(qiáng)度與質(zhì)子對撞 。

“冷卻”技術(shù)的成功

70年代后期，“冷卻”技術(shù)的成功，給予這種對撞機(jī)巨大的生命力(見加速器技術(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)子對撞的可能，由此可見，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)子對撞雖然比質(zhì)子－質(zhì)子對撞能節(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)子對撞機(jī)的亮度比質(zhì)子－質(zhì)子對撞機(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)子對撞機(jī)這種對撞機(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)這種對撞需建立兩個(gè)環(huán)，一個(gè)是低磁場的常規(guī)磁鐵環(huán),以儲存及加速電子；另一個(gè)是高場的超導(dǎo)磁體環(huán),以儲存并加速質(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－電子對撞。電子直線對撞機(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)采用直線型來進(jìn)行對撞，就是說，應(yīng)采用兩臺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)形對撞機(jī)中同步輻射的損失功率，這種方案才會被考慮。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)形對撞機(jī)少得多，為了保證直線對撞機(jī)與環(huán)形對撞機(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)形對撞機(jī)中的碰撞截面小幾十到幾百倍，十多年來技術(shù)上的進(jìn)展，使這種對撞機(jī)受到重視，有關(guān)的各種問題正在解決中。