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    制造射线和粒子束的机器加速器

    2018/9/10 9:40:25

    加速器是用人工方法使带电粒子在高真空中受电场力作用加速,获得较高能量的装置。高能量的中性粒子束或X射线也可由加速器间接获得。加速器小的只有几十厘米长,一个小的集装箱就能装得下,可以用汽车拉着来回跑;大型加速器大得占地好几平方千米,有一个小城市那么大,被加速的粒子在里面要跑上几百万千米,相当于绕地球几十圈,真是顶尖的高科技产品。

    1.“炼金术士”的梦想实现了

    古代“炼金术士”企图把普通金属(铁、铜、铅等)转变为黄金、白银这样的贵金属。花费了大量的人力、物力和财力,最好的结果是制出了黄铜和白铜。到了20世纪40年代,古代“炼金术士”的夙愿终于被现代的“炼金术”实现了。1941年,美国科学家用加速器产生的带电粒子轰击汞原子,利用下面的核反应,真的制造出了几百万个金原子。

    200Hg + 1 197Au + 4He

    (汞 – 200 + 质子   – 197 +  - 4

    一些国家用类似的方法,制造出了相当数量的黄金。诚然,用这种方法制造出的黄金,要比从自然界中提炼出来的黄金贵得多,但是“炼金术士”的梦想实现了。利用加速器,人们还可以制造出比黄金贵千万倍的贵金属。

    2.加速器大家族

    加速器于20世纪30年代问世,最初是作为探索原子核奥秘而发展起来的。1930年,美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,在这台装置中,质子在一个巨大电磁体中沿圆形轨道运行,在电场作用下获得能量,不断加速。1931年,美国物理学家范德格拉夫发明了静电高压加速器。现在人们利用光学显微镜、电子显微镜、隧道显微镜,可观察到纳米范围的物体,更小尺度的范围能不能观察?怎么可以观察到?高能加速器使人们实现了这个愿望。高能加速器可以使人们看到10-10~10-18米那么微小的粒子。现在,加速器的应用已远远超出了基础研究范围,在国民经济建设和国防建设中,都有着十分广泛的应用。加速器的发展迅速,出现了各种各样的加速器。

    按被加速的粒子种类分,有电子、质子和重离子加速器。

    按加速粒子的能量分,有低能、中能、高能和超高能加速器。

    按加速的原理分,有高压类、感应电场类、射频电场类加速器。

    下图为建在中国原子科学研究院的HI-13串列加速器和强流质子回旋加速器。

     

                            

        HI-13 串列加速器                                             强流质子回旋加速器   

     

    大中型加速器往往采用多种加速器的串接组合。现在,瑞士、美国、俄罗斯都制造了超大型加速器。

    中国科学院高能物理所的北京正负电子对撞机、合肥中国科技大学的同步辐射装置、兰州近代物理所的重离子加速器和中国原子能科学研究院的串列加速器是我国现在运行着的几座大型加速器。

    3.离子注入机是什么

    离子注入机是把中性原子电离后,引出离子束,用电磁场加速和聚焦,形成一定能量和脉冲宽度的带电粒子束,注入到靶室的材料上,使材料的化学成分或组织结构发生变化,引起电学、磁学、光学、机械性能和化学性能的改变。

    20世纪70年代以来,离子注入已成为微电子线路加工手段之一。20世纪80年代,离子注入技术应用于超大规模集成电路生产。现在,全世界用于集成电路生产的离子注入机已有三千多台,并且还正在迅猛增加。离子注入还可用来培育植物新品种。离子注入机可注入的离子已有好几十种,可根据需要来选择。

    4.加速器用途广泛

    70多年来,加速器迅速发展,不断拓宽应用领域。现在加速器发展主流有两个:

    一类发展主流是中、高能加速器,以各种对撞机和同步辐射装置为代表,正向更高能量、更高流强发展,主要为高能物理和科学研究服务。科学家们用加速器发现了超铀元素、中微子、J粒子、反电子、反质子、反中子等许多新粒子。王淦昌等人在前苏联杜布纳联合核子研究所,就是在加速器上发现了反西格马负超子。诺贝尔奖得主博格和他的同事们最早发现的超铀元素镎和钚,就是在加利福尼亚大学回旋加速器上轰击铀核发现的,后来又用加速器发现了好几个新元素。俄罗斯科学家在杜布纳联合核子研究所加速器上合成了第113号和第115号新元素。第115号新元素就是利用加速器。用加速到十分之一光速的钙离子轰击镅靶产生的。1999618日美国科学家发现的第116号和第118号超重元素也是依赖于加速器技术。由加速器产生的高能电子还能制造自由电子激光。20世纪70年代,自由电子激光曾被美国纳入“星际大战”计划。自由电子激光除军事应用外,在国民经济中也有许多应用。高能加速器还扩展到同步辐射光源、大功率散裂中子源、新一代能源等许多方面的应用。

    另一类发展主流是低能强流加速器,以辐射加速器和医用加速器为代表。人们用它来探伤、消毒、治疗癌症,用它来辐照电缆、硫化橡胶、生产泡沫塑料、固化涂层、离子掺杂、生产复合材料;用它来生产放射性同位素等。小型加速器已形成系列化、商品化,正在向小型化、高效率、自屏蔽和操作简便发展。现在,世界上在用的小型低能加速器已超万台,其中约65%是电子加速器。

    加速器的应用举例

    领域

       

    研究应用

    核物理、高能物理、粒子物理,天体物理,自由电子激光,新元素合成,制备反物质,核嬗变,聚变研究,核数据测量等

    工农业生产应用

    消毒灭菌,探伤,安检,超精细加工,高灵敏度分析,聚合物改性,制造复合新材料,涂料固化,材料改性,培育新品种等

    医疗应用

    诊断(生产同位素,正电子断层扫描,心血管造影等)

    治疗(用γ射线,电子,质子,中子,光子,重离子,π介子等

    环保应用

    烟道气脱硫脱氮,污泥处理,废水处理,饮用水消毒杀菌等

    国防应用

    核爆模拟,闪光照相,电子学器件辐射加固,辐射剂量校准,无损检测导弹炮弹等

    加速器揭开了拿破仑死亡之谜。拿破仑是法兰西第一帝国的皇帝,一生东征西讨,名扬四海。滑铁卢被俘。拿破仑是怎样死的?众说纷纭,有说是死于中毒,有说是死于受惊得病,又说是死于胃癌。现在根据同步辐射加速器对拿破仑不同时期的头发的微量元素测定,得出结论,拿破仑是死于胃癌。

    5.加速器发展前程似锦

    20世纪30年代初,世界上建成第一台加速器——倍压加速器,这台加速器把质子加速到了7×105电子伏。1932年,人们用加速的质子轰击锂靶,发生分裂,形成了两个α粒子,实现了加速器人工核反应。

    现在,加速器已成为研究核物理、粒子物理、高能物理,认识微观世界的强大实验手段。科学家们在用加速器制造高能量、高强度的粒子束,要用它来实现航天飞行;用它来实现高放废物的核嬗变;用它来制备反物质;用它来提示大爆炸宇宙形成之谜,等等。

    高能物理、重离子物理、天体物理、重离子束物理,推动着中、高能加速器的发展。核技术在国民经济的拓展应用,推动着低能加速器的快速发展。

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