[科普中國]-MSU回旋加速器

歷史沿革

隨著粒子能量的提高，粒子的磁剛度越來越大，而通常的常溫磁鐵一般只能提供最高約2T的磁場，個(gè)別磁間隙很小的加速器可以更高一些。因此，為了得到更高能量的束流，只是進(jìn)一步增大加速器的半徑，這會(huì)導(dǎo)致加速器造價(jià)的急劇增加。隨著超導(dǎo)磁鐵技術(shù)首先在一種粒子探測器——?dú)馀菔抑械玫搅藨?yīng)用，采用低溫超導(dǎo)技術(shù)提高回旋加速器的磁場，在20世紀(jì)60年代初就由美國Michigan State University(MSU)的科學(xué)家提出來了，但一直到1973年才由加拿大Chalk River實(shí)驗(yàn)室提出了一個(gè)正式的回旋加速器方案，以作為重離子加速器的后加速級，超導(dǎo)回旋加速器才真正得到國際上的重視，MSU也提出自己的超導(dǎo)重離子回旋加速器計(jì)劃。

由于MSU先于Chalk River得到經(jīng)費(fèi)的支持和積極研制，他們在1982年首先建成了世界上第一臺超導(dǎo)回旋加速器，其能量常數(shù)為K=500；Chalk River的能量常數(shù)為K=520的超導(dǎo)回旋加速器于1985年建成。之后，MSU又于1988年建成了K=1200的超導(dǎo)回旋加速器，其他國家和實(shí)驗(yàn)室也在隨后的時(shí)間內(nèi)建成了加速重離子的超導(dǎo)回旋加速器。

到目前為止，已建造的規(guī)模最大的超導(dǎo)回旋加速器是日本理化所于2006建造的K=2600環(huán)形超導(dǎo)回旋加速器。1

原理超導(dǎo)回旋加速器的基本原理和常規(guī)回旋加速器的原理是一樣的，但選擇特性參數(shù)不同，而且超導(dǎo)磁體的特性參數(shù)也與常規(guī)磁體不同。

當(dāng)帶電粒子沿與 磁力線相垂直的方向進(jìn)入磁場時(shí)，粒子受磁場的作用作圓周運(yùn)動(dòng)，其角速度(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)頻率) 僅決定于磁場強(qiáng)度、粒子帶的電量及其質(zhì)量。

回旋加速結(jié)構(gòu)的主要部分是兩個(gè)半圓形盒狀電極，又稱D形電極。兩電極間相隔很短距離，裝在密閉的真空室中。真空室安放在上下兩個(gè)磁極之間，磁場垂直于D形電極平面，離子源裝在盒的中心。兩D形電極間加上幾十兆赫的高頻交流電壓，使D形電極間產(chǎn)生高頻電場，帶電粒子從離子源發(fā)射出來后，即在D形電極間高頻電場的作用下被加速。由于粒子回旋頻率與速度無關(guān)，它每經(jīng)過半圈就被 交變電場加速一次，使粒子在回旋運(yùn)動(dòng)中不斷地得到加速。

回旋加速器在加速幾十兆電 子伏能量以下粒子時(shí)是一種很好的設(shè)備。由于相對論效應(yīng)，加速粒子的質(zhì)量隨速度的增大而增大，當(dāng)粒子質(zhì)量變大后，其回轉(zhuǎn)頻率變小，因而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)頻率與交變電場的頻率不同步，這就限制了加速粒子的最高能量。通常稱這類回旋加速器為經(jīng)典回旋加速器，它的最高能量限于每核子20兆電子伏。為了提高能量上限，發(fā)展了調(diào)頻回旋加速器和等時(shí)性回旋加速器等。2

面臨問題回旋加速器采用超導(dǎo)磁鐵技術(shù)雖然具有很多優(yōu)勢，但是在設(shè)計(jì)和建造中，還有不少加速器物理和技術(shù)問題需要研究和克服。在20世紀(jì)70年代末、80年代初人們開始建造超導(dǎo)回旋加速器時(shí)，超導(dǎo)磁鐵技術(shù)的使用還很不普遍，需要克服許多技術(shù)上的困難。，包括超導(dǎo)線圈的繞制問題、低溫問題、超導(dǎo)體失超保護(hù)問題、高精度的裝配問題、非常緊湊空間中的其他設(shè)備的設(shè)計(jì)和安裝問題等。

超導(dǎo)回旋加速器中其他的技術(shù)問題還包括：①引出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為困難，一方面由于引出束流的磁剛度很大，要求的靜電偏轉(zhuǎn)櫪的電壓很高，另一方面狹小的空間對提高靜電偏轉(zhuǎn)板的耐壓設(shè)計(jì)制造了困難需要采用特殊的工藝以及采用增加復(fù)雜的磁通道來引出束流。②分離扇(環(huán)形)超導(dǎo)回旋加速器的技術(shù)設(shè)計(jì)較緊湊型的更為困難，包括巨大的磁力、磁場屏蔽等。③由于空間非常緊張，對機(jī)械設(shè)計(jì)包括不少傳動(dòng)元件是個(gè)挑戰(zhàn)。