[科普中國(guó)]-加速器

簡(jiǎn)介概述

加速器（accelerator）是用人工方法把帶電粒子加速到較高能量的裝置。利用這種裝置可以產(chǎn)生各種能量的電子、質(zhì)子、氘核、α粒子以及其它一些重離子。利用這些直接被加速的帶電粒子與物質(zhì)相作用，還可以產(chǎn)生多種帶電的和不帶電的次級(jí)粒子，像γ粒子、中子及多種介子、超子、反粒子等。當(dāng)前世界上的加速器大多是能量在100兆電子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用于原子核和核工程研究方面外，大部分用于其他方面，象化學(xué)、放射生物學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、固體物理等的基礎(chǔ)研究以及工業(yè)照相、疾病的診斷和治療、高純物質(zhì)的活化分析、某些工業(yè)產(chǎn)品的輻射處理、農(nóng)產(chǎn)品及其他食品的輻射處理、模擬宇宙輻射和模擬核爆炸等。數(shù)年來還利用加速器原理，制成各種類型的離子注入機(jī)。以供半導(dǎo)體工業(yè)的雜質(zhì)摻雜而取代熱擴(kuò)散的老工藝。使半導(dǎo)體器件的成品率和各項(xiàng)性能指標(biāo)大大提高。很多老工藝不能實(shí)現(xiàn)的新型器件不斷問世，集成電路的集成度因此而大幅度提高。

加速器分類帶電粒子在電場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用而得到加速，提高能量。電場(chǎng)能夠以靜電場(chǎng)、磁感應(yīng)電場(chǎng)和交變電磁場(chǎng)三種不同的形式存在，加速器就是用這三種電場(chǎng)加速帶電粒子的原理發(fā)展起來的。20世紀(jì)30年代以來，經(jīng)過70多年的發(fā)展，出現(xiàn)了許多類型的加速器，其分類標(biāo)準(zhǔn)也很多，例如按加速粒子的種類不同，可分為電子加速器，質(zhì)子和重離子加速器以及微物質(zhì)粒子（粉末、灰塵等）加速器（又稱微粒子團(tuán)加速器）；按加速粒子能量可分為低能加速器（能量在100MeV以下），中能加速器（能量在100MeV~1GeV）和高能加速器（能量1~100GeV），能量在100 GeV以上的稱為超高能加速器；按束流強(qiáng)度可分為強(qiáng)流加速器（束流強(qiáng)度1mA以上）、中流加速器（束流強(qiáng)度10μA~1mA以上）和弱流加速器（束流強(qiáng)度10μA以下）；按加速電場(chǎng)種類可分為高壓型加速器、電磁感應(yīng)型加速器和高頻諧振型加速器；按粒子運(yùn)動(dòng)軌道的形狀可分為直線加速器和圓形（或環(huán)形）加速器。直線加速器包括直流高壓型加速器，射頻對(duì)撞機(jī)。圓形加速器包括回旋加速器，穩(wěn)相加速器，電子感應(yīng)加速器，同步加速器，弱聚焦同步穩(wěn)相加速器，強(qiáng)聚焦同步穩(wěn)相加速器和環(huán)形對(duì)撞機(jī)等。1

加速器基本構(gòu)成加速器是一種復(fù)雜的設(shè)備，大體上由下列4個(gè)基本部分構(gòu)成：

（1）粒子源

如電子槍、離子源等，用以提供需要加速的帶電粒子束。

（2）真空加速結(jié)構(gòu)

如加速管】射頻加速腔和環(huán)形加速室等，在真空中產(chǎn)生一定的加速電場(chǎng)，使粒子得到加速。

（3）導(dǎo)引聚焦系統(tǒng)

用一定的電磁場(chǎng)引導(dǎo)合和約束被加速的粒子束，使它沿著一定的軌道加速，如環(huán)形加速器的主導(dǎo)磁場(chǎng)等。

（4）束流輸運(yùn)、分析系統(tǒng)

由電子、磁場(chǎng)透鏡、彎轉(zhuǎn)磁鐵和電、磁場(chǎng)分析器構(gòu)成的系統(tǒng)，用來在粒子源與加速器之間輸運(yùn)并分析帶電粒子束。

此外，還有束流監(jiān)測(cè)裝置、電磁穩(wěn)定控制裝置、真空裝置、電氣設(shè)操作設(shè)備等輔助系統(tǒng)。1

發(fā)展歷史加速器的早期探索可以追溯到20世紀(jì)20年代。早在1919年英國(guó)科學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford）用天然放射源中能量為幾個(gè)MeV、速度為 米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作為“炮彈”，轟擊厚度僅為0.0004厘米的金屬箔的“靶”，實(shí)現(xiàn)了人類科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)。利用靶后放置的硫化鋅熒光屏測(cè)得了粒子散射的分布，發(fā)現(xiàn)原子核本身有結(jié)構(gòu)，從而激發(fā)了人們尋求更高能量的粒子來作為“炮彈”的愿望。

靜電加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍壓加速器（1932年）等不同設(shè)想幾乎在同一時(shí)期提了出來，并先后建成了一批加速裝置。

在加速器早期研究的基礎(chǔ)上，全世界的有關(guān)科學(xué)家長(zhǎng)期致力于研究和發(fā)展更高能量的粒子加速器。

柯克羅夫特

1932年美國(guó)科學(xué)家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛爾蘭科學(xué)家沃爾頓(E.T.S.Walton）建造成世界上第一臺(tái)直流加速器——命名為柯克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為0.4MeV的質(zhì)子束轟擊鋰靶，得到α 粒子和氦的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。這是歷史上第一次用人工加速粒子實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

凡德格拉夫

1933年美國(guó)科學(xué)家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff）發(fā)明了使用另一種產(chǎn)生高壓方法的高壓加速器——命名為凡德格拉夫靜電加速器。以上兩種粒子加速器均屬直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿所限，大致在10MeV。

勞倫斯與回旋加速器

奈辛（G.Ising）于1924年，維德羅（E.Wideroe）于1928年分別發(fā)明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器，由于受當(dāng)時(shí)高頻技術(shù)的限制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV，實(shí)用意義不大。但在此原理的啟發(fā)下，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家勞倫斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它產(chǎn)生了人工放射性同位素，為此獲得了1939年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。這是加速器發(fā)展史上獲此殊榮的第一人。

由于被加速粒子質(zhì)量、能量之間的制約，回旋加速器一般只能將質(zhì)子加速到25MeV左右，其原因就是隨著粒子的速度不斷的增加，其加速度和外力的關(guān)系不再適用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，即高頻加速電場(chǎng)的頻率和回旋頻率不再匹配；如將加速器磁場(chǎng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)成沿半徑方向隨粒子能量同步增長(zhǎng)，則能將質(zhì)子加速到上百M(fèi)eV，稱為等時(shí)性回旋加速器。

前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾

為了對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的探索和產(chǎn)生新的基本粒子，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾（V.I.Veksler）和美國(guó)科學(xué)家麥克米倫(E.M.McMillan）各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動(dòng)穩(wěn)相原理，英國(guó)科學(xué)家阿里芳特（M.L.Oliphant）也曾建議建造基于此原理的加速器——穩(wěn)相加速器。

美國(guó)科學(xué)家麥克米倫

自動(dòng)穩(wěn)相原理的發(fā)現(xiàn)是加速器發(fā)展史上的一次重大革命，它導(dǎo)致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器產(chǎn)生：同步回旋加速器（高頻加速電場(chǎng)的頻率隨倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋頻率與加速電場(chǎng)同步）、現(xiàn)代的質(zhì)子直線加速器、同步加速器（使用磁場(chǎng)強(qiáng)度隨粒子能量提高而增加的環(huán)形磁鐵來維持粒子運(yùn)動(dòng)的環(huán)形軌跡，但維持加速場(chǎng)的高頻頻率不變）等。

自此，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經(jīng)濟(jì)上的限制。隨著能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁鐵重量和造價(jià)急劇上升，提高能量實(shí)際上被限制在1GeV以下。同步加速器的環(huán)形磁鐵的造價(jià)雖然大大減少，但因橫向聚焦力較差，真空盒尺寸必須很大，造成磁鐵的磁極間隙大，依然需要很重的磁鐵，要想用它把質(zhì)子加速到10GeV以上仍是不現(xiàn)實(shí)的。

1952年美國(guó)科學(xué)家柯?。‥.D.Courant）、李溫斯頓（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）發(fā)表了強(qiáng)聚焦原理的論文，根據(jù)這個(gè)原理建造強(qiáng)聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價(jià)大大降低，使加速器有了向更高能量發(fā)展的可能。這是加速器發(fā)展史上的又一次革命，影響巨大。此后，在環(huán)形或直線加速器中，普遍采用了強(qiáng)聚焦原理。

美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1954年建成的一臺(tái)6.2GeV能量的弱聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵的總重量為1萬噸。而布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室33GeV能量的強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器，磁鐵總重量只有4千噸。這說明了強(qiáng)聚焦原理的重大實(shí)際意義。

美國(guó)科學(xué)家科斯特

1940年美國(guó)科學(xué)家科斯特(D.W.Kerst）研制出世界上第一個(gè)電子感應(yīng)加速器。但由于電子沿曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)其切線方向不斷放射的電磁輻射造成能量的損失，電子感應(yīng)加速器的能量提高受到了限制，極限約為100MeV。電子同步加速器使用電磁場(chǎng)提供加速能量，可以允許更大的輻射損失，極限約為10GeV。電子只有作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)沒有輻射損失，使用電磁場(chǎng)加速的電子直線加速器可將電子加速到50GeV，這不是理論的限度，而是造價(jià)過高的限制。

加速器的能量發(fā)展到如此水平，從實(shí)驗(yàn)的角度暴露出了新的問題。使用加速器作高能物理實(shí)驗(yàn)，一般是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子，然后研究所產(chǎn)生的次級(jí)粒子的動(dòng)量、方向、電荷、數(shù)量等，加速粒子能參加高能反應(yīng)的實(shí)際有用能量受到限制。如果采取兩束加速粒子對(duì)撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反應(yīng)或新粒子的產(chǎn)生。

意大利科學(xué)家陶歇克

1960年意大利科學(xué)家陶歇克（B.Touschek)首次提出了這項(xiàng)原理，并在意大利的Frascati國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建成了直徑約1米的AdA對(duì)撞機(jī)，驗(yàn)證了原理，從此開辟了加速器發(fā)展的新紀(jì)元。

現(xiàn)代高能加速器基本都以對(duì)撞機(jī)的形式出現(xiàn)，對(duì)撞機(jī)已經(jīng)能把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從1TeV提高到10～1000TeV，這是加速器能量發(fā)展史上的又一次根本性的飛躍。

粒子加速器

用人工方法產(chǎn)生高速帶電粒子的裝置。是探索原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用的重要工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)技術(shù)等方面也都有重要而廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

自從E.盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的a射線轟擊氮原子首次實(shí)現(xiàn)了元素的人工轉(zhuǎn)變以后，物理學(xué)家就認(rèn)識(shí)到要想認(rèn)識(shí)原子核，必須用高速粒子來變革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有幾兆電子伏特（MeV），天然的宇宙射線中粒子的能量雖然很高，但是粒子流極為微弱，例如能量為1014電子伏特（ eV ）的粒子每小時(shí)在 1平方米的面積上平均只降臨一個(gè)，而且無法支配宇宙射線中粒子的種類、數(shù)量和能量，難于開展研究工作。因此為了開展有預(yù)期目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，幾十年來人們研制和建造了多種粒子加速器，性能不斷提高。應(yīng)用粒子加速器發(fā)現(xiàn)了絕大部分新的超鈾元素和合成的上千種新的人工放射性核素，并系統(tǒng)深入地研究原子核的基本結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，促使原子核物理學(xué)迅速發(fā)展成熟起來；高能加速器的發(fā)展又使人們發(fā)現(xiàn)包括重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子在內(nèi)的幾百種粒子，建立粒子物理學(xué)。近20多年來，加速器的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原子核物理和粒子物理領(lǐng)域，在諸如材料科學(xué)、表面物理、分子生物學(xué)、光化學(xué)等其它科技領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。在工、農(nóng)、醫(yī)各個(gè)領(lǐng)域中加速器廣泛用于同位素生產(chǎn)、腫瘤診斷與治療、射線消毒、無損探傷、高分子輻照聚合、材料輻照改性、離子注入、離子束微量分析以及空間輻射模擬、核爆炸模擬等方面。迄今世界各地建造了數(shù)以千計(jì)的粒子加速器，其中一小部分用于原子核和粒子物理的基礎(chǔ)研究，它們繼續(xù)向提高能量和改善束流品質(zhì)方向發(fā)展；其余絕大部分都屬于以應(yīng)用粒子射線技術(shù)為主的“小”型加速器。

粒子加速器的結(jié)構(gòu)一般包括 3個(gè)主要部分 ：①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子以及重離子等等。②真空加速系統(tǒng)，其中有一定形態(tài)的加速電場(chǎng)，并且為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速 ，整個(gè)系統(tǒng)放在真空度極高的真空室內(nèi)。③導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng) ，用一定形態(tài)的電磁場(chǎng)來引導(dǎo)并約束被加速的粒子束，使之沿預(yù)定軌道接受電場(chǎng)的加速。所有這些都要求高、精、尖技術(shù)的綜合和配合。

加速器的效能指標(biāo)是粒子所能達(dá)到的能量和粒子流的強(qiáng)度（流強(qiáng)）。按照粒子能量的大小，加速器可分為低能加速器（能量小于108MeV）、中能加速器（能量在108～109MeV）、高能加速器（能量在109～1012MeV）和超高能加速器（能量在1012MeV以上）。當(dāng)前低能和中能加速器主要用于各種實(shí)際應(yīng)用。

加速器發(fā)展的三次革命1945年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾和美國(guó)科學(xué)家麥克米倫，分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動(dòng)穩(wěn)相原理。1946年，第一臺(tái)穩(wěn)相加速器在美國(guó)伯克利建成，此后誕生了一系列同步加速器，其中包括同步回旋加速器。這是加速器發(fā)展的第一次革命。1952年，美國(guó)科學(xué)家科隆、列文斯頓和史耐德提出了強(qiáng)聚焦原理，其后將該原理廣泛用于環(huán)形加速器和直線加速器中。這是加速器發(fā)展的第二次革命。1960年，陶歇克首先提出對(duì)撞機(jī)的概念，即兩個(gè)粒子沿相反的方向注入同步加速器內(nèi)，并在制定的位置對(duì)撞，在他的領(lǐng)導(dǎo)下，在意大利夫拉斯卡第建成一個(gè)直徑1m、名為AdA的對(duì)撞機(jī)，開辟了加速器發(fā)展新紀(jì)元。這是加速器發(fā)展的第三次革命。1

對(duì)撞機(jī)自世界上建造第一臺(tái)加速器以來，七十多年中加速器的能量大致提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)（參見左圖），同時(shí)每單位能量的造價(jià)降低了約4個(gè)數(shù)量級(jí)，如此驚人的發(fā)展速度在所有的科學(xué)領(lǐng)域都是少見的。

隨著加速器能量的不斷提高，人類對(duì)微觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。用人工的辦法加速帶電粒子，使其獲得很高速度的裝置．加速器利用一定形態(tài)的電磁場(chǎng)將電子、質(zhì)子或重離子等帶電粒子加速，使其具有高達(dá)幾千、幾萬乃至近光速的高速帶電粒子束，是人們認(rèn)識(shí)原子核和探討基本粒子，對(duì)物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的重要工具，同時(shí)隨著加速器技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新的技術(shù)、新的原理不斷更新，不斷突破，進(jìn)一步促進(jìn)新技術(shù)的向前推進(jìn)．加速器的研究和發(fā)展同時(shí)帶來在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防建設(shè)等各方面的重要而廣泛的應(yīng)用．

早在20世紀(jì)20年代，科學(xué)家們就探討過許多加速帶電粒子的方案，并進(jìn)行過多次實(shí)驗(yàn)．其中最早提出加速原理的是E·維德羅．30年代初高壓倍加器、靜電加速器、回旋加速器相繼問世，研制者分別獲得這一時(shí)期的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．這以后隨著人們對(duì)微觀物質(zhì)世界深層次結(jié)構(gòu)的研究的不斷深入，各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω鞣N快速粒子束的需求不斷增長(zhǎng)，提出了多種新的加速原理和方法，發(fā)展了具有各種特色的加速器．其中有電子感應(yīng)加速器、直線加速器、強(qiáng)聚焦高能加速器、扇形聚焦回旋加速器．1956年克斯特提出通過高能粒子束間的對(duì)撞來提高有效作用能的概念，導(dǎo)致了高能對(duì)撞機(jī)的發(fā)展．

幾十年來，人們利用加速器發(fā)現(xiàn)了絕大部分新的超鈾元素和合成上千種新的人工放射性核素，并對(duì)原子核的基本結(jié)構(gòu)和其變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，促使了原子核物理學(xué)的發(fā)展和成熟，并建立新的粒子物理學(xué)科，近20年來，加速器的發(fā)展的應(yīng)用使材料科學(xué)、表面物理學(xué)、分子生物學(xué)、光化學(xué)都有重要發(fā)展．

中國(guó)加速器的發(fā)展始于50年代末期，先后研制和生產(chǎn)了高壓倍加器、靜電加速器、電子感應(yīng)加速器、電子和質(zhì)子直線加速器、回旋加速器．?dāng)?shù)年來更加先進(jìn)的加速器在中國(guó)又取得重大進(jìn)展，北京已建成正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，使中國(guó)加速器研制和應(yīng)用進(jìn)入了世界先進(jìn)行列．

中國(guó)方面1955年中國(guó)科學(xué)院原子能所建成700eV質(zhì)子靜電加速器。1957年前后

中國(guó)科學(xué)院開始研制電子回旋加速器。

1958年中國(guó)科學(xué)院高能所2.5MeV質(zhì)子靜電加速器建成。

中國(guó)第一臺(tái)回旋加速器建成。

清華大學(xué)400keV質(zhì)子倍壓加速器建成。

1958年~1959年清華大學(xué)2.5Mev電子回旋加速器出束。

1964年中國(guó)科學(xué)院高能所30MeV電子直線加速器建成。

1982年中國(guó)第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)、制造的質(zhì)子直線加速器首次引出能量為10MeV的質(zhì)子束流，脈沖流達(dá)到14mA.

1988年北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞。

蘭州近代物理研究所用于加速器重離子的分離扇形回旋加速器（HIRFL）建成。

1989年北京譜儀推至對(duì)撞點(diǎn)上，開始總體檢驗(yàn)，用已獲得的巴巴事例進(jìn)行刻度。北京譜儀開始物理工作。

中國(guó)科技大學(xué)設(shè)計(jì)的中國(guó)最早起步的同步輻射加速器建成出光，它由200MeV電子直線加速器和800MeV儲(chǔ)存環(huán)組成。

2004年北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程（BEPCⅡ）第一階段設(shè)備安裝和調(diào)試工作取得重大進(jìn)展。同年11月19日16時(shí)41分，直線加速器控制室的示波器上顯示出的電子束流流強(qiáng)約為2A以上，標(biāo)志著BEPCⅡ直線加速器的改進(jìn)工作取得一個(gè)重要的階段性成果。

2005年北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）正式結(jié)束運(yùn)行。投資6.4億元的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程（BEPCⅡ）第二階段——新的雙環(huán)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)儲(chǔ)存環(huán)的改建工程施工正式開始。新北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的性能將是美國(guó)同一類裝置的3~7倍，對(duì)研究體積為原子核一億分之一的夸克粒子等基礎(chǔ)科研具有重要意義。

反應(yīng)方式高能加速器條件下的有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，本質(zhì)上是有關(guān)自然狀態(tài)下自然能團(tuán)（或能簇、能子）之間的能態(tài)在量方面的相對(duì)變（轉(zhuǎn)化）關(guān)系。從弧理論的觀念來看，利用高能加速器等方法來轟擊類弧子結(jié)構(gòu)（原子）的條件下，可得到弱相互作用關(guān)系：1、對(duì)稱理論（普遍的對(duì)稱性理論）2、非對(duì)稱性理論，特殊條件下得之。如果轟擊能子（弧合子，次原子結(jié)構(gòu)），則得到強(qiáng)相互作用關(guān)系：漸近自由 理論等。

為什么？

上述兩種作用均發(fā)生在能態(tài)層面而非物質(zhì)態(tài)的層面；屬能簇與能簇之間的關(guān)系。

弱相互作用：任何外來能團(tuán)轟擊類弧子結(jié)構(gòu)時(shí)，沿時(shí)軸方向進(jìn)入類弧子（從能量到能量）時(shí)，外加能量在進(jìn)入類弧子結(jié)果體時(shí)，便會(huì)發(fā)生弧合作用而產(chǎn)生出對(duì)稱弧合，對(duì)外顯示出釋放了兩個(gè)旋向相反，質(zhì)量相等能團(tuán)，即對(duì)稱性弧合反應(yīng)。外加能量的能量級(jí)被限制在被轟擊的類弧子的時(shí)軸的能量（假設(shè)等于1）范圍內(nèi)：小于0，大于1時(shí)，均不能產(chǎn)生出成對(duì)的能粒子。只有在0 的條件下，才可以生成亞粒子；在此層面上可以產(chǎn)生出許多亞粒子，理論上是無限多。

非對(duì)稱弱相互作用：如果外加能量與類弧子的空間軸水平進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，由于時(shí)間軸在空間軸上的非對(duì)稱性（1/3），所有弱相互作用均發(fā)生在類弧子結(jié)構(gòu)的能量交換過程中，本質(zhì)上是對(duì)自然本在能態(tài)的一種人工擾動(dòng)， 并非是物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性改變。類弧子結(jié)構(gòu)是一種能態(tài)轉(zhuǎn)化過程中的普遍存在的剛性結(jié)構(gòu)。當(dāng)外加能量進(jìn)入時(shí)，這些外加能量就被“訓(xùn)化”了，形成適當(dāng)?shù)拇瘟Ｗ硬⒈会尫懦鰜?。這些過程是可以反復(fù)和重演的。一切自然能態(tài)在其能量發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時(shí)的唯一結(jié)構(gòu)體，即類弧子體。弱相互作用實(shí)際上是人工條件下對(duì)類弧子體的干擾性的物理學(xué)觀察結(jié)果。自然能態(tài)猶如平靜的湖面，人為的力量弄起了幾絲漣紋；當(dāng)這些人工干擾停頓 時(shí)，自然能態(tài)將恢復(fù)如初，并未發(fā)生絲毫的改變。人們總結(jié)出來的理論或規(guī)律，僅僅是有關(guān)那幾絲漣紋的觀察結(jié)果。對(duì)于自然的能本態(tài)或物質(zhì)性結(jié)構(gòu)仍是一無所知。

與此不同的強(qiáng)相互作用則全部發(fā)生在能態(tài)的能子層面（狀態(tài)）。能子狀態(tài)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體，即絕對(duì)弧子。其時(shí)空軸絕對(duì)同一，組成絕對(duì)弧合子的最小能量子單位，現(xiàn)代人稱為強(qiáng)子。強(qiáng)相互作用就是研究絕對(duì)弧合子能量單元之間的關(guān)系。這里，要求人工能量要有極高的能級(jí)狀態(tài)，使用很高能量時(shí)才能激發(fā)這種相互作用。強(qiáng)相互作用對(duì)外不顯示任何新粒子產(chǎn)生或亞粒子對(duì)產(chǎn)生；也就是說，如果產(chǎn)生的話，則是碰撞能量的轉(zhuǎn)化形式。怎樣轉(zhuǎn)化僅僅取決于絕對(duì)弧合子吸收人工外加能量的量值。通常情況下不產(chǎn)生。多以光子形式被釋放掉，壽命極短。

絕對(duì)弧子好比布滿麻點(diǎn)的皮球，其麻點(diǎn)對(duì)應(yīng)最小能單位，在無外加能量時(shí)，每個(gè)麻點(diǎn)的“位置”是同一的，即自由的，任意方位均可“看”到同一個(gè)麻點(diǎn)的存在。對(duì)其施加外力（外加能量）時(shí)，球面將會(huì)發(fā)生塌陷，此時(shí)塌陷邊緣上對(duì)稱的麻點(diǎn)發(fā)生對(duì)稱性的背離運(yùn)動(dòng)，似乎被分開了。由于絕對(duì)弧子自身的穩(wěn)定性，也即對(duì)人工能量的排斥性，看起來似乎是兩個(gè)麻點(diǎn)拼命想恢復(fù)原狀，給的力越大，凹陷越大，回彈性就越強(qiáng)；凹陷越小，回彈性越弱，按照現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)理解，即漸近自由。這些實(shí)為假象（人工制造的假象）。

概括而論，弱相互作用及其規(guī)律以及強(qiáng)相互作用及其規(guī)律，例如楊振寧等的非對(duì)稱性弱相互作用理論和戴維#26684；羅斯、戴維?#27874；利策和弗蘭克#32500；爾切克等的強(qiáng)相互作用理論，漸近自由理論都是建立在人工作用條件下的，描述自然本態(tài)在被干擾時(shí)所發(fā)生現(xiàn)象的物理認(rèn)識(shí)理論，而非自然本態(tài)的物理理論。其根本錯(cuò)誤在于自然認(rèn)識(shí)觀是錯(cuò)誤的，唯有弧理論可以正確概括和闡述各種自然的本在態(tài)結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用低能加速器的應(yīng)用是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，當(dāng)前，在世界各地運(yùn)行著的數(shù)千臺(tái)加速器中大多數(shù)是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的低能加速器。低能加速器在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地改變了這些領(lǐng)域的面貌，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

工業(yè)1）輻照加工

應(yīng)用加速器產(chǎn)生的電子束或X射線進(jìn)行輻照加工已成為化工、電力、食品、環(huán)保等行業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝，是一種新的加工技術(shù)工藝。它廣泛應(yīng)用于聚合物交聯(lián)改性、涂層固化、聚乙烯發(fā)泡、熱收縮材料、半導(dǎo)體改性、木材-塑料復(fù)合材料制備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脫硫脫硝等加工過程。

經(jīng)輻照生產(chǎn)的產(chǎn)品具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，例如：聚乙烯電纜經(jīng)105Gy劑量輻照后，其電學(xué)性能、熱性能都有很大提高，使用溫度輻照前為60~70℃，輻照后長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)120℃以上。當(dāng)前，中國(guó)已有用加速器進(jìn)行輻照加工的生產(chǎn)線40多條。

2）無損檢測(cè)

無損檢測(cè)就是在不損傷和不破壞材料、制品或構(gòu)件的情況下，就能檢測(cè)出它們內(nèi)部的情況，判別內(nèi)部有無缺陷?，F(xiàn)代無損檢測(cè)的方法很多，例如：超聲波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷法及射線檢測(cè)法等。射線檢測(cè)法即可檢查工件表面又可檢查工件內(nèi)部的缺陷。設(shè)備可以采用放射性同位素Co-60產(chǎn)生的γ射線、X光機(jī)產(chǎn)生的低能X射線和電子加速器產(chǎn)生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領(lǐng)和靈敏度高，作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗(yàn)證手段及在質(zhì)量控制中，在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應(yīng)堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗(yàn)中得到廣泛的應(yīng)用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機(jī)型。

射線檢測(cè)的方法根據(jù)對(duì)透過工件的射線接受和處理方法的不同，又可把射線檢測(cè)法分為三種：

a、射線照相法

這種方法與我們體檢時(shí)拍X光膠片相似，射線接受器是X光膠片。探傷時(shí)，將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件背后，用X射線對(duì)工件照射后，透過工件的射線使膠片感光，同時(shí)工件內(nèi)部的真實(shí)情況就反映到膠片的乳膠上，對(duì)感光后的膠片進(jìn)行處理后，就可以清楚地了解工件有無缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。

b、輻射成像法

這種方法的射線接受器是陣列探測(cè)器或熒光增感屏。前者就是清華大學(xué)和清華同方共同研制生產(chǎn)的大型集裝箱檢查系列產(chǎn)品。后者就是用于機(jī)場(chǎng)、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統(tǒng)，也可用于工業(yè)的無損檢測(cè)。這種方法配以圖像處理系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)顯示物品內(nèi)部的真實(shí)情況。

c、工業(yè)CT

與醫(yī)用CT原理類似，CT技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助層析成像技術(shù)。選用加速器作為X射線源的CT技術(shù)是一種先進(jìn)的無損檢測(cè)手段，主要針對(duì)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和精密工件的檢測(cè)而發(fā)展起來。它的密度分辨率可達(dá)0.1%，比常規(guī)射線技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在航天、航空、兵器、汽車制造等領(lǐng)域精密工件的缺陷檢測(cè)、尺寸測(cè)量、裝配結(jié)構(gòu)分析等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3）離子注入

利用加速器將一定能量的離子注入到固體材料的表層，可以獲得良好的物理、化學(xué)及電學(xué)性能。半導(dǎo)體器件、金屬材料改性和大規(guī)模集成電路生產(chǎn)都應(yīng)用了離子注入技術(shù)。中國(guó)現(xiàn)擁有各類離子注入機(jī)100多臺(tái)。其中中國(guó)自己累計(jì)生產(chǎn)出140多臺(tái)離子注入機(jī)，能量為150KeV~600KeV（1KeV=1×103eV），流強(qiáng)為0.5mA到十幾mA。

農(nóng)業(yè)作為核技術(shù)應(yīng)用裝備的加速器在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，在一些國(guó)家普遍使用已有明顯經(jīng)濟(jì)效益的主要有三方面：

1）輻照育種

加速器在輻照育種中的應(yīng)用，主要是利用它產(chǎn)生的高能電子、X射線、快中子或質(zhì)子照射作物的種子、芽、胚胎或谷物花粉等，改變農(nóng)作物的遺傳特性，使它們沿優(yōu)化方向發(fā)展。通過輻射誘變選育良種，在提高產(chǎn)量、改進(jìn)品質(zhì)、縮短生長(zhǎng)期、增強(qiáng)抗逆性等方面起了顯著作用。馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、大豆等作物經(jīng)過輻照育種后可具有高產(chǎn)、早熟、矮桿及抗病蟲害等優(yōu)點(diǎn)。

2）輻照保鮮

輻照保鮮是繼熱處理、脫水、冷藏、化學(xué)加工等傳統(tǒng)的保鮮方法之后，發(fā)展起來的一種新保鮮技術(shù)。例如，對(duì)馬鈴薯、大蒜、洋蔥等經(jīng)過輻照處理，可抑制其發(fā)芽，延長(zhǎng)貯存期；對(duì)干鮮水果、蘑菇、香腸等經(jīng)過輻照處理，可延長(zhǎng)供應(yīng)期和貨架期。

3）輻照殺蟲、滅菌

當(dāng)前，在農(nóng)產(chǎn)品、食品等殺蟲滅菌普遍使用化學(xué)熏蒸法，由于使用溴甲烷、環(huán)氧乙烷等化學(xué)熏蒸法引起的殘留毒性、破壞大氣臭氧層等原因，根據(jù)蒙特利爾公約，到2005年要在全球范圍內(nèi)禁止使用溴甲烷。因而利用加速器進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品、食品等輻照殺蟲、滅菌得以迅速發(fā)展。利用加速器產(chǎn)生的高能電子或X射線可以殺死農(nóng)產(chǎn)品、食品中的寄生蟲和致病菌，這不僅可減少食品因腐敗和蟲害造成的損失，而且可提高食品的衛(wèi)生檔次和附加值。

醫(yī)療衛(wèi)生隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活和質(zhì)量的提高，人們對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生條件提出了更高的要求。而加速器在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展和人類壽命的延長(zhǎng)。當(dāng)前，加速器在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用主要有三個(gè)方面，即放射治療、醫(yī)用同位素生產(chǎn)以及醫(yī)療器械、醫(yī)療用品和藥品的消毒。

1） 放射治療

用于惡性腫瘤放射治療（簡(jiǎn)稱放療）的醫(yī)用加速器是當(dāng)今世界范圍內(nèi)，在加速器的各種應(yīng)用領(lǐng)域中數(shù)量最大、技術(shù)最為成熟的一種。

用于放療的加速器由50年代的感應(yīng)加速器，到60年代發(fā)展了醫(yī)用電子回旋加速器，進(jìn)入70年代醫(yī)用電子直線加速器逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。當(dāng)前，世界上約有3000多臺(tái)醫(yī)用電子直線加速器裝備在世界各地的醫(yī)院里。

除了應(yīng)用加速器產(chǎn)生的電子線、X射線進(jìn)行放療外，還可應(yīng)用加速器進(jìn)行質(zhì)子放療、中子放療、重離子放療和π介子放療等，這些治癌方法還處在實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，療效顯著。但這些加速器比電子直線加速器能量高得多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，價(jià)格昂貴得多，尚未普及。

利用電子直線加速器開展立體定向放療，俗稱X—刀，是數(shù)年來發(fā)展的新的放療技術(shù)。這種技術(shù)與常規(guī)放療相比，可多保護(hù)15%~20%的正常組織，而腫瘤增加20%~40%的劑量，可更有效地殺滅癌細(xì)胞，從而增加放療療效。

60年代中國(guó)醫(yī)院裝備了醫(yī)用感應(yīng)加速器，70年代中期醫(yī)用電子直線加速器開始裝備中國(guó)各地醫(yī)院。截止到2000年初，中國(guó)已擁有各種能量的醫(yī)用加速器約530臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)醫(yī)用加速器約230臺(tái)，進(jìn)口醫(yī)用加速器約300臺(tái)。

2）醫(yī)用同位素生產(chǎn)

現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)廣泛使用放射性同位素診斷疾病和治療腫瘤，如今已確定為臨床應(yīng)用的約80種同位素，其中有2/3是由加速器生產(chǎn)的，尤其是缺中子短壽命同位素只能由加速器生產(chǎn)。這些短壽命同位素主要應(yīng)用在以下方面：

a、正電子與單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描—PET與SPECT

PET是由病人先吸入或預(yù)先注射半衰期極短的發(fā)射正電子的放射性核素，通過環(huán)形安置的探測(cè)器從各個(gè)角度檢測(cè)這些放射性核素發(fā)射正電子及湮滅時(shí)發(fā)射的光子，由計(jì)算機(jī)處理后重建出切面組織的圖像。而這些短壽命的放射性核素是由小回旋加速器制備的。最短的半衰期核素如O-15僅為123秒，一般為幾分鐘到1小時(shí)左右。所以，這種加速器一般裝備在使用PET的醫(yī)院里。生產(chǎn)PET專用短壽命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了眾多的加速器生產(chǎn)廠開發(fā)研制。當(dāng)前，國(guó)外幾個(gè)加速器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的小回旋加速器已達(dá)到幾十臺(tái)。

b、圖像獲取

利用放射性核素進(jìn)行閃爍掃描或利用γ照相獲取圖像的方法，可以診斷腫瘤、檢查人體臟器和研究它們的生理生化功能和代謝狀況，獲取動(dòng)態(tài)資料。例如Tl-201用于心肌檢查，對(duì)早期發(fā)現(xiàn)冠心病和心肌梗塞的定位等是當(dāng)前最靈敏的檢查手段。而這些放射性核素絕大部分也是由加速器生產(chǎn)的。

3）輻照消毒

利用加速器對(duì)醫(yī)用器械、一次性醫(yī)用物品、疫苗、抗生素、中成藥的滅菌消毒是加速器在醫(yī)療衛(wèi)生方面應(yīng)用的一個(gè)有廣闊前途的方向。與前面介紹加速器在食品中的殺蟲、滅菌道理一樣，可取代當(dāng)前應(yīng)用的高溫消毒、化學(xué)消毒等方法。但滅菌需要的射線劑量要大于殺蟲所需的劑量。