正负电子对撞机

正负电子对撞机是使正负电子产生对撞的设备,它将各种粒子(如质子、电子等)加速到极高的能量,然后使粒子轰击一固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质,发现新粒子、新现象。在原子物理的研究中,经常都需要用高能粒子做炮弹轰击原子,以进行进一步的研究为了获得高能粒子,就要用加速器,正负电子对撞机是一种先进的加速器,是研究物质微观世界最小构成单元及其相互作用规律的主要科学手段之一。它将正电子和负电子储存在环形的高真空管道内,使正负电子以接近光速的速度沿相反方向运动,在指定的对撞点对撞,发生对撞物理反应。
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正负电子对撞机-概念解读
正负电子对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置,其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞,以产生足够高的相互作用反应率,便于测量。
正负电子对撞机
用高能粒子轰击静止靶(粒子)时,只有质心系中的能量才是粒子相互作用的有效能量,它只占实验室系中粒子总能量的一部分。如果射到靶上的粒子能量为a,则对靶中同种粒子作用的质心系能量约为粒子的静止能量。
可见,用于相互作用的那部分能量所占的比例将越来越小,即被加速粒子能量的利用效率越来越低,但是,如果是两个能量为a的相向运动的同种高能粒子束对撞,则质心系能量约为2,即粒子全部能量均可用来进行相互作用。可见,为了得到相同的质心系能量,所需的加速器能量将比对撞机大得多。如果对正负电子对撞机撞机能量为0,则相应的加速器能量应为200。例如,能量为2×300GeV的质子、质子对撞机,同一台能量为180000GeV的质子加速器相当,建造这样高能量的加速器。在目前的技术水平及经济条件仍然是不可及的。但建造上述能量或更高一些能量的对撞机是完全可行的,这就是近20年来正负电子对撞机得到广泛发展的原因之一。
正负电子对撞机-发展历程
20世纪50年代初,加速器的设计者就有过利用对撞束来获得更高质心系能量的设想,但是鉴于加速器中束流的强度太低,束流密度远低于靶的粒子密度,双束对撞引起的相互作用反应率将比束流轰击固定靶时发生的反应率低10□倍,这样,很难进行最低限度的测量,这种设想就没有得到应有的重视,1956年人们开始懂得依靠积累技术,可以获得必要强度的束流,从而使对撞机的研究真正被提到日程上来。
正负电子对撞机
正负电子对撞机的造价低,技术简单,因此它是首先研究的对象。最初的两台对撞机是1961年投入运行的,不久又相继出现了好几台低能量的电子对撞机。B.里希特就是在美国斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞机SPEAR上发现著名的J/ψ粒子的(同时在美国布鲁克海文国家实验室由丁肇中教授发现),为近代高能物理的发展作出了很大的贡献,正是由于这一成就为后来人们下决心建造更大的正负电子对撞机起了决定性的作用。
后建成的质子对撞机如欧洲核子中心代号ISR的交叉储存环,其能量为2×31GeV,它于1971年已投入运行。
正负电子对撞机
由于电子冷却及随机冷却技术(见加速器技术和原理的发展)的成功,使反质子束的性能大大得到改善,而且束流可以积累到足够的强度,从而有可能在同一环中进行质子-反质子对撞。欧洲核子中心于1981年将一台能量为400GeV的质子同步加速器(即SPS)改建成质子-反质子对撞机,并于1983年取得了极其重要的实验成果,发现了W、Z粒子。
1988年10月16日,中国首台正负电子对撞机在北京建成并首次对撞成功。这项高科技工程的竣工和投入使用,使中国高能加速器技术,一步跨越了20世纪的50、60、70年代,直接进入了20世纪80年代国际先进水平。
正负电子对撞机-特点
与同步加速器极为相似,正负电子对撞机呈环形,沿环安放着磁铁系统、高频系统、真空系统以及探测和校正系统等。此外,它沿圆环还有两个或两个以上专供对撞用的特殊长直线节,探测仪器就被安置在长直线节内的对撞点附近的空间中。使电荷相反,静止质量相同的两束粒子相碰比较简单,只要建立一个环。
正负电子对撞机
如果是电荷相同的同种粒子相撞,就必须要建立两个环。两个环的外加磁场方向相反。这两个环可以建在同一平面中,使其在几个交叉的地方进行对撞,也可以建立在上下两个不同平面中,用特殊的电磁场使两种粒子在长直线节内相撞,此外,高能量的对撞机还需要用一台高能加速器(一般用同步加速器或直线加速器)作为注入器,先把粒子加速到一定能量,再注入到对撞机中去进行积累,进一步加速及对撞。积累、加速及对撞是对撞机的三大机能,所谓积累是设法把高能加速器在不同时间加速出来的脉冲粒子束团积累在对撞机环形真空室(称为储存环)中。一般需要积累几十或上千个束团,才能达到对撞所需的强度。
电子同步加速器的束流团的积累是依靠同步辐射来完成的,同步辐射虽然使同步加速器的能量难于进一步提高,但却使得电子束的横向及纵向的尺寸在加速过程中大大收缩,即密度大大提高,利用这
正负电子对撞机
一特性就可以积累一股很强的电子束流。质子却没有这种特性,这就需要用动量积累过程来得到强流质子束。积累以后,对撞机还可以将注入其中的高能粒子进一步加速到更高的能量,对撞机的这一作用与普通的同步加速器完全一样,粒子的能量是由安置在圆环上的高频加速腔供给的,在整个加速过程中,正负电子对撞机的磁场逐渐上升,高频腔的频率也被严格控制得与被加速粒子的回旋频率一样或成整数倍,从而使粒子不断地被加速到更高能量。当粒子被加速到预定能量后,正负电子对撞机的磁场就被维持在相应的恒定值上,粒子束就在环形真空室中不断地回旋,两束并在对撞区域内某点发生对撞。这时布置在对撞区周围的测量仪器,就可对碰撞时发生的事例不断地进行测量,剩下的没有起反应的粒子将继续在环里回旋运动,等到下一次到达对撞区时再度发生对撞。一直到束流的强度降低到不能再作物理实验为止,这时两股束流的寿命也就中止了。
束流的寿命一般可达几小时或几十小时,所以作为注入器的高能加速器只有在积累过程中才把粒子束流提供给对撞机,而在对撞的过程中,还可供轰击静止靶的物理实验用。为了增加对撞的几率(即提高对撞机的亮度),70年代初期,出现了在对撞区中插入一种特殊的称为低包络插入节的聚焦结构,使束流在对撞点的横截面受到强烈的压缩,从而使对撞点的束流密度大大增加。由于采用了这种结构,使70年代建造的对撞机的亮度比以前提高了一两个数量级。另外,为了尽可能的延长束流的寿命,正负电子对撞机环内的真空度平均不得低于10～10Torr,尤其是在对撞区附近。为了减少物理实验的本底,即为了保证使束流与束流发生对撞的几率大大超过束流与残余气体相撞的几率,真空度应维持在10～10Torr左右。所以大体积高真空这一技术也随着正负电子对撞机的发展而发展起来了。
正负电子对撞机-缺陷
由于电子回旋时引起的同步辐射损失,正负电子对
正负电子对撞机
撞机能量的进一步提高发生了困难,因为同步辐射功率与电子的能量二次方成正比,且与回旋半径的平方成反比,为了减少辐射损失,一般高能量的电子对撞机均采用大半径方案,即采用只有几千高斯的低磁场来控制电子的运动,即使如此,目前电子对撞机的最高能量仍然受到很大的限制,例如,10GeV的电子在曲率半径为100m的对撞机中运动时,每圈的辐射损失约为10MeV,如果正负电子对撞机中的回旋电流为1A,要补偿这束电子流的辐射损失,就需要平均功率为10MW的高频功率。假如正电子流也为1A,则总的平均功率为20MW。
由此可见,正负电子对撞机中高加速频系统的功率绝大部分是用来补偿这一同步辐射损失的。
正负电子对撞机-重大突破
北京正负电子对撞机
北京正负电子对撞机
北京正负电子对撞机是1984年作为国家重点工程之一确定的中美科技合作项目,总投资为2.4亿元,由中科院高能物理所负责建造。工程建筑总面积达57500平方米,形似一个巨大的“羽毛球拍”,由电子注入器、储存环、探测器、核同步辐射区、计算中心等5个部分组成。整个工程于1984年10月7日在北京西郊破土奠基,1985年10月23日电子直线加速器研制成功,1986年10月23日储存环弯转电磁铁试制成功,1987年12月负电子出束,1988年5月正电子出束,1988年10月16日正负电子计算机整体建成并首次对撞成功,1990年7月21日通过国家验收,处于稳定运行状态。
北京正负电子对撞机的建成和投入运行,为中国粒子物理和同步辐射应用提供了基本研究实验手段和条件,成为跨部门、跨学科共同享用的实验研究基地,使中国高能物理研究进入了世界前沿,取得了具有国际水平的诸如实现τ轻子质量精确测量等成果。而且,正负电子对撞机所产生的同步辐射光作为特殊光源,可在生物、医学、化学、材料等领域开展广泛的应用研究工作。
BESIII超导磁铁
2006年9月19日,北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)中的大型粒子探测器北京谱仪III(BESIII)超导磁铁成功励磁到1万高斯,是地球磁场的2万倍,电流强度达到3368安培,最大储能达到1000万焦耳。测试结果显示,其主要性能达到设计指标。它的研制成功标志着我国超导技术的巨大进步,是BEPCII建设的重要里程碑。
BESIII超导磁铁是北京谱仪的关键部件之一,为北京谱仪提供大口径、高强度的均匀磁场。主要包括超
BESIII超导磁铁
导线圈、低温恒温器、冷物质及电磁力悬挂支撑结构和阀箱等,采用国际主流的单层线圈内绕工艺,强迫氦两相流冷却技术,通过专门设计的阀箱与氦制冷机相连接,实现远距离控制。
BESIII超导磁铁是高能物理研究所研制的中国单体最大的超导磁铁。研制工作自2003年开始,历时三年,工程技术人员在解决了大口径超导磁铁绕制技术、绝缘固化工艺、间接冷却技术、专用电流引线等关键技术问题后,磁铁达到稳定运行状态。国际上只有欧美、日本可以进行此种大型探测器超导磁铁的研制。

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