粒子加速器

生成的粒子

电子和质子是加速器中最常用的粒子，它们存在于所有材料中，但对于加速器来说，必须将适当的粒子分离出来。电子的产生通常与电视显像管产生的方式完全相同，在一种被称为电子管的设备中电子“枪”。该枪包含一个阴极(负极)在真空中，它被加热，使电子脱离阴极材料中的原子。发射的电子，带负电荷，被吸引到阳极(正极)，在那里他们通过一个洞。枪本身实际上是一个简单的加速器，因为电子在电场中移动，如下所述。阴极和阳极之间的电压电子枪通常是5万到15万伏特s，或50-150千伏。

和电子一样，所有物质中都有质子，但只有原子核氢原子由单个质子组成，所以氢气是质子加速器的粒子来源。在这种情况下，气体被电离——电子和质子在电场中分离——质子通过空穴逃逸。在大型高能粒子加速器中，质子最初通常以负氢的形式产生离子s.这些是带有一个额外电子的氢原子，当最初以两个原子分子的形式存在的气体被电离时，也会形成氢原子。负氢离子证明在大型加速器的初始阶段更容易处理。在质子进入最后的加速阶段之前，它们会通过薄箔剥离电子。

加速粒子

的关键任何粒子加速器的特点都是加速电场．最简单的例子是正负之间的均匀静态场电势S(电压)，很像存在于电气端子之间的场电池．在这样的场中，一个电子，轴承一个负负责它感觉有一股力把它引向正电位(类似于电池的正极)。这个力加速了电子，如果没有什么阻碍电子，它的速度和能源将会增加。电子沿着电线或甚至在空气中向正势移动时，会与原子碰撞并失去能量，但如果电子穿过真空，它们在向正势移动时将会加速。

电子开始在电场中移动的位置和它离开电场的位置之间的电势差决定了电子获得的能量。电子通过1伏特的电位差所获得的能量称为1电子伏特(电动汽车)。这是一个很小的能量，相当于1.6 × 10⁻¹⁹焦耳。一只会飞的蚊子的能量大约是这个的一万亿倍。然而，在电视显像管中，电子被加速超过10,000伏特，使它们的能量超过10,000 eV，或10千电子伏(keV)。许多粒子加速器能达到更高的能量，以megaelectron伏(MeV，或百万eV)，十亿电子伏(GeV，或十亿电子伏)，或teraelectron伏(TeV，或万亿eV)。

一些最早的粒子加速器设计，如电压倍增器和范德格拉夫发电机，使用由高达一百万伏特的电位产生的恒定电场。然而，在如此高的电压下工作并不容易。一个更实际的替代就是重复使用由较低电压建立的较弱电场。这是两种常见的现代粒子加速器所涉及的原理直线加速器S(或linacs)和循环加速器(主要是回旋加速器和同步加速器)。在线性加速器中，粒子一次通过一系列加速场，而在循环加速器中机它们被引导在同一个相对较小的电场中沿圆形路径多次运行。在这两种情况下，粒子的最终能量取决于累积字段的效果，使许多小的“推”加在一起，给一个大的“推”的组合效果。

线性加速器的重复结构自然表明使用交变电压而不是恒压来产生电场。例如，一个带正电的粒子加速向负电势移动时，如果这个粒子经过时势变成正电，它就会收到一个新的推力。实际上，电压必须变化得非常快。例如，能量为1兆电子伏的质子已经以非常高的速度——光速的46%——在0.01微秒内走了约1.4米(4.6英尺)的距离。(一微秒就是百万分之一秒。)这意味着在一个数米长的重复结构中，电场必须以至少每秒1亿个周期(100兆赫兹)的频率交替，即改变方向。一般都是线性和循环加速器加速粒子，使用出现在电磁波中的交变电场，频率通常在100到3000兆赫之间，也就是说，范围从无线电波到微波。

一个电磁波实际上是振荡电场和磁场以直角振动的组合。粒子加速器的关键是设置波，这样当粒子到达时，电场就在加速粒子所需的方向上。这可以用驻波来实现，驻波是在封闭空间中向相反方向移动的波的组合，很像管风琴管内振动的声波。或者，对于快速移动的电子，它们移动得非常近光速(换句话说，接近于波本身的速度)，行波可以用来加速。

在加速度中起作用的一个重要作用交替电场为相位稳定性在其振荡的一个周期中，交变磁场从零经过最大值再到零，然后下降到最小值，最后又上升到零。这意味着磁场经过两次适合于加速度的值——例如，在经过最大值的上升和下降期间。如果一个速度增加的粒子在磁场上升的时候到达得太早，它就不会经历应有的高磁场，因此也就不会受到那么大的推力。然而，当它到达下一个加速场区域时，它会晚到，因此会受到更高的场——换句话说，推力太大。净效应将是相位稳定——也就是说，粒子将在每个加速区域与场保持相位。另一个影响是粒子在时间上的分组，这样它们就会形成一连串的束，而不是一个连续粒子束。

指导粒子

磁场S在粒子加速器中也扮演着重要的角色，因为它们可以改变带电粒子的方向。这意味着它们可以用来“弯曲”粒子束绕着一个圆形的路径，这样它们就会反复通过相同的加速区域。在最简单的情况下，一个带电粒子沿与均匀磁场方向成直角的方向运动时，感受到一个与粒子方向和磁场成直角的力。这个力的作用是使粒子沿垂直于场的圆形路径运动，直到它离开的区域磁力或者另一个力作用于它。这种效应在循环加速器中发挥作用，例如回旋加速器年代和同步加速器s.在回旋加速器中，一个大磁铁被用来提供一个恒定的场，在这个场中，粒子在获得能量时向外螺旋，从而在每个电路中加速。相比之下，在同步加速器中，粒子围绕一个半径恒定的环运动，而随着粒子加速，环周围的电磁铁产生的场会增加。具有这种“弯曲”功能的磁体是偶极子——具有南北两极的磁体，以c形轮廓建造，以便粒子束可以在两极之间通过。

电磁铁在粒子加速器中的第二个重要功能是聚焦粒子束，以使它们尽可能地窄和强。聚焦磁铁的最简单形式是四极这是一块由四个磁极(两个南北)相互相对排列而成的磁体。这种排列将粒子推向一个方向的中心，但允许它们沿垂直方向扩散。用来聚焦的四极杆梁因此，水平方向会让光束在垂直方向失去焦点。为了提供适当的聚焦，四极磁铁必须成对使用，每个成员的安排具有相反的效果。拥有大量磁极(六极和八极)的更复杂的磁体也用于更复杂的聚焦。

随着循环粒子能量的增加，引导它们的磁场强度也会增加，从而使粒子保持在同一路径上。粒子的“脉冲”被注入到环中，并被加速到所需的能量，然后被提取并交付给实验。提取通常由“踢”磁铁，电磁铁打开足够长的时间，“踢”出同步加速器环的粒子，沿着光束线。然后，偶极磁体中的磁场被降低，机器就可以接收下一个粒子脉冲了。

粒子碰撞

大部分粒子加速器都用于医学工业生产一束特定用途的粒子，例如，用于放射治疗或离子植入。这意味着这些颗粒只使用一次，然后就被丢弃了。多年来，加速器也是如此粒子物理研究。然而，在20世纪70年代环两束粒子以相反的方向循环，并在机器的每个电路上碰撞。这种机器的一个主要优势是，当两个光束正面碰撞时，粒子的能量直接转化为它们之间相互作用的能量。这与能量束与静止物质碰撞时的情况形成了鲜明的对比:在这种情况下，大部分能量在使目标物质运动的过程中损失了动量守恒．

一些对撞机已经建造了两个环，在两个或多个位置交叉，同一种类的光束以相反的方向循环。更常见的是正反粒子对撞机。反粒子与相关粒子的电荷相反。例如，一个反电子(或正电子)带正电荷，而电子带负电荷。这意味着电场加速一个电子会使正电子减速，正电子移动的方向与电子相同。但如果正电子以相反的方向穿过磁场，它就会受到相反的力，就会加速。类似地，在磁场中运动的电子会向一个方向弯曲——比如向左——而正电子则会向相反的方向弯曲——向右。但是，如果正电子穿过磁场在与电子相反的方向上，它的路径仍然会向右弯曲，但与向左弯曲的电子所走的曲线相同。综上所述，这些效应意味着反电子可以在相同磁铁的引导下沿同步加速器环运动，并被相同的电场加速，而同样的电场会影响反向运动的电子。许多最高能量的对撞机都是粒子-反粒子对撞机，因为只需要一个加速器环。

如上所述，梁在一个同步加速器不是连续的粒子流，而是聚集成“束”。一束可能有几厘米长，十分之一毫米宽，可能包含10个左右¹²粒子——具体的数量取决于具体的机器。然而，这不是很密集;相似尺寸的正常物质大约含有10个²³原子。因此，当粒子束——或者更准确地说，粒子束——在对撞机中交叉时，两个粒子相互作用的几率很小。在实践中，束可以继续环绕环并再次相交。为了实现这种重复的光束交叉，对撞机环中的真空必须特别好，以便粒子可以循环许多小时而不丢失碰撞有残留的空气分子。因此，这些环也被称为存储环，因为粒子束实际上可以在其中存储数小时。

检测颗粒

大多数粒子加速器光束的使用需要某种方法检测当粒子撞击目标或另一个相反方向运动的粒子束时会发生什么。在一个电视显像管,电子S射出的电子枪打击特别磷S在屏幕的内表面，这些发射光，从而重现了电视画面。与粒子加速器类似，专门的探测器对散射的粒子做出反应，但这些探测器通常被设计成产生可以转化为计算机的电信号数据并通过计算机程序进行分析。只有带电粒子在穿过材料时会产生电信号——例如，通过激发或电离原子——才能被直接检测到。中性粒子，如中子或光子，必须通过带电粒子自身运动的行为来间接探测。

粒子探测器种类繁多，其中许多在特定情况下最有用。有的，如熟悉盖革计数器例如，它被用来记录带电粒子的轨迹，或测量粒子的速度或它所携带的能量。现代探测器在尺寸和尺寸上各不相同技术从小型的电荷耦合装置(ccd)到大型的充满气体的腔室，这些腔室用导线连接，可以感知带电粒子产生的电离轨迹。