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让粒子飞——杜布纳联合核子研究所大型加速器巡礼(二)  

2010-12-23 10:17:00|  分类: 科技成就 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       从前文中我们已经知道高能加速器是进行粒子物理(高能物理)研究的必要手段,也是进行其他一些基础科学和应用研究的重要工具。它属于当代高科技研究的特大型基础设备,其建设工作属于大科学工程,国家要有较强的经济实力和较高的科技水平。杜布纳10GeV同步加速器的36000吨磁铁这个吉尼斯世界记录也使得它成为世界上最大、同时也是最后一台大型弱聚焦加速器,因为其功能已经达到了同类型设备的技术极限和顶峰。

       这和其原理有关。

       同步加速器的磁场沿半径有一定分布,以对回旋运动的粒子束施以聚焦力或散焦力。50年代建成的同步加速器大都是弱聚焦的,它的磁场随半径增加而逐渐减弱。弱聚焦同步加速器中,所有磁铁的值都一样,一般在0.7左右,所以弱聚焦又称为常梯度聚焦。弱聚焦的缺点就是由于电子同步辐射损失大而限制了它的发展,为了提高能力就必须把磁铁做的很大,但即使是多用磁铁按照当时的计算最大能力也只能达到10GeV,所以在那个时代无论是技术,经济还是从工程上来说,都是个挑战,所以杜布纳10GeV同步加速器无论从哪方面说都是当之无愧的冠军!

让粒子飞——杜布纳联合核子研究所大型加速器巡礼(二) - 巡航者 - 苏联-俄罗斯:军工.科技
弱聚焦的平面分布

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弱聚焦情况下粒子运行轨道示意

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弱聚焦原理的磁铁,都是均匀排列

       就在这个时候,同步加速器的第二次革命性突破到来了(第一次革命指前面提到的自动稳相原理),这就是强聚焦原理。1950年希腊一个电气工程师N.C.克里斯托菲洛斯最早提出了强聚焦原理,但是一直没有取得重视,直到1952年1952年美国科学家柯隆(E.D.Courant)、李温斯顿(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)发表了强聚焦原理的论文,根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低,使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命,影响巨大。此后,在环形或直线加速器中,普遍采用了强聚焦原理。

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       这个原理类似光学聚焦,采用磁铁交替周期性安置,适当选择参量,使得粒子在径向和垂直方向(即磁场方向)都受到较强的聚焦作用由于磁场梯度沿粒子轨道周期地变化,所以强聚焦又称为周期聚焦或交变梯度聚焦。强聚焦同步加速器,它的磁铁兼起弯转粒子轨道和聚焦粒子束两种作用。这种强聚焦称为组合作用强聚焦。利用二极磁铁产生的均匀磁场来弯转粒子轨道,用四极磁铁产生的沿径向线性分布的磁场来产生聚焦作用,这样的强聚焦系统称为分离作用强聚焦系统。这一聚焦原理是中国科学家在1957年首先提出的,70年代建造的同步加速器和对撞机都采用了这个原理,使磁铁系统造价进一步降低,聚焦性能也便于调节。

       苏联随后也放弃了弱聚焦原理质子同步加速器的建设,改建强聚焦原理加速器。不过最后完成的这个76GeV的强聚焦加速器没有建在杜布纳,而是苏联科学院高能物理研究所。高能物理研究所位于莫斯科南面的雪比古夫(CeyxoB)城的布鲁特维诺镇(Protvino)。1963年开始设计76GeV质子加速器(最大能量76GeV),1967年建成这个代号U-70的加速器,1968年开始正式在这里成立高能物理所。目前这个加速器是世界上最大的同类设备之一,不过冠军是美国伊利诺斯州巴塔维亚的费米国立加速器实验室(FNAL),它保持着最高折能量纪录(500 GeV)。

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高能物理所鸟瞰,下面的就是苏联最大的强聚焦同步加速器-U-70 
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        不过苏联没有放弃新的加速器的研制。1992年,尽管苏联解体,俄罗斯还是按照计划在杜布纳建成了新的质子同步加速器NUCLOTRON。这是苏联最大的超导磁体同步加速器。
       超导加速器是用超导性的加速腔或超导性的主磁体建成的加速器。它是20世纪60年代以来随着超导技术的发展逐渐成熟起来的一类有前途的新型加速器。1961年发现了能用于高场强的第二类超导合金材料,从而为发展现代超导磁体奠定了基础。现在绕制超导磁体,都是使用多丝复合体,按照需要的磁场空间分布安插其位置,制成磁体的绕组,1971年开始应用这种工艺,1972年又开始使用铁轭,以屏蔽散磁,并提高场强。在加速器领域中,超导磁体可分为直流磁体和脉冲磁体。前者已经用于回旋加速器和高能加速器的束流输运线上,比较成熟;后者在70年代主要是处于研制阶段,80年代则可说是投入建器使用阶段。
       利用超导加速腔可以在很小的微波功率下产生很强的加速电场;利用超导磁体则可以在很小的激磁功率下产生强大的约束磁场,二者都可大大缩减加速器的尺寸,降低加速器的功率消耗,使超导加速器在经济上和技术上具有巨大的优越性。超导直线加速器的加速腔大都用表面覆有氧化保护层的纯铌材料制成,也有的用涂铅的铜质腔体制成,它们安装在由液氮和液氦逐级冷却的低温罐中。
    超导磁体除了可以提供超过常规磁体几倍的场强外,在节约能源上也有重大的意义。大型超导磁铁的用电量仅为等效常规磁铁的1/10。它的初始投资虽然较高,约为等效常规磁铁的 3.5倍。但超过常规磁铁的那部分投资,大约在设备运转三四年后就可以收回。超导磁体的研究方向是高工作温度和更高场强用超导体制造高频加速腔,可以极大程度(5~6个数量级)地减少建立一定电场所需的高频功率。这样不但降低了设备的运行费用,还可以使原来由于高频功耗过大而必须以脉冲形式工作的加速器能够连续工作。
       下面就是杜布纳NUCLOTRON加速器的布局图,

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         事实上它和前面的10GeV同步加速器在同一空间,但是由于采用了超导材料,体积大为缩小,下图就是两种加速器部件的比较
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 看见了吗?其中的真空室多大?和那个1.5mX0.4m的真空室比较起来是多么小!

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下面就是超导磁体安装时的情景

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          这个就是加速器的起端,这是一个直线加速器,需要的能量是如此之高,以至于这房间内会发生雷击闪电

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加速器的真空设施

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偏转磁铁

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这些巨大的磁铁被刷上漂亮鲜艳的颜色
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总控制室
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数据采集中心
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 (未完待续)
 
 
 
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