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科学的引擎——带您了解大型科学技术装置：粒子加速器(一)
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第一部分加速器的工作原理、技术和工程层面
大致了解了国际上的情况，正式开始。
粒子加速器是非常复杂的一个系统，而且广泛采用了各个专业领域内最高的技术水平，同时在加速器的建设过程中，各个相关领域的技术得到了相应的很大的提高。
建设粒子加速器最重要的的原因就是要探索微观世界的深层奥秘，无论是直接用于粒子物理研究的对撞机还是用于非高能物理领域的散裂中子源和X射线光源（包括同步辐射光源和自由电子激光）。
可是为什么非要选择粒子加速器呢？光学显微镜、电子投射显微镜、扫描隧道显微镜、X射线扫描仪等等，不都是非常精密而好用的仪器吗？而且电视上不是也经常见到评价某个实验室设备多么高端和精密的时候总是罗列好些显微镜的名字吗？图片来自ESRF。
人眼并不是能看到所有的电磁波，只是可见光。而普通可见光波长长于原子尺度，光波遇到原子时，如同长长的海浪绕过突出的一小块岩石一般，根本不能回射，所以显微镜是无法直接“看”到原子的，必须借助于波长更短的光线X光。而对于粒子物理学而言，必须得到（“看到”）小于核子（质子中子）的粒子，能量需要更高（能量越高，等效德不乐意波长越短），所以我们一直致力于提高加速粒子的能量，原理即如此。事实上电子的速度在正式被加速之前就几乎达到了光速，所以对于电子，更确切地说是加能器，而不是加速器。
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粒子加速器从形式上（原理上也有所不同）可以分为直线型和环形两种。
粒子加速器诞生最初为直线型，典型代表为Standford Linear Accelerator Center（现在叫SLAC National Lab），从最初原型到现在，随着技术更新它的性能也不断提高以满足越来越高的科学实验要求，至今有逾80年历史。它隶属于美国能源部，由Standford大学代表管理，当然坐落在硅谷，全长3km，吸取地势之灵气，技术和性能一直排列在全球粒子加速器前几位。且成果非凡，诞生了N多Nobel奖。
直线型加速器原理很简单，就是利用盘荷波导内的微波电场来加速带电粒子，微波工作在行波状态，理论上说这种结构是可以无限提高粒子能量的，只要不停地级联相同的加速单元。
环形加速器就是带电粒子的运行轨道在一个封闭的环内，这样可以减少加速器的体积，且粒子可以在环里被逐渐积累，所以通常这个环叫做储存环。
然而正如前面所讲，粒子的环形运动必然带来同步辐射（Synchrotron Radiation），这对于以最大效率加速粒子为目的的实验而言则是不小的灾难，因为会有大量的不可抑制的能量损失。而对于同步辐射光源来讲便是需要这种光束质量优秀的辐射来探测物质组成成分，直线加速器几乎不存在同步辐射现象，所以同步辐射装置都采用环形结构。图片来自ESRF。
比较典型的环形加速器有欧洲核子中心（CERN，科幻小说里经常听到这个地方吧^_^）的LHC、美国Argonne National Laboratory 的APS（Advanced Photon Source）、欧洲光源ESRF以及日本的Spring-8，后三个是同步辐射光源。
当然带电粒子怎么在环形轨道里面走呢？基本原理也很简单，真空管道里通高频电场来前向加速粒子提高粒子能量，而转弯则靠磁铁，加速器里叫做二极磁铁，表示这种磁铁只有N-S两极，一上一下形成垂直轨道的磁场，带电粒子通过时受到洛伦茨力而恰好水平方向轨道上偏转，从而被控制在环形轨道内。
另有一种四极磁铁，即有N-S-N-S相互交叉的四个极，它主要实现对离开预定轨道太远的粒子向理想轨道的压缩，使得在加速管中运行的一团一团的粒子束体积最小，从而保证物理对撞实验或者辐射出光的性能最佳。
基本理论虽然简单，高中的知识，但真实情况和工程实践要远比这理论描述复杂得多。系统实现中充满了各种富于挑战性的难题。粒子加速器系统中的任何一个小的方面都可以令一个人穷尽一生也难以钻研透彻。
下面简单介绍下粒子加速器的系统组成，希望能够用尽量简短的语言说明得尽量清晰。
直线加速器可以作为环形加速器的前端系统，即先加速粒子到一定能量然后再注入到储存环里面，等储存环中粒子团足够大时再一次性引出做物理对撞实验或者同步辐射模式实现出射光束性能最佳。直线加速器也可以单独用来实现粒子加速。直线加速器一般分为几大关键系统：
电子枪系统——发射出待加速的自由电子团。是整个粒子加速器的源。类似机枪打出子弹，我们把打出电子的装置叫做电子枪（Gun）。现代电子枪远不是我们在高中课本里学到的找一个灯丝然后加上高压电场，就把电子从极热的灯丝上拉出来这么简单了。当然基本思想依然如此，但实现方法非常多，种类也相当多，例如有热阴极电子枪、光阴极微波电子枪以及瑞士PSI在研究的新型并行自放大方式的阴极电子枪等。图片来自BESSY和CERN。
加速腔以及真空系统——带电粒子要在真空管道中运行。
功率源和功率传输系统——前面提到粒子要在通着微波的加速腔内被加速，所以高功率微波的产生和传输也是一个不小的问题。
速调管（Klystron）是最常用的高功率微波放大装置，多用于雷达发射机基站、高能和民用加速器以及其他需要高功率微波的场合。速调管可以前级固态放大器（Solid-State Amplifer）来驱动。被放大的微波经波导和各种微波器件传输后馈入到加速腔中用来加速带电粒子。粒子加速器加速腔一般建于地下便于辐射防护和土建工程，而速调管等功率源系统则建立在地上，两者通过微波传输系统连接。
比较有名的生产速调管的公司有Varian（速调管发明者Variant兄弟建立）、东芝、三菱重工等。右侧图是一中国科学院高能物理研究所研制生产的速调管。
控制系统——如何保证电子枪粒子们与微波电场的正向场一致使得有效加速，系统同步，以及系统集成，需要完美的控制才能有效工作，包括底层硬件控制和上层系统级控制。这里大多包含了电子、通信、计算机以及网络等最新的信息技术。
此外还有一些其他的小系统，都非常重要，同样每个小系统都仍是非常复杂的，如维持功率源和加速腔温度稳定的冷却水系统，在超导加速器中的低温超导系统（包括液氦液氮相关一大堆的复杂设备），安全保护系统等等，太过专业就不多讲了。
来几张图片：
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以上是直线加速器主要系统的简介，下面介绍环形加速器中几个关键系统：
前面讲过，如果需要粒子按照环形运动，必须有磁铁（二级磁铁偏转、四极磁铁聚焦），而加速器中磁铁的磁场多由通上电流的线圈产生，因此也就需要为磁铁提供电流的电源系统。电流稳定度直接影响着磁场稳定度，也即直接影响着加速器系统的整体性能。
许多大型加速器装置（以及未来加速器的发展趋势）都采用了超导磁铁——即产生磁场的线圈导线是超导材料，并且工作于-270度左右的低温，使电流工作于超导状态。从而大大降低功耗，提高了最大磁场强度。
继续图片，左侧小图是15米长的超导二极磁铁原理图，下面大图是其真实样子（像远程导弹），右侧小图是八极磁铁，看接头处的管线。
下面介绍环形加速器里面更加重要和复杂的系统——高频腔。最早使用常温结构，现在多使用超导高频腔，即所有材料都使用超导材料，工作于低温超导状态，这样以提高腔内的电场梯度（腔压）和提高加速电子束流效率。
其工作原理简单地讲就是粒子在储存环里一圈一圈的转，但每转一圈就经过一次高频腔（相当于一个微波谐振腔），控制腔内电磁场使每次粒子到达时都恰好为前向轴向电场，这样粒子就相当于每次经过高频腔就被向前“踢”了一脚，也即被电场加速了一下。
加工工艺在这里起到了举足轻重的作用。超导材料一般选择铌Ni，因为它是所有迄今为止发现的超导元素里临界温度最高的元素，因此在低温系统等工程实践中多采用铌及其合金，可以降低成本，并能获得较大的维持超导工作状态的温度区间。
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另外，还有其他子系统，比如束流诊断和测量，就是用一些精密的探测器来探测系统运行状态，并将这些参量信息反馈给控制系统来加以优化，使整个系统维持正常工作。因这里探测器本身多为商业成品和半成品，所以主要工作量在于对接收到的各种信号进行数字信号处理，另外我自己不是很了解，所以不加详述了。
又如真空系统，我们想象着可能没什么复杂的，但是事实上如果你真的深入了解之后，就会知道每一个小系统小细节上都有充满着难题和挑战性。留一个问题思考：电子在环形加速器里会有同步辐射，这种辐射可不是只在某几个点处有，在非引出点的管道里同样存在，那么想一下，这么强烈的X射线打到真空管壁上将势必会打出管壁材料里面的粒子，这就造成了真空性能严重下降，这种“二次电子”问题如何解决呢？
能想象的出每个系统面临着多少复杂的难题了吧？
最后总结一下，直线加速器靠微波来加速粒子，微波由速调管和固态放大器等功率源系统获得并由波导传输系统输入到加速腔中，粒子经初步加速后注入到环形加速器中进一步加速。或者通过级联加速管，不采用环形加速器，直接加速到需要的能量点。
上面是台湾新竹光源的示意图，储存环上有二极和四极磁铁分别起偏转和聚焦功能使粒子维持在环形轨道中。同时在轨道中有一个（或者多个）高频腔来实现对每一圈通过的粒子进行加速。另外还有其他辅助系统，如真空、束流检测、底层控制和系统控制、水冷、辐射防护及工程准直等。
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加速器系统中每一个子系统都是十分关键的，对系统整体性能起着同样重要的作用。因此需要所有系统协调工作，也即团队合作，这是一个团队。
就先简要写这么多吧，要写的太多了。这个月一直很忙。
图片资料来自这些实验室和网络上：CERN,Fermi Lab, BNL, DESY, SLAC, ESRF, 台湾光源（新竹）,中科院高能物理研究所以及Wiki等。
此致~
（磁带阵列与准直器）
https://blog.sciencenet.cn/blog-200301-206067.html
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