第一章绪论
多哈会议内容与目的：针对核技术及应用学科（加速器）学生及其他感兴趣者，主要，
①系统地认识各类加速器的主要组成部分、功能、参数，概念清楚；
②学习加速器的基本理论，线性理论下束流横向运动与纵向运动的稳定性，流强怎样提高及主要物理参数，在老师指导下能进行简单的计算和设计； ③准备将来从事加速器研究、计算、设计、制造、运行。
基础知识：四大力学，主要是电动力学，特别是微分方程求解，会利用特殊函数。
掌握的几个方面：
1、基本原理应用；
2、基本理论，线性理论下的横向运动与纵向运动；
3、主要类型，有些很少提到；
4、加速器的新动向、新原理。用的都是国外提出的原理，中国还没有提出过。
5、通过参观、实习、运行学习。
参考书：
刚果红
1、陈佳洱等著，加速器物理基础；
2、徐建铭著，加速器原理；
3、王书鸿著，质子直线加速器原理；
5、M. Livingston, Particle Accelerator, 1962；
6、J. J. Livingool, Principle of Cyclotron Accelerator；
7、谢家麟著，加速器与科技创新，2000；
8、H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics, 1998。
9、叶铭汉著，静电加速器。
本科生的相关课程，如电磁学（赵凯华著，伯克利教程，科大物理口的教材）、电动力学（曹昌祺著，郭硕洪著，杰克逊著中文或英文版），研究生的相关课程：高等电动力学。§1.1 加速器发展概况 带电粒子加速器的发展及其原理，来源于基本物理现象理论与试验的进步。而粒子加速器试验研究仅起步于上世纪，它依赖于对电磁现象基本物理的理解，这一部分主要是在十九世纪期间和二十世纪初在理论和试验两方面探索所进行的。在此引言中，我们将简洁地回顾导致粒子加速器发展、应用的历史，并引入基本定义和支配粒子束流动力学的公式。 §1.1.1 加速器产生的历史背景及其在近代物理学中的作用[1]
粒子加速器的历史与发展，与荷电现象的理解和发现有关，也与灯炮中一些单个粒子所具有的特殊性质携带的电荷密切相关。据说，诞生于公元前625年的希腊哲学家和数学家泰利斯(Thales of Miles)，首先观察到对琥珀的静电力。用于琥珀的希腊字是electron或ηλεκτρον，并且成为区分电现象与相关科学的起源。二千多年来此现象观察除了好奇心没有其它更多的。然而，十九世纪以来有关的电现象在科学界内变得十分时髦了，并且发展成为与现代科学文化紧密结合有影响力的一门技术。
到电荷载体能够被绝缘又经历了二百年的时间。许多系统试验得以进行，理论被发展，以从数学上表述被观察到的现象。正是库伦(Coulomb)在1785年首次成功地标定了电荷之间
的力，我们现在称之为库伦力(Coulomb forces )。由于更强大的电荷成为可能，发光的放电现象被观察到，并且开始强烈地致力于对试验观察，在十九世纪的后半叶大部分期间内。例如，正是这些电发光放电现象的观察导致科学界发现了基本粒子和电磁辐射，它们都是粒子加速器的基本因素。
导致发现基本粒子及用于这样粒子被加速的思想，是特别重要的里程碑，一次一次地指出了进一步试验和理论研究的方向。与此相关联的许多历史上的发现导致现代粒子加速器物理开始于一百五十多年前[1]。
1905年著名物理学家爱因斯坦(A. Einstein)发表狭义相对论理论之前的近一百年，与原子物理和电磁场理论相关的物理学取得了重大发展，众多科学家做出了重大发现。1815年英国物理学家和化学家W. Proust ，最初未署名提出假设，认为所有原子是由氢原子组成，因而所有原子都是氢原子重量的整数倍的概念。1839年 Faraday 发表了他的电性能试验观察，并描述了发光放电的多种现象。1858年Plucker 报告了有关阴极射线的观察和它们在磁场下的偏转，他发现，光会以同样的螺旋线方向发生偏转，如同安培电流流经电磁铁所发生的一样，因而正如同他这样称呼的，假设电光仅存在于环境是磁场的条件下。1867年L. Lorenz 与J. C. Maxwell 并行致力于用公式表述推迟势原理的电磁场理论，当时还不是点电荷的。1869年Plucker 的一个学生Hittorf ，开始他的论文时使用了下述语句：“勿庸置疑的，电学的近代理论中最隐秘的部分是这样的过程，借助此过程会导致电的流动传播在气态体积中进行”；显然，显示出美丽颜的丰富多样的发光放电管观察，以及与磁场的复杂作用使得许多研究人
员神魂颠倒。Hittorf 借助于磁场就光在发光放电中的偏转安排了大量的系统试验，并且修正了Plucker 所做的重要解释。1871年C.F. Varley 提出阴极射线是粒子射线的假说。1874年H. von Helmholtz 提出电的原子结构假说。1883年J.C. Maxwell 发表了他的电学和磁学论文。1883年T.A. Edison 发现了热电子发射。1886年E. Goldstein 观察到正的电荷射线，它能够穿过阴极通道发光放电管隔离，因而他称之为Kanalstratrahlen 。1887年H. Hertz 发现了电磁波和光电效应。1891年G .J. Stoney 引入名称“电子(electron)”。1894年P. Lenard 建造放电管，使得阴极射线出射进入大气。1895年H.A. Lorentz 用公式描述电子理论，洛伦兹力等式和洛伦兹收缩。1895年W. Rontgen 发现X 射线。1895年Wiedemann 报导，就一种新的射线以研究电火花，Thomson 解释此射线发射是由于带电粒子与其他原子碰撞期间发生的加速引起的，计算出每单位时间发射的能量是
22
商场现代化23e f v
， 此处的e 是发射粒子的电荷，f 为加速度，及v 为光的速度。1897年J.J. Thomson 用电磁谱测量了Kanal 和阴极射线的荷质比(e /m )，并且发现了阴极射线的荷质比要大于Kanal 射线的荷质比1700倍，他解释阴极射线是由支配自由电子证据是自由电荷组成的。1897年J. Larmor 用公式描述拉莫进动(Larmor precession )的概念。1898年Lienard 计算了一个运动点电荷邻域的电场和磁场，并且估算
来自沿圆轨道运转荷电粒子电磁辐射的能量损失。1900年Wiechert 导出了点电荷的推迟势的表达式。1903年汤姆逊提出正电荷在原子中均匀分布的假设，1905年卢瑟福提出电子围绕旋转的概念，盖革的两位研究生发现电子的散射行为并提出正电荷的概念，发现α射线散射现象存在有八千分之一机率的散射角大于二分之π，由库伦力的观点，只有原子有核形式存在，才可能散射角出现大于二分之π的试验现象。散射公式，
()()2sin 14221θθσ⎟⎠⎞⎜⎝
镀镍设备
⎛=m q q 。 (1.1)
几个著名的试验结果（胶片）发表后，引起了烘动效应。1905年A. Einstein发表狭义相对论理论。
在此建造之后的二十一年里，伴随物理学发展，萌芽性质的加速器物理与技术发展开始起步，建造了最早期的直线加速器。1907年Schott用公式描述同步辐射的第一个理论，以试图解释原子谱。1901年起步的W. Kaufmann首先独立并于1907年与A.H. Bucherer提出电子质量随能量的增长，第一个支持狭义相对论理论。1909年R.A. Milikan开始测量电子的电荷。1913年由J. Franck和G. Hertz做了第一个试验用加速电子以激励原子。1914年Marsden产生了第一个质子束借助阿尔法粒子照射石腊。1920年H. Greinacher建造了第一个级联发生器(cascade generator)。1922年R. Wideroe作为研究生做了射线变压器草图设计。1924年Ising发明了电子直线加速器，借助于漂移管和火花隙激发产生加速功率。19
28年Wideroe报告了第一次钾和钠离子的直线加速器的运行，讨论了电子感应加速器的运行及错误在于得到束流因缺乏聚焦。1928年 P.A.M. Dirac预言正电子的存在。1931年Van de Graaff 建造了首个高压发生器。
在以后的十九年内，直线性加速器开始了由高压型加速器向谐振加速原理为主导的微波场加速的高能加速器，与此同时，圆型加速器开始并有了重要的发展。伴随这些加速器的发展，加速器物理学和相关的技术也有了重要的发展。加速器物理学的许多基本理论都产生于此时期，为现代高能加速器的发展奠定了基础。1932年Lawrence和Livingston由1.2MeV 回旋加速器加速了第一个质子束，提出最早的圆型加速器的概念。1932年Cockcroft和Walton 利用技术上改进的级联发生器加速品质子束，并且开始首次人工原子核反应：
+→。
Li p2He
1932年C.D. Anderson发现了正电子，中子是由J.Chadwick发现的，而氘核是由H.C. Urey 发现的。1939年W.W. Hanson，R. Varian以及他兄弟S. Varian发明了速调管，即斯坦福的微波管。1941年Kerst和Serber完成了首个能用的感应加速器。1941年Touschek和Wideroe 用公式描述储存环原理。1944年伊凡宁柯( Ivanenko)和Pomeranchuk及Schwinger分别地独立地指出圆型加速器的能量限止来
自同步辐射损失。1945年Veksler和McMillan独立发现相聚焦原理。1945年Blewett借助于电子的能量损失从试验上发现了同步辐射。1947年Alvarez在伯克利设计了首个质子直线加速器。1947年Ginzton等在斯坦福借助马克I盘荷加载直线加速器加速电子到6MeV。1949年E.M. McMillan等进行320MeV电子同步加速器调束。1950年Christofilos用公式描述了强聚焦原理。
在以后的九年内，加速器物理学的线性理论趋于完善。在此期间的主要发展：1951年Motz建造了第一个扭摆磁铁以产生准单同步辐射；1952年Livingston等在布鲁克海文描述了2.2GeV质子同步加速器(Cosmotron)；1952年Courant等发表了强聚焦的首篇论文；1952年Chodorow等完成了600MeV马克III电子直线加速器，值得一提的，这里有我们中国科学家的贡献，谢家麟先生参与了此工作；1954年R.R. Wilson等在康乃尔运行1.1GeV的交变梯度电子同步加速器，Lofgren等在Bevatron质子加速器上加速质子束到5.7GeV。1955年Sands定义了由于量子激发相聚焦的限制；1958年Courant与Snyder发表了关于交变梯度同步加速器理论的论文。
加速器物理学的研究和发展得益于高功率射频源的发展，及各工业发达国家不断增加对加速器工程投入可用的政府资金。上世纪六十年代以后，在基本粒子物理学、同步辐射应用研究需求的推动下，美国、日本、原苏联等与欧洲的工业发达国家投入巨资建造了一大批电子和质子的高能加速器，中国、韩国、印度、巴西、新加坡、泰国等建造了一批3GeV以下能量的电子加速器。在此期间，有关加速器物理学的非线性理论和束流不稳定性理论都有了很大的发展。当然，这部分内容超出了本课程的内
容，基本不会在本课程内讲授。
利用加速器探索物质结构，许多科学家获得诺贝尔奖金（有一定的歧视性，我国著名物凝聚力工程
J粒子，丁肇中理学王淦昌先生在前苏联杜布纳机器上发现反Σ超子，没有得奖），比如ψ
J粒子，同时获（BNL）与一位犹太学者（SLAC）分别在不同的加速器上工作，发现了ψ
得诺贝尔物理奖。实践证明，加速器已经是微观世界探索不可缺少的科学装置。例如美国曾经计划建造的82公里长的超级超导对撞机，以及最近正计划建造的500~1000GeV的国际正负电子直线对撞机。
§1.1.2 加速器装置简介
图1.1 加速器束流能量随年代而提高的概况[2]图1.2 加速器尺寸随年代的关系图（简单一些）加速器能量与年代关系图，反映了不同类型加速器的发展历史曲线：倍压加速器、静电加速器、回旋加速器、质子同步加速器、同步辐射加速器、对撞机等等。
加速器尺寸与年代关系图示于图1.2，西欧的LEP，其周长26.7公里。
从西欧CERN的地图（跨瑞士和法国两个国家，机器LEP为55×55GeV的电子、质子对撞机，周长26.7
公里，1989年投入使用，后发现Z0粒子；目前正在联合建造LEP，即强子对撞机，能量为8TeV），已停建的SSC的地图（此图实际是达拉斯区域的公路交通示意图，有公路编号，机器由于花钱太多，被美国国会否决），以及正即将建造的国际正负电子直线对撞机占地长达40公里，可以看出加速器的规模之大。
图1.3 西欧CERN所在区域地图图1.4 美国已停建的SSC所在区域地图我们中国加速器的发展起步于新中国建立以后。早期的发展是在原苏联帮助下实现的，能够制造不同类别的高压型加速器。上世纪五十年代至六十年代，谢家麟先生带领的小组，在工业基础尚不发达的条件下，用八年时间建造了国产的第一台30MeV行波电子直线加速器。1977年全国首届科学大会后，分别在北京、兰州与合肥三地，开始了质子、电子与重离子加速器的发展，分别建造了驻波质子直线加速器、北京正负电子对撞机、合肥的专用同
步辐射光源、兰州重离子加速器。上世纪八十年代，新竹开始了首台第三代同步辐射光源储存环的发展。本世纪初，上海浦东开始了更高能量的第三代同步辐射光源的发展，兰州开始建造冷却储存环，北京计划建造用于散裂中子源的质子同步加速器(建造地点改为广东省东莞市)，合肥计划建造自由电子激光器的试验装置。依托这些加速器装置的发展，国内的加速器物理学日趋成熟。中国科学技术大学的加速器物理学，起步于建校初期的电物理专业(原子核物理及原子核工程物理系，现名近代物理系)
，目前已成为核科学与技术学科内较为成熟的一门硕士研究生基础课。
§1.1.3 加速器的基本构成
粒子加速器具有很多类型，基于分别采用各种有区别的技术原理。一切技术原理都基于电荷与静止的或动态的电磁场的相互作用，正是这种相互作用在技术上的实现导致不同类型的粒子加速器。电磁场能够被利用的频率范围，从静电场，到在感应加速器50或60赫芝振荡的磁场，到在MHz 到GHz 范围的射频场，并且思想上已经发展到考虑利用激光束产生高梯度粒子加速器，以及利用具有低高次模的高梯度晶格类加速结构的粒子加速器。
1、 什么叫加速器？
粒子加速器，顾名思义，一种将带电粒子加速到很高能量的机器。早期有另一个名字，叫原子破碎机。其规模，小到一间房屋（图1.1），大到几十公里。加速器改变的是粒子的动能部分，
d d W Z
e ZeV Δ=⋅=⋅=∫∫
F l E l 。 (1.2) 式中F 为粒子所受的力矢量，E 为施力于粒子的电场矢量，d l 路
径元矢量，V 为粒子沿路径的所受到的电势差。这是一个简单的数学关系，但讲述的原理是很清楚的，多高的电压，就能够得到多大的能量。问题是怎样能够提高电压V 。干燥空气中的击穿场强，
图1.1 高压型加速器示意图
ion E <30kV/cm 。 (1.3) 再升高场强，取决于电极形状，因为半径为r 的小球周边的场强，
r
V E = 。 (1.4) 从技术发展的过程看，相关的技术经过高压技术，发展到带电粒子重复地反复通过加速间隙（交变磁场），例如圆形加速器，或者直线加速器，加速电压增加不可能只是一次就行的，只能是n 次的。《静电加速器（叶铭汉著）》一书，提到加速器技术中能够达到的最高电压是10MV ，而加速电场的频率可以高达10GHz ，几乎都是极限技术指标。近几十年发展起来的低温超导技术也越来越多地用于加速器，如超导磁铁、超导加速腔在加速器上投入使用。其他的新技术也在不断地用于加速器装置，如计算机技术以及相关的网络技术，越来越广泛地
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