人工射线源的种类和优点

天然射线源一般强度比较低，而且难以根据需要任意调节，不能很好满足科技工作的需要。为此，人们探索能够产生强度大、能量高、性能好、容易调节和控制的射线源，研制出各种粒子加速器。

我们知道，许多粒子如电子、质子、α粒子等等都是带电的，它们可在电磁场中被加速而获得很高的能量。这种能够使带电粒子在电磁场作用下加速并获得很高能量的机器就是粒子加速器。

粒子加速器有很多种。按粒子最终可获得的能量来分，有低能、中能和高能粒子加速器。粒子的能量单位是电子伏特，通常把带一个电荷的粒子在电场中经过 1 伏特电位差时所获得的能量定为 1 电子伏特，用符号 eV 表示。常用的单位是千电子伏特（keV）、兆电子伏特（MeV）和吉电子伏特（GeV， 109eV）。通常把能量在 100MeV 以下的称为低能粒子加速器，能量在 0.1～

1GeV 之间的称为中能粒子加速器，而能量在 1GeV 以上的称为高能粒子加速器。

按带电粒子所走的轨迹来分，有直线型、圆型和螺旋型。按加速器电场分类，则有利用直流高压电场加速的，利用高频谐振电场加速的和利用磁场变化所产生的感应电场加速的等。按被加速的带电粒子种类来分，则有电子、质子、氘核和各种重元素离子加速器。它们各自都有适用于自己的粒子品种、能量范围以及性能特色。几十年来，它们在相互竞争中不断地发展、完善和更新，同时也在竞争和发展中相互补充。许多大中型的粒子加速器（如重离子加速器和高能加速器）往往采用多种粒子加速器的组合，例如先用直流高压型加速器作预加速器，再用直流谐振式加速器将带电粒子加速到中能，最后再注入到回旋谐振式加速器加速到高能。

带电粒子加速器的研制是在核物理研究的兴趣开始高涨的本世纪 30 年代初开始发展起来的。1932 年世界上第 1 台范德格喇夫加速器（静电加速器），第 1 台考克饶夫-瓦尔顿加速器（高压倍加速器）和第 1 个回旋加速器几乎同时问世。为了将带电粒子加速到能量为几个 MeV，这些粒子加速器的原理和结构是简明而巧妙的。它们打开了加速器研究和开发的道路，成为现代科学技术中一个相当重要的领域。几位著名的研制加速器的先驱者 R.J.范德格喇夫、J.D.考克饶夫、 E.T.S.瓦尔顿和 E.O.劳伦斯后来分别获得了诺贝尔物理学奖。第一批粒子加速器的运行，显示了这种用人工方法制造的粒子射线源的很大的优越性，主要有以下一些：

天然的射线源一般只能产生有限的几种射线，如中子、γ射线、β 射线、α射线等，而粒子加速器所能产生的射线种类要多得多，例如重离子加速器可以产生出从氢到铀的所有元素的离子束。
由加速器产生的射线束的能量和强度可以根据需要任意选择和精确控制。
加速器产生的粒子束流强度高、性能好。
加速器可以根据需要随时运行和停机，停机以后就不再产生射线，便于管理和维修。

随着原子核物理和基本粒子物理研究的不断深入，以及各种科学技术对粒子加速器需求的不断增长，许多科学家进一步提出了很多种新的加速原理和技术，研制成功了一批各具特色的新加速器。

1940 年 D.W.克斯特成功利用电磁感应产生的涡旋电场加速到很高能量的电子感应加速器。1945 年 B.U.韦克斯勒和 E.M.麦克米伦各自独立提出了谐振加速的自动稳相原理，为高能粒子加速器的发展开辟了道路。二战期间， L.W.阿尔瓦雷茨和汉森分别研制成功第一台质子驻波直线加速器和电子行波直线加速器，为直线加速器的发展奠定了基础。1956 年克斯特提出了一种通过高能粒子束之间的对头碰撞（对撞）来提高粒子束的有效作用能新的建议，从而导致了高能对撞机这种新颖高能加速器的问世。本世纪 60 年代后期，重离子加速器的发展，使得可加速的粒子从最初的一些轻元素离子发展到元素周期表上的全部天然元素的离子。

人们利用粒子加速器发现了绝大多数的新的超铀元素，合成了上千种新的放射性核素，极大地促进了原子核物理学的发展。高能加速器的发展，以宇宙射线难以比拟的速度发现了上百种基本粒子，包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子，大大地促进了基本粒子物理学的形成和发展。近 30 年来，粒子加速器这种能够产生各种射线的机器，主要是低能粒子加速器，已经远远地超出了原子核物理学和基本粒子物理学的范畴，在半导体、材料科学、表面科学、生物学、医学等其它科技领域如同位素生产、疾病的诊断和治疗、射线消毒与保鲜、材料的辐照改性、粒子束表面分析、离子注入等等发挥着日益重要的作用。

迄今被广泛应用的粒子加速器不下 20 种，每种加速器都有各自适用的能量范围和粒子种类。为了满足科学技术和实际应用的日益增长的需求，世界各地已先后建造了数以千计的粒子加速器，其中主要是能量在 100MeV 以下的低能加速器。这许多种粒子加速器在加速原理和构造上可以说是异彩纷呈，各具特色，但是它们在主要组成部分上仍然有许多共同之处。作为一个粒子加速器应该具有以下 3 个组成部分：

带电粒子源，如电子枪和离子源等，是粒子加速器的源头，用以提供所需的各种带电粒子。
真空加速系统，是装有加速电场产生机构的真空室，如加速管、加速枪等，用以向带电粒子施加一定形态的加速电场，同时保证带电粒子在加速的过程中不至于受到空气分子碰撞的影响。
带电粒子束的导引和聚焦系统，应用某种形式的电磁场来引导和约束被加速的粒子束，使之沿着既定轨道加速和前进。

本书只概要地介绍几种主要加速器的工作原理、特性及其主要应用范围。