西欧中心的系列加速器——高能所

西欧中心的系列加速器 

建于50年代的质子同步加速器PS（Proton Synchrotron）（左图），是西欧中心加速器中最老和用途最广的加速器。1959年调试完毕，从此连续运行。它的直径为200米，最高能量达GeV，一度是世界上功率最大的加速器。PS作适当修改后即可加速质子，又可加速电子或正电子。

         

       

超级质子同步加速器SPS(Super Proton Synchrotron)1971年开始建造，1976年完工（右图为SPS隧道）。它的最大能量可达400 GeV，它的主加速器平均直径达2200米。

       

        

二十世纪七十年代末，西欧中心建造了一台反质子源，称为反质子积累器AA（Antiproton Accumulator）。其主要任务是产生和积累高能反质子注入到SPS，以便将其改造成一台“质子反质子对撞机”。

 有了反质子后，物理学家们认为如果在低能时用这些反质子会更有收获。所以西欧中心决定建造一台新机器，即低能反质子环（LEAR）（左图）。反质子积累环AA中积累的反质子被引出，在质子同步加速器PS中减速，然后注入到低能反质子环LEAR进一步减速。

　

第二个环，即反质子收集器AC（Antiproton Collector）在现有的反质子积累器AA附近建造，以便将反质子的产生率提高10倍。（右下图为反质子收集器AC和反质子积累器AA）

 

反质子收集器AC已经改为反质子减速器AD(Antiproton Decelerator)，它执行反质子收集器（AC）、反质子积累器（AA）、质子同步加速器（PS）和低能反质子环（LEAR）的任务（左图），产生反质子，将其冷却，减速，最后将其引出，提供给实验。

      

二十世纪80年代，西欧和美国展开了一场建造正负电子对撞机的竞争，西欧中心动工建造大型正负电子对撞机LEP(Large Electron Positron Collider)，LEP是由多级加速器串接而成,包括：LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成为连续性的加速装置，使能量不断提高，每台机器将束流注入到下一台机器里，然后将束流加速到更高一点的能量（右下图为LEP示意图）。

LEP周长27公里，主环跨越法国和瑞士国界，占地36公顷，安装在地下50～175米的隧道中，隧道截面为半径1.9米的圆。主环上有488块36米长的二级铁、776块四极铁、504块六级铁、504块二级校正铁、有128个高频腔。对撞区采用8块超导四极铁。第一阶段，正负电子的能量分别为50 GeV，亮度（1～3）×10³¹cm^-2s^-1，1989年8月13日实现首次对撞，总投资6亿美元（由14个成员国共同承担）。

LEP的第二阶段，用256个超导腔逐步换下原有的128个高频腔，将正负电子能量分别提高到100 GeV。

   

以下分别介绍LEP的各级加速器：

LIL（LEP injector Linac）是一台电子直线加速器（左图），先由一段200MeV的高流强直线加速器提供电子束，打在钨靶上产生正电子，再由第二段加速器将正电子加速到600MeV，移开钨靶并减少场梯度，将电子也加速到600MeV。

　

　

     

EPA（Electron-Positron Accumulator）是正电子积累环（右图），将LIL引出的600MeV的正电子注入EPA后进行积累，达到足够强度后引出并与LIL引出的电子束一起注入质子同步加速器PS。

    

为了适应西欧中心加速器系统的日益复杂化，对PS进行了重大改进。现在，它可加速所有稳定的和带电荷的粒子（电子和质子）、它们的反粒子（正电子和反质子）及不同类型的重离子（氧、硫、或甚至铅）。 这些粒子在离子源中产生，利用“二重等离子体加速器”从氢气中获得质子；在电子枪中从金属表面获得电子和在“电子回旋加速器共振源”中剥离出铅原子的电子壳。  

     

超级质子同步加速器SPS（左图），1983年改造成能量分别为400GeV的质子-反质子对撞机SP`PS，质子和反质子可在这里加速到 270 GeV，然后进行对撞，这样，所得到的质心系能量相当于 155 TeV的静止靶加速器进行同类实验所能达到的能量。由于亮度高于同时期美国费米实验室的Tevatron-I，在竞争中占了上风。意大利物理学家鲁比亚在SP`PS上发现了Z0及W±中间玻色子，统一了弱相互作用和电磁相互作用，并为此获得1984年诺贝尔物理奖。

    

SPS现在已作为SP`PS、重离子加速器和LEP的正负电子的注入器运行。SPS也可将铅离子加速到170 GeV/核子。铅原子核中有208个核子。这是目前世界上获得的最高的能量，用于研究大爆炸后可能存在的夸克胶子等离子体。（右图为SPS的隧道）

               

在原有的质子同步加速器PS的附近新建的增强器PSB, 由环和束流传输区的设施组成。PSB的环由16周期结构组成。每个周期结构有一组主要的基本上相同的磁铁：弯转磁铁、3块四极磁铁、弯转磁铁加一个直线节。直线节里包括冲击磁铁、切割磁铁、高频腔、束流监测器等部件。束流传输区的设施包括注入线和引出线，引出线将增强器来的束流引出并重新组合。（右图为增强器环和所属区的设施）

每种类型的粒子都在直线加速器LIL进行第一阶段加速，它们的质量有很大不同，铅离子比质子重约200倍，比电子几乎重40万倍。电子的最后能量为MeV，质子为50 MeV，铅离子为4.2 MeV/中子。
       对质子和重离子束来说，它们随后进入1.0 GeV的增强器PSB提供能量后，再注入到质子同步加速器PS。电子先存储起来，然后在正负电子积累环EPA中进一步加速。电子束与重金属靶对撞产生反电子（正电子），也存储在正负电子积累环EPA里并加速。

随后，所有粒子束流通过质子同步加速器PS本身。每个加速周期需2.4秒。PS的控制系统作用非常大，在每个连续的周期内，能够处理不同的粒子束流。束流然后注入到更大的环内（超级质子同步加速器SPS、大型正负电子对撞机LEP、或将来的强子对撞机LHC）进一步加速。来自质子同步加速器PS的质子束流也用来开展物理实验或产生反质子。

      

2001年，LEP决定拆除原有的全部磁铁和设备，在隧道中安装超导磁铁，建造实现7.7TeV能量的质子-质子的对撞的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider），结构复杂的超导磁铁提供9.5特斯拉的场强，预计投资48亿1千9百万瑞士法郎（由美国、日本、俄罗斯、印度等国共同出资），2006年建成后将成为21世纪前十多年中世界唯一的质子-质子对撞机。该对撞机主要用于开展模拟宇宙大爆炸的实验。（左图为西欧中心LHC鸟瞰图）

LEP与LHC的对比

	LEP	LHC
原始数据产生速率	1MB/sec	100MB/sec
每年的事件数	<107	~109
每年的数据量	0.2-0.3 TB	1 PB
平均事件大小	20 – 50 kB	1 MB
实验参加人数	400 - 600	~2000
实验参加组织数	30-50	~150

   

LHC是一个用途非常广泛的加速器，可使能量约为7和7 TeV的质子束流在前所未有的亮度的束流交叉点发生对撞，为实验提供高相互作用率。也可使像铅这样的重离子束流发生对撞，对撞的总能量超过1,250 TeV，比美国BNL的相对论重离子对撞机高30倍。LHC/LEP运行可提供1.5 TeV的质子电子对撞能量，比德国DESY 的HERA高5倍。

为节省经费，LHC将充分利用西欧中心现有的设备和设施，如27公里长的LEP隧道，粒子源和以前的加速器等。它还采用最先进的超导磁铁和加速器技术。该加速器将用来寻找理论上预见的物理现象。

      

LHC的各个注入器都有自己的实验大厅，它们的束流在较低能量时用作实验。其中有些实验设备的确有独到之处：

-  ISOLDE（在线同位素质量分离器）产生放射性原子核，用于包括核、原子、分子和固态物理的一些应用，还用于生物和天体物理。

-  NTOF（中子飞行时间）产生1 eV和250 MeV之间能量范围的中子，用于开展核物理实验。粒子到达实验的时间是衡量能量的尺度。

-  AD（反质子减速器）为反物质工厂，旨在产生反氢原子，供物理学家们研究光谱学和检验基本对成性。

- CNGS（西欧中心中微子束流到意大利Gran Sasso）将流强很高非常难以捉摸的中微子束流送到位于靠近罗马距西欧中心800公里处的一个探测器。

       

另外，西欧中心正在研制的CLIC直线正负电子对撞机，是更富于创新思想的方案，设计能量1TeV，采用双束加速方法，一个是常温、行波结构的主加速器，另一个是工作于3GeV能量的超导强流电子直线加速器，其电子束转换后产生微波，再输送到主加速器加速电子和正电子。此方案可省去几千支速调管、调制器和脉冲压缩装置。

（高能所科研处制作 侯儒成编译）