中国科技大学 核与粒子物理导论 第一章.pdf.pdf

核与粒子物理导论核与粒子物理导论 11 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 研究和观测线度为 10 15 fmm 量级的亚原子系统 需要探针粒子的波长 与亚原子 的线度相近或者更短 p 197 33 200 1 cfmMev cpMeV fm 为了获得亚原子系统的各种状态 为从真空状态 各种粒子 反粒子场的基态 产生各种粒 子 需要携带足够动量 能量 的投弹粒子 例如 为把束缚在核素中的一个质子或者中子释 放出来 平均要提供给核素几至十几MeV的能量 要从量子 真空 态产生电子和正电子 对 要给量子 真空 态至少提供MeV02 1 的能量 要产生 J粒子至少要消耗GeV1 3 的能量 要产生 0 Z粒子 GeVm91 需要能量为GeV46 正电子和负电子束对碰撞 人们可以从放射性物质 宇宙线 反应堆和加速器获得不同种类 不同能量的粒子束 1 1 放射源放射源 放射性物质提供的粒子束为人类揭开亚原子的秘密建立过功勋 随着加速器的产生和发 展 放射性粒子束在亚原子物理的学科发展上 其重要性让位于加速器粒子束 但是放射性 粒子束对其它学科的发展依然起着不可取代的 特殊探针 的作用 到目前为止 我们可以 制造和产生两千多种放射性核素 它们大部分可以提供 粒子束 1 同位素同位素 它指的是这样一群特定的核素 它们包含的质子数都一样 而质量数A 或者说中子数 不一样 例如 氢的同位素有H 1 1 H 2 1 和H 3 1 钴的同位素 Co 54 27 Co 55 27 Co 56 27 Co 57 27 Co 58 27 Co 59 27 Co 60 27 Co 61 27 Co 62 27 Co 63 27 Co 64 27 它们当中 H 3 1 氚 是具有放射性 的 H 1 1 H 2 1 都是稳定的核素 钴的同位素中 除Co 59 是稳定的以外 它在自然界中的同 位素丰度0 100 A 其它的同位素都是放射性的 后者的天然同位素丰度均为零 即自然 界开采出来的钴都是Co 59 没有放射性的钴同位素Co 60 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 12 2 放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律 放射性核素的数目随时间的衰减服从指数规律 t eNtN 0 1 1 tN是在t时刻放射性核素的数目 0 N为0 0 tt时放射性核素的数目 称为衰变常 数 对 1 1 两边取微分得 0 t dNN edtN t dt dN dt N t 1 2 上式左边表示在dttt 的时间隔dt内 核素发生衰变的几率 因此 表示单位时间核 素发生衰变的几率 的量纲为 1 s tdN代表在dttt 间隔内发生衰变的核的数目 或者说 存活时间为t的核素数目为 dNN t dt 按平均寿命的定义 0 0 0 0 N N t dN dN dN用式 1 2 的右边代入 t的积分限由0到 得 1 1 3 由 1 1 可见 若0 t时 放射性核素的数目为 0 N 经过平均寿命 后 余下的核素数目 N只占 0 N的 1 e的份额 通常用半衰期 21 T来描述放射性核素的衰变特性 它表示0 t 时核素数目为 0 N 经过时间 21 T核素的数目减少为 0 2 N 由式 1 1 得 2ln 2ln 21 T 1 4 1 2 T 是描述放射性核素的内部固有特性 由核素的结构和相互作用性质决定 的参 数 和核素现有取样的多少无关 一般来讲和核素所处的环境无关 图 1 1 描述放射性的基 本衰变规律以及两个重要物理量 21 T的关系 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 13 图 1 1 放射性衰变的指数规律 3 放射性活度放射性活度 A 和放射线强度和放射线强度 I 放射性活度 Activity A定义为 0 t AN tN e 1 5 其物理含义为 一个放射源在t时刻的放射性活度是 在t时刻 单位时间内放射性核素发 生衰变的数目 A依赖于该放射性核素的衰变常数 同时依赖于t时刻该放射性核素的数目 tN 0 tN 表明该放射源 死 了 一个放射源的活度随时间的衰减 完全取决于 该放射源所包含的放射性核素的数目随时间衰减 由式 1 5 表示 放射性活度的单位用 贝 克勒尔 Bq 作单位 11 Bq次衰变 秒 1 s 早先的活度单位为居里 Curie BqCi 10 107 31 1 6 放射性强度 一般指的是单位时间内放射源发出的某种特定的射线的数目 例如Co 60 放射 源 每一次核衰变伴随有1粒 粒子和两粒不同能量的 光子 能量分别为MeV33 1 MeV17 1 发射 因此 1个活度为A的Co 60 源 其 放射的强度为 AI 而其 放射性强度 AI2 4 递次衰变和分支衰变递次衰变和分支衰变 一种核素1以衰变常数 1 衰变 到达子体核素2 核素2又以衰变常数 2 发生衰变到达 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 14 子体核素3 核素3再继续下去 构成如下的衰变链 312 1020300 000 1 2 3 n n NNNN n 括号右下标表示该核素在0 t时刻相应核素的数目 衰变链中任一核素数目的变化只与它 自身及其前代核素的衰变特性有关 而与其后代的核素无关 核素 1 按规律 1 1 衰变 建 立核素 2 的衰变微分方程 dtNdteNdN t 221012 1 在假定的初始条件下 解上面的方程得 21 10 12 1 2 tt eeNtN 1 7 接着建立核素 3 的衰变方程 dtNdtNdN 33223 将式 1 7 的 2 tN带入上面的方程 求得 3 tN 依次可求得 321 32110 t n ttt n n ehehehehNtN 11312 1321 1 n n h 22321 1321 2 n n h 121 1321 nnnn n n h 在一个衰变链中只要领头的核素存在 它的后续的核素一定存在 无论后续核素半衰期有多 短 在放射性同位素应用中 例如 医用放射性同位素应用 为了得到可多次使用的合适的 短半衰期的放射性同位素 称为 母牛 的放射性同位素链 例如 锡 铟 母牛 就是其 中的一例 母体为Sn 113 其半衰期为1 115天 16 1 min10182 4 通过轨道电子俘获 EC 衰 变 到 子 体 铟 113的 第 一 激 发 态 113In 其 半 衰 期 为5 99分 钟 13 2 min109968 6 发射391 69keV的 射线 从半衰期和发射的射线看 113In 是 一种理想的用于医学诊断的示踪的放射性同位素 但是孤立存在的 113In 因半衰期短不便 于运输和保存 与母体Sn 113 共存的 113In 其活度 22N 按式 1 7 的规律增减 如图 1 2 所示 0 t时刻 母体活度为 10 A 子体活度0 20 A 随着时间的推移 子体活度开始累 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 15 积增长 在时刻 2 1 21 ln 1 m t 1 8 21mm tAtA 过了极大值后 子体的活度按母体的半衰期衰减 通常在子体活度达到极大值时 通过放射 化学方法把子体分离出来供使用 子体一旦和母体分离 它即按它自己的半衰期衰减 分离 后的母牛开始下一周期的子体累积 图 1 2 母牛 放射性活度的增减和平衡 5 天然放射性天然放射性 自然界存在着三个天然放射性系列 由于这三个系列的领头放射性核素的半衰期与地球 形成的年龄 9 10 年 相当 因此 若系列的领头核素在地球形成时 寄生 于地壳中 在 今天的地壳中就能找到这三个系列的放射性核素 它们是 钍系钍系 Th 232 90 10 1 2 1 4 10T 年 A 同位素丰度 100 Th 232 90 Ra 228 88 Ac 228 89 Th 228 90 PbPoRnRa 212 82 216 84 220 86 224 88 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 16 续上页 212 82Pb TlBi 208 81 212 83 PbPo 208 82 212 84 铀系铀系 U 238 92 9 1 2 4 5 10T 年 28 99 A ThU 234 90 238 92 Pa 234 91 PbPoRnRaThU 214 82 218 84 222 86 226 88 230 90 234 92 TlBi 210 81 214 83 PbPo 210 82 214 84 Bi 210 83 PbPo 206 82 210 84 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 17 锕系锕系 Ac 227 89 8 1 2 7 04 10T 年 720 0 A ThU 231 90 235 92 FrAcPa 223 87 227 89 231 91 PbPoRnRaTh 211 82 215 84 219 86 223 88 227 90 TlBi 207 81 211 83 PbPo 207 82 211 84 所有上述三组天然放射性系列通过 和 衰变分别到达稳定的核素 Pb 208 82 Pb 206 82 和 Pb 207 82 衰变系列是由一些递次衰变和分支衰变构成的 例如PbU 206 82 238 92 系列包含有 16 种核素 各核素的半衰期相差很大 长的达 9 105 4 年 ThU 234238 短的只有几分钟 PbTl 210210 3 1 21 T分 除 放射性 PoRnRa 218222226 外 还有 放射性核素 PoBiPbTl 210210210210 在地球上 我们可以找到系列中的任一种放射性核素 尽 管它们的寿命很短 这里特别指出系列中的两个成员Ra 226 和Rn 222 19世纪和20世纪之 交的年代里 Marie Curie 的卓越的研究工作之一就是从铀矿中提取Ra 226 1911年她制备 的第一个国际标准源 其中含有74 16毫克Ra 226 人们曾用1克Ra 226 的放射性活度定义为 活度的基本单位 居里 Ci Rn 222 核素 另外两个系列中的RnRn 219220 是以气态存在于 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 18 自然界 通过对环境氡的测量 可以提取地壳运动的一些重要信息 在自然界中还存在着若 干独立于上述三个系列的天然放射性核素 它们是 K 40 012 0 A 9 1 2 1 3 10T 年 C 14 1 2 5730T 年 1212 14 10 1 2 C C 6 人造放射源人造放射源 天然放射性系列提供的放射源有限 制备困难 随着加速器和反应堆的建造和运行以及 人们对各种核反应过程的认识的深入 使得人们可以用各种粒子束引起的核反应来制备一批 新的放射源 下列的核反应可以制造出相应的放射性核素 CoCoCo 575860 CoCon 6059 5960 Co nCo CodCop 5859 5958 Co p dCo ConMn 5855 5558 MnnCo CopNi 5758 5857 NipCo ConMn 5755 2 5557 2 MnnCo 以Co 60 的生长为例 5960 0 P t dt nCo NCo N t Ni 60 在0 t时刻投入的靶核的数目 0 N 在t时刻Co 59 的数目变为 1 tN 此时由于Co 59 俘获 中子转变为Co 60 Co 59 的数目减少量为 dtNdN 11 从而有 t eNtN 01 2 cm 为 5960 Co nCo 的反应截面 12 scm 为投射在Co 59 样品上的中子通量 对于Co 60 0 0 tN 在间隔t到dtt Co 60 核素的变化量为 NdtdteNdN t 0 1 9 求解微分方程 得 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 19 0 tt eeNN 1 10 为Co 60 的衰变常数 放射性活度NA 按式 1 10 随照射时间增长 当 式 1 10 变成 1 t P Ne 其中 0 NP 称为生产率 放射源为我们提供粒子束种类为 1 粒子粒子 能量为几个能量为几个MeV的单能粒子束的单能粒子束 例如 常用的Pu 239 94 钚 4 1 2 2 4 10T 年 主要获取方式为 U 238 俘获中子后 经 两次级联 衰变获得 可从天然铀反应堆的燃烧过的核燃料中提取 提供两种能量的 粒 子束 1 5 143EMeV 1 15 2 5 155EMeV 3 73 2 粒子束粒子束 例如Cs 137 55 17 30 21 T年 主要获取方式 裂变产物的分离 粒子束为能量连续 分布的电子流 最大能量为 MeV5116 0 3 粒子束粒子束 例如Na 22 11 1 2 2 062T 年 主要获取方式为 19222422 FnNaMg dNa 反应 提供能量从MeV546 00 的连续分布的正电子束 4 射线源射线源 如Co 60 27 5 21 T年 主要获取方式 5960 Co nCo 其通过递次衰变 主要提供 两种不同能量的 粒子束 1 1 17EMeV MeVE33 1 2 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 20 还可以提供MeV318 00 的电子 另外 Cs 137 55 除提供电子束以外 它还可以作为 射 线源 提供能量为MeV662 0的单能光子和MeV624 0的单能的内转换电子 一些实验室 常用的放射源参见附录 7 射线剂量射线剂量 下面简要介绍吸收剂量和等效剂量 射线通过生物体与生物体发生相互作用 把能量沉 积在生物体中 吸收剂量是度量生物体吸收射线能量的多少 单位称为格雷 Gray Gy1定 义为质量1公斤的生物体吸收1焦耳的能量 即 kgJGy 11 或者 kgMeVGy 1024 61 12 的能量沉积 为了正确评价吸收剂量对生物体的效应 人们引入生物等效剂量 等效剂量 Sv吸收剂量 R WGy 式中 R W是辐射权重因子 表 1 1 一些射线的辐射权重因子 辐射 R W 各种能量的X和 射线 1 各种能量的电子和 子 1 中子 10keV直到MeV2 20 MeV2到MeV20 10 MeV20 5 质子 不包括反冲 MeV2 5 粒子 裂变碎片和重核 20 不同国家 实验室对于放射性工作人员建议年等效剂量 全身 限制为 欧洲核子中心 CERN mSv15 英国 UK mSv15 美国 USA mSv50 致死等效剂量 全身受穿透性电离辐射 在30天内不经治疗 导致 50 的被辐照者死亡的 等效剂量 致死等效剂量为2 5 3 0Sv 1 2 反应堆反应堆 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 21 反应堆指的是可控裂变反应装置 1 主要组成部分主要组成部分 裂变物质 核燃料裂变物质 核燃料 235239 UPu 等 它们被制成特定形状的核燃料组件 反应 Un 235 MeVnKrBaU2003 94139 236 是反应堆的基本反应过程 如果核 燃料堆叠得足够多且布局合理 一次裂变提供的中子 漏失 量适中 一个裂变反应净得的 中子数比消耗的中子数多 上述裂变反应可以链锁的自持地进行 慢化剂慢化剂 将裂变产生的中子慢化 使上述裂变反应有效进行 通常慢化剂有水 重水和石墨 冷却剂冷却剂 将裂变产物和中子的动能从反应器中带出 通常用水做冷却剂 分为两个冷却回路 一 回路冷却剂通常由慢化剂来承担 二回路冷却剂是用来冷却一回路的冷却剂用的 控制棒控制棒 用来控制反应堆的反应 活性 通常用一种对中子 热中子 吸收截面很大的材料制成 如镉 Cd 棒 它对热中子的吸收截面为 101 2500 224cm bb 通过控制棒插入堆芯的程 度来控制中子的通量 从而控制链式反应的快慢 安全棒安全棒 用于紧急情况下关闭 熄灭 反应堆 其使用材料与控制棒相同 图 1 3 是反应堆构造的 简图 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 22 图 1 3 裂变反应堆结构示意图 2 反应堆提供的粒子束反应堆提供的粒子束 高通量的中子高通量的中子 裂变过程产生过剩中子 将它们从反应堆引出供实验和研究用 中子通量由反应堆运行 的功率决定 不同运行目的的反应堆 引出中子通量不同 裂变中子的能谱如图 1 4 所示 图 1 4 典型的裂变中子能谱 热中子通量通常可达秒 10 1214 scm 依赖于反应堆运行功率 高通量的电子型反中微子高通量的电子型反中微子 裂变产物多数是丰中子的核素 它们都通过 衰变过渡到稳定的核素 伴随电子型反 中微子的发射 因此 所有的反应堆都可以提供高通量的电子型反中微子束 据估算 裂变 反应堆每发生一次裂变平均发射1 6粒反中微子 从反应堆的功率可估算它每秒的裂变数 从而估算反应堆的反中微子的通量 例如 对烧铀235 的反应堆 估算向四面八方发射的 反中微子强度高达sGW 109 1 20 反中微子的能谱可根据测量np e 反应出射的 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 23 正电子的能谱来推出 有经验公式 1 2 53 3cmEE e e 为单位 图 1 5 为反应堆引出的典型的反中微子的能谱 2 图 1 5 反应堆电子反中微子能谱 各种放射性核素的生产 车间各种放射性核素的生产 车间 正如前面提及的很多放射源 如 PuCsCo 23913760 都是从反应堆中制备出来的 1 3 粒子加速器粒子加速器 带电粒子 包括各种原子核 在电磁场作用下获得能量 这是粒子加速器依据的物理基础 一般加速器应包括如下几个主要部分 离子源离子源 电子枪电子枪 加速系统加速系统 静电场 射频电磁场 微波加速腔静电场 射频电磁场 微波加速腔 离子离子 电子光学系统电子光学系统 粒子输运系统粒子输运系统 真空系统真空系统 1 静电加速器静电加速器 Van de Graaff 加速器加速器 能量 单电荷粒子 MeVMeV10 1 流强 几百微安 毫安 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 24 能散度 几keV 串行加速器串行加速器 能量 单电荷粒子 MeV30 20 流强 A 100 能散度 10keV 它们多数用于核分析技术 图 1 6 为静电加速器 a 和串行加速器 b 的结构原理图 后者相 当于两个静电加速器串联起来 它们共享一个高压头 右端的粒子源引出的负离子 例如 H 经偏转磁铁 处于地电位 选择并注入加速管 向具有正高压的头部 高压为 0 V 加速 获 得动能 0 eV的负离子 H 经过剥离器 在高压头内转换为正离子 H 正离子经过会聚 后进入左边加速管继续加速到达出口处的分析磁铁 处于地电位 引出的质子的能量为 0 2eV 图 1 6 静电加速器 a 和串行加速器 b 的结构原理图 2 直线加速器直线加速器 带电粒子运行轨道是 直线 它们在一个 直线段 上经过周期的电磁场周期地被加 速 典型的有 1 运行在斯坦辐 美国 的电子直线加速器 SLAC 直线段总长度3公里 加速电子最 高能量为GeV22 2 运行在美国的 Los Alamos 质子直线加速器 能量为MeV800的质子 流强为mA 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 25 量级 用于产生各种介子束 称为介子工厂 3 环形加速器环形加速器 被加速粒子运行轨道为环形 在运行过程中周期地被加速 1 回旋加速器及其变种回旋加速器及其变种 回旋加速器是1932年 E O Lawrence 发明的一种粒子加速器 两个 D型真空盒构成 带电粒子运行的轨道平面 真空盒置于一个强度为B的均匀磁场中 磁场的方向与粒子的轨 道垂直 如图 1 7 所示 置于 D型电极中间的离子源 射出的电荷为q的粒子以周期 22 mc T VqB 1 11 在两 D型电极间回旋 图 1 7 回旋加速器原理 随着粒子在两个 D型电极间的交变场中加速 粒子的速度增加 相应的轨道半径也膨胀 轨道半径也是磁场引起粒子回旋的半径 因此 粒子的回旋周期保持为常数 当交变场的 频率 T f 1 0 mc qB 2 时 粒子经过 D型盒的极隙时都可以得到能量 由于磁铁大小限 制 对一个特定的回旋加速器 其最大粒子回旋半径和可达到的磁场都有一个限值 max R和 max B 该加速器加速的粒子的最大动能被限定在 2 2 max 2 max 2 max 2 1 mc RBq E 1 12 m为被加速的粒子的质量 对于质子 2 max 2 maxmax 484 0RBE 式中各物理量的单位为 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 26 B 千高斯 R m E MeV 普通的回旋加速器 加速能量可达到的值不仅受磁铁的 建造尺寸和可达到的场强的限制 还因为快速粒子的相对论效应造成粒子加速失去同步的限 制 对于相对论性粒子 粒子的回旋周期 1 11 应为 qB cm T 0 2 1 13 2 1 1 V c 随着被加速的带电粒子速度增大 其回旋周期变长 若 D型电极的交变电场频率固定 就会出现 迟到 带电粒子不能有效地被加速 为了保持同步 就有回旋加速器的变种出现 同步回旋加速器 同步回旋加速器 Synchrocyclotron 例如 Lawrence Berkley 实验室 LBL 的加速器就是属于这类加速器 随着粒子能量的 提高 相应的交变电场的频率同步变低 cmqBf 0 2 粒子束按交变电场的调制周期 注入 这类加速器只提供脉冲束 平均流强低 A 该加速器的主要参数如下 磁体直径 4 7米 184英寸 磁场 4 23千高斯 铁总重 3900吨 加速质子能量 730兆电子伏 平均电流 15微安 扇形聚焦回旋加速器扇形聚焦回旋加速器 Sector Focused Cyclotron 同步回旋加速器只能运行在脉冲方式 即一个频率调制周期对应于一个粒子束团的加 速 因此平均流强弱 另一种保持加速 同步 的办法是 保持 D型电极间加速的交变 电场频率为常数 建立一个特殊构形的磁场B 让它随回旋半径的膨胀而增强 如式 1 13 所示 当粒子能量增高 因子加大 对应的粒子轨道区的磁场B也按比例增强以保持粒 子的回旋周期不变 这种特殊构形的磁场可以由若干扇形磁极构成 除磁场B随径向增强 以外 相邻的两扇区的磁场形成特定的梯度 梯度磁场与粒子的径向速度分量相互作用产生 轴向聚焦的力 图 1 8 是这种加速器的一种磁场构形示意图 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 27 图 1 8 扇形聚焦回旋加速器磁场 由于射频腔的交变电场频率恒定 粒子可以连续的被加速 是一种连续束流的机器 可以获 得高的平均束流强度 这种机器的典型代表是瑞士 PSI 的一台加速器 它的参数如下 装置直径 2 9米 分离扇段 8个 磁场 20千高斯 总重 2000吨 射频 50兆赫兹 5004 千伏每单腔 质子能量 580兆电子伏 束流 100微安 我国兰州近代物理所的重离子加速器实验室 HIRFL 的重离子加速系统 包括一台扇形聚焦 回旋加速器 SFC 作为注入器和一台分离扇形回旋加速器 SSC 作为主加速器 它可以把C 12 核加速到GeV2 1 100 MeV核子 2 同步加速器同步加速器 它是一个轨道半径为R的圆环 具有一定动量的带电粒子被一系列的二极磁铁 其中心 轨道的曲率半径为 约束在固定的真空室围成的轨道上 一系列的四极铁和多极铁穿插其 中 对带电粒子起聚焦作用 如图 1 9 所示 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 28 图 1 9 同步加速器的原理框图 在带电粒子运行的轨道的若干弧段 插入若干加速站 粒子可以得到周期性地加速 对于动 量为 i P 能量为 i E的粒子 其运行周期为 22 i ii RR T Vc i i i cP E 1 14 1 回旋角频率为 i R c i 1 14 2 在加速过程中 粒子的回旋周期是变化的 例如 欧洲核子中心 CERN 的质子同步加速器 PS 要把来自直线加速器的动能为MeV50的质子加速到MeV28000 质子在环的若干射 频腔中不断获得能量 50KeV每周 因此 质子逐渐地提高速度 回旋频率也逐步提高 为保证粒子被同步地加速 射频腔的频率必须同步跟上变化 通常选择射频场的圆频率为回 旋频率的整数倍 ii k 当能量达到足够高 例如 MeV50的电子 1 99995 0 i i 基本不变 射频场的 i 也固定下来 由于粒子能量 动量 在不断增加 为了保证带电粒 子能按曲率半径 运动 所加磁场要同步增加 同步加速器的偏铁的磁场一般具有一定的 时间结构 如图 1 10 所示 图 1 10 同步加速器二极铁磁场的时间结构 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 29 以 CERN PS 为例 初始注入时 MeVE50 min 13 0 min B千高斯 经过一个加速 期间 约ms750 偏铁的磁场B升至12千高斯 质子能量达到GeV28 维持ms200 根据实验需要 束团被引出 磁场回到初始值 等待下一个束团的注入 表 1 2 列出 CERN PS 质子同步加速器的特征参数和结构参数 表 1 2 CERN 质子同步加速器 环的直径 m200 最大束流能量 GeV5 28 磁铁直流功率 MW280 磁铁单元数 100 最大磁场 kG14 加速腔数目 16 射频频率 MHz55 9 9 2 射频功率 kW80 每脉冲质子数 12 10 重复周期 s3 9 1 环内真空度 mmHg 6 10 输出束直径 mm7 3 电子同步加速器电子同步加速器 与质子同步加速器的主要区别在于 电子的速度在其能量为几十MeV时 其速度1 i 因此 射频加速腔的频率可 以设定为 R c k 电子的辐射损失比质子大得多 当电子的总能量 e E与质子总能量 p E相等 在同一 个环中回旋的电子和质子的辐射损失比为 13 4 4 10 e p p e p e m m E E 1 15 对相对论性电子 在半径为 R 米 的轨道上回旋 每圈损失的能量可以表示为 R E MeVEe 4 2 1085 8 GeVE是回旋电子的总能量 例如 欧洲核子中心的 SPS 用来做为 LEP 正负电子对撞机 的预加速级 它把电子 正电子 能量预加速到GeV20 其轨道半径1000 R米 GeV20的 电子 正电子 每转一圈由辐射造成能量损失为MeVE14 LEP 运行的最高能量 GeV100 其轨道半径5 4 公里 为了维持电子 正电子 在周长为27公里的 LEP 环中 稳定的运行 超导射频加速腔每圈要提供电子的能量补充MeV2000 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 30 4 对撞机对撞机 把两束粒子 投弹粒子和靶粒子 都加速到一定的能量 使它们发生对头碰或几乎是对头 碰 从而提高有效能量的利用 这种对撞机通常是粒子和反粒子对撞 它们可以在同一个同 步加速器环中被加速 粒子和反粒子在环中逆向运动 它们在轨道的某几个点交叉对撞 粒 子和反粒子具有相同的能量 动量中心系的有效能量为 b Es2 b E为单束团的能量 典型的电子一正电子对撞机有 对撞机 质心系能量 21 S GeV 亮度 12 scm CERN LEP 200 max 31 105 CORNELL CESR 12 32 107 4 BEIJING BEPCI 4 4 31 101 FRASCATI DA NE 02 1 32 1035 1 典型的质子反质子对撞机有 对撞机 质心系能量 21 S GeV 亮度 12 scm CERN SPS 900 30 106 Fermi Lab Tevatron 2000 32 101 2 另一类对撞机其投弹粒子和靶粒子不是互为反粒子 或者是它们虽然是互为反粒子 但 是束团的能量不一样 它们不可能用同一套加速系统 只能采用两个分离的加速环 在某几 个确定的位置交叉 被加速的投弹粒子和靶粒子在交叉区发生对撞 CERN 的 ISR 是最早 的质子质子对撞机 现已退役 两个储存环有8个交叉 每一个交叉点可设立相应的实验装 置 来观察GeV28质子和GeV28质子碰撞产生的末态 现在正在运行和正在筹建的这类 对撞机有 对撞机 粒子束 束的能量 GeV 亮度 12 scm 开始运行 HERA pe 82030 31 104 1 1992 KEKB ee 85 3 34 101 1999 PEP II ee 91 3 33 102 1999 pp KK77 34 101 2005 LHC PbPb u27602 27 102 2006 图 1 11 是一个典型的粒子加速器的系 LEP 对撞机系统 LINAC I 产生MeV200电 子束 直接注入 LINAC II 或者交替打靶产生 ee 将 e引入 LINAC II LINAC II 分别把 e和 e加速到MeV600 先后注入 EPA 电子 正电子累积环 累积到一定的流强 后 先后将 e和 e注入到 PS 环 周长1256米 PS 将电子和正电子分别加速到GeV5 3并 注入到 SPS 周长11 9公里 SPS 将电子和正电子加速到GeV22 再注入到 LEP 周长27公 里 LEP 环安置在瑞士 日内瓦 和法国交界的 Jura 山区的坑道内 LEP 环的大部分 22km 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 31 被长度为m6的偏转磁铁覆盖 LHC 就是利用 LEP 的坑道安置两个质子环 偏转磁铁全改 为超导磁铁 加速质子束能量为TeV7 粒子加速器除了提供能量不同的被直接加速的粒子 pe和各种原子核束以外 还可提供各种次级粒子束 后者是通过前者 初级束 打靶获得 的 现在由于研究工作的需要 加速器加速放射性核素开始建造和运行 图 1 11 LEP 的加速器系统 1 4 宇宙线宇宙线 很长时间以来 人类观察宇宙只限于一个很窄的光学窗口 自从1912年通过超载人气 球上的静电计 观察到空间存在某种电离辐射 此后 人们凭借各种手段 把观察窗口不断 扩大 从长波 射电 背景辐射 到短波 天文学 电磁辐射的观测 从只观察电磁辐射到观察 各种带电粒子 重原子核 从带电粒子的观察到中微子的观测 发展成全波段 全粒子的观 察 粒子物理迈出的重要一步始于宇宙线实验 1932年 安德逊 Carl Anderson 在观察宇 宙线的云雾室中发现了正电子 1937年 还是 Anderson 等人在宇宙线中首先发现了 子 1947年 C F Powell 在宇宙线中找到了 Yukawa 核力理论中预期的 介子 以后奇异粒子等 也是首先在宇宙线中发现的 1 电离辐射随海拔高度分布电离辐射随海拔高度分布 图 1 12 给出 围绕地球空间电离辐射相对强度随海拔高度 下横坐标 或大气层的厚度 上横坐标 的变化 随着海拔高度增加 大气变稀薄 电离辐射增大 约在海拔20公里高度处 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 32 由大气顶到该处的大气的物质厚度称为相应的大气厚度为 2 5 54 cmg 电离辐射达到极大 值 继续升高 电离辐射的相对强度反而下降 在海拔km50 大气厚度为 2 97 0 cmg 向上 直到100公里高空电离辐射强度趋于不变值 与15公里高空的相对电离辐射相近 图 1 12 电离辐射的相对强度随海拔高度变化 这种特征分布预示着电离辐射源自大气层外面 太空向地球不断的发射致电离辐射粒子 人 们称这种在太空中传播的射线为宇宙线 2 原初宇宙线原初宇宙线 原初宇宙线的成分原初宇宙线的成分 大量的测量和分析表明 原初宇宙线包含从质子 轻核到重核的几乎各种核素 其相对 强度列于表 1 3 在太阳活动极小时 人们在地球纬度40 大气顶部测量的结果 表 1 3 原初宇宙线的成分和强度 电荷Z 积分强度 2 srsm 数目百分比 质量百分比 总能量百分比 1 30610 0 86 6 54 7 70 2 290 7 12 2 32 0 21 5 3 2 02 9 6 2 06 5 19 10 2 04 1 29 20 1 04 0 3 1 2 13 5 8 与太阳系的元素丰度相比 宇宙线含的元素丰度显著不同 表现为 1 元素 Li Be和B比太阳系中相应元素丰度约高 5 10倍 2 34 HeHe比值 比太阳系的相应丰度比值高出300倍 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 33 3 很重的元素也比太阳系的丰度高 4 在相同能量间隔中 电子丰度只有原子核丰度的 1 电子中有 10是正电子 原初宇宙线包含的元素丰度明显不同于太阳系的元素丰度说明原初宇宙线不是起源太 阳系 原初宇宙线的强度原初宇宙线的强度 由于荷电粒子在星际空间中受太阳风 太阳耀斑出现的膨胀的磁化等离子体 调制 所 以能量低的荷电原初宇宙线的观测强度也随太阳风的变化而呈现反关联地变化 太阳活动有 一个11年的变化周期 所以人们观察的原初宇宙线强度也有一个11年周期的变化 对于能 量高于eV 12 10的宇宙线粒子 星际磁场的调制不显著 能量高于eV 15 10的原初宇宙线强 度近似是 1 210 105 srscm 除星际磁场对我们观测原初宇宙线强度的影响以外 地磁场也将影响原初宇宙线到达地 球大气层 地球是一个偶极磁场 它对进入地球磁场的原初宇宙线的动量有一个截断下限 min P 动量小于 min P的粒子 将被地球磁场推回太空 由于地磁的水平分量随地磁纬度 的 增高而变小 近似为 cos horiz B 因此 截断动量必然依赖于地磁纬度 根据地磁极的形 态和地磁的分布 推导得到 从天顶入射的宇宙线截断动量为 24 sin018 01 cos92 14 ZGeVPm 1 16 Z为原初宇宙线粒子的电荷数 根据上式 0 90 极区 各种动量的宇宙线都可以进入 地球大气层 0 动量低于cGeV15的质子都因地磁的作用而被推回太空 只有动量高 于此限的质子才可以进入地球大气层而被地面观察站测量 正是由于地磁场的作用 高纬度 区比低纬度区受到更多的宇宙线的辐照 极区的通量比赤道区约高 14 原初宇宙线的能谱原初宇宙线的能谱 多年来 人们利用各种探测方法分析宇宙线的能谱 EN 能量在eV 12 10以下的宇宙 线能谱是在大气层外直接测量得到的 更高能区的能谱采用原初高能宇宙线和地球大气层作 用产生的次级效应 广延大气簇射 EAS 来测定 图 1 13 是目前给出的原初宇宙线的能谱 观察的原初宇宙线的微分能谱可以近似用下面式子表示 GeVsrscmnucleonsEEI 8 1 2 1 17 E 以 GeV nucleon 为单位的原初宇宙线粒子 核 的能量 2 7 约有 79 的核子是 以自由质子形式出现 其余 21 的核子是以氦核形式出现 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 34 在eVE 15 103 nucleon 谱的指数由7 2变为2 3 谱曲线表现类 膝 特性 见图 1 13 右 图 1 13 是目前给出的原初宇宙线的能谱 左图为主要成分粒子谱 右图为全粒子谱 3 eVE 15 103 能谱指数有变小的趋势 能谱曲 线呈 踝 状 这给宇宙模型和宇宙演化等重大课题提出新的挑战 宇宙线的观察已成为宇 宙学家和粒子物理学家十分观注的一个领域 除带电的宇宙线粒子以外 宇宙线中还包括 X 射线和中微子 X 射线天文学 也称高能天体物理 X 射线的发射是与很多高能天体过程相联系的 也是带电粒子 主 要是高能电子 在星际磁场中的运动引起的辐射的直接产物 因此 X 射线的观察将给 我们带来高能天体过程的重要信息 人们观察到在X和 波段的各向同性的弥漫辐射 直 到MeV100 的 弥 漫 辐 射 也 被 人 们 观 察 到 来 自 银 河 系 中 心 的 辐 射 强 度 可 达 421 1 2 10 Ncms sr 除弥漫辐射以外 人们还观察到来自于某一天区 具有一定 的时间结构的分立辐射源 各种星体的核过程都伴随有中微子的发射 太阳中微子是地球上观察到的主要中微子 核与粒子物理导论核与粒子物理导论 35 源 它们是电子中微子 根据太阳的动力学模型 太阳内部的核聚变过程中每秒向四方发射 的中微子个数为 36 101 它们携带的功率达 26 1086 3 瓦 表 1 4 列出到达地球的电子中 微子的能量和通量 表 1 4 太阳中微子 4 来源 能区 MeV 地球通量 12 scm e edpp 42 00 10 100 6 e dpep 44 1 8 105 1 衰变Be 7 86 0 9 105 4 率变B 8 06 140 6 104 5 衰变N 13 19 10 8 103 3 衰变O 15 24 10 8 107 3 此外 由于宇宙线与星际物质地球大气层相互作用产生的各种次级介子的衰变 如 它们是地球上观察到的 子型中微子的主要来源 GeVE1 的这类中微子通量约为 621 2 10 cms sr 1 18 3 次级宇宙线次级宇宙线 原初宇宙线从太空 平均物质密度为1 100 10 324 cmg 个原子 3 cm 进入地球大气 层 总厚度为 2 1030cmg 与大气原子核发生核作用或电磁作用 引发了大气簇射 其过程 如图 1 14 所示 图 1 14 原初宇宙线在大气中引发的大气簇射 第一章第一章 粒子束的获得粒子束的获得 36 过程包括电磁级联和强子级联 产生的次级粒子中有各种介子 0 能量较低的 核子 中子 质子 次级粒子向大气的深度和广度发展 粒子数从大气顶部向底部不断增殖 在约80 100 2 cmg大气厚度 约15 20千米的高空 随原初宇宙线的能量而缓慢变化 次级粒子数达到极大 簇射的横向可以展开几平方公里 故称为广延大气簇射 Extensive Air Shower 实验研究和模拟表明 簇射产生的次级粒子最大数目 与原初宇宙线的粒子能量 成正比 实验上 在接近簇射发展的极大值处测量粒子的总数 从而推出入射原初宇宙线的 能量 海平面所观察到的宇宙线多数