質(zhì)子同步加速器PS

建于50年代的質(zhì)子同步加速器PS（Proton Synchrotron），是西歐中心加速器中最老和用途最廣的加速器。1959年調(diào)試完畢，從此連續(xù)運(yùn)行。它的直徑為200米，最高能量達(dá)GeV，一度是世界上功率最大的加速器。PS作適當(dāng)修改后即可加速質(zhì)子，又可加速電子或正電子。

超級質(zhì)子同步加速器SPS　

超級質(zhì)子同步加速器SPS(Super Proton Synchrotron)1971年開始建造，1976年完工（下圖為SPS隧道）。它的最大能量可達(dá)400GeV，它的主加速器平均直徑達(dá)2200米。

反質(zhì)子積累器AA

二十世紀(jì)七十年代末，西歐中心建造了一臺反質(zhì)子源，稱為反質(zhì)子積累器AA（Antiproton Accumulator）。其主要任務(wù)是產(chǎn)生和積累高能反質(zhì)子注入到SPS，以便將其改造成一臺“質(zhì)子反質(zhì)子對撞機(jī)”。

低能反質(zhì)子環(huán)（LEAR）

有了反質(zhì)子后，物理學(xué)家們認(rèn)為如果在低能時用這些反質(zhì)子會更有收獲。所以西歐中心決定建造一臺新機(jī)器，即低能反質(zhì)子環(huán)（LEAR）（左圖）。反質(zhì)子積累環(huán)AA中積累的反質(zhì)子被引出，在質(zhì)子同步加速器PS中減速，然后注入到低能反質(zhì)子環(huán)LEAR進(jìn)一步減速。

　　反質(zhì)子收集器AC已經(jīng)改為反質(zhì)子減速器AD(Antiproton Decelerator)，它執(zhí)行反質(zhì)子收集器（AC）、反質(zhì)子積累器（AA）、質(zhì)子同步加速器（PS）和低能反質(zhì)子環(huán)（LEAR）的任務(wù)（左圖），產(chǎn)生反質(zhì)子，將其冷卻，減速，最后將其引出，提供給實(shí)驗(yàn)。

大型正負(fù)電子對撞機(jī)LEP

二十世紀(jì)80年代，西歐和美國展開了一場建造正負(fù)電子對撞機(jī)的競爭，西歐中心動工建造大型正負(fù)電子對撞機(jī)LEP(Large Electron Positron Collider)，LEP是由多級加速器串接而成,包括：LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成為連續(xù)性的加速裝置，使能量不斷提高，每臺機(jī)器將束流注入到下一臺機(jī)器里，

　　然后將束流加速到更高一點(diǎn)的能量（右下圖為LEP示意圖）。

　　LEP周長27公里，主環(huán)跨越法國和瑞士國界，占地36公頃，安裝在地下50～175米的隧道中，隧道截面為半徑1.9米的圓。主環(huán)上有488塊36米長的二級鐵、776塊四極鐵、504塊六級鐵、504塊二級校正鐵、有128個高頻腔。對撞區(qū)采用8塊超導(dǎo)四極鐵。第一階段，正負(fù)電子的能量分別為50GeV，亮度（1～3）×10³¹cm^-2s^-1，1989年8月13日實(shí)現(xiàn)首次對撞，總投資6億美元（由14個成員國共同承擔(dān)）。

　　LEP的第二階段，用256個超導(dǎo)腔逐步換下原有的128個高頻腔，將正負(fù)電子能量分別提高到100GeV。

　　以下分別介紹LEP的各級加速器：

　　LIL（LEP injector Linac）是一臺電子直線加速器（左圖），先由一段200MeV的高流強(qiáng)直線加速器提供電子束，打在鎢靶上產(chǎn)生正電子，再由第二段加速器將正電子加速到600MeV，移開鎢靶并減少場梯度，將電子也加速到600MeV。

　　EPA（Electron-Positron Accumulator）是正電子積累環(huán)（右圖），將LIL引出的600MeV的正電子注入EPA后進(jìn)行積累，達(dá)到足夠強(qiáng)度后引出并與LIL引出的電子束一起注入質(zhì)子同步加速器PS。

　　為了適應(yīng)西歐中心加速器系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，對PS進(jìn)行了重大改進(jìn)。現(xiàn)在，它可加速所有穩(wěn)定的和帶電荷的粒子（電子和質(zhì)子）、它們的反粒子（正電子和反質(zhì)子）及不同類型的重離子（氧、硫、或甚至鉛）。 這些粒子在離子源中產(chǎn)生，利用“二重等離子體加速器”從氫氣中獲得質(zhì)子；在電子槍中從金屬表面獲得電子和在“電子回旋加速器共振源”中剝離出鉛原子的電子殼?！?

超級質(zhì)子同步加速器SPS（左圖），1983年改造成能量分別為400GeV的質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機(jī)SP`PS，質(zhì)子和反質(zhì)子可在這里加速到 270 GeV，然后進(jìn)行對撞，這樣，所得到的質(zhì)心系能量相當(dāng)于 155 TeV的靜止靶加速器進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的能量。由于亮度高于同時期美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron-I，在競爭中占了上風(fēng)。意大利物理學(xué)家魯比亞在SP`PS上發(fā)現(xiàn)了Z0及W±中間玻色子，統(tǒng)一了弱相互作用和電磁相互作用，并為此獲得1984年諾貝爾物理獎。SPS現(xiàn)在已作為SP`PS、重離子加速器和LEP的正負(fù)電子的注入器運(yùn)行。SPS也可將鉛離子加速到170 GeV/核子。鉛原子核中有208個核子。這是目前世界上獲得的最高的能量，用于研究大爆炸后可能存在的夸克膠子等離子體。（右圖為SPS的隧道）

　　在原有的質(zhì)子同步加速器PS的附近新建的增強(qiáng)器PSB, 由環(huán)和束流傳輸區(qū)的設(shè)施組成。PSB的環(huán)由16周期結(jié)構(gòu)組成。每個周期結(jié)構(gòu)有一組主要的基本上相同的磁鐵：彎轉(zhuǎn)磁鐵、3塊四極磁鐵、彎轉(zhuǎn)磁鐵加一個直線節(jié)。直線節(jié)里包括沖擊磁鐵、切割磁鐵、高頻腔、束流監(jiān)測器等部件。束流傳輸區(qū)的設(shè)施包括注入線和引出線，引出線將增強(qiáng)器來的束流引出并重新組合。（右圖為增強(qiáng)器環(huán)和所屬區(qū)的設(shè)施） 

　　每種類型的粒子都在直線加速器LIL進(jìn)行第一階段加速，它們的質(zhì)量有很大不同，鉛離子比質(zhì)子重約200倍，比電子幾乎重40萬倍。電子的最后能量為MeV，質(zhì)子為50 MeV，鉛離子為4.2 MeV/中子。

　　對質(zhì)子和重離子束來說，它們隨后進(jìn)入1.0 GeV的增強(qiáng)器PSB提供能量后，再注入到質(zhì)子同步加速器PS。電子先存儲起來，然后在正負(fù)電子積累環(huán)EPA中進(jìn)一步加速。電子束與重金屬靶對撞產(chǎn)生反電子（正電子），也存儲在正負(fù)電子積累環(huán)EPA里并加速。

　　隨后，所有粒子束流通過質(zhì)子同步加速器PS本身。每個加速周期需2.4秒。PS的控制系統(tǒng)作用非常大，在每個連續(xù)的周期內(nèi)，能夠處理不同的粒子束流。束流然后注入到更大的環(huán)內(nèi)（超級質(zhì)子同步加速器SPS、大型正負(fù)電子對撞機(jī)LEP、或?qū)淼膹?qiáng)子對撞機(jī)LHC）進(jìn)一步加速。來自質(zhì)子同步加速器PS的質(zhì)子束流也用來開展物理實(shí)驗(yàn)或產(chǎn)生反質(zhì)子。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC

2001年，LEP決定拆除原有的全部磁鐵和設(shè)備，在隧道中安裝超導(dǎo)磁鐵，建造實(shí)現(xiàn)7.7TeV能量的質(zhì)子-質(zhì)子的對撞的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC（Large Hadron Collider），結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超導(dǎo)磁鐵提供9.5特斯拉的場強(qiáng)，預(yù)計(jì)投資48億1千9百萬瑞士法郎（由美國、日本、俄羅斯、印度等國共同出資），2006年建成后將成為21世紀(jì)前十多年中世界唯一的質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)。該對撞機(jī)主要用于開展模擬宇宙大爆炸的實(shí)驗(yàn)。（左圖為西歐中心LHC鳥瞰圖）

　　LHC是一個用途非常廣泛的加速器，可使能量約為7和7 TeV的質(zhì)子束流在前所未有的亮度的束流交叉點(diǎn)發(fā)生對撞，為實(shí)驗(yàn)提供高相互作用率。也可使像鉛這樣的重離子束流發(fā)生對撞，對撞的總能量超過1,250 TeV，比美國BNL的相對論重離子對撞機(jī)高30倍。LHC/LEP運(yùn)行可提供1.5 TeV的質(zhì)子電子對撞能量，比德國DESY 的HERA高5倍。

　　為節(jié)省經(jīng)費(fèi)，LHC將充分利用西歐中心現(xiàn)有的設(shè)備和設(shè)施，如27公里長的LEP隧道，粒子源和以前的加速器等。它還采用最先進(jìn)的超導(dǎo)磁鐵和加速器技術(shù)。該加速器將用來尋找理論上預(yù)見的物理現(xiàn)象。

　　LHC的各個注入器都有自己的實(shí)驗(yàn)大廳，它們的束流在較低能量時用作實(shí)驗(yàn)。其中有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的確有獨(dú)到之處：

　　- ISOLDE（在線同位素質(zhì)量分離器）產(chǎn)生放射性原子核，用于包括核、原子、分子和固態(tài)物理的一些應(yīng)用，還用于生物和天體物理。

　　- NTOF（中子飛行時間）產(chǎn)生1 eV和250 MeV之間能量范圍的中子，用于開展核物理實(shí)驗(yàn)。粒子到達(dá)實(shí)驗(yàn)的時間是衡量能量的尺度。

　　- AD（反質(zhì)子減速器）為反物質(zhì)工廠，旨在產(chǎn)生反氫原子，供物理學(xué)家們研究光譜學(xué)和檢驗(yàn)基本對成性。

　　- CNGS（西歐中心中微子束流到意大利Gran Sasso）將流強(qiáng)很高非常難以捉摸的中微子束流送到位于靠近羅馬距西歐中心800公里處的一個探測器。

　　另外，西歐中心正在研制的CLIC直線正負(fù)電子對撞機(jī)，是更富于創(chuàng)新思想的方案，設(shè)計(jì)能量1TeV，采用雙束加速方法，一個是常溫、行波結(jié)構(gòu)的主加速器，另一個是工作于3GeV能量的超導(dǎo)強(qiáng)流電子直線加速器，其電子束轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生微波，再輸送到主加速器加速電子和正電子。此方案可省去幾千支速調(diào)管、調(diào)制器和脈沖壓縮裝置。

　　（高能所科研處制作 侯儒成編譯）