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)運行。它的直徑為200米，最高能量達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400GeV，它的主加速器平均直徑達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”。

低能反質(zhì)子環(huán)（LEAR）

有了反質(zhì)子后，物理學(xué)家們認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，提供給實驗。

大型正負電子對撞機LEP

二十世紀(jì)80年代，西歐和美國展開了一場建造正負電子對撞機的競爭，西歐中心動工建造大型正負電子對撞機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，每臺機器將束流注入到下一臺機器里，

　　然后將束流加速到更高一點的能量（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，正負電子的能量分別為50GeV，亮度（1～3）×10³¹cm^-2s^-1，1989年8月13日實現(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后進行積累，達到足夠強度后引出并與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進行了重大改進。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SP`PS，質(zhì)子和反質(zhì)子可在這里加速到 270 GeV，然后進行對撞，這樣，所得到的質(zhì)心系能量相當(dāng)于 155 TeV的靜止靶加速器進行同類實驗所能達到的能量。由于亮度高于同時期美國費米實驗室的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的正負電子的注入器運行。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，引出線將增強器來的束流引出并重新組合。（右圖為增強器環(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，它們隨后進入1.0 GeV的增強器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，然后在正負電子積累環(huán)EPA中進一步加速。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、大型正負電子對撞機LEP、或?qū)淼膹娮訉ψ矙CLHC）進一步加速。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驗或產(chǎn)生反質(zhì)子。

大型強子對撞機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，建造實現(xiàn)7.7TeV能量的質(zhì)子-質(zhì)子的對撞的大型強子對撞機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，預(yù)計投資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。該對撞機主要用于開展模擬宇宙大爆炸的實驗。（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發(fā)生對撞，為實驗提供高相互作用率。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高30倍。LHC/LEP運行可提供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，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驗大廳，它們的束流在較低能量時用作實驗。其中有些實驗設(shè)備的確有獨到之處：

　　- 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，用于開展核物理實驗。粒子到達實驗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)和檢驗基本對成性。

　　- CNGS（西歐中心中微子束流到意大利Gran Sasso）將流強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直線正負電子對撞機，是更富于創(chuàng)新思想的方案，設(shè)計能量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）