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同步輻射:粒子加速器的演進

加速器的應用在日常生活中隨處可見,從映像管電視、X光機、離子布植機到大型強子對撞機等,其演進與我們文明的進展息息相關。
 
 
 
最早的粒子加速器可以回溯到1870年由威廉‧克魯克斯(William Crookes)所發明的陰極射線管。當時的陰極射線管包含了一個陽極和一個陰極的金屬板,板上跨有直流電壓。因陰極加熱而釋放出的粒子會受陽極的正電壓吸引而朝陽極金屬板加速移動,在陽極和陰極中間又擺置了一個十字型屏障。

因為陽極上塗有磷光物質,所以當粒子擊中磷光物質時會發出螢光,被十字屏障遮蔽的區域則留下影子。一直到1897年英國物理學家湯姆森(J. J. Thomson)和他的同事經由量測這粒子的電荷和質量比例(荷質比)之後,才把它稱為電子並給予符號「e」。

粒子加速後可以做什麼呢?

在同一時期,物理學家亨利‧貝克(Henri Becquerel)發現物質的自然放射性以及放射性物質(放射性元素)的衰變現象。什麼是放射性衰變呢?當原子從不穩定狀態隨著時間逐漸衰變成穩定元素時,會放射出射線(衰變產物)。放射性衰變主要有αβγ型衰變,其中αβ衰變所發射出的粒子分別是失去兩個電子後帶兩價正電荷的氦原子核和電子,前者稱為α粒子,而後者是β粒子。

1919年歐尼斯特‧拉塞福(Ernest Rutherford)首先利用α粒子,也就是帶正電的氦原子核,來裂解氮的原子核,這是有史以來第一個人工核反應實驗。氮元素被α粒子轟擊後會轉變成氧和氫,自此開創了原子核物理與粒子物理的新紀元。古代煉金術士意圖把一種物質轉化成他種物質的夢想不再是鏡花水月。

然而物理學家仍不滿足於以自然放射性粒子來產生核反應,他們繼續追求更好的粒子加速機制,以進行更多更快的核反應實驗,期望能早日發現物質組成的祕密!

為了使轟擊原子核的粒子有更快的速度,物理學家和工程師絞盡腦汁,努力發展更有效率的粒子加速器。從粒子加速器的發展歷史來看,其類型可以簡化成兩種:直流電場加速器和交流電場諧振加速器。

直流電場加速器

從電磁力的觀點來看,電場可以增加帶電粒子的動能,而磁場可以改變帶電粒子的運動方向。最簡單的電場加速器包含了一個電池和兩個金屬板,帶電粒子受到帶相同電性的金屬板排斥穿過板上的洞,而朝極性相反的電極板加速而去。帶電粒子受到的力是電場強度與粒子電荷量的乘積。而電場強度取決於電極兩端電壓的高低,電壓越高,電場強度越大,粒子所受的力和加速就越強。

1932年,物理學家科克柯特(J. D. Cokcorft)和華頓(E. T. Walton)建造了第一個以電壓倍增電路,也稱為聯結電壓產生器為核心的高電壓加速器,又稱為科克柯特—華頓(Cokcorft-Walton)加速器,其直流電壓可達到700 KeV,加速質子到相當於400 KeV的動能。兩人就因這發明一同分享了1951年的諾貝爾物理學獎。

在這之前,另一種不使用電壓倍增電路來加壓,而是利用靜電產生的高壓粒子加速器,即范德格拉夫(Van de Graaff)加速器,也曾廣泛地應用。這加速器使用范氏電動機來產生靜電高壓,它是以滾輪帶動摩擦而產生靜電,靜電不斷累積在半徑1公尺的巨大球面金屬電極上。

這加速器的最大電壓由球面電極電場決定,在一大氣壓的絕緣空氣隔離下,電極表面電場可高達3 MV/m(3百萬伏特/米)。但當電場超過3 MV/m時,就會產生輝光放電效應,由於直流電壓的增加停滯了,使粒子的加速能力無法再往上提升,粒子的動能也因此受限。

但物理學家對粒子動能的追求是沒有止境的,只好另闢蹊徑尋求以交流電壓來產生交替電場,使粒子得以不斷加速,因而催生了交流電場諧振加速器。

交流電場諧振加速器

使用直流電場把粒子加速到達光速時,因為其能量轉換效率較低,因此需要付出很大的代價。為解決這問題,1925年瑞典物理學者加斯塔伏‧伊森(Gastav Ising)提出以射頻諧振電路產生交替電場來加速電子的構想。但直到三年後的1928年,才由挪威羅浮‧威德羅(Rolf Wideroe)把這構想付之實現。

在羅浮‧威德羅諧振直線加速器中,一開始當電子源釋放出電子時,第一個漂移管電極性為正,因此電子受到吸引通過了第一個電壓加速間隙進入第一根漂移管內,隨後電子束在即將移出第一根漂移管時,第二根漂移管的電極性由負轉正。第二個電壓加速間隙又使電子加速,如此電場極性以射頻頻率快速交替,使得電子動能在不斷地通過電壓間隙時得以增長。

離開電子源越遠的漂移管越長,因為電子不斷加速,在固定射頻諧振周期內,電子跑的距離就越長。可以想見這種架構中帶電粒子若欲達到越高的動能,加速器的長度就會越長,長度限制會成為這種加速器的發展瓶頸。不過威德羅的交流電場諧振加速原理卻成為往後不管是直線型或環狀型加速器的共同始祖!

另一方面,美國的物理學家歐尼斯特‧勞倫斯(Ernest O. Lawrence)在讀到威德羅發表的論文後,意識到直線諧振加速器可以預見會有長度的限制。他就構想了只要利用一個電場加速間隙來加速粒子,同時利用磁場讓帶電粒子反覆地在一個圓形的路徑不斷迴旋,使粒子在經過這一電場加速間隙時得到動能的增長。這一型態的加速器因為粒子做圓周運動,因此命名為迴旋加速器。

在迴旋加速器中,有二個D型金屬板背對背靠在一起,中間保留一個間隙用來作電場加速,中心放置粒子產生源,並在兩個D型金屬板上施加一射頻交替電壓。

第一個製作成功的迴旋加速器的直徑只有4.5英寸,到了1946年間,一個可以讓質子加速到40 MeV的迴旋加速器終於建造成功。但是根據愛因斯坦的相對論,當粒子的速度越接近光速時,它的質量會隨之變大。因此當動能超過40 MeV時,粒子質量顯著增加,在粒子動能加大但磁場強度不變下,粒子所受到的向心加速度由於質量增加反而變小。粒子的迴旋半徑變大了,以至於粒子到達電場加速間隙的時間和射頻電場變化的頻率無法保持同步相位,因此增加粒子動能的能力也就無法再往上提升。

面對這一新的難題,在 1944 ~ 1945 年間,由物理學家艾德溫‧麥克米倫(Edwin McMillan)和維克斯列爾(Vladimir Veksler)結合了射頻交流電場加速原理,以及使粒子偏轉的磁鐵分散在環型粒子通道上的架構,發展出可以更有效提升粒子動能的加速器,稱為同步加速器。第一座質子同步加速器由物理學家Mark Oliphant在1952年建造成功。

在環型的同步加速器中間的一小段放置了一個射頻交替加速電場裝置,並在環型加速器上放置一連串用來偏轉粒子的磁鐵。磁鐵的強度和環型軌道半徑決定粒子可以加速達到的最高動能,粒子每繞一圈就會通過加速電場一次,因此粒子因圓周運動使得其動能越來越高。

為了使粒子每一圈回到加速電場時可以增加同樣的能量,每一次到達這加速電場時要和射頻交替電場保持一定的相對位置,同步加速器就是因此而得名。

當粒子進入加速器時會和射頻電場保持一個相位角度,當帶電粒子的相位與交流電場的相位一致時,則定義這相位為同步相位,而具有同步相位的帶電粒子定義為理想粒子。比理想粒子動能大的帶電粒子受到的交流電場較弱,比理想粒子動能小的受到的交流電場就較強。隨時間與所受交流電場的改變,帶電粒子的相位會在一個相位區間內變化,這相位區間定義為相位穩定區。

帶電粒子的相位若在相位穩定區內,就會以同步相位為原點做簡諧振盪,這就是同步加速器的穩相原理。簡單地說,動能大的粒子的迴旋半徑會變大,再度回到加速電場的時間相位落後,因電場較小所以動能增量就會變小。反之,動能小的粒子的迴旋半徑會變小,進入加速電場的時間提前,因電場較大所以帶電粒子動能增量會變大。就這樣,粒子會自發地在同步相位點做簡諧振盪而不會溢出環型軌道,這可以說是大自然巧奪天工的傑作!

臺灣光源增能環就是一個同步加速器,它的周長72公尺,把50 MeV的電子束加速到1.5 GeV。

李文斯頓圖和摩爾定律

加速器的應用在日常生活中隨處可見,從液晶電視盛行之前的映像管電視、機場安檢的X光機、食品殺菌與消毒的電子束或X光機,到醫療用的X光機、直線加速器、質子迴旋加速器,與X光三維醫學影像、質譜儀、電子顯微鏡、半導體產業的離子佈植機等,以及研究用加速器,包括發現上帝粒子(Higgs particle)的大型強子對撞機。

在加速器的發展過程中,常用李文斯頓(Livingston)圖回顧與展望加速器技術發展的各里程碑,就如同摩爾(Moore's)定律用來預測每18個月半導體元件中可容納的電晶體數會增加一倍、成本會降低50%,或製程技術推進一個世代般。

李文斯頓圖說明了各種不同類型加速器能量的演進與它們的能量發展限制,例如迴旋加速器加速質子的最高能量是25 MeV,而質子在靜電場加速器中獲得的最高加速能量也約在這個範圍,質子在同步迴旋加速器中則可加速至數百MeV。

International Linear Collider(ILC)與Compact Linear Collider(CLIC)分別是下一世代正負電子對撞機在設計階段所具備的質心能量。強子對撞機與正負電子對撞機之間的主要不同之處,在於前者是環型加速器而後者是直線加速器,而在碰撞能量的比較時,下一代正負電子對撞機可以提供比大型強子對撞機更精密的測量結果,對於基本粒子的性質可以得到更精確的結果。
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