自上海交通大學(xué)出版社出版的“先進粒子加速器系列”叢書
作者：趙振堂
序言
粒子加速器作為國之重器，在科技興國、創(chuàng)新發(fā)展中起著重要作用，已成為人類科技進步和社會經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的裝備。粒子加速器的發(fā)展始于人類對原子核的探究。從誕生至今，粒子加速器幫助人類探索物質(zhì)世界并揭示了一個又一個自然奧秘，因而也被譽為科學(xué)發(fā)現(xiàn)之引擎，據(jù)統(tǒng)計，它對25項諾貝爾物理學(xué)獎的工作做出了直接貢獻，基于儲存環(huán)加速器的同步輻射光源還直接支持了5項諾貝爾化學(xué)獎的實驗工作。不僅如此，粒子加速器還與人類社會發(fā)展及大眾生活息息相關(guān)，因其在核分析、輻照、無損檢測、放療和放射性藥物等方面優(yōu)勢突出，所以在醫(yī)療健康、環(huán)境與能源等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用并發(fā)揮著不可替代的重要作用。
1919年，英國科學(xué)家E.盧瑟福用天然放射性元素放射出來的α粒子轟擊氮核，打出了質(zhì)子，實現(xiàn)了人類歷史上第一個人工核反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)使人們認識到，利用高能量粒子束轟擊原子核可以研究原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨著核物理與粒子物理研究的深入，天然的粒子源已不能滿足研究對粒子種類、能量、束流強度等提出的要求，研制人造高能粒子源——粒子加速器成為支撐進一步研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重大前沿需求。20世紀20年代初，為將帶電粒子加速到高能量，靜電加速器、回旋加速器、倍壓加速器等應(yīng)運而生。其中，美國科學(xué)家J.D.考克饒夫和愛爾蘭科學(xué)家E.T.S.瓦耳頓成功建造了世界上第一臺直流高壓加速器;美國科學(xué)家R.J.范德格拉夫發(fā)明了采用另一種原理產(chǎn)生高壓的靜電加速器;在瑞典科學(xué)家G.伊辛和德國科學(xué)家R.維德羅分別獨立發(fā)明漂移管上加高頻電壓的直線加速器之后，美國科學(xué)家E.O.勞倫斯研制成功世界上第一臺回旋加速器，并用它產(chǎn)生了人工放射性同位素和穩(wěn)定同位素，因此獲得1939年的諾貝爾物理學(xué)獎。
(1930年 E.O.勞倫斯研制成功世界上第一臺回旋加速器 )
1945年，美國科學(xué)家E.M.麥克米倫和蘇聯(lián)科學(xué)家V.I.韋克斯勒分別獨立發(fā)現(xiàn)了自動穩(wěn)相原理;1950年代初期，美國工程師N.C.克里斯托菲洛斯與美國科學(xué)家E.D.庫蘭特、M.S.利文斯頓和H.S.施奈德發(fā)現(xiàn)了強聚焦原理。這兩個重要原理的發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代高能加速器的物理基礎(chǔ)。另外，第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)展起來的雷達技術(shù)又推動了射頻加速的跨越發(fā)展。自此，基于高壓、射頻、磁感應(yīng)電場加速的各種類型粒子加速器開始蓬勃發(fā)展，從直線加速器、環(huán)形加速器，到粒子對撞機，成為人類觀測微觀世界的重要工具，極大地提高了認識世界和改造世界的能力。人類利用電子加速器產(chǎn)生的同步輻射研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程，特別是解析原子分子的結(jié)構(gòu)和工作機制，打開了了解微觀世界的一扇窗戶。
人類利用粒子加速器發(fā)現(xiàn)了絕大部分新的超鈾元素，合成了上千種新的人工放射性核素，發(fā)現(xiàn)了重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子在內(nèi)的幾百種粒子2012年7月，利用歐洲核子研究中心27公里周長的大型強子對撞機，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”，讓40多年前的基本粒子預(yù)言成為現(xiàn)實，又一次展示了粒子加速器在科學(xué)研究中的超強力量。比利時物理學(xué)家F.恩格勒特和英國物理學(xué)家P.W.希格斯因預(yù)言“上帝粒子”的存在而被授予2013年度的諾貝爾物理學(xué)獎。
("上帝粒子")
隨著粒子加速器的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴展，除了應(yīng)用于物理、化學(xué)及生物等領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)研究外，還廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、材料科學(xué)、生命科學(xué)、國防等各個領(lǐng)域，如輻照電纜、輻射消毒滅菌、高分子材料輻射改性、食品輻照保鮮、輻射育種、生產(chǎn)放射性藥物、腫瘤放射治療與影像診斷等。目前，全球僅作為放療應(yīng)用的醫(yī)用直線加速器就有近2萬臺。
粒子加速器的研制及應(yīng)用屬于典型的高新科技，受到世界各發(fā)達國家的高度重視并將其放在國家戰(zhàn)略的高度予以優(yōu)先支持。粒子加速器的研制能力也是衡量一個國家綜合科技實力的重要標(biāo)志。我國的粒子加速器事業(yè)起步于20世紀50年代，經(jīng)過60多年的發(fā)展，我國的粒子加速器研究與應(yīng)用水平已步入國際先進行列。我國各類研究型及應(yīng)用型加速器不斷發(fā)展，多個加速器大科學(xué)裝置和應(yīng)用平臺相繼建成，如蘭州重離子加速器、北京正負電子對撞機、合肥光源(第二代光源)、北京放射性核束設(shè)施、上海光源(第三代光源)、大連相干光源、中國散裂中子源等;還有大量應(yīng)用型的粒子加速器，包括醫(yī)用電子直線加速器、質(zhì)子治療加速器和碳離子治療加速器，工業(yè)輻照和探傷加速器、集裝箱檢測加速器等在過去幾十年中從無到有、快速發(fā)展。另外，我國基于激光等離子體尾場的新原理加速器也取得了令人矚目的進展，向加速器的小型化目標(biāo)邁出了重要一步。我國基于加速器的超快電子衍射與超快電鏡裝置發(fā)展迅猛，在剛剛興起的兆伏特能級超快電子衍射與超快電子透鏡相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用方面不斷向前沿沖擊。
近年來，面向科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用的重大需求，我國粒子加速器的研究和裝置及平臺研制呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展態(tài)勢，正在建設(shè)中的有上海軟X射線自由電子激光用戶裝置、上海硬X射線自由電子激光裝置、北京高能光源(第四代光源)、重離子加速器實驗裝置、北京拍瓦激光加速器裝置、蘭州碳離子治療加速器裝置、上海和北京及合肥質(zhì)子治療加速器裝置;此外，在預(yù)研關(guān)鍵技術(shù)階段的和提出研制計劃的各種加速器裝置和平臺還有十多個。面對這一發(fā)展需求，我國在技術(shù)研發(fā)和設(shè)備制造能力等方面還有待提高，亟需進一步加強技術(shù)積累和人才隊伍培養(yǎng)。
粒子加速器的持續(xù)發(fā)展、技術(shù)突破、人才培養(yǎng)、國際交流都需要學(xué)術(shù)積累與文化傳承。為此，上海交通大學(xué)出版社與上海市核學(xué)會及國內(nèi)多家單位的加速器專家與學(xué)者溝通、研討，策劃了這套學(xué)術(shù)叢書———“先進粒子加速器系列”。這套叢書主要面向我國研制、運行和使用粒子加速器的科研人員及研究生，介紹一部分典型粒子加速器的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展動態(tài)，助力我國粒子加速器的科研創(chuàng)新、技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。為保證叢書的高品質(zhì)，我們遴選了長期從事粒子加速器研究和裝置研制的科技骨干組成編委會，他們來自中國科學(xué)院上海高等研究院、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所、中國科學(xué)院近代物理研究所、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國原子能科學(xué)研究院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位。編委會選取代表性工作作為叢書內(nèi)容的框架，并召開多次編寫會議，討論大綱內(nèi)容、樣章編寫與統(tǒng)稿細節(jié)等，旨在打磨一套有實用價值的粒子加速器叢書，為廣大科技工作者和產(chǎn)業(yè)從業(yè)者服務(wù)，為決策提供技術(shù)支持。
科技前行的路上要善于擷英拾萃。“先進粒子加速器系列”力求將我國加速器領(lǐng)域積累的一部分學(xué)術(shù)精要集中出版，從而凝聚一批我國加速器領(lǐng)域的優(yōu)秀專家，形成一個互動交流平臺，共同為我國加速器與核科技事業(yè)的發(fā)展提供文獻、貢獻智慧，成為助推我國粒子加速器這個“大國重器”邁向新高度的“加速器”，為使我國真正成為加速器研制與核科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的強國盡一份綿薄之力。
