电子对撞机

大型正负电子对撞机（Large Electron-Positron Collider，简称：LEP）是欧洲核子研究组织（CERN）的粒子加速器之一，1989年开始营运，位在瑞士和法国的边界附近，大型正负电子对撞机的周长长达27公里，专门加速电子和正子，是目前已建成的最高能量的轻子加速器，且迄今为止还保留着粒子加速器的速度纪录。在2000年末的时候，LEP被关停并拆解，以给在建的新的大型强子对撞机腾出轨道空间。

1、电子－正电子对撞机又称正负电子对撞机，由于正负电子的电荷相反，所以这种对撞机只要建立一个环就可以了。相应的造价就比较低，世界上已建成的对撞机大部分是属于这一类的。

但是，由于电子回旋时引起的同步辐射损失，使这种对撞机能量的进一步提高发生了困难，因为同步辐射功率与电子的能量二次方成正比，且与回旋半径的平方成反比，为了减少辐射损失，一般高能量的电子对撞机均采用大半径方案，即采用只有几千高斯的低磁场来控制电子的运动，即使如此，电子对撞机的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的电子在曲率半径为100m的对撞机中运动时,每圈的辐射损失约为10MeV，如果对撞机中的回旋电流为1A，要补偿这束电子流的辐射损失，就需要平均功率为10MW的高频功率。假如正电子流也为1A，则总的平均功率为20MW，由此可见，对撞机中高加速频系统的功率绝大部分是用来补偿这一同步辐射损失的。

辐射特性虽然给电子能量的进一步提高带来了困难，但也有一定的好处，这是因为电子或正电子注入对撞机后，由于电子的辐射损失，使电子截面受到强烈的压缩，电子很快集中到一个很小的区域中，其余的空间可以用来容纳再一次注入的电子，这样使积累过程简化，而且允许采用较低能量的注入器，通常采用直线加速器，也有采用电子同步加速器的。

这种对撞机中所需的正电子是由能量为几十兆电子伏以上的电子打靶后产生的，为了得到尽可能强的正电子束，往往需要建造一台低能量的强流电子直线加速器。另外产生出来的正电子束尚需再度注入到注入器中，与电子一起加速到必要的能量，再注入到对撞机中去。由于正电子束的强度只及电子束的千分之一到万分之一，所以需要几分甚至几十分钟的积累，才能达到足够的强度。

2、质子－质子对撞机这种对撞机需要建造两个环,分别储存两束相反方向回旋的质子束，才能实行质子与质子的对撞。由于质子作回旋运动时，其同步辐射要比电子小得多，在质子达到的能量范围内，可以略去不计，因此为缩小这类对撞机的规模,尽量采用强磁场,这就需要采用超导磁体。另外，质子束的积累也不如电子对撞机那样方便，它必须依靠动量空间的积累来实现。为此，必须首先在高能同步加速器中，将质子加速到高能（一般为几十吉电子伏），依靠绝热压缩，将质子束的动量散度压缩上百倍，再注入到对撞机中去进行积累，质子对撞机中的高频加速系统主要是用来进行动量空间的积累及积累完毕后的进一步加速，因此所需要的高频功率也比电子对撞机小得多。由于上述原因，质子－质子对撞机的规模要比电子－正电子对撞机大，投资也较高。

3、质子－反质子对撞机质子与反质子的质量相同，电荷相反，也只需要造一个环就能进行对撞。这种对撞机发展得较晚，主要原因在于由高能质子束打靶产生的反质子束强度既弱，性能又差，无法积累到足够的强度与质子对撞。70年代后期，“冷却”技术的成功，给予这种对撞机巨大的生命力(见加速器技术和原理的发展)。

欧洲核子中心

建成的质子对撞机如欧洲核子中心代号ISR的交叉储存环，其能量为2×31GeV，它于1971年已投入运行。由于电子冷却及随机冷却技术（见加速器技术和原理的发展）的成功,使反质子束的性能大大得到改善,而且束流可以积累到足够的强度，从而有可能在同一环中进行质子－反质子对撞。

为了增加对撞的几率（即提高对撞机的亮度），欧洲核子中心于1981年将一台能量为400GeV的质子同步加速器（即SPS）改建成质子－反质子对撞机，并于1983年取得了极其重要的实验成果，发现了W±、Z0粒子 。

70年代初期

70年代初期,出现了在对撞区中插入一种特殊的称为低包络插入节的聚焦结构，使束流在对撞点的横截面受到强烈的压缩，从而使对撞点的束流密度大大增加。

由于采用了这种结构，使70年代建造的对撞机的亮度比以前提高了一两个数量级。另外，为了尽可能的延长束流的寿命，对撞机环内的真空度平均不得低于10-8～10-9Torr,尤其是在对撞区附近。为了减少物理实验的本底，即为了保证使束流与束流发生对撞的几率大大超过束流与残余气体相撞的几率，真空度应维持在10-10～10-11Torr左右。所以大体积高真空这一技术也随着对撞机的发展而发展起来了。对撞机的类型电子－正电子对撞机又称正负电子对撞机，由于正负电子的电荷相反，所以这种对撞机只要建立一个环就可以了。相应的造价就比较低，世界上已建成的对撞机大部分是属于这一类的 。

同步辐射损失

但是，由于电子回旋时引起的同步辐射损失，使这种对撞机能量的进一步提高发生了困难，因为同步辐射功率与电子的能量二次方成正比，且与回旋半径的平方成反比，为了减少辐射损失，一般高能量的电子对撞机均采用大半径方案，即采用只有几千高斯的低磁场来控制电子的运动，即使如此，电子对撞机的最高能量仍然受到很大的限制，例如,10GeV的电子在曲率半径为100m的对撞机中运动时,每圈的辐射损失约为10MeV，如果对撞机中的回旋电流为1A，要补偿这束电子流的辐射损失，就需要平均功率为10MW的高频功率。

假如正电子流也为1A，则总的平均功率为20MW，由此可见，对撞机中高加速频系统的功率绝大部分是用来补偿这一同步辐射损失的。辐射特性虽然给电子能量的进一步提高带来了困难，但也有一定的好处，这是因为电子或正电子注入对撞机后，由于电子的辐射损失，使电子截面受到强烈的压缩，电子很快集中到一个很小的区域中，其余的空间可以用来容纳再一次注入的电子，这样使积累过程简化，而且允许采用较低能量的注入器，通常采用直线加速器，也有采用电子同步加速器的。这种对撞机中所需的正电子是由能量为几十兆电子伏以上的电子打靶后产生的，为了得到尽可能强的正电子束，往往需要建造一台低能量的强流电子直线加速器。另外产生出来的正电子束尚需再度注入到注入器中，与电子一起加速到必要的能量，再注入到对撞机中去。由于正电子束的强度只及电子束的千分之一到万分之一，所以需要几分甚至几十分钟的积累，才能达到足够的强度。

质子-质子对撞机这种对撞机需要建造两个环,分别储存两束相反方向回旋的质子束，才能实行质子与质子的对撞。由于质子作回旋运动时，其同步辐射要比电子小得多，在质子达到的能量范围内，可以略去不计，因此为缩小这类对撞机的规模,尽量采用强磁场,这就需要采用超导磁体。另外，质子束的积累也不如电子对撞机那样方便，它必须依靠动量空间的积累来实现。为此，必须首先在高能同步加速器中，将质子加速到高能（一般为几十吉电子伏），依靠绝热压缩，将质子束的动量散度压缩上百倍，再注入到对撞机中去进行积累，质子对撞机中的高频加速系统主要是用来进行动量空间的积累及积累完毕后的进一步加速，因此所需要的高频功率也比电子对撞机小得多。

由于上述原因，质子－质子对撞机的规模要比电子－正电子对撞机大，投资也较高。质子－反质子对撞机质子与反质子的质量相同，电荷相反，也只需要造一个环就能进行对撞。这种对撞机发展得较晚，主要原因在于由高能质子束打靶产生的反质子束强度既弱，性能又差，无法积累到足够的强度与质子对撞 。

“冷却”技术的成功

70年代后期，“冷却”技术的成功，给予这种对撞机巨大的生命力(见加速器技术和原理的发展)。由于冷却技术的成功，使得现有的高能质子同步加速器，只要它的磁铁性能及真空度够好的话，均有可能可以改成质子－反质子对撞机。

今后再建的超高能质子同步加速器，均考虑了同时进行质子－反质子对撞的可能，由此可见，这一技术成功的意义是何等重要。实现质子－反质子对撞虽然比质子－质子对撞能节省一个大环，但也有一定的弱点，主要是由于尽管经过冷却及积累,反质子的强度仍然比质子的低得多,这样使得质子－反质子对撞机的亮度比质子－质子对撞机低得多，前者最大为1029～1030cm-2·s-1,后者则为1032cm-2·s-1。电子－质子对撞机这种对撞机的主要困难在于电子束的横截面很小，线度约为几分之一毫米，而质子的横截面较大,线度约为一厘米左右。前者束流较密集,后者较疏松，两者相撞时作用几率很小 。

现阶段的研究

正在研究中，实现这种对撞需建立两个环，一个是低磁场的常规磁铁环,以储存及加速电子；另一个是高场的超导磁体环,以储存并加速质子，两个环的半径相同并放在同一隧道中，所以电子的能量通常是几十吉电子伏，质子的能量为几百吉电子伏。

随着加速器技术的提高,为了节约投资,新建的巨型加速器，往往在一个隧道中建造三个环，以便可能进行多种粒子对撞，例如质子-质子、质子－反质子，电子－正电子、质子－电子对撞。电子直线对撞机为避免电子作回旋运动时同步辐射损失引起的困难。

早在1965年已有人指出，在电子能量高于上百吉电子伏时，应采用直线型来进行对撞，就是说，应采用两台电子直线加速器加速两股运动方向相反的电子束（或正负电子束）待达到预定能量后，两股电子束被引出并在某点相碰。碰撞一次后的电子束即被遗弃，不再重复利用。当然，只有当这些被遗弃的电子束单位时间所带走的能量小于环形对撞机中同步辐射的损失功率，这种方案才会被考虑。另外，由于电子直线加速功率的限制，每秒能提供的电子束脉冲数是有限的，所以单位时间内发生的碰撞次数也比环形对撞机少得多，为了保证直线对撞机与环形对撞机有相同的亮度，要求在碰撞点的横截面进一步压缩，约比环形对撞机中的碰撞截面小几十到几百倍，十多年来技术上的进展，使这种对撞机受到重视，有关的各种问题正在解决中。