加载中…
个人资料
梅晓春
梅晓春
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:139,186
  • 关注人气:242
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机

(2020-01-12 08:57:22)
标签:

加速器

粒子物理学

高能物理

同步辐射

电磁辐射

梅晓春发表高能加速器新理论

取代王贻芳超大型粒子对撞机

—— 统一解释绕核运动电子不辐射与导体内电阻热辐射机制——

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机

最近,杨振宁先生与科学院高能物理研究所王贻芳院士关于中国要不要建造大型粒子对撞机(CEPC)的争论成为舆论场的热门话题。

王贻芳认为,CEPC对于探索微观世界的基本运动规律比如研究希格斯粒子的性质,以及发现新的粒子比如超对称粒子,是至关重要的。同时可以使中国成为世界粒子物理研究的中心,使中国在加速器科学领域处于的领先地位

杨振宁先生则认为高能物理“盛宴已过”,因为粒子物理学标准模型预言的粒子都已经全部找到。超出标准模型的粒子,比如超对称粒子等,存在的可能性很小。由于CEPC耗资巨大,需要一千多亿人民币,国家没有必要花这种代价做那种不切实际的项目。

然而杨振宁先生另外一个重要的建议却被大家忽略,那就是“寻找新的加速器原理”。这句话什么意思呢?

现在的高能粒子同步回旋加速器有一个本质上的缺陷,被加速的粒子在其中运动时会产生强烈的电磁辐射,使粒子能量的增加受到严重的限制。电磁辐射的强度与粒子加速度的平方成正比,而加速度与加速器的半径有关。半径越大加速度越小,半径越小加速度越大。为了减小辐射损耗,就需要把加速器的半径做得很大。

比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC),半径是4.3公里,周长27公里。王贻芳计划的CEPC半径约16公里,周长100公里。要建造这样长的粒子真空运动管道,并用低温超导磁体包围,加上各种基础设施和控制系统,其花费就非常巨大。

如果能够找到新的加速器理论,大大降低被加速粒子的辐射,就可以把同步回旋加速器的半径做得很小,建造费用大大减少的同时,也能把粒子加速到高能状态。事实上,对于中国要不要建造大型粒子对撞机的问题,这可能是最好的解决方案。

可庆幸的是,福州原创物理研究所梅晓春所长和俞平博士,早在2012年就在加拿大《应用物理学研究》杂志上发表了一篇论文,题目是“带电粒子在电磁场中的相对论运动稳定性分析与建造无同步辐射损耗回旋加速器的可能性----绕核加速运动电子不辐射与导体内电阻热辐射的统一机制”。

这篇文章从一个崭新的角度阐明了被加速的带电粒子辐射的物理本质,为新一代低辐射损耗的高能同步回旋加速器奠定了理论基础,并给出一个具体的实施方案。

按照经典电磁理论,带电粒子的辐射由加速度引起。该文首先指出,以下实验事实与经典理论并不完全一致,被加速的带电粒子辐射电磁波的物理机制需要重新考虑:

1. 带电粒子做直线加速运动时一般不辐射。比如在高压静电加速器和直线加速器中运动的粒子一般不辐射。事实上,拟议中的国际直线加速器(ILC)就是根据这个事实进行设计的。

2.  在感应加速器中做加速运动的电子不辐射(布鲁埃特实验)只有在同步回旋加速器中做加速运动的带电粒子才辐射。

3.  在一般交流电线路做直线加速运动的电子,和在直流电线圈中做圆周加速运动的粒子不辐射(不包括热辐射)。比如低温超导实验中,电流在环形金属圈中稳定流动,也没有辐射电磁波。

4.  一般无线电天线必须满足某种条件限制时,才会辐射电磁波。如果加大天线长度,或把弯曲的天线拉直,在其中做振荡加速运动的电子就不再辐射。

5. 一个更为众所周知的事实是,原子中绕核做加速运动的电子是不辐射的,这个原子物理学的最基本事实至今无法得到合理解释。

关于第二点,在加速器的历史上有一个广为流传的故事。

美国通用电器公司在纽约州申纳塔底(Schenectady)有一台能量为100MeV的电子感应加速器。1944年物理学家布鲁埃特(J. Blewett)调试这台设备时,希望能发现电子的辐射。布鲁埃特用一个非常灵敏的探测器,探测波段从无线电超长波到超短波段。

按经典电磁理论,感应加速器电子的运动速度已经接近光速,辐射的功率应该是相当大的。然而布鲁埃特无论将探测器放在加速器的真空室内还是室外,始终未能探测到电磁波的幅射。

就在同一实验室,波拉克于1947年建造了一台70MeV电子同步回旋加速器。由于该加速器的真空室是透光的,在调试过程中工人却无意中看到了透出的辐射光。这种被称为同步辐射光的频率是连续分布的,虽然主要在可见光波段,但从原则上说在无线电波段也应当存在辐射。

为什么布鲁埃特当年在电子感应加速器上没有发现辐射呢?至今似乎没有人深究这个问题,虽然布鲁埃特的加速器的能量波拉克的加速器的能量还高30MeV。物理学家们只是解释说布鲁埃特探测器的探测频率太低,同步辐射的频率较高,布鲁埃特的探测器探测不到。

然而电子感应加速器的加速原理与同步回旋加速器是不同的。在电子感应加速器中,除了磁场的作用外,沿着电子运动轨道的切线方向还同时存在由变化磁场导致的电场力的作用。而在同步回旋加速器中,在轨道转弯部分中运动的电子只受磁场力的作用,没有电场力的作用。在这两种情况下,电子受力的不同,是否会对其辐射产生影响呢?至今理论上没有人进行研究,也没有人做这种实验

鲁埃特当年在电子感应加速器上寻找辐射时,实验室的其他工程师就告诉过他,电子在感应加速器中转动就如直流电做圆周运动,是不会有辐射的。

当稳恒电流通过直线导体时,电阻会发热甚至发红发光,发出光子。然而导体中的自由电子做直线匀速运动似乎不必考虑加速度,也不存在原子能级的跃迁。在目前的物理学中,电阻热辐射的机理实际上也没有弄清楚。

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机

梅晓春和俞平的文章对带电粒子在电磁场中的相对论运动方程进行研究,指出在均匀磁场中带电粒子的运动是稳定的就不会辐射的在静止的原子核力场中,电子的绕核运动是稳定的,也可以不辐射,由此解释了原子的稳定性。

但如果存在某种扰动力,比如磁场不均匀等因素,使高速运动的电子偏离相对论运动轨道,电子的速度有可能变成虚数或超光速使运动不可能发生的在这种情况下,电子需要通过辐射来改变状态,使运动成为可能。

因此梅晓春和俞平得出的结论是,加速度不是带电粒子产生辐射的本质原因,相对论运动的不稳定性才是带电粒子产生辐射的真正原因。带电粒子的辐射实际上是一种应变反应,由此产生辐射阻尼力,帮助粒子调整运动轨道。就像火箭发动机喷射气体,帮助火箭调准姿态和运动轨道。

梅晓春和俞平还指出,稳恒电流通过直线导体时,电阻会发热发光,其微观本质是韧致辐射即电子接近晶格上的原子核时,原子核对其减速导致的辐射。文章详细讨论了产生韧致辐射的条件,证明韧致辐射的本质是相对论效应。即原子核随机热运动干扰了电子的轨道,使电子不得不通过辐射来使其运动可以继续。同时证明天线辐射的本质是韧致辐射天线末端的原子核使运动电子快速减速,导致电子辐射。

由此可以统一地解释原子内绕核做加速运动的电子不辐射,以及导体内电阻热辐射的微观机制,它们都与电子在电磁场中相对论运动的稳定性有关。

按照这种理解,带电粒子在同步回旋加速器运动时,主要由于磁场的不均匀性,以及其他的干扰因素,会使粒子偏离圆周运动轨道,形成所谓的轨道振荡。现有高能粒子同步回旋加速器采用各种扇形磁铁,比如直边扇形、螺旋扇形和分离扇形磁铁,产生的都不是均匀磁场。

再比如电子被注入回旋加速器时,角度的偏差也会产生对圆形轨道的偏差,如此等等。这些因素都会引起被加速粒子的束流轨道发生歧变,引起所谓的轨道横向振荡,如图1中的波浪形轨道。

这种轨道振荡是同步回旋加速器中带电粒子辐射的主要原因。当粒子的运动速度非常接近光速时,对轨道的微小偏离就可能使粒子的速度变成虚数超过光速。粒子就不得不通过辐射来纠正运动状态。而在直线加速器和感应加速器中,电子的相对论运动是可能的,电子一般不需要辐射。

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机

1. 同步回旋加速器中电子的横向振荡轨道

实验已经证明,在同步回旋加速器的圆形储存环中,刚开始将粒子束注入时,由于横向运动,粒子是分布在整个环形轨道的截面上,并且出现强烈的同步辐射。随着同步辐射的减弱,横向振荡的幅度逐渐减小,粒子的运动轨道向中间的圆形轨道靠拢,变成稳定的圆周运动。粒子束在储存环中的横向面积不断减小,粒子束的亮度增加。

当粒子束的截面减小到一定的程度后,就不再辐射。此后再次将粒子注入储存环,通过这种累积,使粒子束的密度大大提高。

如果按照现有的辐射理论,带电粒子的辐射由加速度决定,粒子在储存环中横向振荡幅度减小,沿标准圆周运动后,由于向心加速度不变,则仍然要大量辐射。因此粒子的轨道仍然是不稳定的,最后都会与束流管壁碰撞而消失,带电粒子就不可能在束流管中稳定存在,或者说粒子不可能被储存。然而事实并非如此,同步回旋加速器的储存环能够储存粒子,这个事实恰恰说明,粒子在加速器中沿标准圆周运动时是不辐射的。

因此只要消除干扰因素,使带电粒子在同步回旋加速器中的相对论轨道运动达到稳定,就有可能消除同步辐射,建造出同步辐射甚至无同步辐射损耗的高能同步回旋加速器在文章的最后部分,梅晓春和俞平提出这种新型同步回旋加速器的一个设计方案。

根据电磁学理论,两条平行电流线的电流方向一样时会相互吸引,方向相反时会相互排斥。如图2所示,设两条电流线I的两端固定,电流方向相同则吸引(图2.a),电流方向相反则排斥(图2.b)。

在图3中,两条电流线固定,电流方向和大小相等。它们的中间有一个电子沿平行方向运动,可以看成电流Ie如果Ie正好处于两条电流线的中间,不论Ie的方向与I相同还是相反,带电粒子受到的两个力大小相等方向相反,正好互相抵消。

如果带电粒子的运动偏离了中间线,Ie的方向与I相同时(图3.a),带电粒子就会越来越靠近与它相近的电流线,最后与该电流线相碰而消失。如果,Ie的方向与I相反(图3.b),两条电力线就会产生合力,使该带电粒子回到中间的平衡位置做运动。

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机

2. 两条电流线的互相吸引和排斥

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机
 3. 两条固定电流线对运动带电粒子的作用

按照以上原理,就可以对现有的中小型回旋加速器进行改造,使之变成低辐射损耗,甚至无辐射损耗的高能粒子回旋加速器。

4是这种同步回旋加速器粒子束流管的截面图,沿管壁圆周布置与管道壁平行的直流电流线,被加速的电子e在管道中心沿与纸面垂直的方向运动。图5则是同步回旋加速器的平面俯视图,沿管道圆环的内外壁布置电流线,电流强度为I在束流管中间位置上的被加速带电粒子流也可以看成是一条电流线,被夹在两条电流线中间,电流强度为Ie

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机

4. 低辐射损耗同步回旋加速器粒子束流管内平衡电流线分布截面图

梅晓春发表高能加速器新理论,取代王贻芳超大型粒子对撞机

5. 低辐射损耗同步回旋加速器粒子束流管平衡电流线分布平面图

因此在图4中间点上沿垂直于纸面方向运动的带电粒子,就会受到上下左右各个不同方向的作用力Fe的作用。如果该粒子偏离了中间点的位置,运动的平衡被打破,上下左右的电流线就会产生一个合力,把粒子拉回到中间点,最终达到平衡稳定的运动。

计算表明,对于圆周半径为100米的加速器设粒子束管的半径是0.1米,只需管内电流线的电流强度为8.5安培,就可以使Fe与磁场约束力Fb一样大,这是一个很容易实现的指标。

通过这种方式,就可以对被加速粒子的运动进行微调,减小被加速粒子在圆周轨道附近的振荡运动,使带电粒子在同步回旋加速器中沿标准圆周做加速运动。由此就可以制造出小型化的,低辐射损耗的,甚至基本不辐射的高能同步回旋加速器。

按照这种方案,我们只要花费比较少的资金,对现有的中小型同步回旋加速器进行改造,就可以使它们达到大型加速器所能达到的高能量,根本不需要另外建造半径达到几十、上百公里的大型粒子对撞机。

梅晓春和俞平论文的中文版《带电粒子在电磁场中的相对论运动稳定性分析与建造无同步辐射损耗的回旋加速器的可能性——绕核加速运动电子不辐射与导体内电阻热辐射的统一机制》见以下链接:

https://www.doc88.com/p-9542937066820.html

https://wenku.baidu.com/view/f9591e687e192279168884868762caaedd33baa5

 

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有