让质子飞的更快

质子是一种带正电荷的亚原子粒子，而原子核中质子数目决定其化学性质和它属于何种化学元素。利用质子加速装置将质子加速形成质子束后，即可被广泛应用于我们的生活和国防事业当中。例如，医学上面的“质子治疗法”即利用加速的质子束对人体内的肿瘤进行治疗。军事上面，还可以利用更高能量的质子束作为“子弹”，如同美国科幻大片中的先进高端武器。如图一，即为医用质子治疗法设备和太空脉冲武器实物图。质子束有如此之多的应用，那么我们是用什么仪器加速质子？质子又是怎样被加速的呢？下面我们就来回答这些问题。

图一 医用质子治疗法设备和太空脉冲武器实物图

用于加速质子的仪器称为“质子加速器”，它实际是用人工方法使带电粒子(质子) 在电场中加速到需要的能量，并产生一定质子束流的装置。其实，不止质子可以被加速，其它电子、离子等这类带电粒子也都可以被加速。但是质子加速器确是近年来一种新型的粒子加速器。在1992年才由美国Loma Linda大学医学中心与费米实验室合作，研制成功世界首台医疗专用质子零梯度同步回旋加速器质子加速器。质子加速器按照加速原理的不同可以分为很多种，包括直线感应加速器技术、环形感应加速器、感应同步加速器和介质壁加速器等。就目前阶段，最为成熟的即为直线感应加速器技术。世界上第一台直线感应加速器ASTRON-I, 由N. Christofilos发明，并于1963 年在美国劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL）建成。然而这种直线感应加速器设备庞大，特别是高功率加速器，只加速腔体的长度就能达到几十米乃至上百米，这就大大限制了这个“庞然大物”的应用。于是二十世纪九十年代美国科学家G. Caporaso 等人提出一种新型加速器概念，即“介质壁加速器”(DWA-Dielectric Wall Accelerator )。其基本结构如图二。

图二 介质壁加速器的基本结构

介质壁加速器的关键技术包括高沿面强度绝缘介质壁、非对称脉冲形成线和快速低抖动闭合开关。如图二中所示，带电粒子束流在加速腔内可以被循环加速，因此运动速度也大大提高。然而质子是怎样被循环加速的呢？图三展示了带电粒子被循环加速的工作原理图。

图三 介质壁加速器的工作原理图

如图三所示，A和B为两种不同介质材料，它们除了尺寸的区别以外，还有一个物理属性的不同，即介电常数不同，因此导致电压波在介质内的传输速度不同。其工作过程是首先给A、B 充电使两端的电位差为零，开关1和2闭合 ,电压波在A和B中以不同波速传播，在介电常数小的介质中以较快波速传播,在介电常数大的介质中传播速度较慢。在快波到达前，A、B两端没有电压，当快的电压波到达加速腔开路的末端时，这个电压波会发生反射，使原电压正负反转，此时慢电压波还没有到达加速腔。因此，在A、B两端出现两倍的充电电压的电位差。如果此时有入射质子等带电粒子进入到此加速腔中，则获得两倍充电电压的加速动能。如此反复，即可以将带电粒子循环加速至所需要的能量。利用介质壁加速器技术可以发展非常紧凑、价格低廉的强流质子加速器。

高能量质子束的应用还远远比上面介绍的这些要广泛。只要我们充满想象力和实干精神，也许在不就的将来，美国科幻大片中的质子手枪等这类武器也不再是幻想，也可以将其应用于我们日常生活的方方面面。