世界第X大奇迹——科普大型强子对撞机

就是束缚两束质子运动的环，也就是众所周知的27公里的那个环，精确的数字是26658.883米。
为什么要做这么大的环呢？其实这27公里的环并不是本来就为LHC服务的，而是为它的前身LEP服务的。它的前身LEP，即大型电子正电子对撞机（Large Electron–Positron Collider），就挖了这么一条27公里长的环形地下隧道。LHC用了LEP挖的隧道，其实是再利用。
在环形轨道内加速带电粒子，粒子每绕一圈都可以反复的利用同样的加速设备，当然从这点上来说要优于每一个加速段粒子只通过一次的直线性加速器。但它不是完美无缺的，因为粒子终究要拐弯，这是利用偏转磁场来实现的，洛仑兹力嘛。但是粒子拐弯的加速会使其发出辐射，这就是同步加速辐射。当然这样粒子就会损失能量，浪费加速的效果，所以应该尽量减小同步加速辐射。同步加速辐射和粒子种类有关，对同种粒子它正比于粒子的能量的4次方，反比于拐弯的半径的平方。在造LEP的时候，要求电子的能量已经达到了这样高的水平（单个电子一千亿电子伏），使得要减小同步加速辐射，只能无计可施地选取一个周长27公里的隧道。
LHC换成了质子，但能量更高，单个质子要达到七万亿电子伏，是不是同步加速辐射更高了呢？其实反而不是这样，对于相同能量的粒子，同步加速辐射反比于粒子质量的4次方，实际上总体来说是正比于粒子洛仑兹因子的4次方。质子比电子质量大的多，所以质子的同步辐射实际上被这个质子电子质量比的4次方所压低，实际上还小于LEP的同步加速辐射。LEP的每个电子绕一圈辐射损失30亿电子伏，LHC的质子才6.7千电子伏。
但是LHC实际上也不能用更小的环，即使这样的环已经有现成的话。对于质子，限制直接来自于用工程能够造出来的磁场来提供能够接受的转弯半径。高能粒子在磁场中的转弯半径正比于粒子动量或能量，反比于磁场强度。对于七万亿电子伏的质子，用8特斯拉的磁场来使其转弯，刚刚能够把转弯半径控制在3公里（精确地做到了2803.95米）。虽然3公里比起27公里周长的的半径还大那么一点（半径4.2公里），但是27公里也不能都拿来转弯，用来转弯的部分，转弯半径3公里也就是极限了。事实上27公里的环是8段弧以及中间直线的连接部分构成的，中间直线的部分放加速电场，如下图

回到磁场上来。8特斯拉的磁场是什么概念（实际用到的是8.33特斯拉）？那必须是超导体作为电磁铁才能够提供的了。所以LHC是在人造磁场方面，push到了人类的极限。

27公里长的储存环最引人注目，但它不是全部。不是一个质子一上来就在27公里长的储存环里加速。实际上在这之前，已经有4级的加速器为其服务了。
第一级Linear Accelerator或LINAC，是个直线的加速器，初步的把质子加速到50MeV（往后我们采用1TeV=1000Gev，1GeV=1000MeV，1MeV=1000keV，1keV=1000eV电子伏的比较专业的说法）。这个时候质子速度只有光速的0.23倍。
第二级BOOSTER，是个质子绕好多圈的回旋加速器，这个名字本身的含义就是加速。从这图上可以看到它1972年就有了，现在也是再利用吧。这时候达到了光速的0.74倍。
第三级Proton Synchrotron或PS，也是回旋加速器，又大了一号。在这出来后，相对于光速的速度已经是小数点后3个9了。
第四级Super Proton Synchrotron或SPS。别小看加的这个Super，听老师说它本来设计的是个能和费米实验室的世界第二大加速器Tevatron相匹敌的质子加速器。光从尺寸上来看，它6.9公里，比Tevatron的6.3公里还大。从这里面出来，能量已经有Tevatron的一半了。世界第三大加速器作嫁衣来为世界第一加速器服务，LHC要不强大就怪了。

前面说了LHC的转弯磁场是当代工程的极限，那么这个逆天的磁场是什么样的呢？其基本形状就是这样的。


其实这也就是储存环截面的尺寸，所有的质子都被约束在直径56mm的管里，27公里长的管子才56mm粗，有点不成比例啊。当然是并行的两条，里面的质子方向不同。里面是高度的真空。这管也并不需要什么管壁，磁场的约束使质子自然碰不上管壁。
也许你一下子不会想到，单单这两个磁场之间的吸引就了不得，每米的距离上吸引力就有400吨。从磁场分布上来说两个电磁铁是南北极相对，自然会吸引了。所以必须用外面那个大的铁疙瘩包起来，起支撑作用。整个这么每段转弯的磁场是14.3米长。
整个LHC包含了1232个这样的基本的转弯磁场。实际上这只是一种类型的磁铁。还有其他多种类型的磁铁，如下表所总结。上面说到的这个主要负责转弯的磁场是第一项的MD或Main Dipole，其他的比如MQ或Main Quadrupole是负责质子束的聚焦的，带电粒子垂直通过一个南极南极、北极北极成十字形相对的磁场时会得到聚焦，等等。

这个好，欢迎科普，呵呵，虽然物理学的梦想已经同我分道扬镳好多年了

永磁铁是不能胜任的，事实上只有电磁铁。而且是超导体携带的巨大电流产生的巨大磁场。数据图上都标出来了，超导体里携带的电流达到了11800安，难以想象吧。要产生这么大的磁场就必须要这么大的电流，很明显只有超导体才能实现。不多说了，图里都有。就翻译最后一句，整个LHC用到的超导的NbTi丝的总长，相当于太阳和地球距离的10倍，也许这更加难以置信。但是看到前面如此种类和数量繁多的磁场，确实就要求这么多。


永磁铁是不能胜任的，事实上只有电磁铁。而且是超导体携带的巨大电流产生的巨大磁场。数据图上都标出来了，超导体里携带的电流达到了11800安，难以想象吧。要产生这么大的磁场就必须要这么大的电流，很明显只有超导体才能实现。不多说了，图里都有。就翻译最后一句，整个LHC用到的超导的NbTi丝的总长，相当于太阳和地球距离的10倍，也许这更加难以置信。但是看到前面如此种类和数量繁多的磁场，确实就要求这么多。

太阳和地球距离的10倍长的超导体丝，肯定不可能用实验室里手工作坊式的凑出来的高温超导材料。而且实际上现在的高温超导材料都是所谓的第二类超导体，相比于NbTi这类第一类超导体虽然都是电阻为0，但是能以超导状态携带的电流的上限不同，高温超导材料要小很多。所以对付11800安的电流，还是得NbTi。
NbTi的超导的临界温度是10开，理论上降到10开以下就够了。但实际工程上都是用低温液化的气体来降温或维持其低温的。在通常的压力下，只有氦液化时的温度低于10开，所以只能用液氦。实际上液氦是降到了1.9开，或者零下271.2摄氏度。版上还有液氦属于战略储备的限产限运的消息，可这个LHC工作的时候就需要填充700000升液氦。
在开始运行，初始降低系统温度的阶段，可以用便宜的液氮，初始的降温就需要用掉12000000升液氮。

在27公里长的储存环里面，正常运行的时候质子是怎么分布的，是均匀分布的吗？答案是否定的。如下图所示。

每一团（bunch）中初始状态有1.15*10^5个质子，当然随着对撞不断减少。正常工作时这样的团在每条管子里总共有2808个。

为什么质子要一团一团的分布，而不能是均匀分布呢？让质子成团分布是会增加难度的，因为质子都带正电，它们会互相排斥，从而趋向于均匀分布。
让我们来设想如果束流中质子不是成团分布的会带来什么问题。加速电场可以是恒定的，这样最简单。但是接下来的问题就是一部分本来能量就高跑的就快的质子同样时间内绕的圈数高，更多次的通过加速电场，所以相对来说被加到更高的能量；而那些本来就慢点的质子相对来说则越来越慢，这样质子的能量不再是精确的7TeV，不同质子的能量弥散到了相当宽的范围，这当然对于科学研究是不利的。
所以我们就希望质子是成团分布的，这样其实是保证了每个质子的能量在允许的范围内等于我们所要的能量。而实际上是怎么做到的呢？这个还是有点巧妙的。
实际上加速电场并不是恒定的，而是在以一定的频率调制其幅度，在LHC是400MHz。加速电场随时间有正弦函数的波动。我们控制使质子团的中心进入加速电场的时候，加速电场的加速作用正在增强。那么设想一下，有一些能量高一些的质子运动的快，会比团的中心较早的进入加速电场，这时候加速电场没有那么强，所以它被加速的就少了；而本来能量少落后的的质子，会获得更强的加速电场，它就可以赶上来。最终的效果，就使得质子越来越集中，能量分布也越来越集中在所要的能量上。

今天就到这里吧，也是抽空写了几天的东西了。算第一季，是关于加速器的。
后面还有关于探测器的，ATLAS CMS ALICE LHCb TOTEM等等，课件有了，还要组织几天。

今天就到这里吧，也是抽空写了几天的东西了。算第一季，是关于加速器的。
后面还有关于探测器的，ATLAS CMS ALICE LHCb TOTEM等等，课件有了，还要组织几天。

关于导线长度和载流量，
如果是指载流量万安以上的超导线材，其长度是太阳地球距离的十倍，那不可能。
如果超导线材是细线集束构成，那还差不多。
文中没有说清楚，容易误解以讹传讹。

平行异面 发表于 2010-4-8 19:52

先顶再看,期待第二季

LHC总共的探测器是6个，我也是刚查wiki才注意到的。以前以为的，一般图上也都会标注的4个是ATLAS CMS ALICE LHCb。A Toroidal LHC Apparatus （ATLAS）和Compact Muon Solenoid （CMS）的功能主要是粒子物理，A Large Ion Collider Experiment （ALICE）是重离子对撞探测器，LHC-beauty （LHCb）是研究底夸克和CP破坏的。剩下两个Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation （TOTEM）是测总反应截面用的，Large Hadron Collider forward（LHCf）是测中性π介子的。
对于高能物理来说，主要感兴趣的是ATLAS和CMS。两者的科学目的是一样的，但是两者并不是相同的
两者的第一区别是大小，ATLAS是最大的对撞机上的探测器，是个长46米直径22米的庞然大物；CMS相对苗条点，长20米直径15米。这一个截面图很好的反应了两者的体积对比

不同是因为很多部件上采用了不同的设计，但是作为对撞机的探测器，有些基本的部件都是必不可少的：
最外面的是mu轻子探测器，mu轻子是在粒子谱中比电子重，但其他性质都一样的。因为它是轻子不参加强相互作用，加上相对电子又比较重，所以不大容易被减速吸收，要减速吸收的话需要的距离很长。所以在探测器中都放在最外层。实际上上图中的尺寸就是mu探测器的尺寸。
中间的是calorimetry，这个翻译过来应该叫做量热器，但是这里实际上就是测粒子的能量，叫量能器应该更合适。细分的话还有两层，外面的一层是强子量能器，里面的一层是电子的。
最内的是磁场区域，用来探测粒子的轨迹。带电粒子在这个区域会在径向上偏转，加上沿轴向的速度是螺旋前进。这一段可以用来重建粒子的轨迹，区分粒子的电荷。当然实际上产生这个磁场的电磁铁线圈实际上反而在量能器的外面。


LHC总共的探测器是6个，我也是刚查wiki才注意到的。以前以为的，一般图上也都会标注的4个是ATLAS CMS ALICE LHCb。A Toroidal LHC Apparatus （ATLAS）和Compact Muon Solenoid （CMS）的功能主要是粒子物理，A Large Ion Collider Experiment （ALICE）是重离子对撞探测器，LHC-beauty （LHCb）是研究底夸克和CP破坏的。剩下两个Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation （TOTEM）是测总反应截面用的，Large Hadron Collider forward（LHCf）是测中性π介子的。
对于高能物理来说，主要感兴趣的是ATLAS和CMS。两者的科学目的是一样的，但是两者并不是相同的
两者的第一区别是大小，ATLAS是最大的对撞机上的探测器，是个长46米直径22米的庞然大物；CMS相对苗条点，长20米直径15米。这一个截面图很好的反应了两者的体积对比

不同是因为很多部件上采用了不同的设计，但是作为对撞机的探测器，有些基本的部件都是必不可少的：
最外面的是mu轻子探测器，mu轻子是在粒子谱中比电子重，但其他性质都一样的。因为它是轻子不参加强相互作用，加上相对电子又比较重，所以不大容易被减速吸收，要减速吸收的话需要的距离很长。所以在探测器中都放在最外层。实际上上图中的尺寸就是mu探测器的尺寸。
中间的是calorimetry，这个翻译过来应该叫做量热器，但是这里实际上就是测粒子的能量，叫量能器应该更合适。细分的话还有两层，外面的一层是强子量能器，里面的一层是电子的。
最内的是磁场区域，用来探测粒子的轨迹。带电粒子在这个区域会在径向上偏转，加上沿轴向的速度是螺旋前进。这一段可以用来重建粒子的轨迹，区分粒子的电荷。当然实际上产生这个磁场的电磁铁线圈实际上反而在量能器的外面。