大型粒子对撞机CEPC是由中国科学院高能物理所“预研”的国之重器。自2012年欧洲核子中心（CERN）发现“上帝粒子”——西格斯（Higgs）粒子以来，中国就提出了建造未来环形正负电子对撞机（也称西格斯粒子工厂）；日本积极承建的国际直线对撞机也决定起步能量为西格斯能量。在这个高能物理发展的大背景下，针对实际需求，《高能粒子对撞机加速器物理与设计》旨在服务于我国和世界未来高能粒子对撞机的建设，服务于从事对撞机研究和建设及管理相关人群，本书的出版对对撞机的设计、建造与运行有着十分重要的意义。

《高能粒子对撞机加速器物理与设计》（订购）
高杰 著
上海交通大学出版社

　　内容简介：

　　本书为“十三五”国家重点图书出版规划项目，是国家出版基金项目“核能与核技术出版工程·先进粒子加速器系列”之一。主要内容包括高能粒子对撞机发展历史、高能粒子对撞机及加速器理论基础、高能粒子对撞机及加速器关键物理问题、高能粒子对撞机系统设计理论与方法、高能粒子对撞机的未来发展展望等。本书可供我国和世界未来高能粒子对撞机的设计、研究与建设者参考。对于已经有一定经验的专业研究人员，本书所包含的最新研究成果与方法会成为其在专业上必不可少的高水平的重要参考书之一；对于新进入该领域的读者，本书可以使其很快了解和掌握高能粒子对撞机及加速器相关前沿领域的最新成果，获得理论和实际研究能力的大幅提升。

　　作者简介：

　　高杰  中科院高能物理研究所研究员、博导，中科院“百人计划” 入选者，国家杰出青年入选者，曾在法国国家科研中心直线加速器研究所担任终身研究员职位；长期从事高能粒子对撞机加速器物理与技术，曾在中科院高能物理研究所建成了中国及亚洲第一台微波电子枪系统，建立了一系列国际先进水平的开创性理论及方法，不少方法在国际上都以他的名字命名。任亚洲直线对撞机指导委员会主席，环形正负电子对撞机CEPC机构委员会副主席，CEPC加速器负责人，全国政协委员。

序

    粒子加速器作为国之重器，在科技兴国、创新发展中起着重要作用，已成为人类科技进步和社会经济发展不可或缺的装备。粒子加速器的发展始于人类对原子核的探究。从诞生至今，粒子加速器帮助人类探索物质世界并揭示了一个又一个自然奥秘，因而也被誉为科学发现之引擎，据统计，它对25项诺贝尔物理学奖的工作做出了直接贡献，基于储存环加速器的同步辐射光源还直接支持了5项诺贝尔化学奖的实验工作。不仅如此，粒子加速器还与人类社会发展及大众生活息息相关，因在核分析、辐照、无损检测、放疗和放射性药物等方面优势突出，使其在医疗健康、环境与能源等领域得以广泛应用并发挥着不可替代的重要作用。

　　1919年，英国科学家E.卢瑟福（E. Rutherford）用天然放射性元素放射出来的α粒子轰击氮核，打出了质子，实现了人类历史上第一个人工核反应。这一发现使人们认识到，利用高能量粒子束轰击原子核可以研究原子核的内部结构。随着核物理与粒子物理研究的深入，天然的粒子源已不能满足研究对粒子种类、能量、束流强度等提出的要求，研制人造高能粒子源———粒子加速器成为支撑进一步研究物质结构的重大前沿需求。20世纪20年代初，为将带电粒子加速到高能量，静电加速器、回旋加速器、倍压加速器等应运而生。其中，美国科学家J.D.考克饶夫（J.D. Cockcroft）和爱尔兰科学家E.T.S.瓦耳顿（E.T.S. Walton）成功建造了世界上第一台直流高压加速器；美国科学家R.J.范德格拉夫（R.J. van de Graaff）发明了采用另一种原理产生高压的静电加速器；在瑞典科学家Ｇ．伊辛（G. Ising）和德国科学家R.维德罗（R. Wideroe）分别独立发明漂移管上加高频电压的直线加速器之后，美国科学家E.O.劳伦斯（E.O. Lawrence）研制成功世界上第一台回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素和稳定同位素，因此获得1939年的诺贝尔物理学奖。

　　1945年，美国科学家E.M.麦克米伦（E.M. McMillan）和苏联科学家V.I.韦克斯勒（V.I. Veksler）分别独立发现了自动稳相原理；1950年代初期，美国工程师N.C.克里斯托菲洛斯（N.C. Christofilos）与美国科学家E.D. 库兰特（E.D. Courant）、M.S.利文斯顿（M.S. Livingston）和H.S.施奈德（H.S. Schneider）发现了强聚焦原理。这两个重要原理的发现奠定了现代高能加速器的物理基础。另外，第二次世界大战中发展起来的雷达技术又推动了射频加速的跨越发展。自此，基于高压、射频、磁感应电场加速的各种类型粒子加速器开始蓬勃发展，从直线加速器、环形加速器，到粒子对撞机，成为人类观测微观世界的重要工具，极大地提高了认识世界和改造世界的能力。人类利用电子加速器产生的同步辐射研究物质的内部结构和动态过程，特别是解析原子分子的结构和工作机制，打开了了解微观世界的一扇窗户。

　　人类利用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素，合成了上千种新的人工放射性核素，发现了重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子2012年7月，利用欧洲核子研究中心27公里周长的大型强子对撞机，物理学家发现了希格斯玻色子——“上帝粒子”，让40多年前的基本粒子预言成为现实，又一次展示了粒子加速器在科学研究中的超强力量。比利时物理学家F.恩格勒特（F. Englert）和英国物理学家P.W.希格斯（P.W. Higgs）因预言希格斯玻色子的存在而被授予2013年度的诺贝尔物理学奖。

　　随着粒子加速器的发展，其应用范围不断扩展，除了应用于物理、化学及生物等领域的基础科学研究外，还广泛应用在工农业生产、医疗卫生、环境保护、材料科学、生命科学、国防等各个领域，如辐照电缆、辐射消毒灭菌、高分子材料辐射改性、食品辐照保鲜、辐射育种、生产放射性药物、肿瘤放射治疗与影像诊断等。目前，全球仅作为放疗应用的医用直线加速器就有近２万台。

　　粒子加速器的研制及应用属于典型的高新科技，受到世界各发达国家的高度重视并将其放在国家战略的高度予以优先支持。粒子加速器的研制能力也是衡量一个国家综合科技实力的重要标志。我国的粒子加速器事业起步于20世纪50年代，经过60多年的发展，我国的粒子加速器研究与应用水平已步入国际先进行列。我国各类研究型及应用型加速器不断发展，多个加速器大科学装置和应用平台相继建成，如兰州重离子加速器、北京正负电子对撞机、合肥光源（第二代光源）、北京放射性核束设施、上海光源（第三代光源）、大连相干光源、中国散裂中子源等；还有大量应用型的粒子加速器，包括医用电子直线加速器、质子治疗加速器和碳离子治疗加速器，工业辐照和探伤加速器、集装箱检测加速器等在过去几十年中从无到有、快速发展。另外，我国基于激光等离子体尾场的新原理加速器也取得了令人瞩目的进展，向加速器的小型化目标迈出了重要一步。我国基于加速器的超快电子衍射与超快电镜装置发展迅猛，在刚刚兴起的兆伏特能级超快电子衍射与超快电子透镜相关技术及应用方面不断向前沿冲击。

（上海光源）

　　近年来，面向科学、医学和工业应用的重大需求，我国粒子加速器的研究和装置及平台研制呈现出强劲的发展态势，正在建设中的有上海软Ｘ射线自由电子激光用户装置、上海硬Ｘ射线自由电子激光装置、北京高能光源（第四代光源）、重离子加速器实验装置、北京拍瓦激光加速器装置、兰州碳离子治疗加速器装置、上海和北京及合肥质子治疗加速器装置；此外，在预研关键技术阶段的和提出研制计划的各种加速器装置和平台还有十多个。面对这一发展需求，我国在技术研发和设备制造能力等方面还有待提高，亟需进一步加强技术积累和人才队伍培养。

　　粒子加速器的持续发展、技术突破、人才培养、国际交流都需要学术积累与文化传承。为此，上海交通大学出版社与上海市核学会及国内多家单位的加速器专家与学者沟通、研讨，策划了这套学术丛书———“先进粒子加速器系列”。这套丛书主要面向我国研制、运行和使用粒子加速器的科研人员及研究生，介绍一部分典型粒子加速器的基本原理和关键技术以及发展动态，助力我国粒子加速器的科研创新、技术进步与产业应用。为保证丛书的高品质，我们遴选了长期从事粒子加速器研究和装置研制的科技骨干组成编委会，他们来自中国科学院上海高等研究院、中国科学院上海应用物理研究所、中国科学院近代物理研究所、中国科学院高能物理研究所、中国原子能科学研究院、清华大学、上海交通大学等单位。编委会选取代表性工作作为丛书内容的框架，并召开多次编写会议，讨论大纲内容、样章编写与统稿细节等，旨在打磨一套有实用价值的粒子加速器丛书，为广大科技工作者和产业从业者服务，为决策提供技术支持。

　　科技前行的路上要善于撷英拾萃。“先进粒子加速器系列”力求将我国加速器领域积累的一部分学术精要集中出版，从而凝聚一批我国加速器领域的优秀专家，形成一个互动交流平台，共同为我国加速器与核科技事业的发展提供文献、贡献智慧，成为助推我国粒子加速器这个“大国重器”迈向新高度的“加速器”，为使我国真正成为加速器研制与核科学技术应用的强国尽一份绵薄之力。

2020年6月

来源：上海交通大学出版社