同步加速器

简介

日本高能物理研究所KEK（National Laboratory for High Energy Physics）成立于1971年，是隶属日本文部省的国家实验室，从事高能物理、核物理和加速器技术研究。12 GeV的质子同步加速器是KEK的第一个大型设施，自1976年启用后发挥了重要作用。

1997年4月1日，文部省将KEK与东京大学原子核科学研究所INS（Institute for Nuclear Study）、东京大学理学院附属的介子科学实验室MSL(Muon Science Laboratory）合并，成立了高能加速器研究机构（High Energy Accelerator Research Organization），英文缩写仍沿用KEK。其定位是：发展粒子加速器，并且利用它们，开展粒子物理、核物理和材料功能和结构的研究。进行这一重组的目的是有效利用三个研究所的资源，促进不同领域研究者的紧密合作；增强国际竞争地位。KEK重组后分别成立了粒子物理与核物理研究所以及材料科学研究所。材料科学研究所的科学目标是：利用各种先进的束流，如同步辐射光、中子、介子开展多学科的研究，包括物理学、化学、生物学、医学和农业科学，特别是材料科学的前沿领域。支撑这些研究的大科学装置有同步辐射装置-光子工厂（PF）、脉冲散裂中子装置（KENS）和强介子束装置等。

身为原高能物理研究所教授、基本粒子原子核研究所所长、历任高能加速器研究机构理事、高能加速器研究机名誉教授(2009年1月为特别荣誉教授)的小林诚，在该机构的贝尔实验数据的支持下，得到2008年的诺贝尔物理学奖。

组织架构

由以下四大单位所组成：

基本粒子原子核研究所物质结构科学研究所加速器研究设施：KEK研究活动的根基共通基础研究设施：研究活动的辅助设施

科学装置

质子同步加速器PS 1976年开始运行

质子同步加速器PS（Proton Synchrotron）能量为12 GeV，1976年建成。1977年5 月，利用给泡室提供快引出束流和内部靶给计数器实验提供束流。1978年4 月，利用从质子加速器慢引出的束流开展计数器实验。1992年4月，氘束流被PS加速，成功地用于物理实验。1992年10月，超导谱仪建成开始物理实验。1995年，a束流被PS加速，成功地用于物理实验。1999年3月，开始K2K长基线中微子实验。2006年停止运行，之后实验转移至位于该茨城县东海村的J-PARC（2008启用）中心进行。

脉冲散裂中子装置KENS 1980年开始运行

KEK的散裂中子源KENS 1980年开始向国内外科学家开放，它作为日本的中子科学研究中心发挥了重要的作用，每年提交的实验课题申请超过100份，在生物、化学、凝聚态物理、核物理等领域取得了丰硕的研究成果。

光子工厂PF 1983年开始运行

光子工厂PF（Photon Factory）是日本的第一个大型专用同步辐射装置，储存环周长187米，能量为2.5 GeV，1983年建成。有21条光束线对外开放，包括从插入件引出的6条光束线和弯转磁铁引出的15条光束线。PF可为物理、化学、生物学和医学科学领域里的科学家提供高亮度的X射线和紫外线光。

为获得更低的束流发射度，PF储存环于1997年进行了大规模的改造，束流的发射度从130降到36 nm*rad，可提供亮度更高的同步辐射光。

可转移对撞型储存环加速器TRISTAN 1986年开始运行

1986年建成的可转移对撞型储存环加速器TRISTAN（Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon）耗资870亿日元，费时5年。其主要目标之一在于寻找顶夸克，但顶夸克的质量远大于原先理论学家的预期，超过此加速器的原始设计，科学目标无法实现，最后顶夸克在美国费米实验室的加速器中发现。1984年TRISTAN建造成功，1995年停止运行。

非对称正负电子对撞机KEKB（B介子工厂）1998年开始运行

非对称正负电子对撞机KEKB 为周长3公里的圆形对撞加速器。由8 GeV能量的电子与3.5GeV能量的正电子对撞，产生大量的B介子和反B介子，因此也称为B介子工厂。KEKB 沿用了TRISTAN的地下隧道，耗资380亿日元进行偏转聚焦磁铁、束流管与超导高频加速空腔(Cavity)的升级改装工作，1998年开始运行。

KEKB每年产生约1亿个B介子?反B介子衰变的事例，由位于对撞点的Belle探测器来进行分析。Belle实验组由13个国家、53个研究单位、约300位研究人员组成，进行CP破坏（粒子与反粒子性质的不同）的研究，对于目前宇宙中反物质消失的一大谜团，CP破坏是相当重要的一大关键，而在B介子衰变的系统下，理论学家预期可以观察到很大的CP破坏的现象，Belle 实验受到世界瞩目。

加速器试验装置ATF 1997年开始运行

加速器试验装置ATF（Accelerator Test Facility）是KEK用于研究直线对撞机等未来加速器上所需的高稳定性、超平行电子束生成的试验装置。1997年开始运行，能量为1.28 GeV。ATF 成功地产生了平行度为以前的加速器约100倍的超平行电子束，在纳米水平上稳定地对电子束的位置进行控制的研究被称为 ATF2，它的计划、设计、建造将在10个国家、27个研究机构形成的国际联合力量下进行。

光子工厂先进环PF-AR 2002年开始运行

光子工厂先进环PF-AR（Photon Factory advanced ring）原为TRISTAN正负电子对撞机的增强器，后用作专用同步辐射光源，电子束流能量为6.5 GeV。来自直线加速器加速的部分电子注入两个储存环（PF和AR），所产生的同步光用于开展大量的实验，其研究领域涉及物理、化学、生物等多个学科。PF-AR于1999年起进行改进，包括提高环的真空度增加束流寿命；增加束流位置监视器和导向磁铁，稳定束流轨道和建造更多的波荡器束流线。2001年，改进工作完成，2002年1月8 日开始调试，PF-AR现有7条光束线。

共建质子同步加速器J-PARC 2009年开始运行

质子同步加速器J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex）由KEK与日本原子能研究所JAERI（Japan Atomic Energy Research Institute）联合建造。其起因是KEK提出了一个建造强子加速器JHF（Japan Housing Finance Agency）的建议，而JAERI提出了建造高功率散裂中子源的建议。这两个建议的共同目标是获得高功率的质子束流，因此日本政府将这两个项目合并成一个联合项目，装置建在JAERI的东洋场址。J-PARC由400 MeV直线加速器、3GeV同步加速器和50GeV同步加速器构成。3GeV加速器具有中子源和μ介子源的物质、生命科学实验设备。50GeV同步加速器发出的质子束注入到核物理及粒子物理实验设备和中微子实验设备（利用300公里外的超级神冈作为探测器开展中微子震荡实验）。J-PARC于2001年4月开始建设，2009年1月正式启用。

发展态势

KEK近期主要的科研活动包括：在B工厂继续做出具有世界水准的物理研究工作，积极推进J-PARC散裂中子源和质子加速器的调试运行，加强光子工厂在生命科学领域的应用研究，国际直线对撞机相关技术的研发。KEK中长期的发展方向包括：将B介子工厂升级为超级B介子工厂，能量回收直线加速器的技术研发，国际直线对撞机相关的技术研发以及测试装置，将包括50GeV质子加速器、3GeV散裂中子源等在内的J-PARC综合研究设施建成世界级的轻子、中子物理研究基地。

综上所述，日本大型科研基地的形成，采用了强强联合的模式，1983年KEK建成日本第一个大型同步辐射装置PF时还没有自己的多学科研究部门。1997年与核科学研究所（INS）、东京大学介子科学实验室（MSL）合并后集中了三个研究所的资源，促进了多学科领域科学研究的紧密合作。逐步建设起来的多个大科学装置有力地支撑了多学科研究的发展，KEK成为开展高能物理研究、核科学研究和其它多学科研究的大型综合性研究基地。

2001年，KEK跨地域与日本原子能研究所JAERI联合建造大型质子同步加速器J-PARC。这次的强强联合，是日本拥有了探索宇宙形成和粒子微观物质结构的基础研究装置，J-PARC成为国际上最重要的大型质子加速器之一，其涉及的研究领域非常广泛，包括核物理、粒子物理、凝聚态物理、材料科学和结构生物学等，对提升日本在国际上的科技竞争力起到了重要的作用。

而日本原子能研究所JAERI在2005年10月又与日本核燃料循环开发机构JNC（Japan Nuclear Cycle Development Institute）合并成为日本原子能研究开发机构JEAE，成为日本最主要的大型综合核研发机构，拥有10个研究设施，每年经费预算约1610亿日元（17亿美元），仅2006年就获得了日本政府2004亿日元的预算拨款。JEAE的研究范围包括了研究堆、试验堆、聚变、基本粒子研究等广泛的领域，并参加了国际热核试验堆计划ITER。

值得注意的是KEK本身位于日本的筑波科学城。筑波科学城位于东京东北约60公里处（距成田国际机场40公里），占地面积2700多公顷，如加上环绕外围的技术园区共占地达258.5平方公里。筑波科学城1958年开始规划，1968年开始建设，目前已有几十个国家研究所（约占日本40%的主要科研机构）、部分私人研究所和筑波大学等在此集聚，从事科学研究的总人数已达2.2万人，国家研究机构全部预算的5O%左右投资在这里，lO多年来，已投下的巨资达两万多亿日元。筑波科学城设有宇宙研究中心，拥有最先进的质子加速器；工业试验研究中心，包括工业技术院的9个研究所；农业科研实验中心；研究人类的灵长类试验站；高空气象台等，为日本利用西方科技振兴本国经济立下了汗马功劳，现已成为日本最大的科学中心和知识中心，是日本在先进科学技术方面敢于向美国等大国挑战的重要支柱，其发展前景不可低估。