质子在粒子物理、辐射物理、材料科学、能源革命、生命科学等领域具有广泛的应用。《应用质子物理学导论》重点介绍与质子应用相关的物理基础，主要包括质子基本性质，太阳质子聚变反应，宇宙射线和空间辐射环境质子的起源、特点与参数，质子加速技术，高功率质子束产生与加速技术，质子与物质的相互作用，以及质子在物质中输运的计算方法等。

目录
丛书序
前言
第1章 质子性质及特点 1
1.1 质子基本性质 1
1.1.1 质子常用参数 1
1.1.2 质子基本特征 5
1.1.3 质子寿命 6
1.1.4 质子及元素的起源 7
1.1.5 质子研究的历史 9
1.1.6 质子研究的意义 9
1.2 质子与中子的性质比较 10
1.2.1 中子的性质特点 10
1.2.2 中子基本参数 11
1.2.3 质子转变为中子态 12
1.2.4 中子衰变为质子 12
1.2.5 中子与质子在元素起源中地位 13
1.2.6 质子与中子核反应比较 13
1.3 质子与氘核及氚核性质的比较 14
1.3.1 氢同位素的主要参数 14
1.3.2 氢同位素的来源及主要核反应 15
1.3.3 氚的主要核辐射特性 16
1.4 质子和双质子放射性 17
1.5 反质子与反中子 17
参考文献 19
第2章 太阳质子聚变反应与宇宙射线及空间辐射环境质子 20
2.1 太阳质子聚变反应 20
2.1.1 太阳物理参数 20
2.1.2 质子链反应及与轻核聚变反应道及放能 23
2.1.3 质子链反应及与轻核聚变反应截面 30
2.1.4 质子链反应及与轻核聚变反应率 33
2.1.5 太阳质子-质子链反应相关物理过程 36
2.1.6 太阳形成过程及寿命 37
2.1.7 太阳内部辐射输运过程 38
2.1.8 太阳辐射 39
2.2 太阳活动与太阳宇宙射线质子的起源 43
2.2.1 太阳磁场 43
2.2.2 光球层的黑子 45
2.2.3 太阳色球层耀斑辐射 55
2.2.4 磁重联与太阳耀斑 65
2.2.5 日珥、暗条与日珥爆发 70
2.2.6 日冕物质抛射 72
2.2.7 日冕物质抛射与太阳活动现象的相关性 78
2.2.8 太阳高能粒子与日冕物质抛射的关系 79
2.2.9 日冕层的太阳风 79
2.2.10 太阳质子辐射起源的现象学及参数 82
2.3 空间环境中的质子 83
2.3.1 太阳质子事件对空间环境的影响 84
2.3.2 太阳风质子对空间环境的影响 87
2.3.3 太阳风暴质子加速过程及在日地空间的传播 88
2.3.4 太阳高能粒子事件的衰减 90
2.3.5 银河宇宙射线特点 91
2.3.6 太阳宇宙射线特点 93
2.3.7 范艾伦辐射带 96
2.3.8 南大西洋异常区 100
2.3.9 空间辐射环境及其特征 102
2.3.10 高能宇宙射线粒子的加速机制 111
2.4 大气和地面环境中的质子及次级产物 112
2.4.1 大气环境质子来源 112
2.4.2 大气辐射环境模型 113
2.4.3 大气环境质子能量通量分布 114
2.4.4 质子核反应产生的中子 116
2.4.5 质子核反应产生的重离子 118
2.5 宇宙射线质子对人类活动的影响 119
2.5.1 引言 119
2.5.2 对信息化装备的影响 120
2.5.3 对卫星与航天器的影响 121
2.5.4 对宇航员和飞机乘员的影响 124
2.5.5 引起地磁暴 125
2.5.6 对电离层与无线通信及导航系统的影响 127
2.5.7 对电力系统的影响 129
2.5.8 对高层大气及卫星轨道和寿命的影响 129
2.5.9 对平流层和对流层及人类生存环境的影响 130
2.5.10 人类针对宇宙射线质子的应对策略 131
2.6 超强质子事件的观测记录及其影响 133
2.6.1 超强质子事件的观测记录 133
2.6.2 1859 年9月卡林顿事件 138
2.6.3 1989 年3月太阳风暴——魁北克省大停电事件 142
2.6.4 1990～1991年干扰风云一号卫星的单粒子事件 145
2.6.5 1991 年3月磁暴事件 145
2.6.6 1997 年1月破坏同步轨道通信卫星的太阳风暴事件 146
2.6.7 2000 年7月太阳质子事件 146
2.6.8 2003 年10月至11月太阳风暴 147
2.6.9 第25个太阳活动周期 153
参考文献 157
第3章 质子加速器技术 162
3.1 国内外质子加速器简述 162
3.1.1 国外质子加速器研制与发展历程 162
3.1.2 国内质子加速器研制与发展历程 172
3.1.3 国内主要质子重离子加速器 173
3.2 质子加速器类型特点 195
3.2.1 主要质子加速器类型特点 195
3.2.2 质子加速器的主要技术路线概述 196
3.3 低能质子加速器RFQ 197
3.3.1 基本原理 197
3.3.2 RFQ近轴区的电场 198
3.3.3 带电粒子在RFQ中的运动 199
3.3.4 RFQ的设计 200
3.3.5 空间电荷效应与束晕 201
3.3.6 RFQ加速器的适用范围、特点及发展情况 205
3.4 质子直线加速器 206
3.4.1 质子直线加速器原理 206
3.4.2 质子直线加速器设计案例 207
3.4.3 高能强流质子直线加速器研制面临的难点 208
3.5 质子回旋加速器 209
3.5.1 质子回旋加速器原理 209
3.5.2 质子回旋加速器设计案例 209
3.5.3 质子回旋同步加速器 212
3.5.4 超导回旋加速器 213
3.6 质子环形同步加速器 214
3.6.1 典型质子环形同步加速器主要组成 214
3.6.2 质子环形同步加速器参数 215
参考文献 217
第4章 高功率质子束产生与加速技术 220
4.1 高功率质子束产生理论基础 220
4.1.1 高功率质子束加速器产生的质子能量和束流强度 220
4.1.2 高功率质子(离子)束二极管工作原理 223
4.1.3 阴阳极等离子体形成发展及质子源形成 228
4.1.4 脉冲功率加速器的正极性工作模式 232
4.1.5 高功率质子束二极管束流物理数值模拟技术 238
4.2 高功率质子束产生技术 242
4.2.1 自箍缩二极管产生高功率质子束 242
4.2.2 阴阳极等离子体运动对二极管束流特性的影响 245
4.2.3 提高质子束流强度和产生效率的技术 251
4.3 “闪光二号”加速器产生的高功率质子束 254
4.3.1 “闪光二号”加速器的主要组成结构 254
4.3.2 高功率质子束二极管结构 254
4.3.3 高功率质子束产生实验研究 255
4.3.4 实验质子束流强度与理论计算结果的比较 258
参考文献 258
第5章 质子在物质中输运的计算方法 260
5.1 质子与物质的相互作用 260
5.1.1 电离与激发 261
5.1.2 弹性碰撞与非弹性碰撞 261
5.1.3 质子核反应 262
5.1.4 辐照位移损伤 262
5.1.5 溅射 262
5.1.6 氢鼓泡 263
5.1.7 碰撞产生声子 264
5.2 质子在物质中的阻止本领计算方法 265
5.2.1 质子在物质中的线性能量传输值 265
5.2.2 Ziegler拟合公式 266
5.2.3 质子在物质中的核阻止本领及总阻止本领 267
5.3 质子核反应产生带电粒子的阻止本领计算方法 267
参考文献 269
附录A 常用核素质量 271

第1章 质子性质及特点
　　1.1 质子基本性质
　　1.1.1 质子常用参数
　　质子(proton)是一种带正电荷的亚原子粒子，是构成原子核的粒子之一，也是宇宙射线的主要成分，是氢*常见与*轻的同位素1H的原子核。质子通常用符号p、p？或H？表示。质子的英文proton由希腊文中的“**”演化而来。质子组成了*简单的原子核，即氢原子核。原子核中的质子数等于对应元素的原子序数，也决定了其所属的化学元素，还决定了中性原子的核外电子数，从而间接决定了其核外电子排布结构和化学性质。
　　质子的常用参数包括质子的质量、电荷、半径、自旋、电四极矩、宇称、波性、寿命、稳定性等。
　　根据国际科学理事会数据委员会(CODATA)2018年**的基本物理常数，质子静止质量m？=1.67262192369(51)×10？2？kg，这个数值的意义是质子静止质量(通常所说的质子质量是指质子静止质量)的*佳估计值是1.67262192369×10？2？kg，其*后两位数字69的标准不确定度是±51，因此，质子质量的值约有68%的概率落在(1.67262192318～1.67262192420)×10？2？kg。用原子质量单位u(1u=1.660538921 (73)×10？2？kg)和能量单位MeV(1MeV=1.602176634×10？13J)表示的质子质量约是m？=1.00727647u=938.272310MeV c？2，其中c为真空中光速，其精确值为299792458m s？1。
　　质子质量大约是电子质量的1836.15267343(11)倍，其中电子质量m？=9.1093837015(28)×10？31kg。
　　质子由基本粒子夸克构成，带有+1元电荷。电荷不是一个个的，而是电量的一种描述方法，元电荷指一个质子的电荷，电量为+1.602176634×10？1？C，该值与电子电荷绝对值相同，是一个精确量。质子的正电荷由质心至边缘呈指数递减分布，离质心越远，密度越低。常用电荷半径表述质子的大小，质子的电荷半径约为0.8482(38)×10？1？m，即可以认为质子直径为(1.6～1.7)×10？1？m。
　　质子是自旋量子数为1/2的费米子，宇称为正(偶宇称，+1)。质子的磁矩μ？=+1.41060761×10？2？J T？1，不确定度为4.7×10？33，用核磁子表示为μ？=+2.792847386(63)μ_N，不确定度为6.3×10？？，其中+表示质子的磁矩方向与自旋相同；μ_N=e？/(2m？)，称为核磁子，为核磁矩单位，e为电子电荷绝对值，？为约化普朗克常数，m？为质子质量。
　　随着人类对物质世界探索能力的增强，人们对质子相关参数的认知水平也不断提升。质子静止质量和静止能量在不同文献中的差异(表1.1)就体现了这些变化，这些差异多数是因为不同文献的参数值取自不同时期的**值。例如，《辞海：缩印本(第七版)》基本常数表中，根据国际科学理事会数据委员会(CODATA)2014年资料，质子静止质量m？=1.672621898×10？2？kg；《中国大百科全书(第二版)》中，质子静止质量m？=1.67262158(13)×10？2？kg；《物理学词典》附录三中，m？=1.6726231×10？2？±1.0×10？33kg；《中国大百科全书(第三版)》(网络版)基本物理常数条目中，CODATA 2018年**值m？=1.67262192369(51)×10？2？kg。
　　综上所述，目前质子静止质量采用**值m？=1.67262192369(51)×10？2？kg。
　　表1.2是质子与中子性质参数，由于中子与质子的很多参数值近似，作为对比，表中也列出了中子与质子相对应的参数。表1.3是质子作用力、半衰期、寿命与中子比较。
　　在物理学研究中，经常用到质子的能量、速度、温度、飞行时间、在磁场中的偏转半径以及运动时的相对质量等参数，表1.4列出了不同能量时的质子参数，表中β是质子相对速度，为质子速度v与光速c之比，即v/c。此处，质子能量是指质子的动能，不包含质子的静止能量。不特别指出时，本书中粒子能量通常是指粒子的动能。从表中可以看出，质子能量很高时，质子速度接近光速，加速器对质子进一步加速时，质子速度增加缓慢，质子质量和能量增加明显，因而，高能加速器称为加能器或加质量器更合适。
　　1.1.2 质子基本特征
　　高能电子、μ子或中微子轰击质子的散射实验结果表明，质子不是点粒子，质子的电荷和磁矩具有一定的结构和空间分布。目前认为质子是夸克通过胶子在强相互作用下结合成的基态(*低能态)重子，由三个价夸克(两个+2/3电荷的上夸克和一个-1/3电荷的下夸克)、胶子与短暂存在的海夸克对组成。夸克带有电荷，质子内部的夸克电荷分布成球状。质子是复合粒子，按粒子物理学的标准模型理论，质子不再被列入基本粒子的家族中。
　　质子与质子间，除了电磁相互作用，还有比电磁相互作用强得多的核力。核力是核子结合成原子核的主要作用力。质子和质子、质子和中子以及中子和中子之间的核力是相同的，核力与核子所带电荷近似无关，这表明中子与质子可以看成同一种粒子的两种不同电荷状态，这一性质可以用同位旋概念来描述，即质子和中子是同位旋I相同、同位旋第三分量I？不同的两种状态，中子的I？为-1/2，质子的I？为+1/2，具有对称性。原子核的同位旋可由质子和中子的同位旋“合成”得到。
　　氢原子*常见的同位素氕的原子核由一个质子构成，其他原子的原子核则由质子和中子在强相互作用下构成。原子质量约等于质子质量与中子质量之和，原子核电荷数等于核内质子数，也等于核外电子数。
　　在核物理和粒子物理实验研究中，质子常被用来加速到某一能量后轰击其他粒子，实验结果为人类认识原子核结构提供了极其重要的数据。质子核反应还用来制造同位素或人造元素。利用质子自旋的核磁共振技术可以测试分子结构，用于医学诊断等领域。
　　质子皮是指在原子核的*外层存在一个由质子形成的皮层，在此皮层中质子密度远高于中子密度。
　　1.1.3 质子寿命
　　关于质子寿命问题，目前有两种观点，**种观点认为质子是一种稳定的、不衰变的粒子；第二种观点认为质子可能衰变，只不过其寿命非常长。自由质子在自然界中很常见，如宇宙射线质子和溶液中的氢离子(H？)，但在水溶液中，H？并不以“游离质子”形式存在，它会与水分子结合，形成H？的水合形式，*常见的是H？O？，根据酸碱质子理论，可以在水溶液中提供质子的物质一般称为酸，可以在水溶液中吸收质子的物质一般称为碱。常见的酸性溶液包含大量的氢离子(以H？O？的形式存在)，许多碱性溶液则包含大量的氢氧根离子(OH？)。质子在化学和生物化学中具有重要作用，水中的氢离子绝大多数是水合质子。在宇宙星系中，大部分物质以氢离子(质子)和电子组成的等离子体态存在。如果自由质子能够像自由中子一样发生衰变，那么宇宙星系和实验室里的酸碱溶液都将不能稳定存在。原子核内部的质子或自由质子都相当稳定，在原子核内部，中子很稳定，但是自由中子却很不稳定，其寿命约为15min，自由中子可以衰变为一个质子、一个电子和一个正电子中微子ν？，该过程中重子数、电荷、电子轻子数、能量(质量)是守恒的。质子是迄今为止发现的重子数为1的*轻的粒子。虽然质子也有夸克组成的层次结构，但是重子数守恒保证了它不能衰变为更小的粒子。
　　根据乔治(Georgi)和格拉肖(Glashow)提出的大统一理论预言，质子寿命应为τ=4.5×102？±1 ？a，比宇宙年龄高约19个量级。大统一理论认为轻子和夸克可以直接耦合，即在101？GeV能区，轻子和夸克实际上是同类粒子，可以相互转化，轻子数和重子数不再分别守恒，而应该统一考虑(B-L守恒)。这时，夸克可以通过发射一种X粒子直接衰变成轻子(q——→X+l)，这就意味着质子在这个能区可以衰变。X粒子能量为101？GeV，估算出质子寿命是1031a量级。虽然这个寿命很长，但还是可以实验测量的。例如，用边长20m的立方体容器装满水，其质子数可以达到1033，这样可以期望每天约有一个质子发生衰变。但是，经过大量实验，并没有观测到质