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[拼音]：lizi jiasuqi
[英文]：particle accelerator
一種用人工方法產生快速帶電粒子束的裝置。它利用一定形態的電磁場將電子、質子或重離子等帶電粒子加速，能提供速度高達幾千、幾萬乃至接近三十萬千米每秒（真空中的光速）的各種高能量的帶電粒子束，是人們變革原子核和“基本”粒子、認識物質深層結構的重要工具；在工農業生產、醫療衛生、科學技術、國防建設等各個方面也都有重要而廣泛的應用。
歷史
1919年，E.盧瑟福用天然放射源實現了第一個原子核反應，不久，人們就提出了用人造快速粒子源來變革原子核的設想。1928年G.伽莫夫關於量子隧道效應的計算表明，能量遠低於天然α射線的粒子，也可透入核內，這就進一步激發了人們研製人造快速粒子源的熱情。20年代中，探討過許多加速帶電粒子的方案，進行過許多試驗。30年代初，高壓倍加器、迴旋加速器、靜電加速器相繼問世。1932年J.D.考克饒夫和E.T.S.瓦耳頓用他們建造的700kV高壓倍加器加速質子，實現了第一個由人工加速的粒子束引起的核反應，Li(p，α)He。同年E.O.勞倫斯等發明的迴旋加速器（見彩圖）開始執行。幾年之後他們通過人工加速的p、d和α等粒子轟擊靶核得到高強度的中子束，還首次製成了24Na、32P、131I等醫用同位素。這幾位研製加速器的先驅者後來分別獲得了諾貝爾物理學獎。同一期間R.J.範德格喇夫建立了靜電加速器，它的能量均勻度高，被譽為核結構研究的精密工具。第一批粒子加速器的執行顯示了人工方法產生快速粒子束的巨大優越性：不僅其強度遠高於放射性元素、宇宙線等天然快速粒子源，而且粒子的品種、能量以及粒子束的方向等都可任意選擇、精確調節。以後的幾十年間，隨著人們對微觀物質世界深層結構研究的不斷深入，各個科學技術領域對各種快速粒子束的需要不斷增長，提出了多種新的加速原理和方法，發展了具有各種特色的加速器。1940年D.W.克斯特製成了利用電磁感應產生的渦旋電場加速電子到高能量的電子感應加速器；1945年Β.И.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自獨立提出了諧振加速的自動穩相原理，為高能加速器的發展開闢了道路；40年代中期在第二次世界大戰期間發展起來的高頻、微波技術基礎上，L.W.阿耳瓦雷茨和W.W.漢森分別製成了第一臺質子駐波直線加速器和電子行波直線加速器，為直線加速器的發展奠定了基礎;50年代初M.S.利文斯頓、E.D.庫朗等提出了強聚焦加速器原理，大大縮減了加速器的尺寸，在此基礎上誕生了強聚焦的高能加速器以及扇形聚焦迴旋加速器；1956年克斯特提出了通過高能粒子束間的對撞來提高有效作用能的概念，導致了高能對撞機的發展。現在，對撞機已成為獲得粒子之間最高有效作用能的主要手段。由於這一系列的發展和成就，半個世紀以來粒子加速器的能量增長率約為每十年一個數量級以上，而單位能量的造價則大致以十年一個數量級的速率下降。60年代後期以來，在尋求超重核，發展重離子核物理的推動下，發展了加速重離子的技術和能力，並形成了自成一族的重離子加速器，使加速粒子的品種自初期的少數輕離子發展到元素週期表上全部天然元素的離子。
幾十年來，人們應用粒子加速器發現了絕大部分新的超鈾元素和合成的上千種新的人工放射性核素，並系統深入地研究原子核的基本結構及其變化規律，促使原子核物理學迅速地發展成熟起來；高能加速器的發展又使人們得以發現上百種“基本”粒子包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子，並建立起粒子物理學這樣一門新學科。近20多年來，加速器的應用已經遠遠超出了原子核科學和粒子物理的領域，在諸如材料科學、表面物理學、分子生物學、光化學等其他科技領域都有著重要應用。在工、農、醫各個領域中加速器廣泛地用於同位素生產、腫瘤診斷與治療、射線消毒、無損探傷、高分子輻照聚合、材料輻照改性、離子注入、離子束微量分析以及空間輻射模擬、核爆炸模擬等方面。迄今世界各地建造了數以千計的粒子加速器，其中一小部分用於原子核和粒子物理的基礎研究，它們繼續向提高能量和改善束流品質方向發展；其餘絕大部分都屬於以應用粒子射線技術為主的“小”加速器。它們之中有相當一部分已由實驗室研製轉為工業批量生產。
中國粒子加速器的發展始於50年代末期，腰a href='http://www.baiven.com/baike/224/265006.html' target='_blank' >嚴群笱兄坪蛻爍哐貢都悠鰲⒕駁緙鈾倨鰲⒌繾癰杏鈾倨鰲⒌繾雍橢首又畢嘸鈾倨鰲⒒匭鈾倨韉燃鈾倨鰨⒋郵賂唚薌鈾倨鰲⒅乩胱蛹鈾倨骱屯椒浼鈾倨韉難兄啤＃釋跡?/p>
結構
粒子加速器有三個基本組成部分（見圖）
（1）粒子源，如電子槍、離子源、極化粒子源等，用以提供所需加速的各種粒子；
（2）真空加速系統，一個裝有加速結構的真空室，如加速管、加速腔等，用以向粒子施加一定形態的加速電場，並使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速；
（3）導引、聚焦系統，包括電磁透鏡、主導磁場等，應用一定形態的電磁場來引導並約束被加速的粒子束，使之沿預定軌道接受電場加速。
多數加速器還設有由若干彎轉磁鐵和電磁四極透鏡等組成的束流輸運系統，用以在源和加速器之間、加速器和靶之間，或當多個加速器串接工作時，在加速器之間輸運所需的粒子束。此外，為了保證加速器的穩定執行，通常還設有電磁場的穩定控制裝置，束流診斷和監測裝置以及各種供電和操作裝置。
粒子加速器的效能通常以粒子所達到的能量來表徵。粒子能量在100 MeV以下的稱為低能加速器，能量在0.1～1GeV間的稱中能加速器，能量高於1 GeV的稱高能加速器。按照被加速粒子的品種，加速器可分為電子加速器、質子加速器和重離子加速器等。電子的質量很小，在較低的能量（約2 MeV）就接近光速，而質子和重離子則要在很高能量(每核子2 GeV以上)其速度才能接近光速。因此，加速不同粒子品種的加速器，往往在結構上有相當大的差異。由加速器直接加速出來的快速粒子同物質相互作用還可產生γ光子、中子或介子等有用的次級粒子束。因而有些加速器就以其產生的高強度次級粒子命名，如“光子工廠”、“強中子發生器”、“介子工廠”等。
粒子加速器，按照加速電場和粒子軌道的形態，大體上可分為四大類：直流高壓式加速器、電磁感應式加速器、直線諧振式加速器和迴旋諧振式加速器。它們各自都有適於工作的粒子品種、能量範圍以及效能特色。幾十年來，它們各自在同其他型別的競爭中不斷地發展、完善、更新。在應用中有時它們互相補充。近年來，大中型的粒子加速器（如重離子加速器和高能加速器等）往往採用多種加速器的串接組合：例如由直流高壓型加速器作預加速器，注入直線諧振式加速器加速至中間能量，再注入迴旋諧振式加速器加速至終能量。這樣的系統有利於發揮每一類加速器的效率和特色。
直流高壓式加速器
這類加速器將直流高電壓加在一對或一系列串接的加速電極上，帶電粒子通過電極間的間隙時，受到高壓電場的加速，得到同該電壓相當的能量。按直流高壓電源的不同形式，這種加速器又可分為倍壓電路加速器和靜電加速器兩類。
倍壓電路加速器
有高壓倍加器（亦稱串激倍壓整流器，或考克饒夫—瓦耳頓發生器），“地那米”加速器（又稱並激高頻高壓發生器）、馬克思脈衝倍壓發生器、絕緣芯變壓器等。這些裝置適宜於產生幾十千伏至幾兆伏的高電壓，並可提供較高的束流功率。大多數高壓倍加器的電壓在100～600kV之間，主要用作產生(d，d)或(d， t)反應的中子發生器和研製半導體器件的離子注入機；電壓在1～4MV的“地那米”和絕緣芯變壓器主要用來加速大功率的電子束（數十毫安）供輻照加工之用。馬克思脈衝倍壓發生器用來產生強度達數十千安的脈衝電子束。
靜電加速器
又稱範德格喇夫加速器，它通過輸電帶或輸電鏈向空心金屬電極不斷輸送電荷，使之充電至高電壓用以加速粒子。整個加速器裝在密閉的高氣壓容器之中，典型的工作電壓為2～10 MV，加速的粒子流可達數十至數百微安。多數離子靜電加速器用於中子反應截面測量、離子束微量分析以及原子和分子物理方面的研究，電子靜電加速器則用於輻照加工、消毒等方面。為了進一步提高粒子的能量，1953年發明了一種使粒子得到二次加速的串列靜電加速器，它先將帶負電的離子由地電勢向正高壓電極加速，接著在電極內通過電子剝離器將負離子轉變成正離子，再由同一高電壓對離子進行第二次加速。用這樣的方法可使質子的能量提高一倍。如把高壓極性相反的兩個串列式加速器串聯在一起，能量還可更高。巨型的串列式加速器，如美國橡樹嶺國家實驗室的25 URC和英國達爾士布萊的NSF加速器，其加速電壓在25 MV以上，主要用於核物理基礎研究。近年來，生產了一批電壓1～2 MV的小型串列式加速器，它們在元素痕量分析等方面有著廣泛的用途。
直流高壓型加速器的共同特點是可加速任意一種帶電粒子，且能量可以平滑調節。但是這類加速器的能量直流受材料擊穿電壓的限制，不能太高。為了加速粒子至更高能量，發展了電磁感應式和諧振式的加速器。
電磁感應式加速器
利用交變磁場所感生的渦旋電場加速帶電粒子的加速，包括常見的電子感應加速器和研製中的離子直線感應加速器。前者利用具有特殊分佈的軸對稱交變磁場導引電子沿著恆定半徑的圓形軌道旋轉。同時由該磁場感生的渦旋電場則使電子加速至高能量。典型的電子感應加速器能量在25 MeV左右。加速過程中，電子要旋轉一百萬圈以上。電子感應加速器的流強較低，通常不超過0.5μA。由此產生的軔致輻射，離靶1m處約10-2～1Gy/min。它主要用於金屬構件的無損探傷、腫瘤的輻照治療等。美國伊利諾伊大學曾建成能量達300 MeV的電子感應加速器。由於圓形軌道的感應加速器不適宜於加速離子，近年來提出了直線式的感應加速器，計劃用以加速10 kA的重離子流，目前尚處於研製階段。
直線諧振式加速器
粒子在高頻電場作用下沿直線形軌道加速的加速器。為了使粒子在不太長的距離內加速到終能量，高頻電場的振幅通常為1～10MV/m。為此需要使用功率水平很高的高頻、微波電源來激勵加速腔。這樣的功率源物往往只能在脈衝狀態下工作。
電子直線加速器多數是行波直線加速器，它利用傳播速度與電子運動同步的行波電場加速電子。考慮到加速過程中電子速度很快趨近於光速，常用中心帶孔的盤形金屬障板系統（盤荷波導結構）來慢化柱形波導中的電磁波，使其相速適合於加速電子的要求。低能電子直線加速器的束流功率較高，在醫療和工業輻照方面用途極為廣泛，這些加速器的能量一般在4～30 MeV間，平均流強數百微安，微波電源的工作頻率約為3 000MHz。中能的電子直線加速器多數用作電子同步加速器的注入器。高能的電子直線加速器在粒子物理研究中佔有重要地位。
加速離子的直線加速器與電子的很不相同，因為離子的速度小得多，如仍使用盤荷波導，腔的高頻損耗太大。大多數質子直線加速器採用帶漂移管的駐波腔加速。在這種腔裡，電場處於加速方向時，質子穿越漂移管間的加速電間隙，獲得能量；電場反向時，質子處於漂移管中，不受減速電場作用。隨著粒子能量增高漂移管的長度按比例增長以保證每次質子到達加速電間隙時，電場總處在加速的相位。漂移管內一般裝有磁四極透鏡用以保證粒子束的聚焦。多數質子直線加速器用作高能加速器的注入器，能量在50～200 MeV間，脈衝流強數百毫安。
重離子同樣可在帶漂移管的駐波腔中加速，但工作頻率一般在 70MHz以下。重離子先由幾百千伏的高壓加速器注入到駐波腔，加速至每核子1MeV左右，再進行電子剝離，使電荷態增高2～4倍，然後把重離子加速至終能量。
直線加速器的主要優點是加速粒子的束流強度高，且其能量可以逐節增加，不受限制。缺點是高頻執行的功率消耗大，裝置投資高。近年來發展了多種低溫超導直線加速結構。超導的直線加速器（見超導加速器）可使執行費用降低3～5倍，原則上可以連續提供粒子束團。
迴旋諧振式加速器
應用高頻電場加速粒子的一種圓弧軌道加速器。這類加速器中的粒子在導引磁場控制下回旋運動，反覆通過加速電場區，得到多次加速，直至達到額定能量。迴旋諧振式加速器可分二類。第一類中磁場不隨時間而變，加速粒子的曲率半徑隨能量的增加而不斷增加。經典迴旋加速器、扇形聚焦迴旋加速器、同步迴旋加速器和電子迴旋加速器都屬此類。另一類中，導引磁場的強度隨粒子的動量同步增加，但粒子的曲率半徑保持恆定。如電子同步加速器和質子同步加速器都屬此類。上述各加速器中，除扇形聚焦迴旋加速器外，都存在著自動穩相的現象。
迴旋加速器
經典的迴旋加速器有一個產生均勻磁場的磁鐵，和一對空心的“D”形高頻電極。電極間加有頻率固定的高頻加速電場。粒子能量低時，其迴旋頻率同高頻電場諧振，它們每轉半圈就得到一次加速。然而能量高時，粒子的旋轉頻率也就隨著能量增加愈來愈低於電場的頻率，最終導致不能再為電場所加速。由於這個緣故，經典迴旋加速器中質子的最高能量僅約20 MeV。為了克服這一困難，可讓磁場沿半徑方向逐步增高，以使粒子的旋轉週期保持恆定。然而單純的沿半徑升高的磁場卻導致粒子束在軸向散焦，無法應用。60年代初研製成功的扇形聚焦迴旋加速器，巧妙地解決了共振加速和軸向聚焦間的這一矛盾。新加速器的磁極上裝有邊界彎成螺旋狀的扇形鐵塊，它們產生沿方位角變化的磁場，使加速粒子在軸向聚焦；而同時磁場沿方位角的平均值，則隨半徑增大而增高，保證粒子的旋轉週期固定不變，故扇形加速器也稱作等時性迴旋加速器。其典型工作能量在25～100MeV間，內束流強約1mA，外束流強約100μA，大多用來生產各種放射性同位素，進行材料的活化分析以及輻照損傷的研究，也用來進行中子物理或核結構等的基礎研究。為了滿足重離子加速的需要，近年來發展了分離扇型和超導的等時性迴旋加速器。前者由4～6塊獨立的扇形磁鐵構成，高頻加速腔及注入、引出裝置獨立於磁場之外，大大提高了各自的工作效率。超導的等時性加速器採用低溫超導體作繞組，場強可達50 kGs。儘管需要增設低溫裝置等，總的費用仍然僅為常溫分離扇加速器的1/3。
同步迴旋加速器
一種磁場恆定加速電場頻率隨著粒子的旋轉頻率同步降低的迴旋加速器，又名調頻迴旋加速器或穩相加速器。根據自動穩相原理，採用這樣的加速方式，原則上可將質子加速到無限高的能量。然而，歷史上最大的同步迴旋加速器能量只達到 700MeV。 這是因為它的磁鐵已重達7000噸， 超過了一般的高能加速器磁鐵的重量。從經濟上和技術上考慮不宜再建造能量更高的調頻加速器，由於電場的頻率必須隨時間而變，同步迴旋加速器只能在脈衝狀態下工作。脈衝重複率約為30～100Hz。平均流強幾微安，比能量相當的扇形聚焦迴旋加速器小一二個量級。由於這個緣故相當多的同步迴旋加速器已經關閉，有些則改建為等時性迴旋加速器。
電子迴旋加速器
又稱微波迴旋加速器，專用於電子的加速。同經典的迴旋加速器一樣，加速器的磁場是均勻的，加速電場的頻率也是恆定的，不同的是加速間隙位於磁極的一端，電子的軌道則為一系列同加速間隙中心線相切的圓，電子每經過一次加速之後，其旋轉週期正好增至加速前的整數倍，因而每當這些電子轉回加速間隙時，電場又都剛好使它們再次加速。多數電子加速器的能量在10～30MeV間，流強30～120μA。大多用於醫療和劑量標準等方面。
同步加速器
一種加速高能粒子的迴旋諧振式加速器。它有一個大的環形磁鐵。帶電粒子在環形磁場的導引和控制之下沿著半徑固定的圓形或接近圓形的軌道迴旋運動，穿越沿途設定的一些高頻加速腔，從中獲取能量。加速過程中，磁場隨時間增強，使粒子的軌道半徑保持恆定。高頻電場的頻率則與磁場同步變化，以同粒子的迴旋運動保持諧振。由於電、磁場隨時間週期變化，加速器在脈衝狀態下工作。為了使粒子束約束在狹長的真空室內加速，還需要有足夠的聚焦力。早期用梯度數值較小的恆定梯度磁場進行聚焦。由於聚焦力較弱，加速室以及整個加速器的體積不得不做得相當大，這就從經濟和技術上限制了同步加速器向 10GeV以上的能量發展。後來發明了交變梯度的強聚焦方式，有效聚焦力大大超過前者，使加速室的體積大為縮小。例如一臺強聚焦的 30GeV質子同步加速器磁鐵的重量約4000噸， 而如若採用恆定梯度聚焦的話，則將重達100000噸。
電子同步加速器
通常用電子迴旋加速器或直線加速器作注入器，將電子預加速至接近光速，然後注入同步加速器進一步加速至額定能量。小的電子同步加速器往往不用注入器，它先在電子感應加速器的狀態下啟動，待電子預加速至接近光速時，開動高頻加速腔，使粒子進入同步加速，以近乎光速旋轉的電子其迴旋頻率不隨能量而變，因此電子同步加速器採用恆頻的加速電場。典型的電子同步加速器能量為0.3～8 GeV，流強為1011pps（粒子／秒），束流脈衝重複頻率10～60Hz。
高速電子沿環形軌道運動時所發出的電磁輻射是限制電子同步加速器能量增高的重要因素。電子能量達10 GeV時，每轉一圈輻射10 MeV的能量。但這種同步輻射有一系列特殊的優點:即發射由紅外到X射線的可以控制的連續性光譜，且輻射是偏振的、強度高、方向性強、有很高的實用價值。已被廣泛地用於固體物理、分子生物學及積體電路研製等等各個方面。
質子同步加速器
通常以高壓倍加器和質子直線加速器作注入器，將質子預加速至20～200 MeV後再注入到同步加速器的環形軌道上進行加速。大型的同步加速器往往在注入器之後還增設一個較小的快脈衝同步加速器作中間級（又名“增強器”）將質子加速至10 GeV左右，以增加加速粒子的流強。加速過程中，質子的速度在相當大的範圍內變化，電場的頻率也必須相應地在相當寬的範圍內調變，並需精確地加以控制，使之與磁場的上升同步。為此常常在束流軌道周圍設定拾波板，監測質子的運動，並以此訊號自動校正高頻電場頻率調變的程序。老的強聚焦同步加速器的主磁鐵採用“複合作用”方案，即每個磁節兼起偏轉導引和聚焦二種作用。這種磁鐵的軌道磁場不能太高，僅1.4T左右，故用鐵量較大；新的巨型同步加速器採用“分離作用”方案，即導引和聚焦分別由二極磁鐵如四極透鏡承擔，結果軌道上的場強可增至2T，大大節省用鐵量。
至今，國際上建成的質子同步加速器有十幾臺，其中九臺建於60年代，最大的一臺是美國費密國家加速器實驗室的1000GeV加速器。
重離子同步加速器
與質子同步加速器的結構基本相同。不過加速過程中重離子的速度變化範圍比質子大得多，因此高頻電場的頻率也要求在更大的範圍內調變。另一方面，因重離子加速的路程長，而且同周圍氣體分子的電荷交換截面大，要求加速室的氣壓低至10-10Torr(1Torr＝133.322Pa)。最早使用同步加速方式加速高能重離子的是美國伯克利勞倫斯實驗室的貝伐萊克加速器。目前它已能加速N、Ne、Ar、Fe等多種重離子至每核子2GeV以上。流強達到107～1011pps。
儲存環和對撞機
這是在同步加速器基礎上發展起來的一種超高能試驗裝置。以前人們總是用相對論速度的粒子轟擊靜止靶，進行粒子物理試驗。然而在這樣的作用方式中質心繫統中只有一小部分能量可用於產生新粒子或種種有意義的反應。如果變化一下作用方式，讓二個相向運動的高能粒子束對頭碰撞，那麼有效的作用能量將遠比前一種方式高得多。例如讓兩個能量為E(>>m0с2)運動方向相反的束對撞，其作用能量大約與一個能量為2E2/m0с2的束去轟擊靜止靶的效果相當。事實上有關對撞束的優越性，人們早就有所瞭解。問題是一般情況下，粒子束的密度遠低於靜止靶，因而通過對撞發生的反應產率太低，不能進行有效的實驗。為了克服這和困難，60年代以後發展了一種能通過聚積大量粒子束團，大大提高束流密度的“儲存環”。它的結構和作用與同步加速器非常相似。環內粒子束一般由高能直線或同步加速器注入。為了將幾百個注入束團積累為一個或幾個束團，注入的過程相當長，可達數十分鐘之久。通過專門的高頻系統的作用，環形室內堆積的束流強度可達20A。為了避免束流的散射損失，環形室內的真空度很高，達10-10～1011Torr。束流在環內迴旋運動的壽命可長達 10多個小時，足以滿足許多實驗的需要。儲存環上的高頻系統還可用來少量的提高儲存束的能量或補償粒子能量的電磁輻射損失。
用來使粒子束對頭碰撞的對撞機，包括一個或數個儲存環。電荷相反的高能粒子，如電子和正電子、質子和反質子可以在同一儲存環中反向迴旋而發生對撞。電荷相同的粒子束，就需用兩個“交叉”著的儲存環。每一環內各有一束粒子，但迴旋的方向恰好相反。在二環交叉點上，粒子束髮生對撞。為了在同一機器上實現多種粒子間的對撞，還提出了所謂“三環”的方案。即用兩個環儲存質子束，用一個環儲存正負電子束。三個環同心地安裝在一個圓形隧道中；在一定的地點上可以得到質子—質子、質子—電子或正負電子之間的對撞。各種對撞機的效能常用亮度來表徵，它的單位是釐米-2·秒-11，亮度乘以反應截面即得反應產率。
迄今已建成的對撞機中，絕大多數是電子對撞機。質子對撞機中最早運動的是歐洲核子中心(CERN)的“交叉儲存環”ISR。
對撞機的優點是可以用造價不算太高的一般高能加速器進行超高能的實驗。但它只能實現穩定粒子間的對撞，而且不能像一般加速器那樣產生各種次級粒子束。因此它並不能代替超高能加速器。由於這個緣故，目前各高能物理中心都傾向於發展加速器──對撞機的複合體，既可進行多種粒子的對撞，又可進行靜止靶的實驗。
新的加速方法
半個世紀以來，儘管粒子加速器在能量、流強、粒子品種和束流品質等各方面取得了很大的成就，然而隨著加速器能量的不斷提高，現代加速器的規模卻是越作越大，投資越來越高。如此下去，加速器的發展勢必將在經濟和技術方面受到嚴重的限制。由於這個原因，世界各有關實驗室都在努力探索新的加速原理和方法。迄今提出的方案很多，除了比較現實的各種超導加速器之外，還有兩大類。一類是利用頻段更高的鐳射來代替目前的高頻或微波電磁場來加速粒子；所用的加速機制可能仍與常規高頻電場加速器類似。另一類是利用帶電粒子束團的集體場加速粒子，包括利用變速運動的等離子體凝團或強流電子束團本身的場來加速粒子或利用在等離子體或電子束團中激發的電磁波加速粒子。這些新方法如果成功的話，其加速效率估計可比現有方式高數十倍乃至數百倍（見加速器技術和原理的發展）。
參考書目
徐建銘編著：《加速器原理》，修訂版，科學出版社，北京，1981。
M. S. Livingston and J. P. Blewett，particle Accelerators， McGraw-Hill， New York， 1962.