中國公眾接觸並瞭解粒子加速器，或許要感謝楊振寧與丘成桐關於“中國現在是否需要大型粒子加速器”的持久辯論。

最早科學家發現，把粒子加速到接近光速，再讓它們對撞，就可以獲取到大量微觀粒子。而基於加速器的粒子物理研究，引領了對物質根本結構的研究。而楊振寧反對是因為，他認為大型對撞機的建設就好比 “軍備競賽” 一樣，裝置需要一步步升級，投入的資金也要越來越多，並且維護裝置也需要鉅額的費用。

同時，楊振寧也表示，不建超大對撞機，高能物理仍然有其他方向值得探索。

當中國陷於是否要上馬更大型的超級對撞機爭議之時，美國有研究團隊在探索另一條路，並在加速器技術小型化的相關研究中取得初步成果。

今天（2020年1月3日），斯坦福大學的研究團隊在 Science 雜誌上展示了一種由矽晶片構建的加速器原型。就好比讓一臺普通臺式計算機獲得了一個塞滿房間的大型主機的功能一般，研究人員將巨大的粒子加速器的部分功能封裝在了矽晶片上。

這項研究出自 SLAC 國家加速器實驗室，其位於斯坦福大學校園旁的山坡上，是美國能源部下屬的國家實驗室，由斯坦福大學執行管理。這裡執行著約 3 公里長的科學儀器，在這樣巨大的加速器中，一連串的電子流過真空管道，隨著微波輻射的爆發將粒子向前推動得越來越快，直到它們的速度接近光速，從而產生一個強大的光束。來自世界各地的科學家們都在用它來探測無機生物材料的原子和分子結構。

圖 | SLAC 國家加速器實驗室航拍圖

現在，斯坦福大學和 SLAC 的科學家們首次建立了一種可以加速電子的矽晶片，儘管速度僅是那種大型加速儀器的一小部分，但晶片的體積也只有傳統加速裝置結構大小的十萬分之一，其中含有許多奈米真空通道，當粒子在其中透過時，會由紅外鐳射而不是傳統的微波來增能加速。

因為紅外鐳射的波長比微波更短，所以可以在極短（不及頭髮粗細）的範圍內加速電子。目前，斯坦福大學的研究團隊計劃利用該晶片將電子加速至光速的 94%。研究團隊的負責人、斯坦福大學電氣工程學教授 Jelena Vuckovic 在 1 月 3 日 的 Science 雜誌上解釋了他們如何在矽上雕刻出奈米級通道，將其密封在真空中，並透過該腔體發射出紅外光脈衝。

Jelena Vuckovic 對媒體表示：“這個片上加速器只是一個原型，這種設計和製造技術可以擴大規模，以提供足夠加速的粒子束，用以進行化學、材料科學和生物學發現等方面的前沿實驗，而無須藉助大型加速器的力量。”這樣一來，就可以避免很多 “高射炮打蚊子” 的尷尬。

逆向思維帶來成功設計

論文的第一作者、研究生 Neil Sapra 在論文中解釋了他們的團隊如何讓晶片可以透過矽發射紅外光脈衝，並在恰當的時間、以恰當的角度撞擊電子，推動電子不斷加速。

為了實現這一點，他們顛倒了設計過程。在傳統加速器中，比如 SLAC 的加速器，工程師們通常會草擬一個基本的設計，然後執行模擬模擬，用物理的方式來安排微波爆發，以提供最大的加速度。但是，使用的微波在波長 4 英寸左右（約 10 釐米），而紅外線的波長卻只有人頭髮的十分之一。

這種差異解釋了為什麼與微波相比，紅外光可以在如此短的距離內加速電子。不過這也意味著，該晶片的大小必須是傳統加速器結構的十萬分之一。而這就需要一種基於矽整合光子學和光刻技術的工程新方法。

研究人員使用 Jelena Vuckovic 實驗室開發出的 “逆設計算法” 解決了該問題。這種演算法允許研究人員逆向工作，可以先具體指定他們希望晶片傳遞多少光能，併為軟體設定任務分配；再建議如何構建合適的奈米尺度結構，來使光子與電子流進行適當的接觸。

“有時候，逆設計可以給工程師們提出此前可能想不到的解決方案。” SLAC 國家加速器實驗室的科學家、論文的合著者 R. Joel England 說道。

逆設計算法提出了一個看起來完全超乎想象的晶片佈局。

想象一下，一個由矽蝕刻出的、被通道隔開的奈米檯面。電子在通道中流動，就像一根由矽線組成的繩索，在溝壑縱橫的峽谷上穿過。每次鐳射脈衝（100,000 次 / 秒）都會使一束光子擊中一堆電子，使它們向前加速。而所有這些事情，都發生在一個比頭髮還細的範圍下。

因此，團隊成員把他們的方法類比為將大型計算主機發展為較小但仍然有用的臺式計算機的過程。

論文的合著者、物理學家 Robert Byer 說：“片上加速器的技術也可能帶來新的癌症放射療法。因為這也涉及一個大小尺寸問題。如今，醫用 X 射線儀器佔據了整個房間併發出難以聚焦在腫瘤上的輻射束，需要患者佩戴鉛罩來最大程度地減少附帶損害。”

“在這篇論文中，我們開始展示如何將電子束輻射直接傳送到腫瘤，而不影響健康組織。” 他補充道。Robert Byer 也是 “晶片上加速器國際計劃（AChIP）” 的領導者，該計劃專注於打造矽基電子加速器。這項多學科、多機構合作的計劃，目標是在晶片上生成具有 1 MeV 能量的電子脈衝，產生飛秒到阿秒（1x10−15 秒到 1x10−18 秒）的脈衝。

研究人員希望將電子加速到光速的 94％，即一百萬電子伏（1 MeV），這樣能產生足以用於研究或醫學目的的粒子流。目前，該原型晶片僅能提供單級加速，且電子流需要透過大約 1,000 個這樣的 “單級” 才可能達到 1 MeV。

但 Vuckovic 對此表示，這並不會讓人望而生畏，因為該原型片上的加速器是一個完整的積體電路。這意味著建立加速所需的所有關鍵功能都直接內建在晶片中，因此增加相應的功能應該並不困難。

他們計劃在 2020 年年底之前，在大約一英寸的晶片空間中封裝出 1000 個加速階段，以達到 1 MeV 的目標。如果成功，這將會是一個重要的里程碑，但這種裝置的功率仍無法與 SLAC 研究加速器的功能相提並論。因為後者可產生比 1 MeV 高 3 萬倍的能量。

Byer 認為，就像電晶體最終取代電子裝置中的真空管一樣，基於光的裝置終將有一天會挑戰微波驅動加速器的功能。

同時，由於期望在晶片上開發 1 MeV 加速器，論文的合著者之一、電氣工程師 Olav Solgaard 已經開始著手研究潛在的抗癌應用。目前，高能電子因會灼傷面板，並沒有用於放射治療。Solgaard 正在研究一種方法，試圖透過使用粒子束像外科手術一樣進行放射療法。

“或可將來自晶片大小加速器的高能電子透過導管狀真空管的引導，插入面板下方，直達腫瘤旁邊。” Solgaard 說，“除了研究應用之外，我們還可以從加速器技術的小型化中獲得醫學利益。”

參考：

https://news.stanford.edu/2020/01/02/accelerator-chip-research-fight-cancer/

https://profiles.stanford.edu/jelena-vuckovic

首先，什麼是加速器？

斯坦福大學的物理學家說:“加速器是給粒子增加能量的一種方法。”。一旦你有了這些高能粒子，你就可以用它們做一些事情，比如照射腫瘤或者產生X射線，科學家們用這些X射線來研究新材料。以這種方式建造的加速器將使更多的研究人員能夠獲得加速器的效用。

拜爾四十多年來一直試圖縮小粒子加速器的尺寸。他的想法是利用鐳射透過半導體晶片中的一個微小通道給電子增加能量。拜爾說，這是大型加速器的小型化版本，但在如此小的規模上這樣做有很大的挑戰。

拜爾說:「我們需要聚焦電子。」“我們需要把它們聚在一起，這樣它們就能在波峰處衝浪，從而獲得最大的加速度。"

拜爾和他的同事們正在斯坦福大學校園斯皮爾克工程和應用科學大樓地下室的一個實驗室裡研究這些挑戰。拜爾帶我去那裡旅遊。

我們戴上眼鏡，保護眼睛免受小型加速器中使用的強鐳射的傷害。

德國埃爾蘭根-紐倫堡弗里德里希-亞歷山大大學的彼得·霍默霍夫說，最大的挑戰之一是讓加速器中的電子在你想要的地方移動。

霍默霍夫說:「加速通道非常窄，所以你必須產生非常非常窄的電子束，你可以透過通道傳送。」

斯坦福大學物理學研究生迪倫·布萊克說:“這有點像穿針引線。”。

測試他們的加速器需要鐳射、透鏡和分散在實驗室工作臺周圍的泵，它佔用了相當大的空間。但這只是一個原型。

黑色指的是顯示器螢幕上明亮的一圈光。

布萊克說:“如果你把眼睛放在電子束的正前方，就會看到一幅電子束的樣子。”。

“我不推薦，”從事晶片加速器專案的研究工程師肯·萊德爾插嘴說。

我問艾德。Joel England，SLAC國家加速器實驗室的物理學家，一直在研究片上加速器專案，要多久原型才能變成一個工作儀器。

“根據取得的進展，我會說5到10年，”英格蘭說。英國對這些小型加速器的前景充滿熱情。

他說:「其中一個應用可能是將醫院用來放射治療的一個相當龐大、一萬磅重的加速器裝置，製成晶片大小的東西。」

除了節省巨大的成本和空間之外，最終有可能將晶片大小的加速器插入患者體內，直接照射腫瘤。

儘管可能需要10年甚至更長時間，羅伯特·拜爾相信更小的加速器將成為現實。他並不是唯一一個研究這個想法的實驗室。此外，他指出，新技術往往起步較大。帶著第一個鐳射來到現場。

拜爾說:“早期，鐳射很大——效率很低，他們把你大樓裡的所有能量和水都用來操作它們。”。“他們變得越來越有效率，因為我們轉換成半導體鐳射器和固態鐳射器——突然間，鐳射器變得無處不在。"

拜爾說，甚至新的手機裡也有鐳射。

他認為，晶片加速的日子就要到了。

什麼是加速器？

加速器是一種使帶電粒子增加速度（動能）的裝置。 加速器可用於原子核實驗、放射性醫學、放射性化學、放射性同位素的製造、非破壞性探傷等。粒子增加的能量一般都在0.1兆電子伏以上。加速器的種類很多，有迴旋加速器、直線加速器、靜電加速器、粒子加速器、倍壓加速器等。

加速器（accelerator）是用人工方法把帶電粒子加速到較高能量的裝置。利用這種裝置可以產生各種能量的電子、質子、氘核、α粒子以及其它一些重離子。利用這些直接被加速的帶電粒子與物質相作用，還可以產生多種帶電的和不帶電的次級粒子，像γ粒子、中子及多種介子、超子、反粒子等。當前世界上的加速器大多是能量在100兆電子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用於原子核和核工程研究方面外，大部分用於其他方面，象化學、放射生物學、放射醫學、固體物理等的基礎研究以及工業照相、疾病的診斷和治療、高純物質的活化分析、某些工業產品的輻射處理、農產品及其他食品的輻射處理、模擬宇宙輻射和模擬核爆炸等。數年來還利用加速器原理，製成各種型別的離子注入機。以供半導體工業的雜質摻雜而取代熱擴散的老工藝。使半導體器件的成品率和各項效能指標大大提高。很多老工藝不能實現的新型器件不斷問世，積體電路的整合度因此而大幅度提高。

加速器：帶電粒子在電場中會受到電磁力的作用而得到加速，提高能量。電場能夠以靜電場、磁感應電場和交變電磁場三種不同的形式存在，加速器就是用這三種電場加速帶電粒子的原理髮展起來的。20世紀30年代以來，經過70多年的發展，出現了許多型別的加速器，其分類標準也很多，例如按加速粒子的種類不同，可分為電子加速器，質子和重離子加速器以及微物質粒子（粉末、灰塵等）加速器（又稱微粒子團加速器）；按加速粒子能量可分為低能加速器（能量在100MeV以下），中能加速器（能量在100MeV~1GeV）和高能加速器（能量1~100GeV），能量在100 GeV以上的稱為超高能加速器；按束流強度可分為強流加速器（束流強度1mA以上）、中流加速器（束流強度10μA~1mA以上）和弱流加速器（束流強度10μA以下）；按加速電場種類可分為高壓型加速器、電磁感應型加速器和高頻諧振型加速器；按粒子運動軌道的形狀可分為直線加速器和圓形（或環形）加速器。直線加速器包括直流高壓型加速器，射頻對撞機。圓形加速器包括迴旋加速器，穩相加速器，電子感應加速器，同步加速器，弱聚焦同步穩相加速器，強聚焦同步穩相加速器和環形對撞機等。

加速器基本結構：加速器是一種複雜的裝置，大體上由下列4個基本部分構成：

（1）粒子源

如電子槍、離子源等，用以提供需要加速的帶電粒子束。

（2）真空加速結構

如加速管】射頻加速腔和環形加速室等，在真空中產生一定的加速電場，使粒子得到加速。

（3）導引聚焦系統

用一定的電磁場引導合和約束被加速的粒子束，使它沿著一定的軌道加速，如環形加速器的主導磁場等。

（4）束流輸運、分析系統

由電子、磁場透鏡、彎轉磁鐵和電、磁場分析器構成的系統，用來在粒子源與加速器之間輸運並分析帶電粒子束。

此外，還有束流監測裝置、電磁穩定控制裝置、真空裝置、電氣設操作裝置等輔助系統。

加速器的早期探索可以追溯到20世紀20年代。早在1919年英國科學家盧瑟福(E.Rutherford）用天然放射源中能量為幾個MeV、速度為2×10￣7 米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作為“炮彈”，轟擊厚度僅為0.0004釐米的金屬箔的“靶”，實現了人類科學史上第一次人工核反應。利用靶後放置的硫化鋅熒光屏測得了粒子散射的分佈，發現原子核本身有結構，從而激發了人們尋求更高能量的粒子來作為“炮彈”的願望。

靜電加速器（1928年）、迴旋加速器（1929年）、倍壓加速器（1932年）等不同設想幾乎在同一時期提了出來，並先後建成了一批加速裝置。

在加速器早期研究的基礎上，全世界的有關科學家長期致力於研究和發展更高能量的粒子加速器。

柯克羅夫特

1932年美國科學家柯克羅夫特（J.D.Cockcroft）和愛爾蘭科學家沃爾頓(E.T.S.Walton）建造成世界上第一臺直流加速器——命名為柯克羅夫特-沃爾頓直流高壓加速器，以能量為0.4MeV的質子束轟擊鋰靶，得到α 粒子和氦的核反應實驗。這是歷史上第一次用人工加速粒子實現的核反應，因此獲得了1951年的諾貝爾物理獎。

凡德格拉夫

1933年美國科學家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff）發明了使用另一種產生高壓方法的高壓加速器——命名為凡德格拉夫靜電加速器。以上兩種粒子加速器均屬直流高壓型，它們能加速粒子的能量受高壓擊穿所限，大致在10MeV。

勞倫斯與迴旋加速器

奈辛（G.Ising）於1924年，維德羅（E.Wideroe）於1928年分別發明了用漂移管上加高頻電壓原理建成的直線加速器，由於受當時高頻技術的限制，這種加速器只能將鉀離子加速到50keV，實用意義不大。但在此原理的啟發下，美國實驗物理學家勞倫斯(E.O.Lawrence)1932年建成了迴旋加速器，並用它產生了人工放射性同位素，為此獲得了1939年的諾貝爾物理獎。這是加速器發展史上獲此殊榮的第一人。

由於被加速粒子質量、能量之間的制約，迴旋加速器一般只能將質子加速到25MeV左右，其原因就是隨著粒子的速度不斷的增加，其加速度和外力的關係不再適用牛頓運動定律，即高頻加速電場的頻率和迴旋頻率不再匹配；如將加速器磁場的強度設計成沿半徑方向隨粒子能量同步增長，則能將質子加速到上百MeV，稱為等時性迴旋加速器。

前蘇聯科學家維克斯列爾

為了對原子核的結構作進一步的探索和產生新的基本粒子，必須研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前蘇聯科學家維克斯列爾（V.I.Veksler）和美國科學家麥克米倫(E.M.McMillan）各自獨立發現了自動穩相原理，英國科學家阿里芳特（M.L.Oliphant）也曾建議建造基於此原理的加速器——穩相加速器。

美國科學家麥克米倫

自動穩相原理的發現是加速器發展史上的一次重大革命，它導致一系列能突破迴旋加速器能量限制的新型加速器產生：同步迴旋加速器（高頻加速電場的頻率隨倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子迴旋頻率與加速電場同步）、現代的質子直線加速器、同步加速器（使用磁場強度隨粒子能量提高而增加的環形磁鐵來維持粒子運動的環形軌跡，但維持加速場的高頻頻率不變）等。

自此，加速器的建造解決了原理上的限制，但提高能量受到了經濟上的限制。隨著能量的提高，迴旋加速器和同步迴旋加速器中使用的磁鐵重量和造價急劇上升，提高能量實際上被限制在1GeV以下。同步加速器的環形磁鐵的造價雖然大大減少，但因橫向聚焦力較差，真空盒尺寸必須很大，造成磁鐵的磁極間隙大，依然需要很重的磁鐵，要想用它把質子加速到10GeV以上仍是不現實的。

1952年美國科學家柯隆（E.D.Courant）、李溫斯頓（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）發表了強聚焦原理的論文，根據這個原理建造強聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價大大降低，使加速器有了向更高能量發展的可能。這是加速器發展史上的又一次革命，影響巨大。此後，在環形或直線加速器中，普遍採用了強聚焦原理。

美國勞倫斯國家實驗室1954年建成的一臺6.2GeV能量的弱聚焦質子同步加速器，磁鐵的總重量為1萬噸。而布魯克海文國家實驗室33GeV能量的強聚焦質子同步加速器，磁鐵總重量只有4千噸。這說明了強聚焦原理的重大實際意義。

美國科學家科斯特

1940年美國科學家科斯特(D.W.Kerst）研製出世界上第一個電子感應加速器。但由於電子沿曲線運動時其切線方向不斷放射的電磁輻射造成能量的損失，電子感應加速器的能量提高受到了限制，極限約為100MeV。電子同步加速器使用電磁場提供加速能量，可以允許更大的輻射損失，極限約為10GeV。電子只有作直線運動時沒有輻射損失，使用電磁場加速的電子直線加速器可將電子加速到50GeV，這不是理論的限度，而是造價過高的限制。

加速器的能量發展到如此水平，從實驗的角度暴露出了新的問題。使用加速器作高能物理實驗，一般是用加速的粒子轟擊靜止靶中的核子，然後研究所產生的次級粒子的動量、方向、電荷、數量等，加速粒子能參加高能反應的實際有用能量受到限制。如果採取兩束加速粒子對撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用於高能反應或新粒子的產生。

義大利科學家陶歇克

1960年義大利科學家陶歇克（B.Touschek)首次提出了這項原理，並在義大利的Frascati國家實驗室建成了直徑約1米的AdA對撞機，驗證了原理，從此開闢了加速器發展的新紀元。

現代高能加速器基本都以對撞機的形式出現，對撞機已經能把產生高能反應的等效能量從1TeV提高到10～1000TeV，這是加速器能量發展史上的又一次根本性的飛躍。

粒子加速器

用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。是探索原子核和粒子的性質、內部結構和相互作用的重要工具，在工農業生產、醫療衛生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際應用。

自從E.盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的a射線轟擊氮原子首次實現了元素的人工轉變以後，物理學家就認識到要想認識原子核，必須用高速粒子來變革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有幾兆電子伏特（MeV），天然的宇宙射線中粒子的能量雖然很高，但是粒子流極為微弱，例如能量為1014電子伏特（ eV ）的粒子每小時在 1平方米的面積上平均只降臨一個，而且無法支配宇宙射線中粒子的種類、數量和能量，難於開展研究工作。因此為了開展有預期目標的實驗研究，幾十年來人們研製和建造了多種粒子加速器，效能不斷提高。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發展成熟起來；高能加速器的發展又使人們發現包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子在內的幾百種粒子，建立粒子物理學。近20多年來，加速器的應用已遠遠超出原子核物理和粒子物理領域，在諸如材料科學、表面物理、分子生物學、光化學等其它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”型加速器。

粒子加速器的結構一般包括 3個主要部分 ：①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有電子、正電子、質子、反質子以及重離子等等。②真空加速系統，其中有一定形態的加速電場，並且為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速 ，整個系統放在真空度極高的真空室內。③導引、聚焦系統 ，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的加速。所有這些都要求高、精、尖技術的綜合和配合。

加速器的效能指標是粒子所能達到的能量和粒子流的強度（流強）。按照粒子能量的大小，加速器可分為低能加速器（能量小於108eV）、中能加速器（能量在108～109eV）、高能加速器（能量在109～1012eV）和超高能加速器（能量在1012eV以上）。當前低能和中能加速器主要用於各種實際應用。

1945年，前蘇聯科學家維克斯列爾和美國科學家麥克米倫，分別獨立發現了自動穩相原理。1946年，第一臺穩相加速器在美國伯克利建成，此後誕生了一系列同步加速器，其中包括同步迴旋加速器。這是加速器發展的第一次革命。1952年，美國科學家科隆、列文斯頓和史耐德提出了強聚焦原理，其後將該原理廣泛用於環形加速器和直線加速器中。這是加速器發展的第二次革命。1960年，陶歇克首先提出對撞機的概念，即兩個粒子沿相反的方向注入同步加速器內，並在制定的位置對撞，在他的領導下，在義大利夫拉斯卡第建成一個直徑1m、名為AdA的對撞機，開闢了加速器發展新紀元。這是加速器發展的第三次革命。

對撞機：自世界上建造第一臺加速器以來，七十多年中加速器的能量大致提高了9個數量級（參見左圖），同時每單位能量的造價降低了約4個數量級，如此驚人的發展速度在所有的科學領域都是少見的。

隨著加速器能量的不斷提高，人類對微觀物質世界的認識逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。用人工的辦法加速帶電粒子，使其獲得很高速度的裝置．加速器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，使其具有高達幾千、幾萬乃至近光速的高速帶電粒子束，是人們認識原子核和探討基本粒子，對物質深層結構進行研究的重要工具，同時隨著加速器技術的不斷髮展，各種新的技術、新的原理不斷更新，不斷突破，進一步促進新技術的向前推進．加速器的研究和發展同時帶來在工農業生產、醫療衛生、國防建設等各方面的重要而廣泛的應用．

早在20世紀20年代，科學家們就探討過許多加速帶電粒子的方案，並進行過多次實驗．其中最早提出加速原理的是E·維德羅．30年代初高壓倍加器、靜電加速器、迴旋加速器相繼問世，研製者分別獲得這一時期的諾貝爾物理學獎．這以後隨著人們對微觀物質世界深層次結構的研究的不斷深入，各個科學技術領域對各種快速粒子束的需求不斷增長，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．其中有電子感應加速器、直線加速器、強聚焦高能加速器、扇形聚焦迴旋加速器．1956年克斯特提出透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．

幾十年來，人們利用加速器發現了絕大部分新的超鈾元素和合成上千種新的人工放射性核素，並對原子核的基本結構和其變化規律進行了系統深入的研究，促使了原子核物理學的發展和成熟，並建立新的粒子物理學科，近20年來，加速器的發展的應用使材料科學、表面物理學、分子生物學、光化學都有重要發展．

中國加速器的發展始於50年代末期，先後研製和生產了高壓倍加器、靜電加速器、電子感應加速器、電子和質子直線加速器、迴旋加速器．數年來更加先進的加速器在中國又取得重大進展，北京已建成正負電子對撞機，使中國加速器研製和應用進入了世界先進行列．

中國科學院原子能所建成700eV質子靜電加速器。1957年前後中國科學院開始研製電子迴旋加速器。

1958年中國科學院高能所2.5MeV質子靜電加速器建成。

中國第一臺迴旋加速器建成。

清華大學400keV質子倍壓加速器建成。

1958年~1959年清華大學2.5Mev電子迴旋加速器出束。

1964年中國科學院高能所30MeV電子直線加速器建成。

1982年中國第一臺自行設計、製造的質子直線加速器首次引出能量為10MeV的質子束流，脈衝流達到14mA.

1988年北京正負電子對撞機實現正負電子對撞。

蘭州近代物理研究所用於加速器重離子的分離扇形迴旋加速器（HIRFL）建成。

1989年北京譜儀推至對撞點上，開始總體檢驗，用已獲得的巴巴事例進行刻度。北京譜儀開始物理工作。

中國科技大學設計的中國最早起步的同步輻射加速器建成出光，它由200MeV電子直線加速器和800MeV儲存環組成。

2004年北京正負電子對撞機重大改造工程（BEPCⅡ）第一階段裝置安裝和除錯工作取得重大進展。同年11月19日16時41分，直線加速器控制室的示波器上顯示出的電子束流流強約為2A以上，標誌著BEPCⅡ直線加速器的改進工作取得一個重要的階段性成果。

2005年北京正負電子對撞機（BEPC）正式結束執行。投資6.4億元的北京正負電子對撞機重大改造工程（BEPCⅡ）第二階段——新的雙環正負電子對撞機儲存環的改建工程施工正式開始。新北京正負電子對撞機的效能將是美國同一類裝置的3~7倍，對研究體積為原子核一億分之一的夸克粒子等基礎科研具有重要意義。

高能加速器條件下的有關物質結構的研究，本質上是有關自然狀態下自然能團（或能簇、能子）之間的能態在量方面的相對變（轉化）關係。從弧理論的觀念來看，利用高能加速器等方法來轟擊類弧子結構（原子）的條件下，可得到弱相互作用關係：1、對稱理論（普遍的對稱性理論）2、非對稱性理論，特殊條件下得之。如果轟擊能子（弧合子，次原子結構），則得到強相互作用關係：漸近自由 理論等。

加速器整合單元

為什麼？

上述兩種作用均發生在能態層面而非物質態的層面；屬能簇與能簇之間的關係。

弱相互作用：任何外來能團轟擊類弧子結構時，沿時軸方向進入類弧子（從能量到能量）時，外加能量在進入類弧子結果體時，便會發生弧合作用而產生出對稱弧合，對外顯示出釋放了兩個旋向相反，質量相等能團，即對稱性弧合反應。外加能量的能量級被限制在被轟擊的類弧子的時軸的能量（假設等於1）範圍內：小於0，大於1時，均不能產生出成對的能粒子。只有在< 1,>0 的條件下，才可以生成亞粒子；在此層面上可以產生出許多亞粒子，理論上是無限多。

非對稱弱相互作用：如果外加能量與類弧子的空間軸水平進入系統時，由於時間軸在空間軸上的非對稱性（1/3），所有弱相互作用均發生在類弧子結構的能量交換過程中，本質上是對自然本在能態的一種人工擾動， 並非是物質的結構性改變。類弧子結構是一種能態轉化過程中的普遍存在的剛性結構。當外加能量進入時，這些外加能量就被“訓化”了，形成適當的次粒子並被釋放出來。這些過程是可以反覆和重演的。一切自然能態在其能量發生相互轉化時的唯一結構體，即類弧子體。弱相互作用實際上是人工條件下對類弧子體的干擾性的物理學觀察結果。自然能態猶如平靜的湖面，人為的力量弄起了幾絲漣紋；當這些人工干擾停頓 時，自然能態將恢復如初，並未發生絲毫的改變。人們總結出來的理論或規律，僅僅是有關那幾絲漣紋的觀察結果。對於自然的能本態或物質性結構仍是一無所知。

與此不同的強相互作用則全部發生在能態的能子層面（狀態）。能子狀態的統一結構體，即絕對弧子。其時空軸絕對同一，組成絕對弧合子的最小能量子單位，現代人稱為強子。強相互作用就是研究絕對弧合子能量單元之間的關係。這裡，要求人工能量要有極高的能級狀態，使用很高能量時才能激發這種相互作用。強相互作用對外不顯示任何新粒子產生或亞粒子對產生；也就是說，如果產生的話，則是碰撞能量的轉化形式。怎樣轉化僅僅取決於絕對弧合子吸收人工外加能量的量值。通常情況下不產生。多以光子形式被釋放掉，壽命極短。

絕對弧子好比佈滿麻點的皮球，其麻點對應最小能單位，在無外加能量時，每個麻點的“位置”是同一的，即自由的，任意方位均可“看”到同一個麻點的存在。對其施加外力（外加能量）時，球面將會發生塌陷，此時塌陷邊緣上對稱的麻點發生對稱性的背離運動，似乎被分開了。由於絕對弧子自身的穩定性，也即對人工能量的排斥性，看起來似乎是兩個麻點拼命想恢復原狀，給的力越大，凹陷越大，回彈性就越強；凹陷越小，回彈性越弱，按照現代物理學的觀點理解，即漸近自由。這些實為假象（人工製造的假象）。

概括而論，弱相互作用及其規律以及強相互作用及其規律，例如楊振寧等的非對稱性弱相互作用理論和戴維#26684；羅斯、戴維?#27874；利策和弗蘭克#32500；爾切克等的強相互作用理論，漸近自由理論都是建立在人工作用條件下的，描述自然本態在被幹擾時所發生現象的物理認識理論，而非自然本態的物理理論。其根本錯誤在於自然認識觀是錯誤的，唯有弧理論可以正確概括和闡述各種自然的本在態結構。

低能加速器的應用是核技術應用領域的重要分支，當前，在世界各地執行著的數千臺加速器中大多數是在工業、農業、醫療衛生等領域內得到廣泛應用的低能加速器。低能加速器在這些領域的應用，極大地改變了這些領域的面貌，創造了巨大的經濟效益和社會效益。

工業

1）輻照加工

應用加速器產生的電子束或X射線進行輻照加工已成為化工、電力、食品、環保等行業生產的重要手段和工藝，是一種新的加工技術工藝。它廣泛應用於聚合物交聯改性、塗層固化、聚乙烯發泡、熱收縮材料、半導體改性、木材-塑膠複合材料製備、食品的滅菌保鮮、煙氣輻照脫硫脫硝等加工過程。

經輻照生產的產品具有許多優良的特點，例如：聚乙烯電纜經105Gy劑量輻照後，其電學效能、熱效能都有很大提高，使用溫度輻照前為60~70℃，輻照後長期使用溫度可達120℃以上。當前，中國已有用加速器進行輻照加工的生產線40多條。

2）無損檢測

無損檢測就是在不損傷和不破壞材料、製品或構件的情況下，就能檢測出它們內部的情況，判別內部有無缺陷。現代無損檢測的方法很多，例如：超聲波探傷法、渦流探傷法、熒光探傷法及射線檢測法等。射線檢測法即可檢查工件表面又可檢查工件內部的缺陷。裝置可以採用放射性同位素Co-60產生的γ射線、X光機產生的低能X射線和電子加速器產生的高能X射線。尤其是探傷加速器的穿透本領和靈敏度高，作為一種最終檢查手段或其它探傷方法的驗證手段及在質量控制中，在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應堆壓力殼、火箭的固體燃料等工件的缺陷檢驗中得到廣泛的應用。這種探傷加速器以電子直線加速器為主要機型。

射線檢測的方法根據對透過工件的射線接受和處理方法的不同，又可把射線檢測法分為三種：

a、射線照相法

這種方法與我們體檢時拍X光膠片相似，射線接受器是X光膠片。探傷時，將裝有X光膠片的膠片盒緊靠在被檢工件背後，用X射線對工件照射後，透過工件的射線使膠片感光，同時工件內部的真實情況就反映到膠片的乳膠上，對感光後的膠片進行處理後，就可以清楚地瞭解工件有無缺陷以及缺陷的種類、位置、形狀和大小。

b、輻射成像法

這種方法的射線接受器是陣列探測器或熒光增感屏。前者就是清華大學和清華同方共同研製生產的大型集裝箱檢查系列產品。後者就是用於機場、鐵路的行李、包裹的X射線安檢系統，也可用於工業的無損檢測。這種方法配以影象處理系統可以線上實時顯示物品內部的真實情況。

c、工業CT

與醫用CT原理類似，CT技術即計算機輔助層析成像技術。選用加速器作為X射線源的CT技術是一種先進的無損檢測手段，主要針對大型固體火箭發動機和精密工件的檢測而發展起來。它的密度解析度可達0.1%，比常規射線技術高一個數量級。在航天、航空、兵器、汽車製造等領域精密工件的缺陷檢測、尺寸測量、裝配結構分析等方面有重要的應用價值。

3）離子注入

利用加速器將一定能量的離子注入到固體材料的表層，可以獲得良好的物理、化學及電學效能。半導體器件、金屬材料改性和大規模積體電路生產都應用了離子注入技術。中國現擁有各類離子注入機100多臺。其中中國自己累計生產出140多臺離子注入機，能量為150KeV~600KeV（1KeV=1×103eV），流強為0.5mA到十幾mA。

農業

作為核技術應用裝備的加速器在農業上的應用，在一些國家普遍使用已有明顯經濟效益的主要有三方面：

1）輻照育種

加速器在輻照育種中的應用，主要是利用它產生的高能電子、X射線、快中子或質子照射作物的種子、芽、胚胎或穀物花粉等，改變農作物的遺傳特性，使它們沿最佳化方向發展。透過輻射誘變選育良種，在提高產量、改進品質、縮短生長期、增強抗逆性等方面起了顯著作用。馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、大豆等作物經過輻照育種後可具有高產、早熟、矮杆及抗病蟲害等優點。

2）輻照保鮮

輻照保鮮是繼熱處理、脫水、冷藏、化學加工等傳統的保鮮方法之後，發展起來的一種新保鮮技術。例如，對馬鈴薯、大蒜、洋蔥等經過輻照處理，可抑制其發芽，延長貯存期；對乾鮮水果、蘑菇、香腸等經過輻照處理，可延長供應期和貨架期。

3）輻照殺蟲、滅菌

當前，在農產品、食品等殺蟲滅菌普遍使用化學燻蒸法，由於使用溴甲烷、環氧乙烷等化學燻蒸法引起的殘留毒性、破壞大氣臭氧層等原因，根據蒙特利爾公約，到2005年要在全球範圍內禁止使用溴甲烷。因而利用加速器進行農產品、食品等輻照殺蟲、滅菌得以迅速發展。利用加速器產生的高能電子或X射線可以殺死農產品、食品中的寄生蟲和致病菌，這不僅可減少食品因腐敗和蟲害造成的損失，而且可提高食品的衛生檔次和附加值。

醫療衛生

隨著科學技術的進步，人民生活和質量的提高，人們對醫療衛生條件提出了更高的要求。而加速器在醫療衛生中的應用促進了醫學的發展和人類壽命的延長。當前，加速器在醫療衛生方面的應用主要有三個方面，即放射治療、醫用同位素生產以及醫療器械、醫療用品和藥品的消毒。

1） 放射治療

用於惡性腫瘤放射治療（簡稱放療）的醫用加速器是當今世界範圍內，在加速器的各種應用領域中數量最大、技術最為成熟的一種。

用於放療的加速器由50年代的感應加速器，到60年代發展了醫用電子迴旋加速器，進入70年代醫用電子直線加速器逐步佔據了主導地位。當前，世界上約有3000多臺醫用電子直線加速器裝備在世界各地的醫院裡。

除了應用加速器產生的電子線、X射線進行放療外，還可應用加速器進行質子放療、中子放療、重離子放療和π介子放療等，這些治癌方法還處在實驗階段，實驗的結果表明，療效顯著。但這些加速器比電子直線加速器能量高得多，結構複雜得多，價格昂貴得多，尚未普及。

利用電子直線加速器開展立體定向放療，俗稱X—刀，是數年來發展的新的放療技術。這種技術與常規放療相比，可多保護15%~20%的正常組織，而腫瘤增加20%~40%的劑量，可更有效地殺滅癌細胞，從而增加放療療效。

60年代中國醫院裝備了醫用感應加速器，70年代中期醫用電子直線加速器開始裝備中國各地醫院。截止到2000年初，中國已擁有各種能量的醫用加速器約530臺，其中國產醫用加速器約230臺，進口醫用加速器約300臺。

2）醫用同位素生產

現代核醫學廣泛使用放射性同位素診斷疾病和治療腫瘤，如今已確定為臨床應用的約80種同位素，其中有2/3是由加速器生產的，尤其是缺中子短壽命同位素只能由加速器生產。這些短壽命同位素主要應用在以下方面：

a、正電子與單光子發射計算機斷層掃描—PET與SPECT

PET是由病人先吸入或預先注射半衰期極短的發射正電子的放射性核素，透過環形安置的探測器從各個角度檢測這些放射性核素發射正電子及湮滅時發射的光子，由計算機處理後重建出切面組織的影象。而這些短壽命的放射性核素是由小回旋加速器製備的。最短的半衰期核素如O-15僅為123秒，一般為幾分鐘到1小時左右。所以，這種加速器一般裝備在使用PET的醫院裡。生產PET專用短壽命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了眾多的加速器生產廠開發研製。當前，國外幾個加速器生產廠家生產的小回旋加速器已達到幾十臺。

b、影象獲取

利用放射性核素進行閃爍掃描或利用γ照相獲取影象的方法，可以診斷腫瘤、檢查人體臟器和研究它們的生理生化功能和代謝狀況，獲取動態資料。例如Tl-201用於心肌檢查，對早期發現冠心病和心肌梗塞的定位等是當前最靈敏的檢查手段。而這些放射性核素絕大部分也是由加速器生產的。

3）輻照消毒

利用加速器對醫用器械、一次性醫用物品、疫苗、抗生素、中成藥的滅菌消毒是加速器在醫療衛生方面應用的一個有廣闊前途的方向。與前面介紹加速器在食品中的殺蟲、滅菌道理一樣，可取代當前應用的高溫消毒、化學消毒等方法。但滅菌需要的射線劑量要大於殺蟲所需的劑量。