粒子加速器

粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。日常生活中常見的粒子加速器有用於電視的陰極射線管及X光管等設施。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。

歷史沿革發展歷程

粒子加速器最初是作為人們探索原子核的重要手段而發展起來的。其發展歷史概括如下：

1919年，盧瑟福用天然放射源實現了歷史上第一個人工核反應，激發了人們用快速粒子束變革原子核的強烈願望。

1928年，伽莫夫關於量子隧道效應的計算表明，能量遠低於天然射線的α粒子也有可能透入原子核內。該研究結果進一步增強了人們研製人造快速粒子源的興趣和決心[2]。

1932年，J．D．考克饒夫特（John D. Cockroft）和E.T.瓦爾頓（Earnest T. S. Walton）在England的 Cavendish實驗室開發製造了700kV高壓倍加速器加速質子，即Cockroft-Walton 加速器，實現了第一個由人工加速的粒子引起的Li（p，α）He核反應。由多級電壓分配器（multi-step voltage divider ）產生恆定的梯度直流電壓，使離子進行直線加速[3]。

E.盧瑟福

1930年，Earnest.O. Lawrence製作了第一臺迴旋加速器，這臺加速器的直徑只有10cm。隨後，經M. Stanley Livingston資助，建造了一臺25cm直徑的較大回旋加速器，其被加速粒子的能量可達到1MeV。幾年後，他們用由迴旋加速器獲得的4.8MeV氫離子和氘束轟擊靶核產生了高強度的中子束，還首次生產出了、和等人工放射性核素。

1940 由 D. W. Kerst 利用電磁感應產生的渦旋電場發明了新型的加速電子電子感應加速器（Betatrons）。它是加速電子的圓形加速器。與迴旋加速器的不同之處是透過增加穿過電子軌道的磁通量（magnetic flux ）完成對電子的加速作用，電子在固定的軌道中執行。在該加速器中，必須和處理電子的相對論作用一樣來處理由輻射而丟失的能量。所有被加速的粒子輻射電磁能，並且在一定動能範圍內，被加速電子的輻射損失能量比質子的多。這種丟失的輻射能稱同步加速輻射。因此，電子感應加速器的最大能量限制在幾百MeV內。

粒子加速器

在研製電子感應加速器的過程中提出了電子的振盪理論，並解決了帶電粒子在加速過程中的穩定性問題。該理論適用於各種型別的梯度磁場聚焦的加速器。因此，在加速器的發展歷史上，該加速器起了重要的作用。

電子感應加速器除了主要用於產生的γ射線做核反應等方面的應用外，還廣泛用於工業和醫療方面：如無損探傷、工業輻照、放射治療等。

1945年，維克斯勒爾和E.M.麥克米倫分別提出了諧振加速中的自動穩相原理，從理論上提出了突破迴旋加速器能量上限的方法，從而推動了新一代中高能迴旋諧振式加速器如電子同步加速器、同步迴旋加速器和質子同步加速器等的建造和發展。

中國發展

粒子加速器

1955年

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。粒子加速器

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。

2015年

2015年10月，中科院高能物理研究所宣佈中國將於2020年至2025年間開始建造世界最大粒子加速器，這項安裝將可讓科學家們能更多瞭解宇宙的運作。這項計劃的最終概念將在2016年底完成。LHC強子對撞機產生了希格斯玻色子，以及還有許多其他種類的粒子。而中國建造的粒子加速器將創造出一個能單單產出希格斯玻色子的高純度環境。

研究目的

二十世紀80年代以來，中國陸續建設了四大高能物理研究裝置――北京正負電子對撞機、蘭州重離子加速器和合肥同步輻射裝置。2000年以後，國家和地方政府合作，花費14億元之巨興建了大科學裝置上海同步輻射光源。為什麼國家要花費如此巨資，建設這高能物理研究裝置呢？

隨著科學技術的發展，人類對物質結構的認識是從一開始看到身邊的各種物質逐漸發展到藉助放大鏡、顯微鏡、直到後來的粒子加速器、電子對撞機等，逐步深入到細胞、分子、原子和原子核深層次，每深入一步都會帶來巨大的社會效益和經濟效益。原子核及其核外電子的發現，帶動了無線電、半導體、電視、雷達、鐳射、 X光的發展，而近幾十年對原子核的研究，則為原子能的利用奠定了理論基礎。粒子加速器

要想了解物質的微觀結構，首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被測物質，讓正負電子在運動中相撞，可以使物質的微觀結構產生最大程度的變化，進而使我們瞭解物質的基本性質。一直以來科學家們都致力於粒子加速器小型化，軍事學家則希望製成能擊穿鋼鐵的粒子槍。

基本結構

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中的分子散射的影響的條件下加速 ，整個系統放在真空度極高的真空室內。

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10^8eV）、中能加速器（能量在10^8～10^9eV）、高能加速器（能量在10^9～10^12eV）和超高能加速器（能量在10^12eV以上)。低能和中能加速器主要用於各種實際應用。

實驗裝置

北京正負電子對撞機

北京正負電子對撞機是一臺可以使正、負兩個電子束在同一個環裡沿著相反的方向加速，並在指定的地點發生對頭碰撞的高能物理實驗裝置。由於磁場的作用，正負電子進入環後，在電子計算機控制下，沿指定軌道運動，在環內指定區域產生對撞，從而發生高能反應。然後用一臺大型粒子探測器，分辨對撞後產生的帶電粒子及其衍變產物，把取出的電子訊號輸入計算機進行處理。它始建於1984年10月7日，1988年10月建成，包括正負電子對撞機、北京譜儀（大型粒子探測器）和北京同步輻射裝置。

北京正負電子對撞機的建成，為中國粒子物理和同步輻射應用研究開闢了廣闊的前景。它的主要效能指標達到80年代國際先進水平，一些效能指標迄今仍然是國際同類裝置的最好水平。 而且中美科學家還於2003年7月30日在北京正負電子對撞機上首次發現一個新粒子，中美科學家合作分析研究從對撞機上得到的5800萬個J粒子事例的資料時，發現了這個新的短壽命粒子。這可能是幾十年前由科學家費米和楊振寧預言的多夸克態粒子。

上海同步輻射光源

上海光源是一臺高效能的中能第三代同步輻射光源，它的英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱SSRF。它是中國迄今為止最大的大科學裝置和大科學平臺，在科學界和工業界有著廣泛的應用價值，每天能容納數百名來自全國或全世界不同學科、不同領域的科學家和工程師在這裡進行基礎研究和技術開發。

蘭州重離子加速器

蘭州重離子加速器蘭州重離子加速器是中國自行研製的第一臺重離子加速器，同時也是中國到目前為止能量最高、可加速的粒子種類最多、規模最大的重離子加速器，是世界上繼法國、日本之後的第三臺同類大型迴旋加速器，1989年H月投入正式執行，主要指標達到國際先進水平。中科院近代物理研究所的科研人員以創新的物理思想，利用這臺加速器成功地合成和研究了10餘種新核素。

合肥同步輻射裝置

粒子加速器

合肥國家同步輻射實驗室直線加速器合肥同步輻射裝置主要研究粒子加速器後光譜的結構和變化，從而推知這些粒子的基本性質。它始建於1984年4月，1989年4月26日正式建成，迄今已建成5個實驗站，接待了大量國內外使用者，取得了一批有價值的成果。

中國科學技術大學同步輻射加速器實驗室

中國科學技術大學同步輻射加速器實驗室1989年4月提前建成並調試出束。機器坐落在安徽省合肥市中國科技大學西校園中。

大型強子對撞器

世界上最大、能量最高的粒子加速器——大型強子對撞器（Large Hadron Collider，簡稱LHC）

大型強子對撞器(Large Hadron Collider，LHC），是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機，作為國際高能物理學研究之用。(全球定位點：北緯46°14′00″，東經6°03′00″46.233333333333;6.05) LHC已經建造完成，臺北時間2008年9月10日下午15：30正式開始運作，成為世界上最大的粒子加速器設施。但在2008年9月19日，LHC第三與第四段之間用來冷卻超導磁鐵的液態氦發生了嚴重的洩漏，導致對撞機暫停運轉。LHC是一個國際合作的計劃，由34國超過兩千位物理學家所屬的大學與實驗室，所共同出資合作興建的。

鐳射粒子加速器

美國科學家Tomas Plettner在出版的《物理評論快報》上報告，他和斯坦福大學、斯坦福線形加速器中心（SLAC）的同事一起，用一種波長800奈米的商用鐳射調節真空中執行的電子的能量，獲得了和每米遞減4千萬伏的電場一樣的調製效果。這一技術有望發展成新型鐳射粒子加速器，用來將粒子加速到Tev（萬億電子伏）的量級。

傳統的加速器必須做成幾百米甚至更長的龐然大物，以將粒子能量提升到粒子物理學家所需的程度。幾年來，科學家發展出一種主要基於鐳射等離子體的技術，可獲得比傳統加速器更高的加速梯度，從而為縮短加速度的長度帶來可能。然而，之前的一些技術往往導致同步加速器的輻射損失或降低粒子束的質量，限制了其對粒子物理學家的吸引力。

斯坦福大學研究小組開發的新方法，在用鐳射束加速的同時，施加一個和鐳射同向的縱向電場，形成疊加的加速效果。電子獲得的能量自然等於縱向電場和鐳射束單獨作用施加能量之和。該裝置在真空中加速電子，而不是在複雜得多的等離子體環境中。

粒子加速器在自然空間，鐳射的相位速度——單一波長光的傳播速度——比電子的速度低，因此不會影響加速效果。然而，Plettner和同事用一種鍍金的帶狀聚合物，在電子束和光束互相作用的點上設定一條“邊界線”；該線減輕了電子束和光束之間的相互影響，使兩者之間產生電子加速所需的能量交換，從而克服了這個問題。

“這項工作最初、最主要的動機是想探索開發粒子加速器的可能性，從而把現有直線加速器的長度縮減一個數量級。”Plettner說，“這將導致碰撞能達1Tev甚至更高的‘緊湊’型高亮度輕子碰撞的出現。”據悉，新方法還可能導致小型X射線源技術的發展。

粒子加速器利用電磁場來控制小的帶電粒子的速度和方向。這些粒子被加速粒子包括電子，質子，電離原子，甚至是奇特的粒子比如正電子和反質子。最簡單的粒子加速器就是我們熟悉的電視接收機。陰極射線管（CRT）使用電子槍發射高速電子，經過垂直和水平的偏轉線圈控制高速電子的偏轉角度，最後高速電子擊打螢幕上的磷光物質使其發光，透過電壓來調節電子束的功率，就會在舊型號的電視螢幕上形成明暗不同的光點形成各種圖案和文字。（新型號的平板電視工作原理則不同。）今天用在各種不同科學裝置中的粒子加速器被的尺寸，能量，造價，複雜性，變異性和目的也大不相同；但是其基本原理則是十分簡單的。

埃蒙德威爾森估計如果把所有的直線加速器，迴旋加速器，同步加速器對撞機計算在內的換，全球大約有超過1萬臺執行中的粒子加速器。粒子加速是物理學研究中的重要部分，同時也會成為新聞報道的科學發現中的一部分內容。最著名的粒子加速器就是高能粒子加速器，所以本條目首先討論高能粒子加速器，然後以時間順序來探討其他加速器。最後一部分討論粒子加速器在一些大眾文化中的形象以及相關的技術問題。

高能粒子加速器

粒子加速器是每個參與到科學傳播工作中的人都十分感興趣的事情，因為它形成了一個微觀世界，而透過這個微觀世界人們可以觀察到科學和政治之間，科學和公眾之間，跨越國界的科學之間以及科學和技術之間的相互依存關係。在這方面最明顯的例證就是高能粒子加速器。高能粒子加速器執行的經費高達數千萬美元，而每個加速器都需要成千上萬的研究人員對此開展工作。大多數粒子加速器都健在地下的隧道系統內，除非在主要的裝置輸入口和對磁場和對引導粒子的磁場和地位系統進行定期維修的維修站才能觀察到它的外表。全球目前有五個正在執行的高能粒子加速器。第六個高能粒子加速器，也就是所謂的超高能超導對撞機，於20世紀90年代開始建造，但是在其竣工前就被放棄了。

隨著第一次試驗束在2009年9月產生，全球最具能量的高能粒子加速器成為歐洲粒子物理研究中心會新一代的大型強子碰撞型加速裝置（LHC）。LHC可以加速線圈中的質子使其向反方向運動直到與它們前面一組具有14萬億電子伏能量的探測器發生碰撞。LHC的初始目標是收集希格斯玻色子存在及其特性的資料，希格斯玻色子有時候也被稱為“上帝粒子”（其名稱來源於萊昂萊德曼的一本書）。希格斯玻色子被認為是大統一理論的關鍵問題，該理論可以用來解釋四種人類目前所知的所有的力，即強相互作用、弱相互作用、萬有引力、電磁相互作用。人們還認為希格斯玻色子給粒子賦予了質量，從這個意義上說，它在理解為什麼宇宙大爆炸之後物質而非反物質充斥整個宇宙，這和對稱性的假設是背道而馳的。1995年開始建造LHC光束線和探測器，由於超導磁鐵的問題以及其實際費用超過了起初預計費用的三倍多使得其建設工作被推遲了。

LHC的建設工作遇到了一些反對意見，這和以前位於紐約的布魯海文國立實驗室建設相對重離子碰撞機遇到的反對意見類似。有些人擔心這可能會產生小型黑洞，並且可能產生不可控的後果。粒子物理學家不斷地解決這些爭議，最近主要是透過任命兩個獨立的評估委員來開展這項工作。反對者試圖透過在美國法院和歐盟人權法院發起訴訟來阻止LHC的建設工作，2008年夏季這兩個法院均對該案予以駁回。

歐洲粒子物理研究中心的設施位於瑞士的日內瓦附近，其成員單位包括20個國家，還有另外8個國家是觀察員的身份（參與並提供專案經費，但是不發揮決策作用）。該機構起初的12個成員國於1954年形成；其成員單位的數目在冷戰的結束後的1990年開始增加。歐洲粒子物理研究中心實現了很多個第一次，包括由於發現W玻色子和Z玻色子而獲得1984年物理學諾貝爾大獎的魯比亞（該組織獲得的第二個物理學諾貝爾獎的是1992年發明並發展了粒子探測器，特別是多絲正比室的喬治夏帕克）。

這個粒子加速器綜合體如今還有用來研究反物質的粒子減速器，1995年這裡製造出了第一個反氫原子。也許該中心實驗室最著名的就是全球資訊網了，它製造出了超文字置標語言以使得資料可以共享，包括影片資料。該專案開始於1989年，1993年該實驗室宣佈任何對這些資料有興趣的人都可以使用。目前正在開展的分佈資料處理專案（融合到當前產生探測器的功能中）有可能進一步變革分散式的計算方式。

其他高能粒子加速器包括俄羅斯的佈德克爾佈德克爾佈德克爾核物理研究所的正負電子對撞機，日本高能加速器研究組織（KEK）的電子—正電子和質子—質子對撞機，德國電子同步輻射加速器中心（DESY）的電子—質子對撞機，美國費米實驗室的質子—反質子對撞機。在LHC開始執行之前，這些加速器是能量最高的加速器，並且在1995年發現和測量T夸克方面是功不可沒的，T夸克的發現對物理學的模型進行了確證和改進。費米實驗室不僅對物理學做出了貢獻，它在藝術，建設和環境科學亦有所貢獻。比如，美國中西部僅存的一個草原生態系統上的野牛群變得生機勃勃。

費米實驗室還因其治理結構（其高校科研協會（URA）直到最近才被芝加哥大學所取代，這還是在URA的支援下實現的）以及其家庭友好型的僱傭政策而聞名，這項僱用政策使得費米實驗室的40%工作人員都是女性（這和女性只佔到12%的主流物理學家群體不同）。費米實驗室獲得了建造LHC的最大一筆合同，它為其提供最複雜的磁鐵。其中的一個磁鐵損壞導致了LHC建設的延誤，從而其光束線沒有實現於2008年9月正式執行的預定目標。

粒子加速器就是加速粒子的機器。粒子加速器主要依靠兩種“場能”來工作，包括電場與磁場，其中電場主要為帶電粒子提供加速能量，而磁場主要是對帶電粒子束進行導引、約束與聚焦。，沃特塞恩粒子加速器專用固態功率放大器，粒子加速器中的帶電粒子主要包含電子、正電子、質子、反質子和重離子等，這些粒子都具有靜止質量，由相對論可知，這些帶電粒子的運動速度是無法達到光速的，只能說隨著輸入能量的提升，這些帶電粒子的速度是可以逐漸逼近光速的。