- 中文名
- 加速器
- 外文名
- accelerator
- 拼 音
- jiā sù qì
- 相关领域
- 物理学
- 释 义
- 使带电粒子增加速度的装置
- 应 用
- 原子核实验、放射性医学等
加速器（accelerator）是用人工方法把带电粒子加速到较高境跨牛能量的装置。利用这种装置可钻循以产生各种懂组遥能量的电子、质子雅狼、氘核、α粒子以及其它一些重离子。利用这些直接被加速的带电粒子与物质相作用，还可以产生多种带电的和不带电的次级粒子，像γ粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等。当前世界上的加速器大多是能量在100兆电子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用于原子核和核工程研究方面外，大部分用付组欠于其他方面，像化学、放射生物学、放射医学、固体物理等的基础研究以及工业照相、疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其举照欠希他食品放捉射的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核爆炸等。数年来还利用加速器原理，制成各种类型的离子注入机。以供碑旬巴半导体工业的杂质掺杂而取代热扩散的老工艺。使半导体器件的成品率和各项性能指标大大提高。很多老工艺不能实现的新型器件不断问世，集成电路的集成度因此而大幅度提高。
带电粒子在电场中会受到电磁力的作用而得到加速，提高能量。电场能够以静电场、磁感应电场和交变电磁场三种不同的形式存在，加速器就是用这三种电场加速带电粒子的原理发展起来的。20世纪30年代以来，经过70多年的发展，出现了许多类型的加速器，其分类标准也很多，例如按加速粒子的种类不同，可分为电子加速器，质子和重离子加速器以及微物质粒子（粉末、灰尘等）加速器（又称微粒子团加速器）；按加速粒子能量可分为低能加速器（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以上的称为超高能加速器；按束流强度可分为强流加速器（束流强度1mA以上）、中流加速器（束流强度10μA~1mA以上）和弱流加速器（束流强度10μA以下）；按加速电场种类可分为高压型加速器、电磁感应型加速器和高频谐振型加速器；按粒子运动轨道的形状可分为直线加速器和圆形（或环形）加速器。直线加速器包括直流高压型加速器，射频对撞机。圆形加速器包括回旋加速器，稳相加速器，电子感应加速器，同步加速器，弱聚焦同步稳相加速器，强聚焦同步稳相加速器和环形对撞机等。 [1]
加速器是一种复杂的设备，大体上由下列4个基本部分构成：
（1）粒子源
如电子枪、离子源等，用以提供需要加速的带电粒子束。
（2）真空加速结构
如加速管、射频加速腔和环形加速室等，在真空中产生一定的加速电场，使粒子得到加速。
（3）导引聚焦系统
用一定的电磁场引导合和约束被加速的粒子束，使它沿着一定的轨道加速，如环形加速器的主导磁场等。
（4）束流输运、分析系统
由电子、磁场透镜、弯转磁铁和电、磁场分析器构成的系统，用来在粒子源与加速器之间输运并分析带电粒子束。
此外，还有束流监测装置、电磁稳定控制装置、真空装置、电气设操作设备等辅助系统。 [1]
加速器的早期探索可以追溯到20世纪20年代。早在1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford）用天然放射源中能量为几个MeV、速度为
柯克罗夫特
1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton）建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α 粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。
凡德格拉夫
加速器劳伦斯与回旋加速器
奈辛（G.Ising）于1924年，维德罗（E.Wideroe）于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。
由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，其原因就是随着粒子的速度不断的增加，其加速度和外力的关系不再适用牛顿运动定律，即高频加速电场的频率和回旋频率不再匹配；如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。
前苏联科学家维克斯列尔
为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家维克斯列尔（V.I.Veksler）和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan）各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特（M.L.Oliphant）也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。
美国科学家麦克米伦
自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。
自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。
1952年美国科学家柯隆（E.D.Courant）、李温斯顿（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。
美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。
美国科学家科斯特
1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst）研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量，可以允许更大的辐射损失，极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。
加速器的能量发展到如此水平，从实验的角度暴露出了新的问题。使用加速器作高能物理实验，一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制。如果采取两束加速粒子对撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。
意大利科学家陶歇克
1960年意大利科学家陶歇克（B.Touschek)首次提出了这项原理，并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。
现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10～1000TeV，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。
粒子加速器
用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。
卢瑟福粒子加速器的结构一般包括 3个主要部分 ：①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。②真空加速系统，其中有一定形态的加速电场，并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速 ，整个系统放在真空度极高的真空室内。③导引、聚焦系统 ，用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。
加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于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）。当前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。
1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦，分别独立发现了自动稳相原理。1946年，第一台稳相加速器在美国伯克利建成，此后诞生了一系列同步加速器，其中包括同步回旋加速器。这是加速器发展的第一次革命。1952年，美国科学家科隆、列文斯顿和史耐德提出了强聚焦原理，其后将该原理广泛用于环形加速器和直线加速器中。这是加速器发展的第二次革命。1960年，陶歇克首先提出对撞机的概念，即两个粒子沿相反的方向注入同步加速器内，并在制定的位置对撞，在他的领导下，在意大利夫拉斯卡第建成一个直径1m、名为AdA的对撞机，开辟了加速器发展新纪元。这是加速器发展的第三次革命。 [1]
图1 加速器随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。用人工的办法加速带电粒子，使其获得很高速度的装置．加速器利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，使其具有高达几千、几万乃至近光速的高速带电粒子束，是人们认识原子核和探讨基本粒子，对物质深层结构进行研究的重要工具，同时随着加速器技术的不断发展，各种新的技术、新的原理不断更新，不断突破，进一步促进新技术的向前推进．加速器的研究和发展同时带来在工农业生产、医疗卫生、国防建设等各方面的重要而广泛的应用．
早在20世纪20年代，科学家们就探讨过许多加速带电粒子的方案，并进行过多次实验．其中最早提出加速原理的是E·维德罗．30年代初高压倍加器、静电加速器、回旋加速器相继问世，研制者分别获得这一时期的诺贝尔物理学奖．这以后随着人们对微观物质世界深层次结构的研究的不断深入，各个科学技术领域对各种快速粒子束的需求不断增长，提出了多种新的加速原理和方法，发展了具有各种特色的加速器．其中有电子感应加速器、直线加速器、强聚焦高能加速器、扇形聚焦回旋加速器．1956年克斯特提出通过高能粒子束间的对撞来提高有效作用能的概念，导致了高能对撞机的发展．
几十年来，人们利用加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成上千种新的人工放射性核素，并对原子核的基本结构和其变化规律进行了系统深入的研究，促使了原子核物理学的发展和成熟，并建立新的粒子物理学科，近20年来，加速器的发展的应用使材料科学、表面物理学、分子生物学、光化学都有重要发展．
中国加速器的发展始于50年代末期，先后研制和生产了高压倍加器、静电加速器、电子感应加速器、电子和质子直线加速器、回旋加速器．数年来更加先进的加速器在中国又取得重大进展，北京已建成正负电子对撞机，使中国加速器研制和应用进入了世界先进行列．
1955年
图2 加速器1958年
中国第一台回旋加速器建成。
清华大学400keV质子倍压加速器建成。
1958年~1959年
清华大学2.5Mev电子回旋加速器出束。
1964年
中国科学院高能所30MeV电子直线加速器建成。
1982年
1988年
北京正负电子对撞机实现正负电子对撞。
兰州近代物理研究所用于加速器重离子的分离扇形回旋加速器（HIRFL）建成。
1989年
北京谱仪推至对撞点上，开始总体检验，用已获得的巴巴事例进行刻度。北京谱仪开始物理工作。
2004年
北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）第一阶段设备安装和调试工作取得重大进展。同年11月19日16时41分，直线加速器控制室的示波器上显示出的电子束流流强约为2A以上，标志着BEPCⅡ直线加速器的改进工作取得一个重要的阶段性成果。
2005年
北京正负电子对撞机（BEPC）正式结束运行。投资6.4亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）第二阶段——新的双环正负电子对撞机储存环的改建工程施工正式开始。新北京正负电子对撞机的性能将是美国同一类装置的3~7倍，对研究体积为原子核一亿分之一的夸克粒子等基础科研具有重要意义。
图3 加速器集成单元为什么？
上述两种作用均发生在能态层面而非物质态的层面；属能簇与能簇之间的关系。
弱相互作用：任何外来能团轰击类弧子结构时，沿时轴方向进入类弧子（从能量到能量）时，外加能量在进入类弧子结果体时，便会发生弧合作用而产生出对称弧合，对外显示出释放了两个旋向相反，质量相等能团，即对称性弧合反应。外加能量的能量级被限制在被轰击的类弧子的时轴的能量（假设等于1）范围内：小于0，大于1时，均不能产生出成对的能粒子。只有在< 1,>0 的条件下，才可以生成亚粒子；在此层面上可以产生出许多亚粒子，理论上是无限多。
非对称弱相互作用：如果外加能量与类弧子的空间轴水平进入系统时，由于时间轴在空间轴上的非对称性（1/3），所有弱相互作用均发生在类弧子结构的能量交换过程中，本质上是对自然本在能态的一种人工扰动， 并非是物质的结构性改变。类弧子结构是一种能态转化过程中的普遍存在的刚性结构。当外加能量进入时，这些外加能量就被“训化”了，形成适当的次粒子并被释放出来。这些过程是可以反复和重演的。一切自然能态在其能量发生相互转化时的唯一结构体，即类弧子体。弱相互作用实际上是人工条件下对类弧子体的干扰性的物理学观察结果。自然能态犹如平静的湖面，人为的力量弄起了几丝涟纹；当这些人工干扰停顿 时，自然能态将恢复如初，并未发生丝毫的改变。人们总结出来的理论或规律，仅仅是有关那几丝涟纹的观察结果。对于自然的能本态或物质性结构仍是一无所知。
与此不同的强相互作用则全部发生在能态的能子层面（状态）。能子状态的统一结构体，即绝对弧子。其时空轴绝对同一，组成绝对弧合子的最小能量子单位，现代人称为强子。强相互作用就是研究绝对弧合子能量单元之间的关系。这里，要求人工能量要有极高的能级状态，使用很高能量时才能激发这种相互作用。强相互作用对外不显示任何新粒子产生或亚粒子对产生；也就是说，如果产生的话，则是碰撞能量的转化形式。怎样转化仅仅取决于绝对弧合子吸收人工外加能量的量值。通常情况下不产生。多以光子形式被释放掉，寿命极短。
绝对弧子好比布满麻点的皮球，其麻点对应最小能单位，在无外加能量时，每个麻点的“位置”是同一的，即自由的，任意方位均可“看”到同一个麻点的存在。对其施加外力（外加能量）时，球面将会发生塌陷，此时塌陷边缘上对称的麻点发生对称性的背离运动，似乎被分开了。由于绝对弧子自身的稳定性，也即对人工能量的排斥性，看起来似乎是两个麻点拼命想恢复原状，给的力越大，凹陷越大，回弹性就越强；凹陷越小，回弹性越弱，按照现代物理学的观点理解，即渐近自由。这些实为假象（人工制造的假象）。
概括而论，弱相互作用及其规律以及强相互作用及其规律，例如杨振宁等的非对称性弱相互作用理论和戴维#26684；罗斯、戴维?#27874；利策和弗兰克#32500；尔切克等的强相互作用理论，渐近自由理论都是建立在人工作用条件下的，描述自然本态在被干扰时所发生现象的物理认识理论，而非自然本态的物理理论。其根本错误在于自然认识观是错误的，唯有弧理论可以正确概括和阐述各种自然的本在态结构。
低能加速器的应用是核技术应用领域的重要分支，当前，在世界各地运行着的数千台加速器中大多数是在工业、农业、医疗卫生等领域内得到广泛应用的低能加速器。低能加速器在这些领域的应用，极大地改变了这些领域的面貌，创造了巨大的经济效益和社会效益。
1）辐照加工
应用加速器产生的电子束或X射线进行辐照加工已成为化工、电力、食品、环保等行业生产的重要手段和工艺，是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。
经辐照生产的产品具有许多优良的特点，例如：聚乙烯电缆经105Gy剂量辐照后，其电学性能、热性能都有很大提高，使用温度辐照前为60~70℃，辐照后长期使用温度可达120℃以上。当前，中国已有用加速器进行辐照加工的生产线40多条。
2）无损检测
无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可以采用放射性同位素Co-60产生的γ射线、X光机产生的低能X射线和电子加速器产生的高能X射线。尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。
射线检测的方法根据对透过工件的射线接受和处理方法的不同，又可把射线检测法分为三种：
这种方法与我们体检时拍X光胶片相似，射线接受器是X光胶片。探伤时，将装有X光胶片的胶片盒紧靠在被检工件背后，用X射线对工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上，对感光后的胶片进行处理后，就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。
b、辐射成像法
这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的X射线安检系统，也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。
c、工业CT
与医用CT原理类似，CT技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速器作为X射线源的CT技术是一种先进的无损检测手段，主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达0.1%，比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密工件的缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。
3）离子注入
利用加速器将一定能量的离子注入到固体材料的表层，可以获得良好的物理、化学及电学性能。半导体器件、金属材料改性和大规模集成电路生产都应用了离子注入技术。中国现拥有各类离子注入机100多台。其中中国自己累计生产出140多台离子注入机，能量为150KeV~600KeV（1KeV=1×103eV），流强为0.5mA到十几mA。
作为核技术应用装备的加速器在农业上的应用，在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面：
1）辐照育种
加速器在辐照育种中的应用，主要是利用它产生的高能电子、X射线、快中子或质子照射作物的种子、芽、胚胎或谷物花粉等，改变农作物的遗传特性，使它们沿优化方向发展。通过辐射诱变选育良种，在提高产量、改进品质、缩短生长期、增强抗逆性等方面起了显著作用。马铃薯、小麦、水稻、棉花、大豆等作物经过辐照育种后可具有高产、早熟、矮杆及抗病虫害等优点。
2）辐照保鲜
辐照保鲜是继热处理、脱水、冷藏、化学加工等传统的保鲜方法之后，发展起来的一种新保鲜技术。例如，对马铃薯、大蒜、洋葱等经过辐照处理，可抑制其发芽，延长贮存期；对干鲜水果、蘑菇、香肠等经过辐照处理，可延长供应期和货架期。
3）辐照杀虫、灭菌
当前，在农产品、食品等杀虫灭菌普遍使用化学熏蒸法，由于使用溴甲烷、环氧乙烷等化学熏蒸法引起的残留毒性、破坏大气臭氧层等原因，根据蒙特利尔公约，到2005年要在全球范围内禁止使用溴甲烷。因而利用加速器进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速器产生的高能电子或X射线可以杀死农产品、食品中的寄生虫和致病菌，这不仅可减少食品因腐败和虫害造成的损失，而且可提高食品的卫生档次和附加值。
随着科学技术的进步，人民生活和质量的提高，人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。当前，加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面，即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。
1） 放射治疗
除了应用加速器产生的电子线、X射线进行放疗外，还可应用加速器进行质子放疗、中子放疗、重离子放疗和π介子放疗等，这些治癌方法还处在实验阶段，实验的结果表明，疗效显着。但这些加速器比电子直线加速器能量高得多，结构复杂得多，价格昂贵得多，尚未普及。
利用电子直线加速器开展立体定向放疗，俗称X—刀，是数年来发展的新的放疗技术。这种技术与常规放疗相比，可多保护15%~20%的正常组织，而肿瘤增加20%~40%的剂量，可更有效地杀灭癌细胞，从而增加放疗疗效。
60年代中国医院装备了医用感应加速器，70年代中期医用电子直线加速器开始装备中国各地医院。截止到2000年初，中国已拥有各种能量的医用加速器约530台，其中国产医用加速器约230台，进口医用加速器约300台。
2）医用同位素生产
现代核医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤，如今已确定为临床应用的约80种同位素，其中有2/3是由加速器生产的，尤其是缺中子短寿命同位素只能由加速器生产。这些短寿命同位素主要应用在以下方面：
PET是由病人先吸入或预先注射半衰期极短的发射正电子的放射性核素，通过环形安置的探测器从各个角度检测这些放射性核素发射正电子及湮灭时发射的光子，由计算机处理后重建出切面组织的图像。而这些短寿命的放射性核素是由小回旋加速器制备的。最短的半衰期核素如O-15仅为123秒，一般为几分钟到1小时左右。所以，这种加速器一般装备在使用PET的医院里。生产PET专用短寿命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了众多的加速器生产厂开发研制。当前，国外几个加速器生产厂家生产的小回旋加速器已达到几十台。
b、图像获取
利用放射性核素进行闪烁扫描或利用γ照相获取图像的方法，可以诊断肿瘤、检查人体脏器和研究它们的生理生化功能和代谢状况，获取动态资料。例如Tl-201用于心肌检查，对早期发现冠心病和心肌梗塞的定位等是当前最灵敏的检查手段。而这些放射性核素绝大部分也是由加速器生产的。
3）辐照消毒
