一、簡介
    粒子加速器（particle accelerator）全名為“荷電粒子加速器”，是使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量的特種電磁、高真空裝置。是人為地提供各種高能粒子束或輻射線的現代化裝備[1] 。
     日常生活中常見的粒子加速器有用于電視的陰極射線管及X光管等設施。一部分低能加速器用于核科學和核工程，其余的則廣泛用于從化學、物理及生物的基礎研究。一直到輻射化學，射線照相、活化分析、離子注入、射線治療、同位素生產、消毒殺菌、焊接與熔煉、種子及食品的射線處理以及國防等國民經濟的各個領域[2] 。
      自E·盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的α射線轟擊氮原子首次實現了元素的人工轉變以后，物理學家就認識到，要想認識原子核必須和粒子進行同步的研究。隨后應用粒子加速器發現了絕大部分新的超鈾元素和合成了上千種新的人工放射性核素，高能加速器的發展又使人們發現了包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子在內的幾百種粒子。
二、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，并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。

③導引、聚焦系統，用一定形態的電磁場來引導并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（能量小于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于各種實際應用。
三、分類
加速器的種類繁多，到目前為止，世界上已建成或曾著手研制的不下數十種。其中的已被淘汰，有的還不成熟。被廣泛采用和定型的則有十余種，它們的特點各有不同，可按不同的原則加以分類[1] 。

1．按加速粒子種類分：

(1)電子加速器；

(2)離子加速器、重離子加速器；

(3)任意帶電粒子或全粒子加速器。

2．按粒子運動軌道形狀分：

直線加速器(3張)

(1)直線加速器；

(2)回旋加速器；

(3)環形加速器。

3．按加速電場種類分：

(1)高壓加速器；

(2)感應加速器；

(3)高頻共振加速器。

4．按聚焦方式分：

(1)常規弱聚焦加速器；
　　

高壓加速器

(2)強聚焦加速器(超導或非超導磁體)。

5．按加速粒子能量范圍分：

(1)低能加速器 10～一10¹×10⁶eV

(2)中能加速器 10²×10⁶eV

(3)高能加速器 1—10²×10⁹eV

(4)超高能加速器 >1×10¹²eV

6．按束流強度分為強流、中流或弱流加速器。

以平均束流強度I計，一般大體上可以分為以下檔次：

強束流： >1A

較強流： 1—10²mA

超級粒子加速器

中等流： 約10²uA

弱束流： 1—10¹uA

甚弱： <luA

四、粒子運行方式

粒子運行方式有：直線、回旋、螺旋、自動穩向機制等。

利用直線加速器加速帶電粒子時，粒子是沿著一條近于直線的軌道運動和被逐級加速的，因此當需要很高的能量時，加速器的直線距離會很長。有什么辦法來大幅度地減小加速器的尺寸嗎？辦法說起來也很簡單，如果把直線軌道改成圓形軌道或者螺旋形軌道，一圈一圈地反復加速，這樣也可以逐級諧振加速到很高的能量，而加速器的尺寸也可以大大地縮減。

1930年E.O.勞倫斯在直線加速器諧振加速工作原理的啟發下，提出了研制回旋加速器的建議。勞倫斯建議在回旋加速器里增加兩個半圓形磁場，使帶電粒子不再沿著直線運動，而沿著近似于平面螺旋線的軌道運動，這種改造使得加速器的電場不至于如此之長而導致電場能損失，是一個極富設想的設計發明。1931年建成了第一臺回旋加速器，磁極直徑約10厘米，用2千伏的加速電壓工作，把氘核加速到80keV，證實了回旋加速器的工作原理是可行的。在1932年又建成了磁極直徑為27厘米的回旋加速器，可以把質子加速到1MeV。

回旋加速器的電磁鐵的磁極是圓柱形的，兩個磁極之間形成接近均勻分布的主導磁場。磁場是恒定的，不隨時間而變化。在磁場作用下，帶電粒子沿著圓弧軌道運動，粒子能量不斷地提高，軌道的曲率半徑也不斷地提高，運動軌道近似于一條平面螺旋線。

SLAC的直線加速器中電子槍的原理圖

兩個磁極之間是真空室。里面裝有兩個半圓形空盒狀的金屬電極，通稱為“D形電極”。D形電極接在高頻電源的輸出端上，2個D形電極之間的空隙（加速間隙）有高頻電場產生。粒子源安裝在真空室中心的加速間隙中。D形電極內部沒有高頻電場，粒子進入D形電極之內就不再被加速，在恒定的主導磁場作用下做圓周運動。只要粒子回旋半圓的時間等于加速電壓半周期的奇整數倍，就能夠得到諧振加速。用一個表達式可以表示成：

Tc=KTrt

式中Tc是粒子的回旋周期，Trt是加速電壓的周期，K應該是奇整數。

這類利用軸向磁場使帶電粒子做回旋運動，周期性地通過高頻電場加速粒子的回旋加速器又可以分為兩類：

第一類是沒有自動穩相機制的。等時性回旋加速器就是屬于這一類。D形電極間加有頻率固定的高頻加速

粒子加速器

電場，粒子能量低時，回旋頻率能保持與高頻電場諧振，而當能量高時，粒子的回旋頻率會隨著能量的提高而越來越低于高頻電場頻率，最終不能再被諧振加速。為了克服這個困難，可以使磁場沿半徑方向逐步增加，以保持粒子的回旋頻率恒定。然而磁場沿半徑方向遞增卻又導致粒子束流軸向散開。為解決這一矛盾，60年代初研制成功了扇形聚焦回旋加速器，在磁極上巧妙地裝上邊界彎曲成螺旋狀的扇形鐵板，它可以產生沿方位角變化的磁場，即使加速粒子軸向聚焦，又使磁場隨半徑增大而提高，保證粒子的旋轉頻率不變，即旋轉一周的時間不變，因此被稱為等時性回旋加速器。

第二類是有自動穩相機制的。屬于這一類型的加速器有：（1）穩相加速器；（2）同步加速器；（3）回旋加速器。

穩相

SLD事件的示意圖

軸向磁場保持恒定，而使高頻加速電場的頻率隨著粒子回旋頻率的降低而同步降低，從而使帶電粒子仍能繼續被諧振加速。這類加速器又名調頻回旋加速器或穩相加速器。采用自動穩相機制以后，在理論上可以將質子加速到無限高的能量，然而由于技術上和經濟上的原因，歷史上最大的穩相加速器的能量只達到700MeV。這一類型的加速器用來加速質子，有的用于加速摻氘核、α粒子甚至氮離子。

同步

它的主導磁場是隨時間改變的以保證帶電粒子在恒定軌道上回旋。為此，磁鐵做成環形的，可使磁鐵重量減輕。加速電場是交變的，其頻率隨著帶電粒子回旋頻率的改變而改變，以保證諧振加速。同步加速器既能加速電子，稱為電子同步加速器；又能用于加速質子，稱為質子同步加速器或同步穩相加速器。用于加速重離子的同步加速器，顧名思義應稱為重離子同步加速器。

回旋

又稱為微波回旋加速器，專門用于加速電子。這一類型的加速器中，軸向磁場是均勻的，加速電場的頻率也是恒定的，而所不同的是讓加速間隙位于磁極的一端，電子的軌道為一系列與加速間隙中心線相切的圓。圖2.5是電子回旋加速器中電子軌道的示意圖。電子每回旋一圈，就被加速一次，只要回旋周期等于加速電壓周期的整數倍，就有可能進行諧振加速。電子回旋加速器的能量都不是很高，最大的也不過幾十MeV，束流強度為30～120微安，大多數用于醫療和射線劑量學等方面。

環形

被加速的粒子以一定的能量在一圓形結構里運動，粒子運行的圓形軌道是由磁偶極（dipole magnet）所

粒子加速器

控制。和直線加速器(Linac)不一樣，環形加速器的結構可以持續地將粒子加速，粒子會重復經過圓形軌道上的同一點，但是粒子的能量會以同步輻射方式發散出去。

同步輻射是當任何帶電粒子加速時，所發出的一種電磁輻射。粒子在圓形軌道里運動時都有一個向心加速度，會讓粒子持續輻射。此時必須提供電場加速以補充所損失的能量。同步輻射是一種高功率的輻射，加速器將電子加速以產生同相位的X光。

除了加速電子以外也有些加速器加速較重的離子，如質子，以運作更高的能量領域的研究。譬如高能物理對于夸克及膠子的研究分析。

最早的環形加速器為 粒子回旋加速器，1932年由 恩奈斯特·勞倫斯（en:Ernest O. Lawrence）所發明。粒子回旋加速器有一對半圓形（D形）的中空盒子，以固定頻率變換電場，用以加速帶電粒子；以及一組磁偶極提供磁場使運動粒子轉彎。帶電粒子從盒子的圓心地方開始加速，然后依螺旋狀軌跡運動至盒子邊緣。

粒子回旋加速器有其能量限制，因為 特殊相對論效應會使得高速下的粒子質量改變。粒子的核質比與回旋頻率間的關系因此改變，許多參數需重新計算。當粒子速度接近光速時，粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能讓粒子繼續運行，而這時可能已經達到粒子回旋加速器機械上的極限。

當電子能量到達約十個百萬電子伏特（10 MeV）時，原本的粒子回旋加速器無法對電子再做加速。必須用其它方法，如 同步粒子回旋加速器和 等時粒子回旋加速器的使用。這些加速器適用于較高的能量，而不用于較低的能量。

如果要到達更高的能量，約十億電子伏特（billion eV or GeV），必須使用同步加速器。同步加速器將粒子置于環形的真空管中，稱為儲存環。儲存環有許多的磁鐵裝置用以聚焦粒子以及讓粒子在儲存環中轉彎，用微波（高頻）共振腔提供電場將粒子加速。

直線

粒子加速器

帶電粒子在直線中加速，運行到加速器的末端。較低能量的加速器例如陰極射線管及X光產生器，使用約數千伏特的直流電壓（DC）差的一對電極板。在X光產生器的靶本身是其中一個電極。 此加速方式由Leó Szilárd提出，最后由Rolf Wider?e在1928年成功做出第一臺實驗裝置。較高能的直線加速器使用在一直線上排列的電極板組合來提供加速電場。當帶電粒子接近其中一個電極板時，電極板上帶有相反電性的電荷以吸引帶電粒子。當帶電粒子通過電極板時，電極板上變成帶有相同電性的電荷以排斥推動帶電粒子到下一個電極板。為了能讓粒子持續加速通過，科學家通常會把電極版設計成電極環。 所以帶電粒子束加速時，必須小心控制每一個環上的交流（AC）電壓，讓每一個帶電粒子束可以持續加速。由于粒子速度越來越快，要保持電場加速粒子效率，電擊環的長度必須越來越長使電場作用在粒子的時間提高。為了保持粒子運動軌跡的穩定性，通常會使用一連串的四極電磁鐵(Quadrupole magnets)強制讓粒子束往中心方向聚集。

當粒子接近光速時，會由于相對論效應粒子會將電能轉成質能，電場的轉換速率必須變得相當高以抵抗相對論效應，須使用微波（高頻）共振腔來運作加速電場。 直線加速器由于高電壓的運作，會使儀器表面有感應電荷存在，這不只會造成實驗誤差更造成安全上的漏電，甚至這些在金屬儀器表面的電能會轉成更危險的熱能，這造成了直線加速器必須有極限電壓以保安全。加上儀器尺寸過大，高電壓運作的電費更是一大負擔。于是在直線加速器之后，科學家基于成本和安全要求發明了回旋加速器(Cyclotron)。 (Ernest Lawrence發明了回旋加速器并在1939年榮獲諾貝爾物理獎)

雖然直線加速器有成本和安全的缺點，但是和現今的粒子加速器比較的話，它還是有高功率(短時間將粒子加速到相對論狀態)和高數量輸出的優點。 直線加速器也被稱為Linac（LinearAccelerator的簡稱）。

五、應用

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。它廣泛應用于聚合物交聯改性、涂層固化、聚乙烯發泡、熱收縮材料、半導體改性、木材-塑料復合材料制備、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：輻照交聯聚乙烯電纜經105Gy劑量輻照后，其電學性能、熱性能都有很大提高，使用溫度輻照前為60~70℃，輻照后長期使用溫度可達120℃以上。我國已有用加速器進行輻照加工的生產線200多條。