1、一種用人工方法產生快速的裝置。它利用一定形態的將、或重等帶電粒子加速，能提供高達幾千、幾萬乃至接近三十萬千米每秒（中的）的各種高的帶電粒子束，是人們變革和“基本”粒子、的重要工具；在工農業、醫療衛生、等各個方面也都有重要而廣泛的應用。歷史1919年，E用天然實現了第一個原子核，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.伽莫夫關于效應的計算表明，能量遠低于天然的粒子，也可透入核內，這就進一步了人們研制人造快速粒子源的。20年代中，過許多加速帶電粒子的方案，進行過許多。30年代初，高壓倍加器、相繼問世。1932年J.D考克饒夫和瓦耳頓用他們建造的700kV高壓倍加器加速質

2、子，實現了第一個由人工加速的粒子束引起的丄i（p,D）He。同年E.O勞倫斯等的回旋加速器（見彩圖1930年E.O勞倫斯（19011958）制成的世界上第一臺回旋加速器）開始運行。幾年之后他們通過人工加速的p、d和等粒子轟擊靶核得到高的束，還首次制成了24Na、32P、131I等醫用。這幾位研制加速器的先驅者后來分別獲得了諾貝爾獎。同一R.J范德格夫創建了靜電加速器，它的能量均勻度高,被譽為研究的精密工具。第一批的運行顯示了人工方法產生快速粒子束的巨大優越性：不僅其強度遠高于、等天然快速粒子源，而且粒子的、能量以及粒子束的方向等都可任意選擇、精確。以后的幾十年間，隨著人們對微觀物質世界深層結構

3、研究的不斷深入，各個科學技術領域對各種快速粒子束的不斷增長，提出了多種新的和方法，了具有各種特色的加速器。1940年D.W克斯特制成了利用產生的加速電子到高能量的；1945年B.M.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自獨立提出了加速的自動穩相，為高能加速器的發展開辟了；40年代中期在期間發展起來的高頻、上，L.W阿耳瓦雷茨和W.W漢森分別制成了第一臺質子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；1956年克斯特提出了通過高能粒子束間的對撞來提高有效能的，導致了高能的

4、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。由于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下降。60年代后期以來，在尋求，發展的推動下，發展了加速重離子的技術和，并形成了自成一族的，使加速粒子的品種自初期的少數輕離子發展到上全部天然元素的離子。幾十年來，人們應用粒子加速器了絕大部分新的和的上千種新的，并深入地研究原子核的基本及其，促使迅速地發展起來；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、和各種粒子，并建立起這樣一門新。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

5、領域，在諸如、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于同位素生產、與、射線、輻照、材料輻照改性、微量以及、模擬等方面。迄今世界各地建造了數以千計的粒子加速器，其中一小部分用于原子核和粒子物理的，它們繼續向提高能量和改善束流方向發展；其余絕大部分都屬于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制轉為批量生產。中國粒子加速器的發展始于50年代末期，已先后研制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、回旋加速器等加速器,并從事高能加速器、重離子加速器和加速器的研制。（見彩圖中國科學院高能物理研究所90MeV加速器全貌

6、、中國第一臺回旋加速器、中國科學院高能物理研究所10MeV質子直線加速器主體、中國第一臺電子輻射加速器、中國科學院高能物理研究所35MeV質子直線加速器的加速腔、中國科學院高能物理研究所750keV預注入器、重離子加速器圖左為初步安裝就位的磁鐵）結構粒子加速器有三個基本組成部分（見圖：粒子加速器的基本組成部分） 粒子源，如電子槍、粒子源等，用以提供所需加速的各種粒子； 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，并使粒子在不受的條件下加速； 、聚焦系統，包括電磁、主導等，應用一定形態的電磁場來引導并被加速的粒子束，使之沿預定電場加速。多數加速器

7、還設有由若干彎轉磁鐵和電磁透鏡等組成的，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，為了加速器的穩定運行，通常還設有電磁場的穩定設備，束流診斷和設備以及各種供電和設備。粒子加速器的效能通常以粒子所達到的能量來。粒子能量在MeV以下的稱為低能加速器，能量在0.11GeV間的稱中能加速器，能量高于1GeV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。電子的很小，在較低的能量（約2MeV）就接近光速，而質子和重離子則要在很高能量（每2GeV以上）其速度接近光速。因此，加速不同粒子品種的加速器，往往在結

8、構上有相當大的。由加速器直接加速出來的快速粒子同物質還可產生丫、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,大體上可分為類：高壓式加速器、電磁感應式加速器、諧振式加速器和回旋諧振式加速器。它們各自都有適于工作的粒子品種、能量范圍以及性能特色。幾十年來,它們各自在同其他類型的中不斷地發展、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）往往采用多種加速器的串接：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

9、量，再注入回旋諧振式加速器加速至終能量。這樣的系統有利于發揮每一類加速器的和特色。直流高壓式加速器這類加速器將直流高加在一對或一系列串接的加速電極上，帶電粒子通過間的間隙時，受到的加速，得到同該電壓相當的能量。按直流高壓電源的不同，這種加速器又可分為倍壓電路加速器和靜電加速器兩類。倍壓加速器有高壓倍加器（亦稱串激倍壓，或考克饒夫瓦耳頓發生器），“地那米”加速器（又稱并激高頻高壓發生器）、馬克思、絕緣芯等。這些裝置適宜于產生幾十千伏至幾兆伏的高電壓，并可提供較高的束流。大多數高壓倍加器的電壓在100600kV之間,主要用作產生（d,d）或（d,t）反應的中子發生器和研制的離子注入機；電壓在14M

10、V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）供輻照加工之用。馬克思脈沖倍壓發生器用來產生強度達數十千安的脈沖電子束。靜電加速器又稱范德格夫加速器，它通過帶或輸電鏈向空心金屬電極不斷，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之中,的工作電壓為210MV,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于中子反應、離子束微量分析以及和方面的研究，電子靜電加速器則用于輻照加工、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，它先將帶負電的離子由地向正高壓電極加速，接著在電極內通過電子器將轉變成正離子，再由同一高電壓對離子進行第二次加速

11、。用這樣的方法可使質子的能量提高一倍。如把高壓相反的兩個串列式加速器在一起，能量還可更高。巨型的串列式加速器，如橡樹嶺實驗室的25URC和達爾士布萊的NSF加速器,其加速電壓在25MV以上，主要用于基礎研究。近年來，生產了一批電壓12MV的小型串列式加速器,它們在元素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制中的離子直線感應加速器。前者利

12、用具有特殊的軸對稱交變磁場導引電子沿著恒定的圓形軌道。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25MeV左右。加速中，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0.5口A。由此產生的，離靶1m處約10-21Gy/min。它主要用于金屬的無損探傷、腫瘤的輻照治療等。美國伊利諾伊曾建成能量達300MeV的電子感應加速器。由于圓形軌道的感應加速器不適宜于加速離子，近年來提出了直線式的感應加速器，用以加速10kA的重離子流，目前尚處于研制。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

13、振幅通常為110MV/m。為此需要使用功率很高的高頻、電源來加速腔。這樣的功率源物往往只能在脈沖狀態下工作。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于光速，常用帶孔的盤形金屬障板系統（盤荷結構）來慢化柱形波導中的，使其相速適合于加速電子的要求。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430MeV間，平均流強數百微安，微波電源的工作約為3000MHz。中能的電子直線加速器多數用作的注入器。高能的電子直線加速器在粒子物理研究中重要。加速離子的直線加速器與電子的很不相同，因為離子

14、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采用帶管的駐波腔加速。在這種腔里,電場處于加速方向時,質子穿越漂移管間的加速電間隙，獲得能量；電場反向時，質子處于漂移管中，不受減速電場作用。隨著粒子能量增高漂移管的按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。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50200MeV間,脈沖流強數百毫安。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24倍

15、，然后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。缺點是高頻運行的功率消耗大，設備高。近年來發展了多種超導直線加速結構。超導的直線加速器（見）可使運行降低35倍，原則上可以連續提供粒子束團。回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，反復通過加速電場區，得到多次加速，直至達到額定能量。回旋諧振式加速器可分二類。第一類中磁場不隨時間而變，加速粒子的半徑隨能量的增加而不斷增加。經典回旋加速器、扇形聚焦回旋加速器、和電子回旋加速器都屬此類。另一類中，導引磁場的強度隨粒子的同步增加，但粒子的

16、曲率半徑恒定。如電子同步加速器和都屬此類。上述各加速器中,除扇形聚焦回旋加速器外,都著自動穩相的現象。回旋加速器經典的回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，其回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于電場的頻率，最終導致不能再為電加速。由于這個緣故，經典回旋加速器中質子的最高能量僅約20MeV。為了克服這一困難，可讓磁場沿半徑方向逐步增高，以使粒子的旋轉保持恒定。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年代初研制成功的扇形聚焦回旋加

17、速器，巧妙地解決了加速和軸向聚焦間的這一。新加速器的磁極上裝有彎成狀的扇形鐵塊，它們產生沿變化的磁場，使加速粒子在軸向聚焦；而同時磁場沿方位角的，則隨半徑增大而增高,保證粒子的旋轉周期固定不變,故扇形加速器也稱作等時性回旋加速器。其典型工作能量在25100MeV間，內束流強約1mA,外束流強約100口A,大多用來生產各種，進行材料的以及的研究，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，近年來發展了扇型和超導的等時性回旋加速器。前者由46塊獨立的扇形磁鐵構成，高頻加速腔及注入、引出設備獨立于磁場之外，大大提高了各自的。超導的等時性加速器采用低溫作繞組，場強可達50kGs盡

18、管需要增設低溫設備等，總的費用仍然僅為常溫分離扇加速器的1/3。同步回旋加速器一種磁場恒定加速電場頻率隨著粒子的旋轉降低的回旋加速器，又名調頻回旋加速器或穩相加速器。根據自動穩相原理，采用這樣的加速方式，原則上可將質子加速到無限高的能量。然而，歷史上最大的同步回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。從上和技術上考慮不宜再建造能量更高的調頻加速器,由于電場的頻率必須隨時間而變,同步回旋加速器只能在脈沖狀態下工作。脈沖率約為30100Hz。平均流強幾微安，比能量相當的扇形聚焦回旋加速器小一二個量級。由于這個緣故相當多的同步回旋加速器已經關閉

19、，有些則為等時性回旋加速器。電子回旋加速器又稱微波回旋加速器，專用于電子的加速。同經典的回旋加速器一樣，加速器的磁場是均勻的，加速電場的頻率也是恒定的，不同的是加速間隙位于磁極的一端，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后，其旋轉周期正好增至加速前的倍，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1030MeV間，流強30120口A。大多用于醫療和等方面。同步加速器一種加速高能粒子的回旋諧振式加速器。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回旋運動，穿越沿途設置的一些高頻加速腔

20、，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恒定。高頻電場的頻率則與磁場同步變化，以同粒子的回旋運動保持諧振。由于電、磁場隨時間周期變化，加速器在脈沖狀態下工作。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。早期用數值較小的恒定進行聚焦。由于聚焦力較弱，加速室以及整個加速器的不得不做得相當大，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。后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,而如若采用恒定梯度聚焦的話，則將重達100000噸。電子同步加速器

21、通常用電子回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，然后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回旋頻率不隨能量而變，因此電子同步加速器采用恒頻的加速電場。典型的電子同步加速器能量為0.38GeV,流強為1011pps（粒子/秒），束流脈沖重復頻率1060Hz。高速電子沿環形軌道運動時所發出的是限制電子同步加速器能量增高的重要。電子能量達10GeV時,每轉一圈輻射10MeV的能量。但這種同步輻射有一系列特殊的優點:即發射由紅外到的可以

22、控制的光譜，且輻射是偏振的、強度高、方向性強、有很高的實用。已被廣泛地用于物理、分子生物學及研制等等各個方面。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20200MeV后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后還增設一個較小的快脈沖同步加速器作中間級（又名“增強器”）將質子加速至10GeV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范圍內變化，電場的頻率也必須相應地在相當寬的范圍內調變，并需精確地加以控制，使之與磁場的上升同步。為此常常在束流軌道周圍設置拾波板，監測質子的運動，并以此自動校正高頻電場頻率調變的。老的強聚

23、焦同步加速器的主磁鐵采用“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采用“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，其中九臺建于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范圍比質子大得多，因此高頻電場的頻率也要求在更大的范圍內調變。另一方面，因重離子加速的路程長，而且同周圍分子的電荷截面大，要求加速室的氣壓

24、低至10-10Torr（1Tor=133.322Pa。最早使用同步加速方式加速高能重離子的是美國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101011pps。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系統中只有一小部分能量可用于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，那么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（>>）運動方向相反的束對撞，其作用能量大約與一個能量為2

25、口/口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，人們早就有所了解。問題是下，粒子束的遠低于靜止靶，因而通過對撞的反應太低,不能進行有效的。為了克服這和困難,60年代以后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。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10-101011Torr。束流在環內回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