闵行科技馆“3合1”线上系列宣传：粒子加速器

我们生活在一个由物质构成的世界，物质又由原子构成，原子又由更小的粒子构成。那么，这些粒子是什么样的呢？它们之间是怎么相互作用的呢？有没有更基本的东西存在呢？本期我们来了解一下这个神奇的仪器——粒子加速器。

粒子加速器，全称粒子束聚变加速器（英语：particle accelerator）是利用电场来推动带电粒子使之获得高能量。日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。只有当被加速的粒子置于抽真空的管中时，才不会被空气中的分子所撞击而溃散。在高能加速器里的粒子由四极磁铁（quadrupole magnet）聚焦成束，使粒子不会因为彼此间产生的排斥力而散开。

原理

带电粒子在电场中会受力而得到加速、提高能量，这是至今为止的粒子加速器采用的原理，中性粒子不可能在这样的原理下得到加速。因此，粒子加速器应定义为：利用电磁场加速带电粒子的装置。粒子加速器可以加速电子、质子、离子等带电粒子，使粒子的速度达到几千公里/秒、几万公里/秒，甚至接近光速（光在真空中的传播速度是30万公里/秒）。根据相对论原理，加速器可以把带电粒子的速度增加到无限接近光速，但无论如何也达不到光速。

现代的加速器应该称其为“加能器”更确切。举例来说，一台电子加速器，注入的电子能量为20GeV（1GeV=109 eV，也就是10亿电子伏特），相应的电子速度为0.99999999979倍光速。电子经加速器加速后，能量可达到100GeV，电子速度达到0.999999999987倍的光速。这说明，电子在这台加速器里速度几乎没有增加，而能量增加了4倍。

如何直观理解粒子加速？

其实，加速器离人们的生活并不远。现代生活中已经普及的电视、计算机显示器所用的显像管就是一台小小的电子加速器。

粒子加速器的结构可以与显像管类比。显像管中的电子枪对应于加速器的电子枪或离子源，显像管中加速电子用的高压电极对应于加速器中的高压加速电极及加速腔。显像管中控制电子运动的电偏转板与聚焦电子的聚焦线圈，对应于加速器中控制粒子运动轨道和聚焦粒子束流的多种电磁部件，如导向磁铁、聚焦磁铁、多极校正磁铁等。对粒子加速器的粒子运行管道来说，为了减少粒子在运动中与残余气体碰撞而造成粒子的丢失和束流性能变坏，所要求的真空度比显像管要高数千到数万倍。

粒子加速器用途

研究粒子物理学只是粒子加速器的众多用途之一。其他一些应用包括：

材料科学 - 粒子加速器可用于产生强粒子束，用于衍射以研究和开发新材料。例如，同步加速器主要设计用于利用同步辐射（加速粒子的副产品）作为实验研究的光源。

生物科学 - 上述光束还可用于研究生物样品的结构，例如蛋白质，并有助于开发新药。

癌症治疗——杀死癌细胞的方法之一是使用靶向辐射。传统上，会使用直线加速器产生的高能 X 射线。一种新疗法利用同步加速器或回旋加速器产生高能质子束。质子束已被证明可以对癌细胞产生更多伤害，并减少对周围健康组织的伤害。