粒子加速器

粒子加速器（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。粒子加速器有两种基本型式，环形加速器和直线加速器。被加速的粒子以一定的能量在一圆形结构里运动，粒子运行的圆形轨道是由二极磁铁（dipole magnet）所控制。和直线加速器(Linac)不一样，环形加速器的结构可以持续地将粒子加速，粒子会重复经过圆形轨道上的同一点。但是粒子的能量会以同步辐射方式发散出去。同步辐射是当任何带电粒子加速时，所发出的一种电磁辐射。粒子在圆形轨道里运动时都有一个向心加速度，会让粒子持续辐射。此时必须提供电场加速以补充所损失的能量。同步辐射是一种高功率的辐射，加速器将电子加速以产生同相位的X光。除了加速电子以外也有些加速器加速较重的离子，如质子，以运作更高的能量领域的研究。譬如高能物理对于夸克及胶子的研究分析。最早的环形加速器为粒子回旋加速器，1932年由恩奈斯特·劳伦斯所发明。粒子回旋加速器有一对半圆形（D形）的中空盒子，以固定频率变换电场，用以加速带电粒子；以及一组磁偶极提供磁场使运动粒子转弯。带电粒子从盒子的圆心地方开始加速，然后依螺旋状轨迹运动至盒子边缘。粒子回旋加速器有其能量限制，因为狭义相对论效应会使得高速下的粒子质量改变。粒子的荷质比与回旋频率间的关系因此改变，许多参数需重新计算。当粒子速度接近光速时，粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能让粒子继续运行，而这时可能已经达到粒子回旋加速器机械上的极限。当电子能量到达约十个百万电子伏特（10 MeV）时，原本的粒子回旋加速器无法对电子再做加速。必须用其他方法，如同步粒子回旋加速器和等时粒子回旋加速器的使用。这些加速器适用于较高的能量，而不用于较低的能量。如果要到达更高的能量，约十亿电子伏特（billion eV or GeV），必须使用同步加速器。同步加速器将粒子置于环形的真空管中，称为储存环。储存环有许多的磁铁装置用以聚焦粒子以及让粒子在储存环中转弯，用微波（高频）共振腔提供电场将粒子加速。(linear particle accelerator)带电粒子在直线中加速，运行到加速器的末端。较低能量的加速器例如阴极射线管及X光产生器，使用约数千伏特的直流电压（DC）差的一对电极板。在X光产生器的靶本身是其中一个电极。此加速方式由利奥·西拉德提出，最后由Rolf Widerøe在1928年成功做出第一台实验装置。较高能的直线加速器使用在一直线上排列的电极板组合来提供加速电场。当带电粒子接近其中一个电极板时，电极板上带有相反电性的电荷以吸引带电粒子。当带电粒子通过电极板时，电极板上变成带有相同电性的电荷以排斥推动带电粒子到下一个电极板。为了能让粒子持续加速通过，科学家通常会把电极版设计成电极环。所以，带电粒子束加速时，必须小心控制每一个环上的交流（AC）电压，让每一个带电粒子束可以持续加速。由于粒子速度越来越快，要保持电场加速粒子效率，电击环的长度必须越来越长使电场作用在粒子的时间提高。为了保持粒子运动轨迹的稳定性，通常会使用一连串的四极电磁铁(Quadrupole magnets)强制让粒子束往中心方向聚集。当粒子接近光速时，会由于相对论效应粒子会将电能转成质能，电场的转换速率必须变得相当高以抵抗相对论效应，须使用微波（高频）共振腔来运作加速电场。直线加速器由于高电压的运作，会使仪器表面有感应电荷存在，这不只会造成实验误差更造成安全上的漏电，甚至这些在金属仪器表面的电能会转成更危险的热能，这造成了直线加速器必须有极限电压以保安全。加上仪器尺寸过大，高电压运作的电费更是一大负担。于是在直线加速器之后，科学家基于成本和安全要求发明了回旋加速器(Cyclotron)。劳伦兹(Ernest Lawrence)发明了回旋加速器并在1939年荣获诺贝尔物理奖。虽然直线加速器有成本和安全的缺点，但是和现今的粒子加速器比较的话，它还是有高功率(短时间将粒子加速到相对论状态)和高数量输出的优点。 直线加速器也被称为Linac（Linear Accelerator的简称）。在美国，粒子加速器开始在一些大医院建造，以用于治疗癌症。目前美国、日本、俄罗斯、德国、意大利、中国等国皆已拥有以质子进行治疗的加速器，而使用碳离子进行治疗的最新技术设备，世界上则只有九座，分别是：中国兰州中科院近代物理所、上海市质子重离子医院、甘肃武威重离子治疗中心、德国海德堡大学离子治疗中心、意大利帕维亚大学国立强子肿瘤治疗中心、日本千叶县医用重离子加速器、兵库县立粒子线医学中心、群马大学重粒子线医学研究中心和九州国际重粒子线癌症治疗中心。