粒子加速器

在巴黎Jussieu校区的地下室，从范德格拉夫加速器衍生到被各种实验使用的束流。

工业粒子加速器的累积数量按应用分类。

在以色列雷霍沃特的魏茨曼研究所，现已废弃的科菲勒粒子加速器。

高能粒子束可用于科学的基础和应用研究，也可用于许多与基础研究无关的技术和工业领域。 据估计，全世界大约有三万台加速器。其中，只有大约1%是能量高于10亿电子伏特的研究机器，而大约44%用于放射治疗，41%用于离子注入，9%用于工业加工和研究，4%用于生物医学和其他低能量研究。^[9] 右边的条形图显示了工业加速器根据其应用而细分的数量。这些数字基于2012年各种来源的统计数据，包括在报告或市场调查中公布的生产和销售数据，以及一些制造商提供的数据。^[10]

1.1 高能物理学

对于物质、空间和时间的动力学和结构的最基本的研究，物理学家寻求尽可能高能量的最基本相互作用。这些通常需要几十亿电子伏特的粒子能量，以及最简单种类粒子的相互作用:对于物质的轻子(例如电子和正子)和夸克，或者对于场量子的光子和胶子。由于夸克禁闭，单独的夸克在实验中是不可用的，最简单的可用实验包括轻子相互作用，轻子与核子相互作用；核子由夸克和胶子组成。为了研究夸克相互之间的碰撞，科学家们求助于核子的碰撞，在高能下，核子可以有效地被认为是夸克和胶子组成的两体相互作用。因此，基本粒子物理学家倾向于使用机器产生电子、正子、质子和反质子的流束，让它们以最高的能量相互作用或与最简单的原子核(例如氢或氘)相互作用，能量通常是几十亿电子伏特或更多。

用于基本粒子物理的尺寸最大、能量最高的粒子加速器是欧洲粒子物理研究中心的大型强子对撞机(LHC)，自2009年开始运行。^[11]

1.2 核物理和同位素生产

核物理学家和宇宙学家能使用裸露原子核的束，除去电子，来研究原子核本身的结构、相互作用和性质，以及在极高温度和密度下的凝聚态物质，例如可能发生在大爆炸的最初时刻。这些研究通常涉及重原子核的碰撞，比如铁或金这样的原子，每核子有几十亿电子伏特的能量。 最大的这类粒子加速器是位于布鲁克黑文国家实验室的相对重离子对撞机(RHIC)。

粒子加速器也可以产生质子束，这可以产生富含质子的医学或研究同位素，而不是裂变反应堆中产生的富含中子的同位素；然而，最近的成果表明了如何通过加速氢同位素制造⁹⁹钼，而⁹⁹钼通常在反应堆中被制造^[12]，虽然这种方法仍然需要反应堆来产生氚。洛斯阿拉莫斯的中子科学中心就是使用这种机器的一个例子。

1.3 同步加速器辐射

电子在磁场中加速除了具有基本意义外，也能使高能电子通过连续光谱中的同步辐射，并发射极其明亮和连贯的高能光子束，这在原子结构、化学、凝聚态物理、生物学和科技的研究中有许多用途。全世界有大量的同步加速器光源。 比如美国的SLAC国家加速器实验室的SSRL和LCLS、阿贡国家实验室的APS、劳伦斯伯克利国家实验室的ALS和布鲁克黑文国家实验室的NSLS。法国格勒诺布尔的ESRF被用来提取被困在琥珀中的昆虫的高清三维图像。^[13] 因此，对中等能量(几十亿电子伏特)和高强度的电子加速器有很大的需求。

1.4 低能机器和粒子疗法

粒子加速器的日常例子是电视机的阴极射线管和x射线机。这些低能加速器使用一对电极，电极之间的直流电压为几千伏。在X射线机中，发射对象本身就是电极之一。低能粒子加速器被又称为离子注入机，被用于集成电路的制造。

在较低的能量下，加速核束也被用于医学中作为粒子治疗，用于癌症的治疗。

能够将粒子加速到足以引发核反应的直流加速器类型有：将交流电转换为高压直流电的科克罗夫特-沃尔顿发电机或倍压器，或使用传送带携带静电的范德格拉夫发电机。

纵观历史，首个加速器使用的是单一静态高压的简单技术来加速带电粒子。带电粒子通过两端各有一个电极的真空管加速，静电势横穿真空管。 由于粒子只通过一次电位差，输出能量局限于机器的加速电压。 然而这种方法现在仍然非常普及，静电加速器的被使用数量仍大大超过任何其他类型的加速器，但由于空气绝缘机器的实际电压限制约为1百万伏特，或是加速器在高介电强度的加压气体(如六氟化硫)罐中运行时为3千万伏特，因此它们更适合于低能量研究。在一个串联加速器中，电势被使用两次来加速粒子，通过反转粒子在终端内部的电荷。这可以通过使用阴离子(带负电的离子)来加速原子核，然后使光束通过薄箔片，从高压端子内部的阴离子上剥离电子，将它们转换成阳离子(带正电的离子)，使它们离开终端时再次加速。

两种主要类型的静电加速器是使用二极管-电容器倍压器产生高压的科克罗夫特-沃尔顿加速器，以及使用移动的纤维带将电荷传输到高压电极的范德格拉夫加速器。尽管静电加速器沿着直线加速粒子，术语“线性加速器”更常被用于使用振荡电场而不是静态电场的加速器。

由于放电施加的高电压上限，为了将粒子加速到更高的能量，人们使用了涉及动态场而不是静态场的技术。电动加速可以由两种机制中的任何一种产生：非谐振磁感应，或者由振荡射频场激励的谐振电路或谐振腔。^[14] 电动加速器可以是线性的粒子以直线加速，或使用磁场让粒子在大致圆形的轨道上弯曲。

3.1 磁感应加速器

磁感应加速器通过增加磁场的感应来加速粒子，就像粒子在变压器中的二次绕组。不断增加的磁场产生了循环电场，该电场可以被配置来加速粒子。感应加速器可以是直线或曲线的。

线性感应加速器

线性感应加速器利用铁氧体负载的非谐振感应腔。每个空腔可以被认为是两个由外圆柱管连接的大垫圈状圆盘。圆盘之间存在铁氧体圆环。施加在两个圆盘之间的电压脉冲导致磁场增加，从而将电能感应耦合成荷电粒子束流。^[15]

线性感应加速器是克里斯托菲洛斯在20世纪60年代发明的。^[16] 线性感应加速器能够在单个短脉冲中加速非常高的束流(大于1000安)。 它们已经被用于产生闪光射线照相术的X射线(例如，在兰洛的DARHT)，并被认为是用于磁约束聚变的粒子注入器和自由电子激光器的驱动器。

贝他加速器

贝他加速器是圆形磁感应加速器，由唐纳德·克斯特于1940年发明，用于加速电子。这个概念最早来自于挪威-德国科学家罗尔夫·威德勒。这些机器类似于同步加速器，使用环形磁铁和具有周期性增加的磁场，但是根据通过轨道的磁通量变化来加速粒子，类似于它们是变压器中的二次绕组。^[17][18]

为了获得恒定的轨道半径，当提供适当的加速电场时，需要连接轨道的磁通量在以某种方法独立于轨道上的磁场，从而使粒子弯曲成恒定的半径曲线。由于电子在相对小半径轨道上以接近光速运动，这些机器实际上被巨大的辐射损失所限制。

3.2 线性加速器

在线性粒子加速器中，粒子以一端为目标直线加速。在粒子被注入环形加速器之前，它们通常被用来为粒子提供初始低能反冲。世界上最长的直线加速器是斯坦福的直线加速器，长度为三千米(1.9英里)。坦福的直线加速器SLAC是一个正负电子对撞机。

线性高能加速器使用板线性板阵(或漂移管)，交替施加高能场。当粒子接近一块平板时，它们被板上的相反极性加速，并向平板的方向移动。当粒子穿过板块上的一个孔时，极性被转换，这样板块便排斥粒子，使粒子被加速并向下一个板块运动。通常，整束粒子流被加速，所以需小心控制被施加到每个平板上的交流电压，以连续地对每束粒子重复这个过程。

当粒子接近光速时，电场的转换速率变得极高，以至于它们y在无线电频率下运行，因此微波腔被用于高能机器而不再是简单的平板。

线性加速器也被广泛用于医学、放射治疗和放射外科。医用直线加速器使用速调管和复杂的弯曲磁铁装置加速电子，产生6-30兆电子伏的光束能量。电子可以直接被使用，也可以与目标碰撞产生一束x光。产生的辐射束的可靠性、灵活性和准确性已经在很大程度上取代了以前使用钴60作为治疗工具的疗法。

3.3 圆形或环形射频加速器

在圆形加速器中，粒子在圆周上移动，直到它们获得足够的能量。粒子轨迹通常被电磁体弯曲成一个圆形。环形加速器相对于线性(直线)加速器的优势是粒子可以无限次通过，所以环形拓扑允许持续地加速粒子。另一个优点是，圆形加速器比功率相当的线性加速器尺寸小，即直线加速器必须非常长才能具有圆形加速器的等效功率。

根据能量和被加速的粒子，环形加速器的缺点是粒子发射同步辐射。当任何带电粒子加速时，它会发出电磁辐射和二次辐射。当粒子在圆周上运动时，粒子总是向圆心加速，便不断向圆周的切线方向产生辐射。这种辐射被称为同步辐射光，大程度上由加速粒子的质量而定。因此，许多高能电子加速器都是直线加速器。然而，某些加速器(同步加速器)是专门为产生同步辐射光(X射线)而建造的。

因为狭义相对论要求物质在真空中的运动速度总是低于光速，所以在高能加速器中，随着能量的增加，粒子的速度以接近光速为极限，但永远达不到极限。因此，粒子物理学家通常不考量粒子速度，而是考量粒子的能量或动量，通常用电子伏特(eV)来衡量。圆形加速器和粒子束的一个重要原理是，粒子轨道的曲率与粒子电荷和磁场成正比，但与动量(通常是相对的)成反比。

回旋加速器

最早运行的环形加速器是回旋加速器，在1929年由欧内斯特·劳伦斯于加利福尼亚伯克利大学分校发明。回旋加速器有一对中空的“D”形板来加速粒子，还有一个大的偶极磁体来使它们的路径弯曲后进入圆形轨道。带电粒子在均匀恒定磁场中的一个特征是，它们以恒定周期运行，其频率被称为回旋频率，只要它们的速度低于光速。这意味着随着粒子束不断向外螺旋，回旋加速器的“D”形板可以由射频加速电源以恒定的频率驱动。粒子被注入磁体的中心，并在最大能量下从外边缘被提取出来。

回旋加速器达到能量极限是因为相对论效应，当粒子的质量增加，它们的回旋频率会随之与加速的射频频率失去同步。因此，简单的回旋加速器只能将质子加速到大约1500万电子伏特(15 MeV，相当于大约10%的光速)，因为质子与驱动电场异相。如果进一步加速，粒子束将继续向外螺旋运动到一个更大的半径，但粒子将不再获得足够的速度，使之与加速的射频同步完成更大的圆。为了适应相对论效应，磁场需要像同步回旋加速器那样增加到更高的半径。瑞士的PSI环回旋加速器就是一个例子，它提供能量为5900万电子伏特的质子到大约80%的光速。这种回旋加速器的优点是目前可获得的最大提取质子电流为2.2毫安。其能量和电流相当于1.3 微波束，功率是目前所有加速器中最高的。

同步回旋加速器和等时回旋加速器

一个经典回旋加速器可以被修改以增加它的能量极限。历史上第一种尝试是同步回旋加速器，它加速成束的粒子。它使用恒定的磁场，但降低加速场的频率，以使粒子在向外螺旋时保持步调一致，与质量相关的回旋共振频率相匹配。由于粒子成束，这种方法的平均强度低，并且要求具有高能的较大半径的磁体和恒定磁场。

针对加速相对论性粒子问题，第二种尝试是等时回旋加速器。在这种结构中，加速场的频率(和回旋共振频率)在所有能量下都保持不变，这是通过改变磁极形状来增加磁场的半径而实现的。因此，所有粒子都在等时时间间隔内加速。能量较高的粒子在每一个轨道上运行的距离比在经典回旋加速器中运行的距离短，因此与加速场保持同相。等时性回旋加速器的优点是它可以传送平均强度更高的连续粒子束，这对于某些特定的应用是有帮助的。主要缺点是所需大磁体的尺寸提高了成本，以及难以在结构的外边缘获得所需的高磁场值。

自等时性回旋加速器发明以来，同步回旋加速器再没有被制造。

同步加速器

为了达到更高的能量，相对质量接近或超过粒子的静止质量时(对于质子，数十亿电子伏特或)，有必要使用同步加速器。这种加速器将粒子在恒定半径的环中加速。相对于回旋加速器的一个直接优势是，磁场只需要出现在粒子轨道的实际区域，这比环窄得多。(美国最大的回旋加速器有一个184英尺(4.7米)直径的磁极，而同步加速器，如LEP和LHC的直径接近10公里。LHC两束粒子的孔径约为一厘米。)

然而，由于粒子动量在加速过程中增加，有必要按比例增大磁场以保持轨道曲率不变。因此，同步加速器不能像回旋加速器那样连续加速粒子，但必须循环运行，成束地提供粒子，这些粒子通常每隔几秒钟以粒子束“溢出”的形式被传送到目标或外部的粒子束。

因为高能同步加速器的大部分运作都是针对已经以接近光速运动的粒子，粒子完成环的一个轨道的时间几乎是恒定的，用于驱动加速度的射频谐振腔的频率也是恒定的。

在现代同步加速器中，束流孔径很小，磁场不像回旋加速器那样覆盖粒子轨道的整个区域，因此几个必要的运作可以被分开。现代同步加速器使用一排数百个弯曲的磁体，而不是一个巨大的磁体，磁体被真空连接管包围。随着强聚焦概念的发现，同步加速器的设计在20世纪50年代初发生了革命性的变化。^[19][20][21] 粒子束的聚焦由专门的四极磁铁独立处理，而加速本身是在单独的射频部分完成的，射频部分相当于短线性加速器。此外，循环机不必是圆形的，而是束管可以在磁体之间具有直的部分，在那里粒子束可以碰撞和冷却等。这已经发展成为一门完全独立的学科，叫做“束流物理学”或“束流光学”。^[22]

更复杂的现代同步加速器，如兆电子伏特加速器、LEP和LHC，可以将粒子束输送到恒定磁场的磁体储存环中，在那里它们可以继续长时间运行以进行实验或进一步加速。像兆电子伏特加速器和LHC这样的高能机器实际上是加速器复合体，具有串联的专门元件，包括用于初始光束产生的线性加速器、一个或多个用于达到中间能量的低能同步加速器、粒子束可以聚集或“冷却”的储存环(减少所需的磁体孔径并允许更紧密的聚焦)，以及最后一个大环用于最终加速和实验。

电子同步加速器

在SLAC线性粒子加速器被建造后，圆形电子加速器在粒子物理学上有些出局，因为同步加速器的损耗在经济上是令人望而却步的，并且因为它们的束强度低于非脉冲线性机器。康奈尔电子同步加速器号于20世纪70年代后期以低成本建造，是首个为基础粒子物理学建造的一系列高能环形电子加速器中，最后一个是欧洲粒子物理研究中心建造的高能电子加速器，在1989年到2000年期间被使用。

在过去的二十年里，人们已经建造了大量的电子同步加速器，一部分作为发射紫外线和X射线的同步加速器光源。

储存环

对于某些特定的应用，将高能粒子束储存一段时间(使用现代高真空技术，长达数小时)而不进一步加速是有效的。尤其对于碰撞粒子束加速器，在碰撞粒子束加速器中，两个方向相反的粒子束相互碰撞，并增加了很大的有效碰撞能量。因为每次两束粒子通过交叉点时发生的碰撞数相对较少，所以人们通常首先将粒子束加速到所需的能量，然后将它们存储在存储环中，该存储环本质上是磁体的同步加速器环，但并没有显著的射频功率被用于加速。

同步辐射源

一些圆形加速器被特地建造来产生X射线(称为同步光)，也称为同步辐射，例如在英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室建造的“钻石”光源，以及在美国伊利诺伊州的阿贡国家实验室建造的先进光子源。高能X射线可用于蛋白质的X射线或X射线吸收精细结构的光谱学。

同步辐射是由更轻的粒子发出的，所以这些加速器总是电子加速器。同步辐射允许更好的成像，正如在SLAC斯皮尔的研究和开发。

固定场交替梯度加速器

固定场交替梯度加速器(FFA)的磁场在时间上是固定的，但具有径向变化以实现强聚焦，允许粒子束以高重复率加速，但径向扩散比回旋加速器小得多。等时固定场交替梯度加速器同等时回旋加速器一样，可以实现连续的粒子束操作，但不需要覆盖整个轨道半径的巨大偶极弯曲磁体。一些固定场交替梯度加速器被磁体覆盖。^[23]

历史

欧内斯特·劳伦斯的第一个回旋加速器的直径只有4英寸(100毫米)。后来，在1939年，他建造了一台直径为60英寸的极面机器，并在1942年计划了一台直径为184英寸的极面机器，然而，该机器被接管用于与第二次世界大战有关的与铀同位素分离有关的工作；战后，这台机器继续被用于为研究和医学多年。

第一个大型质子同步加速器是位于布鲁克黑文国家实验室的Cosmotron，它将质子加速到大约30亿电子伏特(1953-1968)。伯克利的贝伐龙实验于1954年完成，专门设计用于加速质子到足够的能量来产生反质子，并验证自然的粒子-反粒子对称性，但只是被理论化。布鲁克海文(1960年至今)的交变梯度同步加速器(AGS)是首个具有交变梯度的大型同步加速器，其“强聚焦”的磁体大大减小了粒子束所需的孔径，并相应地减小了弯曲磁体的尺寸和成本。在欧洲粒子物理研究中心(1959年至今)建造的质子同步加速器是首个主要在欧洲的粒子加速器，与AGS大体相似。

斯坦福线性加速器，即SLAC，于1966年开始运行，利用被埋在隧道中的3千米的波管，将电子加速至300亿电子伏特，并由数百个大型速调管供电的。它仍然是现存最大的直线加速器，并且已经通过增加储存环和一个正负电子对撞机设施进行了升级。它也是一个x光和紫外线同步辐射光子源。

费米国立加速器实验室兆电子伏特加速器有一个环，光束路径为4英里(6.4千米)。它已经获得了几次升级，并一直作为质子-反质子对撞机运行，直到2011年9月30日由于预算被削减而关闭。有史以来最大的圆形加速器是欧洲核子研究中心的LEP同步加速器，周长26.6公里，是一个电子-反电子对撞机。在2000年被拆除之前，它达到了2090亿电子伏特的能量，地下隧道后被用于大型强子对撞机(LHC)。LHC是质子对撞机，目前是世界上最大和能量最高的加速器，每束能量达到6.5万亿电子伏特(总共13万亿电子伏特)。

德克萨斯流产的超导超大型加速器的设计周长是87千米。建筑始于1991年，但于1993年被放弃。非常大的圆形加速器总是建在几米宽的地下隧道中，以最大限度地减少在地表建造这种结构的破坏和成本，并提供屏蔽，防止发生强烈的二次辐射，这些辐射在高能量下具有极强的穿透性。

当今的加速器，比如散裂中子源，包含超导低温模块。相对重离子对撞机和大型强子对撞机也利用超导磁体和射频谐振腔来加速粒子。

粒子加速器的输出通常可以通过偏离的电磁体指向多行实验，一次一行。这使得操作多个实验成为可能，而不需要移动物体或关闭整个加速器束。除了同步辐射源，加速器的目的是产生高能粒子与物质的相互作用。

这通常是一个固定的目标，如电视机屏幕背面的磷光涂层；加速器中设计成中子源的一块铀；或者是一个用于X射线机的钨靶。在直线加速器中，目标只需安装在加速器的末端。回旋加速器中的粒子轨道是从圆形机器的中心向外的螺旋，所以被加速的粒子从固定点出现，就像线性加速器一样。

对于同步加速器来说，情况更复杂。粒子被加速到所需的能量后，快速作用的偶极磁体被用来将粒子从圆形同步加速器管中切换至目标。

粒子物理研究中常用的一种变体是对撞机，也称为储存环碰撞器。两个圆形同步加速器非常接近——通常彼此叠置并使用相同的磁体(这种磁体具有更复杂的设计来容纳两个束管)。粒子束在两个加速器周围以相反的方向运动，并在它们之间的交叉点碰撞。这可以极大地增加能量；在固定目标实验中，产生新粒子的能量与粒子束能量的平方根成正比，而在对撞机中，产生新粒子的能量与粒子束的能量是成线性的。

目前能量最高的加速器都是圆形对撞机，但是强子加速器和电子加速器正达到极限。高能量强子和离子循环加速器将需要更大物理尺寸的加速器隧道，由于增加了粒子束的刚性。

对于循环电子加速器，同步加速器辐射损耗限制了实际弯曲半径，下一代可能是当前长度10倍的线性加速器。这种下一代电子加速器的例子是被提议的40千米长的国际直线对撞机.

据信，在20至30年内，以电子束“加力燃烧室”和独立激光脉冲发生器形式出现的等离子尾波场加速可能显著超过射频加速器的效率。在等离子尾场加速器中，束腔充满等离子体，而不是真空。电子或激光的短脉冲构成了被加速的粒子，或者先于被加速的粒子。脉冲干扰等离子体，导致等离子体中的带电粒子整合到被加速的粒子束中,并向其后方移动。这个过程将能量传递给粒子束，进一步加速它，只要脉冲是连贯的，这个过程就会继续。^[24]

使用激光脉冲发生器已经在毫米级距离上实现了高达2000亿电子伏每米的能量梯度，^[25] 以及接近10亿电子伏每米的梯度在多厘米尺度上产生，存在于在用电子束系统；相比之下，仅射频加速的限制为大约1亿电子伏每米。现有的电子加速器，如SLAC，可以使用电子束加力器，以电子束强度为代价，大大增加粒子束的能量。电子系统通常可以提供紧密准直、可靠的光束；激光系统可以提供更大的功率和紧凑性。因此，如果技术问题能够得到解决，等离子尾波场加速器可以用来增加最大加速器的最大能量，并为大学实验室和医疗中心带来高能量。

电介质激光加速器已经实现了高于2.5亿电子伏每米的梯度，^[26] 这可能是建造小型高能加速器的另一种可行方法。^[27] 使用飞秒激光脉冲，记录介电激光加速器的电子加速梯度为6.9亿电子伏每米。^[28] 经过进一步优化后，预计梯度将达到10至60亿电子伏每米。^[29]

5.1 黑洞生产和公共安全问题

在未来，如果超弦理论的某些预测是准确的，那么在最高能量加速器中产生黑洞的可能性就可能出现。^[30][31] 这种可能性和其他可能性导致了公共安全问题，这种问题已在2008年开始运作的LHC得到广泛报道。在由LHC安全评估小组进行的最新风险评估中，各种可能的危险情景被评估为“不可想象的危险”。^[32] 如果黑洞产生了，理论上预测这样的小黑洞会通过贝肯斯坦-霍金辐射迅速蒸发，但还没有得到实验的证实。如果对撞机能产生黑洞，宇宙射线(特别是超高能宇宙射线)必定已经产生了很久，但它们还没有伤害任何人。^[33] 有人认为，为了保存能量和动量，在宇宙射线和本地物质的碰撞中产生的黑洞必然会以相对于地球的相对速度运动，并且应该逃逸到太空中，因为它们的吸积和增长速度应该非常慢，而在碰撞器中产生的黑洞(具有相同质量的成分)的速度将有一些机会小于地球逃逸速度，11.2千米每秒，很容易被捕获并随后增长。然而，即使在这种情况下，超高速恒星与白矮星和中子星的碰撞也会导致它们的快速毁灭，但这些天体被观察到是常见的天体。因此，如果要产生稳定的微型黑洞，它们必须生长得太慢，以至于在太阳系的自然寿命内不会引起任何明显的宏观效应。^[32]

加速器操作员控制研究实验中使用的粒子加速器的操作，审查实验时间表以确定实验者(物理学家)指定的实验参数，调整诸如长宽比、电流强度和目标位置等微粒束参数，与加速器维护人员通信并协助他们确保支持系统的准备就绪，例如真空、磁体电源和控制、低电导率水(LCW)冷却以及射频电源和控制。此外，加速器操作员维护加速器相关事件的记录。