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環(huán)形加速器

被加速的粒子以一定的能量在一圓形結(jié)構(gòu)里運(yùn)動(dòng)，粒子運(yùn)行的圓形軌道是由二極磁鐵（dipole magnet）所控制。和直線加速器(Linac)不一樣，環(huán)形加速器的結(jié)構(gòu)可以持續(xù)地將粒子加速，粒子會(huì)重復(fù)經(jīng)過圓形軌道上的同一點(diǎn)。但是粒子的能量會(huì)以同步輻射方式發(fā)散出去。

同步輻射是當(dāng)任何帶電粒子加速時(shí)，所發(fā)出的一種電磁輻射。粒子在圓形軌道里運(yùn)動(dòng)時(shí)都有一個(gè)向心加速度，會(huì)讓粒子持續(xù)輻射。此時(shí)必須提供電場(chǎng)加速以補(bǔ)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(chǎn)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(zhì)子，以運(yùn)作更高的能量領(lǐng)域的研究。譬如高能物理對(duì)于夸克及膠子的研究分析。

最早的環(huán)形加速器為粒子回旋加速器，1932年由恩奈斯特·勞倫斯所發(fā)明。粒子回旋加速器有一對(duì)半圓形（D形）的中空盒子，以固定頻率變換電場(chǎng)，用以加速帶電粒子；以及一組磁偶極提供磁場(chǎng)使運(yùn)動(dòng)粒子轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)至盒子邊緣。

粒子回旋加速器有其能量限制，因?yàn)楠M義相對(duì)論效應(yīng)會(huì)使得高速下的粒子質(zhì)量改變。粒子的荷質(zhì)比與回旋頻率間的關(guān)系因此改變，許多參數(shù)需重新計(jì)算。當(dāng)粒子速度接近光速時(shí)，粒子回旋加速器需提供更多的能量才有可能讓粒子繼續(xù)運(yùn)行，而這時(shí)可能已經(jīng)達(dá)到粒子回旋加速器機(jī)械上的極限。

當(dāng)電子能量到達(dá)約十個(gè)百萬電子伏特（10 MeV）時(shí)，原本的粒子回旋加速器無法對(duì)電子再做加速。必須用其他方法，如同步粒子回旋加速器和等時(shí)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(dá)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(huán)形的真空管中，稱為儲(chǔ)存環(huán)。儲(chǔ)存環(huán)有許多的磁鐵裝置用以聚焦粒子以及讓粒子在儲(chǔ)存環(huán)中轉(zhuǎn)彎，用微波（高頻）共振腔提供電場(chǎng)將粒子加速。

直線加速器

(linear particle accelerator)

帶電粒子在直線中加速，運(yùn)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(chǎn)生器，使用約數(shù)千伏特的直流電壓（DC）差的一對(duì)電極板。在X光產(chǎn)生器的靶本身是其中一個(gè)電極。此加速方式由利奧·西拉德提出，最后由Rolf Wider?e在1928年成功做出第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)。當(dāng)帶電粒子接近其中一個(gè)電極板時(shí)，電極板上帶有相反電性的電荷以吸引帶電粒子。當(dāng)帶電粒子通過電極板時(shí)，電極板上變成帶有相同電性的電荷以排斥推動(dòng)帶電粒子到下一個(gè)電極板。為了能讓粒子持續(xù)加速通過，科學(xué)家通常會(huì)把電極版設(shè)計(jì)成電極環(huán)。所以，帶電粒子束加速時(shí)，必須小心控制每一個(gè)環(huán)上的交流（AC）電壓，讓每一個(gè)帶電粒子束可以持續(xù)加速。由于粒子速度越來越快，要保持電場(chǎng)加速粒子效率，電擊環(huán)的長(zhǎng)度必須越來越長(zhǎng)使電場(chǎng)作用在粒子的時(shí)間提高。為了保持粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的穩(wěn)定性，通常會(huì)使用一連串的四極電磁鐵(Quadrupole magnets)強(qiáng)制讓粒子束往中心方向聚集。

當(dāng)粒子接近光速時(shí)，會(huì)由于相對(duì)論效應(yīng)粒子會(huì)將電能轉(zhuǎn)成質(zhì)能，電場(chǎng)的轉(zhuǎn)換速率必須變得相當(dāng)高以抵抗相對(duì)論效應(yīng)，須使用微波（高頻）共振腔來運(yùn)作加速電場(chǎng)。

直線加速器由于高電壓的運(yùn)作，會(huì)使儀器表面有感應(yīng)電荷存在，這不只會(huì)造成實(shí)驗(yàn)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(huì)轉(zhuǎn)成更危險(xiǎn)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(yùn)作的電費(fèi)更是一大負(fù)擔(dān)。于是在直線加速器之后，科學(xué)家基于成本和安全要求發(fā)明了回旋加速器(Cyclotron)。Ernest Lawrence發(fā)明了回旋加速器并在1939年榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。

雖然直線加速器有成本和安全的缺點(diǎn)，但是和現(xiàn)今的粒子加速器比較的話，它還是有高功率(短時(shí)間將粒子加速到相對(duì)論狀態(tài))和高數(shù)量輸出的優(yōu)點(diǎn)。 直線加速器也被稱為L(zhǎng)inac（ Lin ear Ac celerator的簡(jiǎn)稱）。

應(yīng)用

在美國(guó)，粒子加速器開始在一些大醫(yī)院建造，以用于治療癌癥 。目前美國(guó)、日本、俄羅斯、德國(guó)、意大利等國(guó)皆已擁有以質(zhì)子進(jìn)行治療的加速器，而使用碳離子進(jìn)行治療的最新技術(shù)設(shè)備，世界上則只有八座，分別是：中國(guó)蘭州中科院近代物理所、上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院、德國(guó)海德堡大學(xué)離子治療中心、意大利帕維亞大學(xué)強(qiáng)子腫瘤治療中心、日本千葉縣醫(yī)用重離子加速器、兵庫縣立粒子線醫(yī)學(xué)中心、群馬大學(xué)重粒子線醫(yī)學(xué)研究中心和九州國(guó)際重粒子線癌癥治療中心 。

外部鏈接

參見

粒子物理學(xué)

回旋加速器

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

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