⑴ 粒子加速器
粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。是探索原子核和粒子的性質、內部結構和相互作用的重要工具，在工農業生產、醫療衛生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際應用。自E.盧瑟福1919年用天然放射性元素放射出來的a射線轟擊氮原子首次實現了元素的人工轉變以後，物理學家就認識到要想認識原子核，必須用高速粒子來變革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有幾兆電子伏特（MeV），天然的宇宙射線中粒子的能量雖然很高，但是粒子流極為微弱，例如能量為10^14電子伏特（ eV ）的粒子每小時在 1平方米的面積上平均只降臨一個，而且無法支配宇宙射線中粒子的種類、數量和能量，難於開展研究工作。因此為了開展有預期目標的實驗研究，幾十年來人們研製和建造了多種粒子加速器，性能不斷提高。在生活中，電視和X光設施等都是小型的粒子加速器。
應用粒子加速器發現了絕大部分新的超鈾元素和合成的上千種新的人工放射性核素，並系統深入地研究原子核的基本結構及其變化規律，促使原子核物理學迅速發展成熟起來；高能加速器的發展又使人們發現包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子在內的幾百種粒子，建立粒子物理學。近20多年來，加速器的應用已遠遠超出原子核物理和粒子物理領域，在諸如材料科學、表面物理、分子生物學、光化學等其它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用於同位素生產、腫瘤診斷與治療、射線消毒、無損探傷、高分子輻照聚合、材料輻照改性、離子注入、離子束微量分析以及空間輻射模擬、核爆炸模擬等方面。迄今世界各地建造了數以千計的粒子加速器，其中一小部分用於原子核和粒子物理的基礎研究，它們繼續向提高能量和改善束流品質方向發展；其餘絕大部分都屬於以應用粒子射線技術為主的「小」型加速器。
粒子加速器的結構
粒子加速器的結構一般包括 3個主要部分 ：①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有電子、正電子、質子、反質子以及重離子等等。②真空加速系統，其中有一定形態的加速電場，並且為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速 ，整個系統放在真空度極高的真空室內。③導引、聚焦系統，用一定形態的電磁場來引導並約束被加速的粒子束，使之沿預定軌道接受電場的加速。所有這些都要求高、精、尖技術的綜合和配合。
加速器的效能指標是粒子所能達到的能量和粒子流的強度（流強）。按照粒子能量的大小，加速器可分為低能加速器（能量小於10^8eV）、中能加速器（能量在10^8～10^9eV）、高能加速器（能量在10^9～10^12eV）和超高能加速器（能量在10^12eV以上)。目前低能和中能加速器主要用於各種實際應用。
粒子加速器的分類
粒子加速器按其作用原理不同可分為靜電加速器、直線加速器、迴旋加速器、電子感應加速器、同步迴旋加速器 、對撞機等。
1929年，英國物理學家科克羅夫特和沃爾頓一起，設計製造出了一個「電壓倍加器」，從而製造出了世界上第一台增加質子能量的裝置，他們把它叫做「靜電粒子加速器」。這台加速器利用高電壓，能把質子加速到將近40萬電子伏的能量，便鋰原子發生了核分裂，從而首次用人造粒子炮彈實現了核分裂。為經，科克羅夫特和沃爾頓一起獲得了1951年的諾貝爾物理學獎。但是不久，人們就發現靜電粒子加速器在電壓太高時會產生巨大的電火花。這樣，要再進一步增大粒子炮彈的能量就不可能了。
然而，正是在首創的「靜電粒子加速器」的基礎上，科學家們不斷努力探索，後來又研製成功了直線粒子加速器、迴旋粒子加速器、同瞳迴旋加速器、質子同瞳加速器等更高能量的粒子加速器。其中，環形加速器和直線加速器的兩種基本型式。
環形加速器
被加速的粒子以一定的能量在一圓形結構里運動，粒子運行的圓形軌道是由磁偶極（dipole magnet）所控制。和直線加速器(Linac)不一樣，環形加速器的結構可以持續地將粒子加速，粒子會重復經過圓形軌道上的同一點。但是粒子的能量會以同步輻射方式發散出去。
同步輻射是當任何帶電粒子加速時，所發出的一種電磁輻射。粒子在圓形軌道里運動時都有一個向心加速度，會讓粒子持續輻射。此時必須提供電場加速以補充所損失的能量。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，如質子，以運作更高的能量領域的研究。譬如高能物理對於誇克及膠子的研究分析。
最早的環形加速器為 粒子迴旋加速器，1912年由 恩奈斯特•勞倫斯（en:Ernest O. Lawrence）所發明。粒子迴旋加速器有一對半圓形（D形）的中空盒子，以固定頻率變換電場，用以加速帶電粒子；以及一組磁偶極提供磁場使運動粒子轉彎。帶電粒子從盒子的圓心地方開始加速，然後依螺旋狀軌跡運動至盒子邊緣。
粒子迴旋加速器有其能量限制，因為特殊相對論效應會使得高速下的粒子質量改變。粒子的核質比與迴旋頻率間的關系因此改變，許多參數需重新計算。當粒子速度接近光速時，粒子迴旋加速器需提供更多的能量才有可能讓粒子繼續運行，而這時可能已經達到粒子迴旋加速器機械上的極限。
當電子能量到達約十個百萬電子伏特（10 MeV）時，原本的粒子迴旋加速器無法對電子再做加速。必須用其它方法，如 同步粒子迴旋加速器和 等時粒子迴旋加速器的使用。這些加速器適用於較高的能量，而不用於較低的能量。
如果要到達更高的能量，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於環形的真空管中，稱為儲存環。儲存環有許多的磁鐵裝置用以聚焦粒子以及讓粒子在儲存環中轉彎，用微波（高頻） 共振腔提供電場將粒子加速。
直線加速器
帶電粒子在直線中加速，運行到加速器的末端。較低能量的加速器例如陰極射線管及X光產生器，使用約數千伏特的直流電壓（DC）差的一對電極板。在X光產生器的靶本身是其中一個電極。
較高能的直線加速器使用在一直在線排列的電極板組合來提供加速電場。當帶電粒子接近其中一個電極板時，電極板上帶有相反電性的電荷以吸引帶電粒子。當帶電粒子通過電極板時，電極板上變成帶有相同電性的電荷以排斥推動帶電粒子到下一個電極板。所以帶電粒子束加速時，必須小心控制每一個板上的交流（AC）電壓，讓每一個帶電粒子束可以持續加速。
當粒子接近光速時，電場的轉換速率必須變得相當高，須使用微波（高頻） 共振腔來運作加速電場。
粒子加速器的能量
從20世紀30年代到50年代後半期的20年時間里，加速器的能量增加了幾百倍到幾千倍。這是因為要發現基本粒子。除了到宇宙線中去尋找外，就得到原子核內部去尋找。原子核內部存在非常強大的作用力，把基本粒子緊緊地結合在一起，因此研究基本粒子需要很大的能量。隨著加速器能量的增加，在實驗室中所發現的基本粒子數目也增多了。
現在，粒子加速器的規模已有小於一個大型機器製造廠，其用電量相當於一個中等城市，工作人員可達數千人，有宇宙粒子製造廠之稱。但是，盡管今日粒子加速器能量已經夠大的了，可它仍然遠遠不能適應探索原子奧秘的要求，因此隨著人們對原子奧秘探索的深入，粒子加速器仍會為斷地改進。
粒子加速器的發展
粒子加速器最初是作為人們探索原子核的重要手段而發展起來的。其發展歷史概括如下；
1919年，盧瑟福用天然放射源實現了歷史上第一個人工核反應，激發了人們用快速粒子束變革原子核的強烈願望。
1928年，伽莫夫關於量子隧道效應的計算表明，能量遠低於天然射線的α粒子也有可能透入原子核內。該研究結果進一步增強了人們研製人造快速粒子源的興趣和決心。
1932年，J．D．考克饒夫特（John D. Cockroft）和E.T.瓦爾頓（Earnest T. S. Walton）在England的 Cavendish 實驗室開發製造了700kV高壓倍加速器加速質子，即Cockroft-Walton 加速器，實現了第一個由人工加速的粒子引起的Li（p，α）He核反應。由多級電壓分配器（multi-step voltage divider ）產生恆定的梯度直流電壓，使離子進行直線加速。
1930年，Earnest O. Lawrence製作了第一台迴旋加速器，這台加速器的直徑只有10cm。隨後，經M. Stanley Livingston資助，建造了一台25cm直徑的較大迴旋加速器，其被加速粒子的能量可達到1MeV。幾年後，他們用由迴旋加速器獲得的4.8MeV 氫離子和氘束轟擊靶核產生了高強度的中子束，還首次生產出了24Na、32P和131I等人工放射性核素。
1940 由 D. W. Kerst 利用電磁感應產生的渦旋電場發明了新型的加速電子電子感應加速器（Betatrons）。它是加速電子的圓形加速器。與迴旋加速器的不同之處是通過增加穿過電子軌道的磁通量（magnetic flux ）完成對電子的加速作用，電子在固定的軌道中運行。在該加速器中，必須和處理電子的相對論作用一樣來處理由輻射而丟失的能量。所有被加速的粒子輻射電磁能，並且在一定動能范圍內，被加速電子的輻射損失能量比質子的多。這種丟失的輻射能稱同步加速輻射。因此，電子感應加速器的最大能量限制在幾百MeV內。
在研製電子感應加速器的過程中提出了電子的振盪理論，並解決了帶電粒子在加速過程中的穩定性問題，該理論適用於各種類型的梯度磁場聚焦的加速器。因此，在加速器的發展歷史上，該加速器起了重要的作用。
電子感應加速器除了主要用於產生的γ射線做核反應等方面的應用外，還廣泛用於工業和醫療方面：如無損探傷、工業輻照、放射治療等。
1945年，V•.I• 維克斯勒爾和.E.M.麥克米倫分別提出了諧振加速中的自動穩相原理，從理論上提出了突破迴旋加速器能量上限的方法，從而推動了新一代中高能迴旋諧振式加速器如電子同步加速器、同步迴旋加速器和質子同步加速器等的建造和發展。
中國三大高能物理研究裝置---中國的粒子加速器
80年代，我國陸續建設了三大高能物理研究裝置――北京正負電子對撞機、蘭州重離子加速器和合肥同步輻射裝置。為什麼國家要花費如此巨資，建設這三大高能物理研究裝置呢？
中國科技大學同步輻射加速器實驗室隨著科學技術的發展，人類對物質結構的認識是從一開始看到身邊的各種物質逐漸發展到藉助放大鏡、顯微鏡、直到後來的粒子加速器、電子對撞機等，逐步深入到細胞、分十、原子和原子核深層次，每深入一步都會帶來巨大的社會效益和經濟效益。原子核及其核外電子的發現，帶動了無線電、半導體、電視、雷達、激光、 X光的發展，而近幾十年對原子核的研究，則為原子能的利用奠定了理論基礎。
要想了解物質的微觀結構，首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去「打碎」被測物質，讓正負電子在運動中相撞，可以使物質的微觀結構產生最大程度的變化，進而使我們了解物質的基本性質。
北京正負電子對撞機
北京正負電子對撞機是一台可以使正、負兩個電子束在同一個環里沿著相反的方向加速，並在指定的地點發生對頭碰撞的高能物理實驗裝置。由於磁場的作用，正負電子進入環後，在電子計算機控制下，沿指定軌道運動，在環內指定區域產生對撞，從而發生高能反應。然後用一台大型粒了探測器，分辨對撞後產生的帶電粒千及其衍變產物，把取出的電子信號輸入計算機進行處理。它始建於1984年10月7日，1988年10月建成，包括正負電子對撞機、北京譜儀（大型粒子探測器）和北京同步輻射裝置。
北京正負電子對撞機的建成，為我國粒子物理和同步輻射應用研究開辟了廣闊的前景。它的主要性能指標達到80年代國際先進水平，一些性能指標迄今仍然是國際同類裝置的最好水平。
蘭州重離子加速器
蘭州重離子加速器蘭州重離子加速器是我國自行研製的第一台重離子加速器，同時也是我國到目前為止能量最高、可加速的粒子種類最多、規模最大的重離子加速器，是世界上繼法國、日本之後的第三台同類大型迴旋加速器，1989年H月投入正式運行，主要指標達到國際先進水平。中科院近代物理研究所的科研人員以創新的物理思想，利用這台加速器成功地合成和研究了10餘種新核素。
合肥同步輻射裝置
合肥國家同步輻射實驗室直線加速器 合肥同步輻射裝置主要研究粒子加速器後光譜的結構和變化，從而推知這些粒子的基本性質。它始建於1984年4月，1989年4月26日正式建成，迄今已建成5個實驗站，接待了大量國內外用戶，取得了一批有價值的成果。
中國科學技術大學同步輻射加速器實驗室1989年4月提前建成並調試出束。
激光粒子加速器
美國科學家Tomas Plettner在近日出版的《物理評論快報》上報告，他和斯坦福大學、斯坦福線形加速器中心（SLAC）的同事一起，用一種波長800納米的商用激光調節真空中運行的電子的能量，獲得了和每米遞減4千萬伏的電場一樣的調制效果。這一技術有望發展成新型激光粒子加速器，用來將粒子加速到Tev（萬億電子伏）的量級。
傳統的加速器必須做成幾百米甚至更長的龐然大物，以將粒子能量提升到粒子物理學家所需的程度。最近幾年來，科學家發展出一種主要基於激光等離子體的技術，可獲得比傳統加速器更高的加速梯度，從而為縮短加速度的長度帶來可能。然而，之前的一些技術往往導致同步加速器的輻射損失或降低粒子束的質量，限制了其對粒子物理學家的吸引力。
斯坦福大學研究小組開發的新方法，在用激光束加速的同時，施加一個和激光同向的縱向電場，形成疊加的加速效果。電子獲得的能量自然等於縱向電場和激光束單獨作用施加能量之和。該裝置在真空中加速電子，而不是在復雜得多的等離子體環境中。
在自然空間，激光的相位速度——單一波長光的傳播速度——比電子的速度低，因此不會影響加速效果。然而，Plettner和同事現在用一種鍍金的帶狀聚合物，在電子束和光束互相作用的點上設置一條「邊界線」；該線減輕了電子束和光束之間的相互影響，使兩者之間產生電子加速所需的能量交換，從而克服了這個問題。
「這項工作最初、最主要的動機是想探索開發粒子加速器的可能性，從而把現有直線加速器的長度縮減一個數量級。」Plettner說，「這將導致碰撞能達1Tev甚至更高的『緊湊』型高亮度輕子碰撞的出現。」據悉，新方法還可能導致小型X射線源技術的發展。