|作者：王力實 劉芳
電視劇版《三體》的第一集中，我們看到了電視劇中 “中華二号高能加速器基地”，并跟随劇集看到了《三體》中楊冬博士進行粒子對撞實驗的過程：
“中華二号高能加速器基地” 的對撞機劇照
當然也看到了智子對實驗的幹擾。三體人為何如此害怕地球人的對撞機？對撞機實際上是粒子加速器的一種。按照原著的設定，三體人擔心人類利用加速器揭示物質的本質，實作技術的飛躍，成為它們的有力勁敵。
這個設定非常科學！粒子加速器确實在人類的科技發展史上有着舉足輕重的地位。通過人工方法加速帶電粒子，科學家們既可以用加速器做高大上的實體實驗，探索物質世界的基本組成，推動基礎科學的發展；也可以對材料進行探傷，處理美味的食物，甚至嬰兒們離不開的尿不濕也和加速器有關！
加速器到底是什麼樣子的，又是如何工作的？今天，我們就向大家介紹三種常見的加速器。
直線加速器——可能是你家的老電視
顧名思義，直線加速器（Linear Accelerator ,Linac）是将帶電粒子沿直線加速的加速器。早在1924年，英國實體學家伊辛就提出了直線加速器的概念——利用多次加速電場來使帶電粒子獲得更高的能量。1928年，來自挪威的維德羅發展了伊辛的原理，建成了世界上第一台直線共振加速器。
上世紀八九十年代流行的“大屁股”電視機其實就是一台直線加速器，通過陰極射線管産生的電子束擊打螢幕内側的發光塗料産生圖像。
電視機裡的加速器（來源：CERN）
直線加速器是目前最常見的加速器之一。當你美滋滋地啃着從超市購買的泡椒鳳爪時，很有可能你就在享受加速器帶來的便利。基于直線加速器的輻照加工技術（射線照射），是一種高效安全的殺菌技術，可以讓泡椒鳳爪的保存期限從3-5天延長到幾個月，還不用添加防腐劑。
直線加速器的原理并不複雜：隻要給粒子提供一個加速電場，粒子便可沿直線運動。如果采用合适的交變電場，就可以做到讓粒子持續加速了。
但是一般交變電場有正有負，如何保證粒子的速度隻增不減呢？科學家們巧妙地使用了一種叫做漂移管的結構。當遇到負向電壓時，粒子恰好能夠躲進漂移管，這樣粒子束流（通常叫做束流）就可以在直線段中勇往無前了！
漂移管直線加速器原理（來源：veer 王力實修改）
漂移管直線加速器示意圖（來源：William A. Barletta, USPAS）
上圖中紅紅綠綠的圓筒就是漂移管。細心的讀者可能會發現這些圓筒變得越來越長，這是因為：随着粒子能量升高、速度變快，機關時間内移動的距離也就越長，是以相應的漂移管的長度逐漸變長。
漂移管直線加速器的内部結構（來源：CERN）
按照這個原理，如果想得到越高能量的粒子，直線加速器的長度就會越長，進而使加速器的成本顯著升高。為了避免建造過長的加速器，回旋加速器應運而生。
回旋加速器——可能像切開的蛋糕
美國實體學家勞倫斯在直線加速器的基礎上腦洞大開，于1932年設計和制造了第一台回旋加速器，通過施加外部磁場，将加速粒子的直線軌道變為螺旋線的形式。這項開創性的成果解決了因加速器過長而導緻的加速效率過低的問題，勞倫斯也是以獲得了1939年的諾貝爾實體學獎。
勞倫斯與他的回旋加速器（來源：LBNL）
回旋加速器是如何工作的呢？大家看看下面的圖就會有一個初步的認識了：
經典回旋加速器原理圖（來源：王力實）
如圖所示，粒子從回旋加速器中心注入，通過D型盒狹縫進行加速。由于粒子每次經過D型盒狹縫都會加速，是以在固定的磁場作用下每一圈半徑都會變大，運動軌迹也就形成了螺旋線軌道。
随後，為了滿足核實體和粒子實體的實驗要求，經典的回旋加速器又進行了一系列更新，比如改進成帶有螺旋角的扇聚焦回旋加速器。這裡的“聚焦”可以這樣了解：我們可以把粒子束想象成一束平行的太陽光，通過一種透鏡（在這裡是帶有梯度的磁場）作用把它彙聚成更小更耀眼的光點，這樣就能提高粒子在材料中的碰撞效率。
帶有螺旋角的聚焦結構（來源：Mike Seidel, CAS, Cyclotrons, 2019）
上世紀70年代以來，作為扇聚焦回旋加速器的合理拓展，科學家們又研制了分離扇回旋加速器，進一步提高了加速所需的電壓，提升了運作效率。尤其在當時，為了适應重離子實體研究的需要，分離扇回旋加速器是一個非常不錯的選擇。
看看中國科學院近代實體研究所于1988年建成的分離扇回旋加速器，是不是挺像被切好的四塊蛋糕？
中科院近代實體所建成的分離扇回旋加速器。（來源：近代實體所）
環型加速器——怎麼指揮粒子跑圈？
在《三體》中，劉慈欣老師還設想了這樣一種環日加速器：
這個宏偉構想其實就對應了我們要提到的第三種加速器——環型加速器。無獨有偶，大實體學家費米曾經也提出過“環球加速器”的設想，這種加速器也是基于環型加速器而言的。
費米設想的“環球”加速器（來源：Enrico Fermi: The Master Scientist）
1952年，美國布魯克海文國家實驗室的列文斯通（另一位加速器大佬）打破傳統加速器的聚焦結構（一周都是相同聚焦的結構，即弱聚焦同步加速器），将具有聚焦作用和散焦作用的磁鐵交替排列（即聚焦-散焦-聚焦-散焦-…），結果竟然出乎意料的好（總的效果是聚焦的）！但是列文斯通對這個結果心存懷疑，就請同僚考蘭特做了計算。考蘭特重新研究了該結果，并與施耐德等人在此基礎上提出了交變梯度聚焦的原理，也叫做強聚焦原理。強聚焦原理與自動穩相原理後來成為現代加速器的兩大基石。
美國布魯克海文國家實驗室于上世紀五十年代建造的質子加速器（Cosmotron），這是世界上第一台弱聚焦同步加速器。(來源：BNL)
美國布魯克海文國家實驗室于上世紀五十年代建造的交變梯度同步加速器(Alternating Gradient Synchrotron)，這是世界上第一台強聚焦同步加速器。(來源：BNL)
近代實體所建成的環型加速器——冷卻儲存環（來源：近代實體所）
環型加速器中粒子的軌道要比回旋加速器簡單得多，就是閉合的圓形軌道。粒子通過一種叫二極磁鐵的磁元件進行偏轉，形成圓形軌道，并在類似于直線加速器的腔體中進行加速。與此同時，為了保證束流運動過程中不會“跑散”，環型加速器中還使用了四極磁鐵等元件對其進行隊形的調整，這樣粒子束就在磁鐵的指揮下有序地運動。
環型加速器原理（來源：王力實）
環型加速器能夠更好地儲存加速粒子，并且可以有效地調整粒子束團的品質。如今，多數大型加速器都是以環型加速器作為主要部分，直線加速器和回旋加速器一般會作為環型加速器的注入器使用，大家各顯神通。例如目前世界上最大的粒子加速器——大型強子對撞機，還有國内的同步輻射光源、散裂中子源等等，它們的主體都是環型加速器。
大陸在廣東惠州建設的強流重離子加速器（HIAF）結構示意圖。這台加速器就是由直線加速器和環型加速器等組成的。（來源：近代實體所）
我們為什麼需要加速器？
人類如此大費周章地建設各種各樣的加速器，不斷探索新的加速器技術，為何我們如此需要加速器？
探索微觀世界一直是科學家們的夙願。曾經，“核實體學之父”盧瑟福就說過：“長期以來，我一直希望能夠獲得大量的原子和電子開展研究，這些原子和電子的能量遠遠超過來自放射性物體的粒子”。
從最早盧瑟福利用α粒子轟擊金箔的實驗打開原子實體研究的大門，到2013年大型強子對撞機發現希格斯粒子，加速器無疑是科學家們開展物質科學研究最重要、最前沿的工具。我們不但能用它發現新的基本粒子，也能合成新的同位素，甚至可以體驗一把造物主的感覺——合成新元素！
高能量的粒子對撞機對撞出我們對世界的新認知。(來源：CERN)
加速器對基礎研究的貢獻不僅僅在核實體和粒子實體領域中。利用帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉軌道運動時發出的電磁輻射，科學家們建造了同步輻射光源，開展材料科學、結構生物學等學科的相關實驗。這些實驗幫助人類更清晰地了解微觀世界的結構，在解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠病毒結構，篩選抗病毒藥物與抗體等方面發揮着重要作用。
北京高能同步輻射光源組成示意圖。（來源：高能實體研究所）
除了基礎科學研究，通過加速不同的帶電粒子束或離子束，比如電子、重離子等等，科學家們可以開展各種各樣的應用研究。加速器的應用已經滲透到人類生活的諸多方面了：
我們可以利用加速器治療癌症。重離子放療是目前國際上公認的先進放療手段，重離子束就像一枚精準的飛彈，能直接擊中病竈，集中釋放能量，消殺癌細胞。
近代實體所研制的碳離子治療裝置，這台加速器是由回旋加速器和環型加速器組成的。（來源：近代實體所）
甚至，可口的巧克力和嬰兒尿不濕的生産也和加速器有關！同步輻射光源技術可使制造的巧克力不發生反霜，提升巧克力的質感、口感和外觀。美國勞倫斯伯克利實驗室曾利用先進光源（ALS）産生的X射線，幫助道氏公司的化學家深入了解并改進了尿不濕中高吸水性聚合材料，進而改變了父母照顧嬰兒的方式。
加速器的應用還遠不止于此，安檢系統、無損探傷裝置、輻照誘變育種、污水處理、航空航天……都與加速器技術息息相關。難怪，三體人會這麼害怕地球人的加速器了！如果你能來現場參觀，相信你的震撼一定不會比讀《三體》差！
作者：王力實 劉芳
作者機關：中國科學院近代實體研究所
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來源：科學大院