粒子加速器 —— 科技前沿的核心装置

粒子加速器全称 “荷电粒子加速器”，是一种利用电磁场在高真空环境中对带电粒子（如电子、质子、离子）进行加速和控制，使其获得高能量的特种装置。粒子加速器技术现已发展成为集高能物理、核物理、材料科学、生命科学等多学科交叉的基础研究平台，广泛应用于医疗、工业、辐照加工、环保等诸多领域。

典型的粒子加速器主要由粒子源、真空加速室、束流导引与聚焦系统、束流输送与分析系统等核心部分构成。根据不同的分类标准，粒子加速器可分为多种类型：

▍按加速粒子种类 ：可分为电子加速器、质子加速器、重离子加速器等。

▍按粒子运动轨迹 ：可划分为直线加速器、环形（回旋、同步）加速器。

▍按加速电场原理 ：包括静电加速器、感应加速器、直线感应加速器、驻波直线加速器、行波直线加速器、射频谐振加速器等。

一、工作原理

粒子加速器的关键系统构成涵盖磁铁系统、高频系统、真空系统、束流诊断、高精度磁铁电源系统等。其核心原理基于电磁学和相对论物理，即利用电场（E）对带电粒子施加力使其加速，从而大幅增加粒子动能；同时借助磁场（B）控制粒子的运动轨迹，确保粒子按预定路径运动。

带电粒子在电磁场中的运动遵循洛伦兹力方程：

其中 q 是粒子电荷，m 是粒子质量，v 是粒子速度。

依照不同的加速结构与原理，主要存在以下几种类型：

▍回旋加速器： 利用恒定磁场使带电粒子做回旋运动，并用交变电场在特定位置（间隙）反复加速粒子。

▍同步加速器： 在环形轨道中，磁场强度和高频电场的频率随粒子能量增加而同步提升，维持粒子在固定轨道上被持续加速。

▍直线加速器： 粒子沿直线路径被加速，主要采用驻波加速和行波加速两种结构。

▍等离子体加速器： 利用高功率激光或粒子束在等离子体中激发极强的尾波场（可达GV/m量级），可极大缩短加速距离。

粒子加速器作为尖端科技综合体，研发过程面临超高精度与稳定性控制、极端环境适应性、超导技术应用、高能风险防控、复杂系统集成与可靠性保障等多重技术挑战。

二、我国加速器装置

自 1988 年北京正负电子对撞机（BEPC）建成以来发展迅速，我国已构建起涵盖低、中、高能区的加速器体系，现已建成并运行一批具有国际先进水平的大型粒子加速器装置，覆盖多个研究方向，以下是部分在建与已建成的装置介绍。

（一）在建装置

1、强流重离子加速器装置（HIAF）

 

▷ 位置： 广东惠州

▷ 类型：强流重离子加速器装置

▷ 工程目标： 建设一台具有国际领先水平的下一代强流重离子加速器装置, 具备产生极端远离稳定线核素的能力, 可提供国际上峰值流强最高的低能重离子束流、最高能量达4.25 GeV/u(吉电子伏每核子)的脉冲重离子束流和国际上测量精度最高的原子核质量测量谱仪。

2、高能同步辐射光源（HEPS）

 

▷ 位置： 北京怀柔

▷ 类型： 高能第四代同步辐射光源

▷ 工程目标：建设国际领先的高能同步辐射光源，储存环能量达6GeV，亮度达1×10²²phs/s/mm²/mrad²/0.1%BW，发射度小于0.06nm×rad，且设施空间分辨能力达到10nm量级，能量分辨能力达到1meV伏量级，时间分辨达到ps量级。 

（二）已建成装置

1、北京正负电子对撞机（BEPC / BEPCII）

 

▷ 位置： 北京，中国科学院高能物理研究所

▷ 类型： 双环正负电子对撞机

▷ 技术亮点： 我国第一台高能加速器（1988年建成），在τ-粲物理前沿研究和同步辐射应用方面成果卓著。

2、兰州重离子加速器（HIRFL-CSR）

 

▷ 位置： 兰州，中国科学院近代物理研究所

▷ 类型： 重离子同步加速器冷却储存环装置

▷ 技术亮点： 目前亚洲能量最高、国内唯一的重离子加速器综合研究装置，独创“主加速器（SFC+SSC）+冷却储存环（CSRm）+实验环（CSRe）”的复杂系统，成功合成21种新核素。

3、上海同步辐射光源（SSRF）

 

▷ 位置： 上海张江

▷ 类型： 中能第三代同步辐射光源

▷ 技术亮点： 我国大陆第一台第三代同步光源（2009年建成），储存环周长432米。产生的同步辐射光具有高强度、高亮度、宽波长范围（红外-硬X射线）、高准直性、脉冲性等优异特性。

4、中国散裂中子源（CSNS）

 

▷ 位置： 广东东莞

▷ 类型： 散裂中子源（基于质子加速器）

▷ 技术亮点： 我国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源（2018年建成）。通过高能质子轰击重金属靶产生高通量中子，是研究物质微观结构（特别是磁性、轻元素、动力学过程）的“超级显微镜”。

5、上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）

 

▷ 位置： 上海张江（毗邻SSRF）

▷ 类型： 自由电子激光装置

▷ 技术亮点：我国首台X射线自由电子激光用户装置，也是国际上首台覆盖水窗波段的软X射线自由电子激光装置，包括1.5GeV电子直线加速器、波荡器、光束线站。

森木磊石积极参与我国加速器装置的建设，其 PPEC inside 系列高精度磁铁/超导电源、束线四级铁电源、kicker 高压脉冲充电电源等电源装置，均满足稳定度<10ppm/8h，为我国粒子加速器技术的不断创新发展贡献力量。

我国的粒子加速器装置近年来取得了长足的发展，涵盖了高能物理研究、同步辐射研究、中子散射研究、核物理研究等多个方向。这些装置的建设和运行，为我国的基础科学研究提供了重要的支撑，随着科技的不断进步，我国的粒子加速器技术将不断创新和发展，为科学技术的前沿探索和应用拓展做出更大的贡献。

免责申请：图片及内容来源于网络，如有侵权，请联系删除