粒子加速器全稱 “荷電粒子加速器”，是一種利用電磁場(chǎng)在高真空環(huán)境中對(duì)帶電粒子（如電子、質(zhì)子、離子）進(jìn)行加速和控制，使其獲得高能量的特種裝置。粒子加速器技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成為集高能物理、核物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)等多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)研究平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、輻照加工、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。

典型的粒子加速器主要由粒子源、真空加速室、束流導(dǎo)引與聚焦系統(tǒng)、束流輸送與分析系統(tǒng)等核心部分構(gòu)成。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，粒子加速器可分為多種類型：

▍按加速粒子種類 ：可分為電子加速器、質(zhì)子加速器、重離子加速器等。

▍按粒子運(yùn)動(dòng)軌跡 ：可劃分為直線加速器、環(huán)形（回旋、同步）加速器。

▍按加速電場(chǎng)原理 ：包括靜電加速器、感應(yīng)加速器、直線感應(yīng)加速器、駐波直線加速器、行波直線加速器、射頻諧振加速器等。

一、工作原理

粒子加速器的關(guān)鍵系統(tǒng)構(gòu)成涵蓋磁鐵系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷、高精度磁鐵電源系統(tǒng)等。其核心原理基于電磁學(xué)和相對(duì)論物理，即利用電場(chǎng)（E）對(duì)帶電粒子施加力使其加速，從而大幅增加粒子動(dòng)能；同時(shí)借助磁場(chǎng)（B）控制粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保粒子按預(yù)定路徑運(yùn)動(dòng)。

帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)遵循洛倫茲力方程：

其中 q 是粒子電荷，m是粒子質(zhì)量，v是粒子速度。

依照不同的加速結(jié)構(gòu)與原理，主要存在以下幾種類型：

▍回旋加速器：利用恒定磁場(chǎng)使帶電粒子做回旋運(yùn)動(dòng)，并用交變電場(chǎng)在特定位置（間隙）反復(fù)加速粒子。

▍同步加速器：在環(huán)形軌道中，磁場(chǎng)強(qiáng)度和高頻電場(chǎng)的頻率隨粒子能量增加而同步提升，維持粒子在固定軌道上被持續(xù)加速。

▍直線加速器：粒子沿直線路徑被加速，主要采用駐波加速和行波加速兩種結(jié)構(gòu)。

▍等離子體加速器：利用高功率激光或粒子束在等離子體中激發(fā)極強(qiáng)的尾波場(chǎng)（可達(dá)GV/m量級(jí)），可極大縮短加速距離。

粒子加速器作為尖端科技綜合體，研發(fā)過程面臨超高精度與穩(wěn)定性控制、極端環(huán)境適應(yīng)性、超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用、高能風(fēng)險(xiǎn)防控、復(fù)雜系統(tǒng)集成與可靠性保障等多重技術(shù)挑戰(zhàn)。

二、我國加速器裝置

自 1988 年北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）建成以來發(fā)展迅速，我國已構(gòu)建起涵蓋低、中、高能區(qū)的加速器體系，現(xiàn)已建成并運(yùn)行一批具有國際先進(jìn)水平的大型粒子加速器裝置，覆蓋多個(gè)研究方向，以下是部分在建與已建成的裝置介紹。

（一）在建裝置

1、強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）

?位置：廣東惠州

?類型：強(qiáng)流重離子加速器裝置

?工程目標(biāo)：建設(shè)一臺(tái)具有國際領(lǐng)先水平的下一代強(qiáng)流重離子加速器裝置,具備產(chǎn)生極端遠(yuǎn)離穩(wěn)定線核素的能力,可提供國際上峰值流強(qiáng)最高的低能重離子束流、最高能量達(dá)4.25 GeV/u(吉電子伏每核子)的脈沖重離子束流和國際上測(cè)量精度最高的原子核質(zhì)量測(cè)量譜儀。

2、高能同步輻射光源（HEPS）

?位置：北京懷柔

?類型：高能第四代同步輻射光源

?工程目標(biāo)：建設(shè)國際領(lǐng)先的高能同步輻射光源，儲(chǔ)存環(huán)能量達(dá)6GeV，亮度達(dá)1×1022phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW，發(fā)射度小于0.06nm×rad，且設(shè)施空間分辨能力達(dá)到10nm量級(jí)，能量分辨能力達(dá)到1meV伏量級(jí)，時(shí)間分辨達(dá)到ps量級(jí)。

（二）已建成裝置

1、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC / BEPCII）

?位置：北京，中國科學(xué)院高能物理研究所

?類型：雙環(huán)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

?技術(shù)亮點(diǎn)：我國第一臺(tái)高能加速器（1988年建成），在τ-粲物理前沿研究和同步輻射應(yīng)用方面成果卓著。

2、蘭州重離子加速器（HIRFL-CSR）

?位置：蘭州，中國科學(xué)院近代物理研究所

?類型：重離子同步加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)裝置

?技術(shù)亮點(diǎn)：目前亞洲能量最高、國內(nèi)唯一的重離子加速器綜合研究裝置，獨(dú)創(chuàng)“主加速器（SFC+SSC）+冷卻儲(chǔ)存環(huán)（CSRm）+實(shí)驗(yàn)環(huán)（CSRe）”的復(fù)雜系統(tǒng)，成功合成21種新核素。

3、上海同步輻射光源（SSRF）

?位置：上海張江

?類型：中能第三代同步輻射光源

?技術(shù)亮點(diǎn)：我國大陸第一臺(tái)第三代同步光源（2009年建成），儲(chǔ)存環(huán)周長432米。產(chǎn)生的同步輻射光具有高強(qiáng)度、高亮度、寬波長范圍（紅外-硬X射線）、高準(zhǔn)直性、脈沖性等優(yōu)異特性。

4、中國散裂中子源（CSNS）

?位置：廣東東莞

?類型：散裂中子源（基于質(zhì)子加速器）

?技術(shù)亮點(diǎn)：我國首臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖型散裂中子源（2018年建成）。通過高能質(zhì)子轟擊重金屬靶產(chǎn)生高通量中子，是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)（特別是磁性、輕元素、動(dòng)力學(xué)過程）的“超級(jí)顯微鏡”。

5、上海軟X射線自由電子激光裝置（SXFEL）

?位置：上海張江（毗鄰SSRF）

?類型：自由電子激光裝置

?技術(shù)亮點(diǎn)：我國首臺(tái)X射線自由電子激光用戶裝置，也是國際上首臺(tái)覆蓋水窗波段的軟X射線自由電子激光裝置，包括1.5GeV電子直線加速器、波蕩器、光束線站。

森木磊石積極參與我國加速器裝置的建設(shè)，其 PPEC inside 系列高精度磁鐵/超導(dǎo)電源、束線四級(jí)鐵電源、kicker高壓脈沖充電電源等電源裝置，均滿足穩(wěn)定度<10ppm/8h，為我國粒子加速器技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

我國的粒子加速器裝置近年來取得了長足的發(fā)展，涵蓋了高能物理研究、同步輻射研究、中子散射研究、核物理研究等多個(gè)方向。這些裝置的建設(shè)和運(yùn)行，為我國的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了重要的支撐，隨著科技的不斷進(jìn)步，我國的粒子加速器技術(shù)將不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為科學(xué)技術(shù)的前沿探索和應(yīng)用拓展做出更大的貢獻(xiàn)。

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