三体》动画的一开头就有如许的台词：
“科学开展，打破口在哪儿？”
“粒子对碰尝试？！”
接下来我们就看到了太空中的对碰机：
当然也看到了智子对尝试的干扰。三体报酬何如斯惧怕地球人的对碰机？对碰机现实上是粒子加速器的一种。根据原著的设定，三体人担忧人类操纵加速器提醒物量的素质，实现手艺的飞跃，成为它们的有力强敌。
那个设定十分科学！粒子加速器确其实人类的科技开展史上有着无足轻重的地位。通过人工办法加速带电粒子，科学家们既能够用加速器做高峻上的物理尝试，摸索物量世界的根本构成，鞭策根底科学的开展；也能够对质料停止探伤，处置甘旨的食物，以至婴儿们离不开的尿不湿也和加速器有关！
加速器到底是什么样子的，又是若何工做的？今天，我们就向各人介绍三种常见的加速器。
曲线加速器——可能是你家的老电视
望文生义，曲线加速器（Linear Accelerator ，Linac）是将带电粒子沿曲线加速的加速器。早在1924年，英国物理学家伊辛就提出了曲线加速器的概念——操纵屡次加速电场来使带电粒子获得更高的能量。1928年，来自挪威的维德罗开展了伊辛的原理，建成了世界上第一台曲线共振加速器。
上世纪八九十年代流行的“大屁股”电视机其实就是一台曲线加速器，通过阴极射线管产生的电子束击打屏幕内侧的发光涂料产生图像。
电视机里的加速器（来源：CERN）
曲线加速器是目前最常见的加速器之一。当你美滋滋地啃着从超市购置的泡椒凤爪时，很有可能你就在享受加速器带来的便当。基于曲线加速器的辐照加工手艺（射线照射），是一种高效平安的杀菌手艺，能够让泡椒凤爪的保量期从3-5天耽误到几个月，还不消添加防腐剂。
曲线加速器的原理其实不复杂：只要给粒子供给一个加速电场，粒子即可沿曲线运动。若是接纳适宜的交变电场，就能够做到让粒子持续加速了。
但是一般交变电场有正有负，若何包管粒子的速度只增不减呢？科学家们巧妙地利用了一种叫做漂移管的构造。当碰到负向电压时，粒子刚好可以躲进漂移管，如许粒子束流（凡是叫做束流）就能够在曲线段中勇往无前了！
漂移管曲线加速器原理（来源：veer 王力实修改）
漂移管曲线加速器示企图（来源：William A. Barletta， USPAS）
上图中红红绿绿的圆筒就是漂移管。细心的读者可能会发现那些圆筒变得越来越长，那是因为：跟着粒子能量升高、速度变快，单元时间内挪动的间隔也就越长，因而响应的漂移管的长度逐步变长。
漂移管曲线加速器的内部构造（来源：CERN）
根据那个原理，若是想得到越高能量的粒子，曲线加速器的长度就会越长，从而使加速器的成本显著升高。为了制止建造过长的加速器，盘旋加速器应运而生。
盘旋加速器——可能像切开的蛋糕
美国物理学家劳伦斯在曲线加速器的根底上脑洞大开，于1932年设想和造造了第一台盘旋加速器，通过施加外部磁场，将加速粒子的曲线轨道变成螺旋线的形式。那项创始性的功效处理了因加速器过长而招致的加速效率过低的问题，劳伦斯也因而获得了1939年的诺贝尔物理学奖。
劳伦斯与他的盘旋加速器（来源：LBNL）
盘旋加速器是若何工做的呢？各人看看下面的图就会有一个初步的认识了：
典范盘旋加速器原理图（来源：王力实）
如图所示，粒子从盘旋加速器中心注入，通过D型盒狭缝停止加速。因为粒子每次颠末D型盒狭缝城市加速，因而在固定的磁场感化下每一圈半径城市变大，运动轨迹也就构成了螺旋线轨道。
随后，为了满足核物理和粒子物理的尝试要求，典范的盘旋加速器又停止了一系列晋级，好比改良成带有螺旋角的扇聚焦盘旋加速器。那里的“聚焦”能够如许理解：我们能够把粒子束想象成一束平行的太阳光，通过一种透镜（在那里是带有梯度的磁场）感化把它会聚成更小更耀眼的光点，如许就能进步粒子在质料中的碰碰效率。
带有螺旋角的聚焦构造（来源：Mike Seidel， CAS， Cyclotrons， 2019）
上世纪70年代以来，做为扇聚焦盘旋加速器的合理拓展，科学家们又研造了别离扇盘旋加速器，进一步进步了加速所需的电压，提拔了运行效率。尤其在其时，为了适应重离子物理研究的需要，别离扇盘旋加速器是一个十分不错的选择。
看看中国科学院近代物理研究所于1988年建成的别离扇盘旋加速器，是不是挺像被切好的四块蛋糕？
中科院近代物理所建成的别离扇盘旋加速器。（来源：近代物理所）
环型加速器——怎么批示粒子跑圈？
在《三体》中，刘慈欣教师还设想了如许一种环日加速器：
太空中没有空气，使得环日加速器成为了可能。工程师们无需建造整体管道，只需要成立一些环绕太阳的中继加速线圈就可以组建一个史无前例的环日加速器。那个加速器估计可以实正将粒子加速到宇宙大爆炸时的创世能量。但即便是如许，工程师们也需要建造三千两百个加速线圈，并将它们切确地运到环日轨道上，每个加速线圈相隔一百五十万千米。
那个宏伟设想其实就对应了我们要提到的第三种加速器——环型加速器。无独有偶，大物理学家费米曾经也提出过“全球加速器”的设想，那种加速器也是基于环型加速器而言的。
费米设想的“全球”加速器（来源：Enrico Fermi： The Master Scientist）
1952年，美国布鲁克海文国度尝试室的列文斯通（另一位加速器大佬）突破传统加速器的聚焦构造（一周都是不异聚焦的构造，即弱聚焦同步加速器），将具有聚焦感化和散焦感化的磁铁瓜代摆列（即聚焦-散焦-聚焦-散焦-…），成果竟然出人意料的好（总的效果是聚焦的）！但是列文斯通对那个成果心存思疑，就请同事考兰特做了计算。考兰特从头研究了该成果，并与施耐德等人在此根底上提出了交变梯度聚焦的原理，也叫做强聚焦原理。强聚焦原理与主动稳相原理后来成为现代加速器的两大基石。
美国布鲁克海文国度尝试室于上世纪五十年代建造的量子加速器（Cosmotron），那是世界上第一台弱聚焦同步加速器。 （来源：BNL）
美国布鲁克海文国度尝试室于上世纪五十年代建造的交变梯度同步加速器（Alternating Gradient Synchrotron），那是世界上第一台强聚焦同步加速器。（来源：BNL）
弱聚焦和强聚焦的比照图。因为聚焦、散焦瓜代摆列，右下图显得“长短不一”。（来源：王旭东绘造）
近代物理所建成的环型加速器——冷却贮存环（来源：近代物理所）
环型加速器中粒子的轨道要比盘旋加速器简单得多，就是闭合的圆形轨道。粒子通过一种叫二极磁铁的磁元件停止偏转，构成圆形轨道，并在类似于曲线加速器的腔体中停止加速。与此同时，为了包管束流运动过程中不会“跑散”，环型加速器中还利用了四极磁铁等元件对其停止队形的调整，如许粒子束就在磁铁的批示下有序地运动。
环型加速器原理（来源：王力实）
环型加速器可以更好地贮存加速粒子，而且能够有效地调整粒子束团的量量。现在，大都大型加速器都是以环型加速器做为次要部门，曲线加速器和盘旋加速器一般会做为环型加速器的注入器利用，各人各显神通。例如目宿世界上更大的粒子加速器——大型强子对碰机，还有国内的同步辐射光源、散裂中子源等等，它们的主体都是环型加速器。
我国在广东惠州建立的强流重离子加速器（HIAF）构造示企图。那台加速器就是由曲线加速器和环型加速器等构成的。（来源：近代物理所）
我们为什么需要加速器？
人类如斯大费周章地建立各类各样的加速器，不竭摸索新的加速器手艺，为何我们如斯需要加速器？
摸索微不雅世界不断是科学家们的夙愿。曾经，“核物理学之父”卢瑟福就说过：“持久以来，我不断希望可以获得大量的原子和电子开展研究，那些原子和电子的能量远远超越来自放射性物体的粒子”。
从最早卢瑟福操纵α粒子轰击金箔的尝试翻开原子物理研究的大门，到2013年大型强子对碰机发现希格斯粒子，加速器无疑是科学家们开展物量科学研究最重要、最前沿的东西。我们不单能用它发现新的根本粒子，也能合成新的同位素，以至能够体验一把造物主的觉得——合成新元素！
高能量的粒子对碰机对碰出我们对世界的新认知。（来源：CERN）
加速器对根底研究的奉献不单单在核物理和粒子物理范畴中。操纵带电粒子在电磁场的感化下沿弯转轨道运动时发出的电磁辐射，科学家们建造了同步辐射光源，开展质料科学、构造生物学等学科的相关尝试。那些尝试帮忙人类更明晰地领会微不雅世界的构造，在解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠病毒构造，挑选抗病毒药物与抗体等方面阐扬着重要感化。
北京高能同步辐射光源构成示企图。（来源：高能物理研究所）
除了根底科学研究，通过加速差别的带电粒子束或离子束，好比电子、重离子等等，科学家们能够开展各类各样的应用研究。加速器的应用已经渗入到人类生活的诸多方面了：
我们能够操纵加速器治疗癌症。重离子放疗是目前国际上公认的先辈放疗手段，重离子束就像一枚精准的导弹，能间接击中病灶，集中释放能量，消杀癌细胞。
近代物理所研造的碳离子治疗安装，那台加速器是由盘旋加速器和环型加速器构成的。（来源：近代物理所）
以至，可口的巧克力和婴儿尿不湿的消费也和加速器有关！同步辐射光源手艺可使造造的巧克力不发作反霜，提拔巧克力的量感、口感和外不雅。美国劳伦斯伯克利尝试室曾操纵先辈光源（ALS）产生的X射线，帮忙道氏公司的化学家深切领会并改良了尿不湿中高吸水性聚合质料，从而改动了父母赐顾帮衬婴儿的体例。
加速器的应用还远不行于此，安检系统、无损探伤设备、辐照诱变育种、污水处置、航空航天……都与加速器手艺息息相关。难怪，三体人会那么惧怕地球人的加速器了！若是你能来现场参不雅，相信你的震撼必然不会比读《三体》差！
花开花落