在 20 世紀 30 年代，科學家發(fā)明的粒子加速器，不僅可研究分子和原子層次，還可以研究原子核的結構、組成原子核的質(zhì)子和中子結構，夸克、輕子和傳遞相互作用的媒介粒子等“基本粒子”。這些粒子加速器的規(guī)模往往十分巨大，用于探索物質(zhì)深層次的微觀結構，因此被稱為“超級顯微鏡”。

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粒子加速器這種“超級顯微鏡”究竟是怎樣工作的呢？加速器經(jīng)歷了從高壓倍加器、靜電加速器、回旋加速器、感應加速器、穩(wěn)相加速器、同步加速器直到對撞機的發(fā)展歷史。這些不同類型加速器的工作原理雖然各不相同，但最基本的一點是相同的，就是利用電磁場使帶電粒子束朝著某一個方向運動的速度越來越快、能量越來越高。各種類型加速器的主要差別在于它們采用的電磁場的形態(tài)，以及加速粒子的方式。

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粒子加速器并不神秘，顯像管電視機就可以說是一臺迷你版的粒子加速器。打開電視機的后蓋，我們就可以看到顯像管頭部的電子槍，里面有一組金屬鎢做的燈絲作為陰極，燈絲通電加熱到高溫后，就能發(fā)射電子。在電子槍的陽極和陰極之間加上 1 萬伏左右的高電壓，把電子加速到約 1 萬電子伏的能量，投射到熒光屏上。在顯像管里，還安裝了兩組線圈，電子束在線圈產(chǎn)生的水平和垂直方向的磁場作用下，逐行快速掃描到熒光屏上，形成一幅幅圖像。在這臺“粒子加速器”里，電子槍是加速器的粒子源，線圈相當于加速器的束流導向系統(tǒng)，而顯像管的熒光屏就相當于物理實驗中使用的探測器，探測電子攜帶的視頻信號。
當然，實際的粒子加速器要復雜得多，規(guī)模也更為浩大。粒子加速器自誕生以來，不斷向提高能量、高流強和高束流品質(zhì)的方向發(fā)展，并形成多種類型的加速器。

按加速電場的類型分，有高壓加速器、靜電加速器、感應加速器、高頻加速器、激光加速器、等離子體加速器和束流尾場加速器等；
按被加速粒子的種類分，有電子加速器、質(zhì)子加速器和重離子加速器等；
按束流軌道的形狀分，有直線加速器、圓形加速器（包括回旋加速器、同步回旋加速器等）和環(huán)形加速器（同步加速器）等；
按束流能量分，有低能加速器、中能加速器、高能加速器和超高能加速器；按粒子束的流強分，有強流加速器、弱流加速器和極弱流加速器；
按關鍵部件材料的導電性分，有常溫加速器和超導加速器等；
按束流與靶粒子相互作用的方式分，有靜止靶加速器和對撞機等；
按加速器的用途分，有科研用加速器、醫(yī)用加速器、輻照加速器和無損檢測加速器等。
從上述諸多分類中，可組合出多種特定的加速器，如超導高頻質(zhì)子直線加速器、強流離子回旋加速器和環(huán)形正負電子對撞機等。

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在高能加速器中，粒子能量遠高于它們的靜止能量，束流以接近光的速度在真空管道里運動。大家知道，在自然界里，沒有一樣物體運動的速度能超過光速。目前世界上能量最高的大型強子對撞機LHC，可以把質(zhì)子從注入時的 0.45 萬億電子伏加速到對撞時的 7 萬億電子伏，能量增加了 14.6 倍，而速度只是從光速的 0.999997826 倍增加到0.999999991倍。由此看來，高能加速器與其說是“加速”器，還不如稱為“增能”器。