title=VCE 物理/单元 2/AoS 2/2.8：粒子加速器的工作原理？
在本选修课中，学生将探索粒子加速器的工作原理和用途，以产生辐射并使粒子发生碰撞。使用粒子加速器，人们可以观察到可能曾经存在于自然界中但现在不存在的粒子。对这些粒子的研究可以发展和挑战早期宇宙的理论。学生将研究各种加速器技术的发展和比较。粒子加速器和对撞机包括澳大利亚同步加速器和大型强子对撞机。
为了理解粒子加速器是什么以及它们是如何工作的，你需要掌握一些物理概念。
- 你可以使用电场来加速带电粒子。
- 你可以通过使用电池或其他电源产生电势差来产生电场。例如，电池在电路中产生的电势差会在电路中产生电场，导致电子在电路的导线中移动（单元 1，学习领域 2：电路的工作原理？）。
- 你可以使用磁场来改变带电粒子的运动轨迹。
- 你可能以前遇到过这种情况，但在本课程中，直到单元 3，学习领域 1：物体如何在没有接触的情况下移动？你才会学习这种相互作用的细节。现在，你只需要知道可以做到这一点。
- 如果你加速一个带电粒子，它会以光（电磁波）的形式发射辐射。发射光的波长取决于粒子的运动。光会带走能量，因此粒子会因这种发射而减速。
- 你在单元 1，AoS 1：将热物理学应用于气候科学中学习了光谱，它是由不同波长的电磁波组成的。你在单元 1，学习领域 3：什么是物质，它是如何形成的？中接触到加速带电粒子发射辐射的现象。
粒子加速器使用电场来加速带电粒子（如电子和质子），并使用磁场来改变粒子的运动轨迹。
粒子加速器有各种用途，例如
- 在医学领域：质子束有时被用来轰击癌细胞以杀死肿瘤 - 这被称为质子治疗。
- 在工业领域：硼离子或其他离子可以被用来轰击硅晶圆，以生产半导体 - 这被称为离子注入。
- 在研究领域：考古学家经常使用碳十四测年法来确定有机物（如骨骼）的年代 - 这通常使用被称为加速器质谱仪的粒子加速器来完成。
这些例子中的粒子加速器以相对低的能量工作。在这里，能量指的是赋予粒子的动能，因此低能量 = 低粒子速度。但是，对于本选修课，你将主要探索粒子加速器的应用，这些加速器将粒子加速到我们所能达到的最高能量（最高速度）。这些粒子加速器
- 产生同步辐射；以及
- 使粒子发生碰撞（使它们相互撞击）。
你可以根据粒子加速器赋予粒子的动能（即它们将粒子加速到什么速度）来对其进行分类。能量的 SI 单位是焦耳（符号“J”），但是，你通常会发现与粒子加速器相关的动能以电子伏特（符号“eV”）表示。这是因为使用电子伏特有时会更简单。例如，一个通过由100 V电势差产生的电场加速的粒子，其动能为100 eV。电子伏特在处理粒子能量时已经成为惯例。
1 eV是一个很大的能量吗？1 eV是多少焦耳（查阅一下）？
你可能觉得可以用单元 2，学习领域 1：如何描述和解释运动？中的方程来计算粒子的速度（首先将 eV 转换为 J）。但是，如果你学习了单元 3，学习领域 3：物体能走多快？，你会发现这个方程只是对速度远小于光速的物体的近似。即使在低能粒子加速器（例如用于质子治疗的加速器）中，粒子也以光速的很大一部分速度运动，因此这个方程不再是一个很好的近似值。
对于本选修课，你不需要能够计算给定能量（以 eV 表示）的粒子的速度。你只需要理解，对于同一种粒子，更大的动能（以 eV 表示）意味着粒子会移动得更快。例如，查阅质子治疗中使用的质子的典型能量，并将它与大型强子对撞机中质子的最终能量进行比较。哪一个移动得更快？但是，要小心，如果你有两个不同质量的粒子以相同的速度运动（例如，一个质子和一个电子），质量更大的粒子具有更大的能量，例如，以相同速度运动的质子比电子具有更大的能量。你可以从中理解这一点，即使它不是完全正确的方程。
加速器有很多类型，但它们通常可以分为
- 线性粒子加速器（简称直线加速器），它沿直线加速粒子（线性表示“一条直线”）；以及
- 那些沿近似圆形路径加速粒子的加速器——通常由直线部分和弯曲部分组成。
老式电视通过向涂有不同颜色荧光粉（红、绿、蓝）的玻璃屏幕发射电子来生成图像，这些荧光粉在被击中时会发光。电子的路径被磁场弯曲，以到达屏幕的不同部位。这本质上是一个非常低能量的直线加速器。然而，在老式电视中加速电子的元件被称为“电子枪”（因为它们发射电子）。它们实际上只是直线加速器的部分元件。术语“直线加速器”通常用于加速带电粒子到更高速度的加速器——但所涉及的原理相同。
对于所有加速器，带电粒子以类似于“电子枪”的方式产生，然后在直线加速器中加速。对于圆形加速器，它们随后被“注入”到一个圆形路径中。有时会存在多个圆形路径——粒子首先在一个小圆形路径中被加速，然后当它们速度太快而无法被包含在较小的圆形路径中时，被转移到一个较大的圆形路径中。
圆形加速器比直线加速器更复杂，因为需要在加速粒子的同时，显着弯曲粒子的路径。这就是为什么它们通常具有直线部分（在这些部分中加速粒子）和弯曲部分，这些弯曲部分连接在一起形成近似圆形路径的原因。然而，它们通常比直线加速器产生更高能量的粒子，因为粒子可以多次绕圆形路径运动，从而提供更长的距离和更多的时间来加速粒子。
一个 回旋加速器 是一种相对简单的圆形粒子加速器，因为它具有固定的磁场。粒子以螺旋形运动——圆形路径的半径随着速度的增加而增加，因为它们在被固定磁场偏转相同的量时，会走得更远。
一个 同步加速器 是一种使用可变磁场的圆形粒子加速器。弯曲粒子路径的磁场的强度随着带电粒子速度的增加而增加，因此粒子保持在相同的圆形路径上。同步加速器更复杂，因为磁场强度的增加必须与粒子速度的增加同步（因此得名）。
即使许多粒子对撞机是“同步加速器”，但术语“同步加速器”通常仅用于指代使用粒子产生的辐射的加速器。用于使粒子对撞的同步加速器被称为“对撞机”。
如前所述，术语“同步加速器”现在通常仅用于指代使用粒子产生的辐射的加速器，例如 澳大利亚同步加速器。
有关同步加速器的工作原理、其产生的辐射与其他辐射源的区别以及同步辐射应用的详细信息，请首先查看 旧的澳大利亚同步加速器网站。
该选项的这部分与 第一单元，学习领域 3：物质是什么，它是如何形成的？ 最密切相关。
粒子对撞机旨在使粒子发生碰撞，而不是利用它们产生的辐射。在粒子对撞机中，带电粒子发出的辐射成为一个问题，而不是设计的一部分。当粒子在一个圆周内加速以将其提升到碰撞所需的速率/能量时，它们会发出辐射并损失能量，从而减速。粒子循环的速度越快，它们的加速度就越大，它们损失的能量就越多。因此，需要将更多能量注入循环粒子中，而不是它们损失的能量，同时还要求随着粒子循环速度的加快，向粒子中注入更多能量（以克服不断增加的损失）。
使粒子发生碰撞的目的是研究宇宙在尽可能小的尺度上的组成部分。从这个意义上说，粒子对撞机是地球上最强大的显微镜。虽然有些显微镜可以帮助我们“看到”分子和原子（例如 扫描隧道显微镜 (STM) 和 原子力显微镜 (AFM)），我们可以使用粒子对撞机来观察原子内部、原子核内部、检查电子、质子、中子的性质等等。
目前正在运行的主要粒子对撞机是 大型强子对撞机，位于 欧洲核子研究组织 (CERN)。虽然还有其他粒子对撞机，但没有一个能达到 LHC 的能量水平，只有少数能接近。运行 LHC 所需的专业知识、努力和资金，测试我们对基本粒子及其相互作用的知识的极限，只有通过国家间的国际合作才有可能。LHC 是一项多国合作项目，预算高达数十亿美元——它是一项非凡的工程壮举，也是一项惊人的科学实验。
LHC，尤其是可以被认为是“时间机器”。并非指我们可以用它来进行时间旅行，而是指我们可以利用它来重现早期宇宙中存在的情况，从而帮助我们理解宇宙的起源，例如大爆炸。
- 区分使用粒子加速器产生同步辐射和使粒子发生碰撞。
- 区分粒子对撞机和澳大利亚同步加速器的能力。
- 解释澳大利亚同步加速器中电子直线加速器、圆形加速器、储存环和光束线的总体目的。
- 解释为什么在某些实验中，同步辐射比激光光和来自 X 射线管的辐射更可取，并使用亮度、光谱和发散度的特征进行解释。
- 解释对撞机技术的演变，包括
- 参与碰撞事件的粒子
- 自 1950 年代以来获得的越来越高的能量
- 评估对撞机在粒子物理学标准模型发展中的作用，包括对亚原子结构和过程的参考。
- 描述碰撞产物，参考符号、电荷、静止能量和寿命。
- 比较大型强子对撞机上粒子探测器的物理设计和目的，包括 ATLAS、CMS、ALICE 和 LHCb。
- 解释大型强子对撞机收集的大量数据如何存储和分析，以及粒子探测器在信息处理技术发展中所起的作用。
- 描述至少一项粒子加速器的应用，这些应用选自
- 材料分析和改性，导致消费者产品（如热缩膜和巧克力）的改进
- 在硅芯片中注入离子，使它们在电子产品（如计算机和智能手机）中更加有效——核能应用，例如使用钍作为核能生产的替代燃料或核废料处理
- 涉及蛋白质结构分析的药物研究，导致开发治疗重大疾病的新药
- 涉及蛋白质代谢分析的 DNA 研究，导致开发新的抗生素
- 医疗应用，例如生产用于医疗诊断和治疗的各种放射性同位素，或通过使用粒子束进行癌症治疗
- 光谱法在环境监测中的应用，或电子束在污染处理（如污染水、污泥和烟囱气体）中的应用
- 粒子加速器在特定实验或科学研究中的应用
- 调查对撞机技术当前和未来发展方向。