粒子加速器是一种利用电磁场提高带有电荷的粒子的动能，并控制其运动以形成粒子束的装置。被加速的粒子包括电子、质子和更重的离子。加速器的规模各异，既有紧凑的工业和医疗设备，也有大型研究设施。其粒子束可以轰击靶材、与其他粒子束发生碰撞，或产生用于探测物质的辐射。加速器是粒子物理学和核研究的核心仪器，但其应用远不止这些领域。(energy.gov)
物理原理
电场将能量传递给带电粒子。磁场使粒子的运动轨迹弯曲，或使粒子束聚焦；洛伦兹力中的磁力分量垂直于粒子的速度方向，本身不会增加粒子的动能。许多加速器利用射频腔提供振荡电场。粒子在精确控制的相位下通过这些腔体，使每次通过都能增加能量。(home.cern)
粒子能量通常以电子伏特表示：一个带有一个基本电荷的粒子通过一伏特的电势差时所获得的能量，就是一电子伏特。更大的单位包括兆电子伏特、吉电子伏特和太电子伏特。当粒子能量达到相对论性范围时，继续增加能量所带来的速度增量会越来越小。根据狭义相对论，静止质量不为零的粒子可以接近光速，但不能达到光速。不过，它们的能量和动量仍可继续增加。(home.cern)
主要加速器类型
加速器既可按几何形状分类，也可按提供能量的方式分类。
静电加速器利用很高且基本恒定的电势差。早期设备包括倍压系统和范德格拉夫起电机。这些设计为核实验提供了能量可控的高能粒子，但如何产生足够高的电压并实现绝缘，对其性能构成了实际限制。(www2.lbl.gov)
直线加速器，英文简称 linac，引导粒子沿基本笔直的路径通过加速结构。与环形加速器不同，常规直线加速器不会让粒子束循环运行，从而反复使用同一套加速结构。直线加速器既可作为独立的研究和医疗设备，也可作为大型加速器设施的注入器。(energy.gov)
**回旋加速器**利用磁场使粒子连续回旋，同时以交变电场反复加速粒子。随着动量增加，粒子通常沿向外扩展的螺旋轨迹运动。回旋加速器广泛用于离子加速和放射性核素生产。(pub.iaea.org)
**同步加速器**使粒子沿设计好的固定轨道运行并加速。随着粒子的动量增加，用于偏转粒子的磁场也同步增强。因此，粒子能够反复通过加速腔，而不会像在回旋加速器中那样向外扩展轨道。欧洲核子研究组织的大型强子对撞机就是基于同步加速器的对撞机。(indico.cern.ch)
粒子束的产生与控制
加速器的起点是粒子源，其后依次设置注入、加速和束流输运系统。大型设施通常将多台加速器串联起来：每台先提高束流能量，再将束流输送至下一台。真空束管尽量减少粒子与残余气体的碰撞，因为这类碰撞会扰乱粒子的运动，或使粒子脱离束流。(energy.gov)
不同磁铁承担不同的功能。二极磁铁使轨迹弯曲，四极磁铁则使束流聚焦。射频系统通常将粒子组织成一个个束团，而不是连续的粒子流。精确的同步控制确保这些束团与加速电场保持正确的相位关系；在对撞机中，还要确保相向运行的束团在相互作用点相遇。有些加速器利用超导现象来实现强磁场磁铁，这也带来了相应的低温工程要求。(home.cern)
对于环形加速器，可达到的动量同时取决于磁场强度和弯曲半径。另一项限制是同步辐射，即带电粒子沿弯曲轨迹运动时发出的辐射。在能量和弯曲半径相同的条件下，电子的这种能量损失远大于质子。因此，辐射损失对高能电子加速器的设计有很大影响，而专用光源则利用这种辐射本身。(cas.web.cern.ch)
实验与性能
在固定靶实验中，加速后的粒子束轰击静止的靶材。在对撞机中，两束粒子在选定的相互作用点相遇。周围的探测器记录散射及其他相互作用的产物，使研究人员能够推断粒子的性质并研究标准模型。碰撞可以产生新粒子，也可以引发核反应；尽管常规加速过程作用于带电粒子，但仍可产生中性的次级粒子。(home.cern)
能量并不是衡量性能的唯一指标。对于对撞机，**亮度（粒子物理学）**描述了两束粒子相遇的强度。将亮度与某一特定过程的截面相乘，即可得到该过程的预期事件发生率。研究罕见相互作用时，高亮度尤为重要。(home.cern)
科研、医疗与工业用途
加速器用于研究原子核的结构和物质的组成。基于加速器的光源提供强烈的X射线束，用于研究材料和生物结构。这些设施为化学、生物学、地球科学和材料科学等领域的研究提供支持。(energy.gov)
医疗用途包括生产放射性同位素，以及为放射治疗提供束流。电子直线加速器既可直接提供电子束，也可产生治疗用X射线；其他系统则加速质子或更重的离子。工业应用包括医疗产品灭菌、塑料改性、表面处理，以及半导体制造中的离子注入。(energy.gov)
历史发展
现代加速器的发展源于获取高能粒子以研究原子核的努力。约在1930年前后，高压加速器和回旋加速器成为两种主要技术路线。欧内斯特·劳伦斯和M. 斯坦利·利文斯顿于1931年在伯克利演示了一台早期回旋加速器；劳伦斯因发明和发展回旋加速器而获得1939年诺贝尔物理学奖。此后，加速器技术的发展既拓展了核研究，也推动了将物理学与化学、生物学、工程学和医学相结合的各种应用。(www2.lbl.gov)