1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×10厘米/秒的高速α 粒子束(即氦核)作为"炮弹"，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的"靶"，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为"炮弹"的愿望。

静电加速器(1928年)、回旋加速器(1929年)、倍压加速器(1932年)等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。

1932年美国科学家柯克罗夫特(J.D.Cockcroft)和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第一台直流加速器--命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α 粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器--命名为凡德格拉夫静电加速器(右图)。

以上两种粒子加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。

奈辛(G.Ising)于1924年，德维罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。

为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家维克斯列尔(V.I.Veksler)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建议建造基于此原理的加速器--稳相加速器。

自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生:同步回旋加速器(高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步)、现代的质子直线加速器、同步加速器(使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变)等。

自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。

1952年美国科学家柯隆(E.D.Courant)、李温斯顿(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。

美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。

以上主要介绍的是质子环形加速器，对电子加速器来说情况有所不同。1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst，右图)研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量，可以允许更大的辐射损失，极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。

加速器的能量发展到如此水平，从实验的角度暴露出了新的问题。使用加速器作高能物理实验，一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制。如果采取两束加速粒子对撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。

1960年意大利科学家 (B.Touschek)首次提出了这项原理，并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。

现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10~1000TeV，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。

自世界上建造第一台加速器以来，七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级，同时每单位能量的造价降低了约4个数量级，如此惊人的发展速度在所有的科学领域都是少见的。

随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。中国加速器的诞生

我国第一座高能加速器--北京正负电子对撞机，于1988年10月16日首次对撞成功。这项高科技工程是1984年10月7日破土动工的，它包括以下四个主要组成部分:1、电子注入器，2、贮存环，3、探测器及数据处理中心， 4、同步辐射区。 1988年10月16日凌晨5点56分，中国第一座高能加速器--北京正负电子对撞机首次对撞成功。这是中国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就。

北京正负电子对撞机是党中央、国务院决策建设的高科技工程。它包括电子注入器、贮存环、探测器及数据处理中心、同步辐射区等4个主要组成部分，是由数 百种、上万台件高精尖专用设备组成的复杂的系统工程。它的建成和对撞成功，为我国粒子物理和同步辐射应用研究开辟了广阔的前景，揭开了我国高能物理研究的 新篇章。

这项被认为是中国科学技术史上最大的科研工程，是邓小平同志在1984年10月7日奠基破土动工的。1984至1988年来，在党中央、国务院委托的北京正负电子对撞 机工程领导小组卓有成效的组织指挥下，中国科学院高能物理研究所同中央10多个部委及所属的几百个工厂、研究所、高等院校近万名科技人员、工人、干部、解 放军官兵，发扬自信、自立、自强的精神，充分吸取了世界先进技术，自力更生，艰苦奋斗，顽强拚搏，克服了重重困难，出色地完成了自行设计、研制、生产、安 装、调试任务，创造了建设速度快、投资省、质量好、水平高的奇迹。来京参加中美高能合作会议的李政道教授说，北京正负电子对撞机对撞成功，是国际高能物理 界的一件大事。仅用4年时间就完成了如此复杂的高技术工程，这样快的速度在国际上是不多的。它能一次对撞成功，这表明对撞机的各种设备、部件的质量、安装调试的水平在世界上也属一流。

据中国科学院有关人士说，北京正负电子对撞机今后将建设成为对外开放的国家实验室，根据它同时具有粒子物理和同步辐射应用研究的特点，它将成为跨部门、跨学科共同享用的实验研究基地。

衡量加速器性能主要看加速粒子所能达到的能量和粒子流的强度(流强)。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器(能量小于100MeV)、中能加速器(能量在100MeV~1GeV)、高能加速器(能量在1GeV~1TeV)和超高能加速器(能量在1TeV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。

当带电粒子(通常是电子)垂直注入均匀的恒磁场绕磁力线作圆周运动时,即使粒子的速率恒定,它也具有向心加速度，从而产生电磁辐射。由非相对论性(vc)低能电子发射的，叫回旋加速器辐射，由相对论性(v≈c)高能电子发射的，叫同步加速器辐射。它们首先是在回旋加速器和同步加速器中被观察到的，因而得名。有的文献中将两者统称回旋加速器辐射，苏联文献中常称为磁轫致辐射。

此两种辐射的偏振状态相似，都在垂直于磁场的方向上线偏振，在沿磁场的方向上圆偏振，在斜方向上一般是椭圆偏振(见光的偏振)。

两种辐射的频谱和角分布的特点有很大不同。回旋加速器辐射的谱是由拉莫尔角频率Ω0,及其谐频组成的分立谱(e和m0分别是电子的电荷和静止质量,B为磁感应强度，с为光速)。能量主要集中在基频,谐频成分极弱;辐射的方向性不强。相对论性电子的能量为γm0с2, 其中v是电子速度。 由于相对论效应,随着电子能量的增大，电子的质量m=m0γ增大，拉莫尔角频率的数值减小，并因电子速度上的差异而有所分散，从而使回旋加速器辐射的谱线间隔减小，线宽加大。在极端相对论性条件下，辐射谱变为连续的，这便是同步加速器辐射。与回旋加速器辐射相比，同步加速器辐射具有以下一些不同的特征:

① 存在一个临界角频率(R为粒子轨道半径),在其附近能谱有极大值。ωωc时,辐射功率谱正比于ω时;ωωc时，正比于

(ω/ωc)┩exp(-ω/ωc)。

随着γ 的增大，能谱的极大值向更高级的谐频转移。

② 对于给定的磁场，总辐射功率正比于γ2;对于给定轨道半径，它正比于γ4，即总辐射功率随粒子能量的增大而急剧增强。

③ 辐射的方向性极强，它像探照灯似地分布在以粒子运动方向为轴的极窄角锥内,锥的半角宽度θ~1/γ(见图)。 电子回旋运动产生电磁辐射的最早理论研究要追溯到20世纪初，G.A.肖脱于1912年计算了经典原子模型的辐射。40年代,Д.Д.伊万年科和И.Я.坡密朗丘克以及J.S.施温格曾考虑了这类辐射对设计圆形粒子加速器的重要性。尔后朱洪元(1948)和施温格(1949)发展了有关回旋加速器辐射的理论，这些理论公式已列入标准的教科书。理论计算表明，同步加速器中带电粒子能量U因辐射而产生的损耗率为q为电荷。此式表明,随U的增加极快。此外,对于质量小的电子,这种辐射消耗特别严重(∞m0-4)。这种辐射是高能圆形轨道加速器中最主要的能量损失机制。为了减少它，通常要采用很大的半径R。

同步加速器辐射为人们提供了一种高度准直并可连续调谐的强光光源。特别是在真空紫外和X射线波段,尚无可用的激光器与之匹敌。50年代同步加速器辐射已被广泛研究,60年代前期，美国国家标准局(NBS)的K.科德林、R.P.马登和他们的合作者开始把180MeV的同步加速器当作辐射源用于原子光谱的研究。近年来美国、苏联、日本和西欧许多国家都开展了这方面的工作，用同步加速器或储存环发出的同步加速器辐射来进行光化学、生物学、固体及其表面、材料学、光子散射、非线性光学、X射线全息、X射线显微学、X 射线光刻等多方面的探索和研究。这方面的研究以前多借助于粒子物理学的装置，近年来一批专用的设备正在设计或制造中。

同步加速器辐射是天体物理学中一种重要辐射机制。目前普遍认为，很多具有幂律谱和偏振的非热宇宙射电辐射来源于高能粒子的同步加速器辐射。这类射电源中最著名的例子是为中国《宋史》记载的蟹状星云中心1054年爆发的超新星遗迹。

参考书目

G A.Schott,Electromagnetic Radiation,CambridgeUniv.Press, Cambridge,1912.

D.I.Vanenko and J. Pomeranchuk,Phys. Rev.,Vol.65,p.343,1944.

J. Schwinger,Phys. Rev., Vol 70, p.798,1946.

H. Y. Tzu,Proc. Roy. Soc., A192, P.231,1948.

J. Schwinger,Phys, Rev., Vol. 75, P.1912,1949.

J. D.杰克逊著，朱培豫译:《经典电动力学》,下册，人民教育出版社,北京,1980。(J.D.Jackson,Classicalelectrodynamics, John Wiley & Sons, New York,1976.)

K.codlingand R.P.Madden,J.Appl.Phys.,Vol.36,p.380, 1965.