加速器(accelerator)

加速器(accelerator)
國立台灣大學化學系學士生張育唐/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

加速器(Acceletor)或稱粒子加速器(Particle Accelerator)，是指利用電磁場的改變加速粒子，使粒子變為高能粒子的裝置；此高能粒子被限制在一個特定軌道裡運動。生活中常見的加速器，如陰極射線管、X光管等，均可以視為粒子加速器的一種。粒子加速器常用來進行粒子對撞實驗，進行核子物理(Nuclear Physics)方面等的研究。

粒子加速器一般而言，依照其加速原理的不同，可以分為電磁加速器(electrostatic field)和震蕩加速器(oscillating field)兩種；若以加速器軌道區分，則分為迴旋加速器(cyclotron)和直線加速器(linear accelerator)。

圖一、迴旋加速器 http://www.physicscentral.com/ex ... s/cyclotron-img.jpg

圖二、位於澳洲同步輻射中心之直線加速器 http://upload.wikimedia.org/wiki ... c%2C-14.06.2007.jpg

環狀加速器透過磁場的控制，使得粒子在加速器當中重複進行圓周運動，並透過電場來使其持續加速，直到粒子達到一定的速率，便可以由預留的位置射出，並擊中標靶。較早期的環狀加速器，則稱為粒子迴旋加速器，由兩個D型盒組成對向排列組成；粒子自加速器的中心出現，受到磁場的影響而行圓周運動；並且在通過兩D型盒之間時利用電場將其加速，因此粒子的位置逐漸向外圍移動，形成一螺旋狀的軌跡。最後當粒子來到最外圍時，即可由預留的空間射出，直線轟擊標靶原子核。

圖三、迴旋加速器原理的示意圖 http://images.yourdictionary.com/images/169.20.cyclotron.jpg

直線加速器則是粒子通過一連串正負電交錯的管壁，在粒子通過時改變其電性，藉由一連串的斥力與引力令粒子加速，類似於磁浮列車所使用的原理。

圖四、直線加速器原理的示意圖 http://www.antonine-education.co ... _files/image001.gif

由於高速粒子對撞可能產生新粒子的特性，因此環狀加速器廣泛應用於核物理當中，藉由更高能粒子的碰撞來產生正常狀態下較不易發現的新粒子，並研究在高能狀態下的量子物理現象與性質；像是膠子(gluons)、反質子(antiproton)等等，都是透過粒子加速器發現的。歐洲核子研究組織(CERN, European Organization for Nuclear Research)在2008年試運轉的大型強子對撞器(LHC, Large Hadron Collider)，便是由一連串環狀加速器組成，其中最大的一個加速器，其圓周為27公里左右。

除此之外，粒子加速器也被用於人工核反應的進行，透過以中子、或是其他元素的原子核，轟擊標靶元素的原子核，即可能得到新的元素。在週期表下方，原子序較高的的人造元素，幾乎都是透過這些方法所合成出來的。

參考資料：
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5^th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; pp. 988-989, 1003.
2. Wikipedia–Particle accelerator  http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator
3. Wikipedia—Large Hadron Collider  http://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider