粒子加速器全名為“荷電粒子加速器”，是一種可以使帶電粒子在高真空環(huán)境中受磁場力控制、電場力加速而達(dá)到高能量的特種電磁、高真空裝置，也是為人類提供各種能量的粒子束或輻射線，如電子、質(zhì)子、氘核、α粒子、各種重離子以及其他一些微觀粒子的現(xiàn)代化裝備。本文寫作的目的是對粒子加速器作為一個(gè)行業(yè)的來龍去脈進(jìn)行極其簡單的介紹.

大科學(xué)時(shí)代與粒子加速器

翻開現(xiàn)代科學(xué)史，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，以二戰(zhàn)為分界點(diǎn)，人類科學(xué)發(fā)展的模式有了巨大的變化。戰(zhàn)爭期間，發(fā)達(dá)國家網(wǎng)羅大量科技工作者，組成之前歷史上從未有過的大規(guī)模團(tuán)隊(duì)，在同一戰(zhàn)略目標(biāo)之下分工協(xié)同。這一工作模式推動(dòng)了一系列關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)突破，從中獲益極大的美國在戰(zhàn)爭結(jié)束后率先引入了“國家實(shí)驗(yàn)室”的概念，建設(shè)以諸多大型粒子加速器為代表的大科學(xué)裝置群、部署系列大型研究計(jì)劃。冷戰(zhàn)期間主要發(fā)達(dá)國家共建設(shè)了幾十個(gè)國家級研究中心，例如美國的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ANL）、勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL），俄羅斯的布德克核物理研究所（BINP），以及日本的高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）等。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，這種趨勢更進(jìn)一步發(fā)展為全球性科技合作，典型的例如歐洲核子研究組織（CERN）周長27公里的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）、多國科學(xué)家共同完成的人類基因組計(jì)劃、16國共同建造的國際空間站，以及全世界主要核國家和主要發(fā)達(dá)國家共同參與、目前正值發(fā)展關(guān)鍵時(shí)期的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）等?？梢哉f，二十世紀(jì)八九十年代以來，科技的發(fā)展已經(jīng)正式進(jìn)入了“大科學(xué)”（MegaScience）時(shí)代，為推動(dòng)人類對世界的認(rèn)知變革、帶動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的突破，需要花費(fèi)巨額的投資、組織數(shù)以百千計(jì)的研究人員、經(jīng)過漫長的周期、完成海量的工作，因此非一個(gè)單位所能完成，甚至需要多國合作。

圖1 工程師們站在LHC的超導(dǎo)磁鐵旁邊。超導(dǎo)磁鐵由美國的Fermi實(shí)驗(yàn)室建造

圖2 第一張黑洞照片

其中，大科學(xué)工程或稱大科學(xué)裝置是建設(shè)性項(xiàng)目，與有指定目標(biāo)的研究性項(xiàng)目有所區(qū)別，它們主要側(cè)重大型核心科研設(shè)施的建設(shè)與運(yùn)行，通過向外界用戶提供具備獨(dú)特條件的研究平臺，在一個(gè)相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的整體發(fā)展。在我國，大科學(xué)裝置也常被稱為“國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”。

在諸多不同類型的大科學(xué)裝置中，粒子加速器具有相當(dāng)獨(dú)特的地位。一方面，歷史上，最初的大科學(xué)裝置大多是用于基礎(chǔ)物理研究的加速器，其發(fā)展也推動(dòng)了諸多新技術(shù)的產(chǎn)生，“互聯(lián)網(wǎng)和第三次科技革命誕生于加速器實(shí)驗(yàn)室”已經(jīng)是為科學(xué)家們津津樂道的入門小故事。另一方面，從機(jī)理上來說，與其他一些裝置不同，加速器大科學(xué)裝置往往不直接觀察、測量和記錄科學(xué)事件，而是先“制造事件”，再進(jìn)行觀測。典型的如各類對撞機(jī)，是先加速粒子進(jìn)行對撞，然后探測產(chǎn)生的事例；各種同步輻射光源則是先加速電子并產(chǎn)生光，再用光作為顯微工具。這種機(jī)理是粒子加速器在物理學(xué)、化學(xué)、材料和生物學(xué)等多個(gè)不同學(xué)科的前沿均發(fā)揮重大作用的前提。迄今為止有四分之一到三分之一的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)與加速器有關(guān)，特別是在物理學(xué)和化學(xué)獎(jiǎng)中可能達(dá)到一半。

除了大型裝置之外，中小型粒子加速器也有自己的用途，而且不僅局限于在大型實(shí)驗(yàn)室中扮演主角，例如：在科研領(lǐng)域，可開展質(zhì)譜分析、核物理研究，或模擬宇宙空間環(huán)境等；在工業(yè)領(lǐng)域，可提供輻照加工、離子注入、無損檢測等；在農(nóng)業(yè)、生物學(xué)和食品領(lǐng)域，可進(jìn)行輻照育種、輻照保鮮和滅菌、除蟲等；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還可用于生產(chǎn)醫(yī)用放射性同位素和輻照治療等。

粒子加速器概述

顯然，粒子加速器設(shè)計(jì)和建造的基本宗旨是為了定制具有指定品質(zhì)的帶電粒子束，以下稱為束流（beam，束流也可用來指代光子束），一個(gè)beam可能由若干個(gè)束團(tuán)（bunch）組成。一臺粒子加速器的基本構(gòu)成必然包括粒子源、加速電場、傳輸裝置和粒子利用端，例如，一臺老式CRT顯示器就是一臺加速器，從電子槍中打出電子，由石墨電極提供高壓加速，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)線圈打在熒光屏上發(fā)光。

不同領(lǐng)域的科學(xué)家或工程師將工作需求轉(zhuǎn)換為對束流性能的要求；加速器物理學(xué)家據(jù)此設(shè)計(jì)和建造加速器，在此過程中，自然地，還需要高品質(zhì)的粒子源，以及精確可靠的束流測量與控制技術(shù)。對已建成的加速器，可能發(fā)現(xiàn)束流未曾預(yù)料的新特性或新現(xiàn)象，可滿足預(yù)期目標(biāo)之外的用途，從而催生新的專用裝置類型；對難以實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)，又需要發(fā)展新的原理與技術(shù)；這些都推動(dòng)了加速器科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并再次帶動(dòng)了新一輪需求的產(chǎn)生。

科學(xué)家們在加速器上建立了現(xiàn)代核物理與粒子物理學(xué)科。在此過程中，原來僅僅是高能物理加速器寄生產(chǎn)物的同步輻射日益受到重視，利用它研究化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)等的專用光源應(yīng)運(yùn)而生，并迅速得到推廣，目前世界上的大型同步輻射光源可能超過60臺。在大型加速器裝置上獲得使用的新原理、新技術(shù)往往又會(huì)迅速應(yīng)用到小型裝置上并商品化。粒子加速器就是這樣從人類文明頂點(diǎn)的工業(yè)奇觀起步，逐漸影響到千家萬戶的。

圖3? 世界同步輻射光源的分布

帶電粒子是如何加速的呢？基本的物理很簡單，帶電粒子可受到電磁場的作用，不帶電的粒子則不受力。電場力將粒子勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，垂直于粒子運(yùn)動(dòng)方向的磁場產(chǎn)生洛倫茲力。因此，只有電場才能夠加速粒子，而磁場作用下粒子方向可以發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

很容易想到直接利用直流高壓電場來加速粒子，這就是最早出現(xiàn)的加速器類型：高壓加速器，包括靜電加速器和倍壓加速器等。這種加速器最關(guān)鍵的原理當(dāng)然是如何產(chǎn)生和維持高壓。電氣工程學(xué)的發(fā)展曾為早期高壓加速器的發(fā)展提供了保障，例如1929年荷裔美國科學(xué)家范德格拉夫（Vande Graaff）發(fā)明的范德格拉夫起電機(jī)，它可以提供幾兆伏的高壓。

即使是幾十兆伏的高壓加速器，仍然屬于低能量范疇，再往上提升電壓是很困難的；很自然地，人們會(huì)考慮，既然高壓難于獲得和維持，是否可以利用相對低的電壓來反復(fù)加速同一束流，從而獲得高能量呢？在這種指導(dǎo)思想下產(chǎn)生的加速器包括感應(yīng)加速器和共振加速器。

顧名思義，感應(yīng)加速器是利用變化的磁場激勵(lì)起感應(yīng)電場，利用感應(yīng)電場來加速粒子。典型的如1932-1940年間發(fā)明和完善的電子感應(yīng)加速器，如果用交變電場勵(lì)磁產(chǎn)生交變磁場，再由交變磁場激勵(lì)起交變的渦旋電場，在設(shè)計(jì)合適的情況下，1/4個(gè)周期內(nèi)電子可以沿平衡軌道旋轉(zhuǎn)并加速百萬圈，從而獲得幾十MeV的能量。直線感應(yīng)加速器的原理與之有相似之處，能量可能達(dá)到更高，而流強(qiáng)可以達(dá)到數(shù)千A。

電子感應(yīng)加速器同樣有能量限制，原因從圖4中可以看出，只有1/4個(gè)周期可以用來加速電子，否則磁通變化反向，電子將被減速。那么，我們會(huì)想到，仍然采用周期性變化的電場，但是讓粒子只有在指定空間內(nèi)才能看到電場周期的指定部分（譬如說，波峰）；指定空間外，粒子走、電場也變，但是互相看不見，不就可以了嗎？當(dāng)粒子走出指定空間時(shí)，電場被屏蔽，粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)電場持續(xù)變化、下一次再經(jīng)過指定空間時(shí)看到的電場又已經(jīng)變化到上一次同樣的相對位置（稱之為“加速相位”），電場變化與粒子運(yùn)動(dòng)“共振”，這就是所謂的“共振加速器”。

圖4?電子感應(yīng)加速器原理示意圖

最早出現(xiàn)并成熟的共振型加速器是歐內(nèi)斯特·勞倫斯（E. O.Lawrence）于1931年發(fā)明的回旋加速器。恒定磁場中放置兩個(gè)D形盒電極，粒子回旋一圈經(jīng)過兩次D電極的間隙，加速兩次，電隙之外由磁場偏轉(zhuǎn)并回旋。經(jīng)典回旋加速器的成立條件，由高中物理的知識可以知道，要求磁感應(yīng)強(qiáng)度和粒子質(zhì)量之比為常數(shù)，旋轉(zhuǎn)頻率可以是一個(gè)常數(shù)并與電場變化頻率諧振，而與離子的速度或軌道半徑無關(guān)。

圖5? 經(jīng)典回旋加速器原理示意圖

這個(gè)條件顯然不適用于相對論條件下的高速粒子?？紤]到相對論效應(yīng)，經(jīng)典回旋加速器的改進(jìn)方向有二：在等時(shí)性回旋加速器中，高頻電場不變，磁場的平均強(qiáng)度沿半徑方向與離子的能量同步增長，使離子的旋轉(zhuǎn)周期在加速過程中始終保持恒定，不隨能量而變，從而保證回旋的等時(shí)性；在同步回旋加速器中，則是高頻加速電壓與粒子回旋頻率的變化同步，從而保證始終與粒子共振。這兩種方法分別要求對磁鐵的精密加工和對高頻的精確控制，因此直到20世紀(jì)四五十年代后計(jì)算機(jī)、精密加工和微波高頻技術(shù)成熟之后才得到迅速的發(fā)展，并使得離子加速器進(jìn)入中能階段。其中，同步回旋加速器也叫做穩(wěn)相加速器，其得名是因?yàn)?0年代發(fā)現(xiàn)的“自動(dòng)穩(wěn)相原理”，該原理保證了絕大部分共振型加速器中相位、能量與理想粒子稍有偏差的粒子也能一同被穩(wěn)定加速，從而獲得較大的電流。回旋加速器和穩(wěn)相加速器的磁場一般來說都是固定不變的。

回旋加速器和穩(wěn)相加速器的加速過程中，粒子軌道半徑由小到大變化，磁鐵需要覆蓋很大的面積，大型磁鐵需要使用巨量的銅材、鋼材并消耗很高的功率，這限制了加速器能量的進(jìn)一步提升，一般的等時(shí)性回旋加速器能量僅延伸到中能區(qū)范圍。為了克服這個(gè)問題，讓我們重新回顧之前電子感應(yīng)加速器的平衡軌道，假定我們?nèi)匀徊捎妙愃苹匦舱竦霓k法，但將束流的軌道固定，只需要初始束流具備一定的能量，就可以不斷升高磁場來約束不斷加速的束流，這樣就可以只在環(huán)形軌道上布置磁鐵，省去大量的代價(jià)；整塊環(huán)形磁鐵的加工安裝仍然存在困難，進(jìn)一步的將整塊環(huán)形磁鐵分離為多塊磁鐵，中間用直線真空管道連接，這樣就形成了一種新的加速器類型：同步加速器。同步加速器一般都需要前級加速器作為注入器，其本身也可以不為粒子升能而只是存儲(chǔ)粒子以供實(shí)驗(yàn)，此時(shí)稱為儲(chǔ)存環(huán)。相對論性粒子束在磁場中受力彎轉(zhuǎn)的時(shí)候發(fā)出強(qiáng)大的輻射，覆蓋長頻段、具備高亮度和高準(zhǔn)直性等優(yōu)點(diǎn)，這種輻射最早就是在同步加速器中發(fā)現(xiàn)的，因此被稱為同步輻射。

上面所有的討論集中于粒子如何獲得能量。事實(shí)上，束流中的粒子不可能同時(shí)存在于同一個(gè)點(diǎn)上，必然有一定的能量、位置與角度分布，實(shí)際上是大量粒子沿著平衡軌道一邊振蕩一邊前進(jìn)，因此加速器物理的另一個(gè)重要問題是聚焦。早期的加速器利用同一磁鐵實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的同時(shí)聚焦，一般讓磁場隨半徑增大而下降來保證束流在垂直軌道平面的方向（軸向）聚焦，同時(shí)又限制磁場下降的速度以保證束流在指向軌道旋轉(zhuǎn)中心的方向（徑向）聚焦，這兩個(gè)方向因?yàn)槎即怪庇诹Ｗ舆\(yùn)動(dòng)方向，所以統(tǒng)稱為橫向，相應(yīng)的，粒子運(yùn)動(dòng)方向稱為縱向。顯然，這樣的做法不可能在兩個(gè)方向都同時(shí)提供很強(qiáng)的聚焦力，限制了束流品質(zhì)的提高；隨著能量提高，即使是同步加速器仍然會(huì)遇到真空室尺寸過大、造價(jià)高、耗電多的瓶頸。如果我們回顧高中物理的知識，可以發(fā)現(xiàn)，一定條件下，一塊凸透鏡和一塊凹透鏡組成的組合透鏡系統(tǒng)是聚焦的，這個(gè)現(xiàn)象背后的本質(zhì)是數(shù)學(xué)計(jì)算的客觀規(guī)律。1952年，歐內(nèi)斯特·科朗特（E.D.Courant）利用類似的原理，在粒子軌道上交替排布軸向聚焦但徑向散焦和徑向聚焦但軸向散焦的磁鐵，最終實(shí)現(xiàn)軸向和徑向都聚焦。這種排布可以提供極強(qiáng)的聚焦力，為現(xiàn)代最重要的加速器類型——交變梯度強(qiáng)聚焦共振加速器的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。這種加速器既可以是射頻直線加速器，也可以是環(huán)形的同步加速器；它們利用二極鐵彎轉(zhuǎn)束流，利用交替排布的四極鐵聚焦束流。

共振加速、自動(dòng)穩(wěn)相和交變梯度強(qiáng)聚焦的陸續(xù)出現(xiàn)，最終攻克了通往巨型粒子加速器文明奇觀的三道難關(guān)。從上世紀(jì)60~70年代以來，大部分加速器大科學(xué)裝置都是同步加速器或直線加速器，束流能量從幾百M(fèi)eV跨越到幾TeV。其建造過程推動(dòng)了一系列科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，其運(yùn)行開放也帶來了多個(gè)不同學(xué)科的無數(shù)重大發(fā)現(xiàn)。目前常見的加速器類型見表1。在當(dāng)前，低能量的加速器多為民用和醫(yī)用；中等能量的加速器一般用于小型實(shí)驗(yàn)室和面向工業(yè)的檢測用途；中高能加速器往往既可作為核與粒子物理實(shí)驗(yàn)研究平臺，也可作為同步輻射光源提供多學(xué)科（主要是化學(xué)、材料和生命科學(xué)）的顯微平臺；更高能量的加速器則主要用于核物理和粒子物理研究。總的來說，粒子加速器可以定制束流，而定制的束流與物質(zhì)相互作用的效應(yīng)能夠?yàn)槿藗兝?。按照通用的劃分方式，核技術(shù)是基于原子核科學(xué)、粒子加速與射線產(chǎn)生的原理和方法，利用射線與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的物理、化學(xué)或生物效應(yīng)為人類服務(wù)的交叉學(xué)科領(lǐng)域，劃分為兩類：一類是核武器和核能源，一類是除此之外的所有“非動(dòng)力核技術(shù)”。粒子加速器物理與技術(shù)正是非動(dòng)力核技術(shù)的核心驅(qū)動(dòng)力量。

圖6?分離作用同步加速器和四極磁鐵

表1 常見加速器的分類

大科學(xué)裝置的前沿

從之前的總結(jié)中，我們可以簡單地推出結(jié)論，粒子加速器的核心問題有二：第一，如何加速？第二，如何聚焦和提高束流品質(zhì)？延伸開來，還有兩個(gè)拓展性的關(guān)鍵問題：如何獲得初始的注入粒子束？如何測量粒子束，使我們知道它的品質(zhì)符合要求？實(shí)際上，我們可以說，束流物理與加速器技術(shù)的絕大部分工作，都是圍繞這四個(gè)問題所展開的。

近十年來，下一代加速器大科學(xué)裝置的概念正在形成。例如：在核物理領(lǐng)域，中國的中科院近代物理研究所和美國的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）等都在研究EIC，即電子-離子對撞機(jī)；在高能物理領(lǐng)域，分為高能量前沿和高精度前沿，其中，在高能量前沿，國際直線對撞機(jī)ILC漸漸淡出視野，取而代之的是歐洲的未來環(huán)形對撞機(jī)FCC-ee和中國的大型環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)CEPC這樣兩個(gè)雄心勃勃而又充滿爭議的方案；在支撐多個(gè)學(xué)科特別是材料科學(xué)的同步輻射光源領(lǐng)域，世界各地紛紛開始興建或研究的，是基于超導(dǎo)直線加速器的高重復(fù)頻率X射線自由電子激光（FEL）和基于超低發(fā)射度電子儲(chǔ)存環(huán)的衍射極限儲(chǔ)存環(huán)光源，已建成的例如瑞典隆德大學(xué)MAXIV光源，正在建設(shè)中的例如美國先進(jìn)光子源APS-U、中國中科院高能所承建的高能光源HEPS和中科院上海高等研究院承建的硬X射線自由電子激光裝置，正在預(yù)研中的例如中科大國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室合肥先進(jìn)光源HALF等。

圖7?高能光源HEPS效果圖

上述多個(gè)大科學(xué)裝置的科普性介紹，在互聯(lián)網(wǎng)上俯拾即是，在此不再贅述。單純就其共性來說，以環(huán)形加速器為例，無論是環(huán)形超級對撞機(jī)，還是衍射極限儲(chǔ)存環(huán)同步輻射光源，最核心的要點(diǎn)在于，約定能量的同時(shí)要提供比現(xiàn)存大部分加速器強(qiáng)得多的橫向聚焦。對于對撞機(jī)來說，強(qiáng)聚焦使得對撞點(diǎn)的束流包絡(luò)縮小，可以簡單理解為束團(tuán)尺寸減小，那么單位時(shí)間、單位面積上出現(xiàn)的粒子數(shù)量就顯著增加，對應(yīng)的，粒子對撞的事件發(fā)生率（稱為對撞機(jī)亮度）和累積事件數(shù)大幅上升，為研究基本粒子及其相互作用提供了強(qiáng)大而不可或缺的工具。對于同步輻射光源，強(qiáng)聚焦使得束流橫向發(fā)射度（可理解為由束團(tuán)內(nèi)所有粒子橫向的位置、散角所構(gòu)成的相空間內(nèi)所占的面積）減小，也可以簡單理解為發(fā)光的光源尺寸減小，同步輻射光的亮度與橫向發(fā)射度平方成反比，在亮度迅速提升的同時(shí)，對于束流發(fā)射度小于其波長/(4π)的同步輻射光，可以認(rèn)為其橫向全相干，高亮度相干光源對于多種前沿學(xué)科的研究有極其重要的作用。

強(qiáng)聚焦的好處如此巨大，對應(yīng)的代價(jià)自然也十分沉重。最典型、最首要的問題是動(dòng)力學(xué)性能如動(dòng)力學(xué)孔徑和動(dòng)量接受度等的惡化。以動(dòng)力學(xué)孔徑為例，我們知道粒子在加速器中是沿著軌道振蕩的，那么，其橫向振蕩存在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)，我們稱之為“動(dòng)力學(xué)孔徑”，躍出粒子動(dòng)力學(xué)孔徑的粒子就會(huì)丟失。在下一代大科學(xué)裝置中，為了提供強(qiáng)聚焦，四極鐵的強(qiáng)度大為提升，所產(chǎn)生的束流“色品”需要補(bǔ)償；簡單來說可以理解為，把四極鐵當(dāng)成光學(xué)中的透鏡，四極鐵越強(qiáng)，動(dòng)量不同的粒子經(jīng)過四極鐵后的偏差就越大，類似透鏡中的色散現(xiàn)象，絕對值大的負(fù)色品會(huì)導(dǎo)致束流丟失。為了補(bǔ)償色品，需要增大六極鐵等非線性元件的強(qiáng)度，而強(qiáng)大的非線性將導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)性能急劇惡化。首先是難以獲得很好的動(dòng)力學(xué)孔徑，一般來說，目前正在設(shè)計(jì)的大型儲(chǔ)存環(huán)光源的動(dòng)力學(xué)孔徑常常只有2-5毫米，與現(xiàn)有的同步輻射光源相比小了一個(gè)數(shù)量級；對于在研的下一代正負(fù)電子對撞機(jī)，動(dòng)力學(xué)孔徑甚至難以優(yōu)化到10σ以上（σ為束團(tuán)橫向尺寸）。其次，孔徑等動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的下滑會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有的多種成熟技術(shù)無法繼續(xù)采用，甚至束流壽命等相關(guān)的束流品質(zhì)指標(biāo)也會(huì)下降。

另一個(gè)關(guān)聯(lián)問題是集體效應(yīng)。上面我們討論的所有物理問題，多半是“單粒子動(dòng)力學(xué)”，單粒子動(dòng)力學(xué)的含義不是說“只有一個(gè)粒子”，而是認(rèn)為粒子與粒子之間沒有相互作用，“粒子的悲喜并不相通”；而顯然，粒子與粒子之間是存在相互作用的。最容易理解的例如，我們知道束流中的粒子都是帶相同電荷的，那么，將束團(tuán)壓得越“小”，庫倫斥力就越強(qiáng)，束流品質(zhì)越容易被破壞。除此之外，在對撞機(jī)中，還存在對撞點(diǎn)處碰撞束流間的束-束效應(yīng)、軔致輻射等等?？偠灾?，各種集體效應(yīng)可能誘發(fā)束流的各種不穩(wěn)定，后果不太嚴(yán)重的可能使得束流壽命縮短、品質(zhì)下降，后果嚴(yán)重的可能直接導(dǎo)致束流丟失，稱為“相干不穩(wěn)定性”。對未來加速器大科學(xué)裝置的束流物理研究，主要的工作就是優(yōu)化與平衡上述問題。

當(dāng)前，一批新的大科學(xué)裝置正在建設(shè)或預(yù)研中，還有全國多個(gè)城市和單位正提議興建大科學(xué)裝置，這將為加速器學(xué)科的發(fā)展提供豐沃的土壤。

目前，世界上運(yùn)轉(zhuǎn)的粒子加速器已經(jīng)達(dá)到了數(shù)萬臺，它們在各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。未來，隨著新型加速器技術(shù)的研發(fā)和推廣，粒子加速器將會(huì)更加廣泛、深入應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域，進(jìn)一步助推我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，為人類生活生產(chǎn)帶來更多便利。