“粒子加速器的工作原理是怎样的？带电粒子的速度极限是多少？”，顾名思义，粒子加速器就是加速粒子的机器。粒子加速器看似非常复杂，其实它主要依靠两种“场能”来工作，包括电场与磁场，其中电场主要为带电粒子提供加速能量，而磁场主要是对带电粒子束进行导引、约束与聚焦。粒子加速器中的带电粒子主要包含电子、正电子、质子、反质子和重离子等，这些粒子都具有静止质量，由相对论可知，这些带电粒子的运动速度是无法达到光速的，只能说随着输入能量的提升，这些带电粒子的速度是可以逐渐逼近光速的。

从粒子加速器到对撞机粒子加速器最早是科学家为了探索原子内部结构而发展起来的，其实粒子加速器离我们的生活非常近，在医疗卫生、工农业生产、国防军事、基础科学研究等领域都有重要应用，比如早期电视机中的阴极射线管以及现代机场车站的安检仪等都用到了粒子加速器相关原理。

粒子加速器中的带电粒子之所以可以加速，是依靠电荷的“同性相斥、异性相吸”原理，早期的粒子加速器仅能使带电粒子在高压电场中加速一次，可以看做是简易的直线型加速器，如果要活动较高的加速效果，就需要提供电场能量或者进行多级加速，但由于当时电场调频技术的不足，如果进行多级加速器串联则会极大的增加成本，而且整个加速器的体积也会非常庞大。

1930年美国科学家欧内斯特·劳伦斯提出了回旋加速器概念，其基本原理就是利用带电粒子垂直进入匀强磁场中后的圆周运动使带电粒子多次经过电场进行加速。1932年劳伦斯设计建造了第一台高能回旋加速器，该加速器由两个半圆形的金属扁盒（D形盒）构成，两个D形盒的空隙处是交变的加速电场，交变电场的变化频率与带电粒子在磁场中做圆周运动的频率相同，在两个D形盒之内是垂直的匀强磁场，用以偏转带电粒子的运动轨迹。当带电粒子束从中心发射后，经过电场加速会进入到D形盒内，由于磁场的偏转作用，带电粒子走过一个弧形轨迹后又会进入电场进行加速，这样算下来，带电粒子每转一圈就会被加速两次，经过多圈加速后带电粒子束就可以从D形盒边缘引出。

回旋加速器虽然非常巧妙，但是随着带电粒子速度的增加，其相对论质量也会明显增大，这就造成带电粒子在回旋加速器中的运动半径不断变大，而且运动周期无法和交变电场相同步。为了解决这个问题，回旋加速器又逐渐演变为扇形聚焦回旋加速器和同步回旋加速器，其中扇形聚焦回旋加速器主要依靠逐渐增加磁场强度来抵消相对论变量；同步回旋加速器主要依靠改变电场频率来匹配相对论效应的影响。这两种回旋加速器也各有优缺点，扇形聚焦回旋加速器由于大量磁铁的使用，其成本较高，而同步回旋加速器由于采用调频技术，其只能形成脉冲带电粒子束。

现代物理学不断向宏观与微观两个方面深入，在微观方面，为了探索物质结构、验证物理理论往往会用到大型对撞机，其工作原理就是用粒子加速器加速粒子然后去碰撞另一个粒子，从而探究粒子内部的秘密。粒子对撞机之所以叫“对撞机”而不叫“碰撞机”，就在于高能粒子的“碰撞模式”，当我们用加速后的高能粒子去碰撞静止的粒子时，静止粒子会获取动能，从而使实验本身能效降低，但如果我用两个高速粒子对撞就能避免这个问题。根据这个思路，科学家在高能同步加速器上发展出了对撞机，首先由于对撞需要，整个对撞机呈环形结构，因为被加速粒子的电性与质量原因，对撞机通常分为单环与双环。在粒子对撞之前，由同步回旋加速器或者直线加速器对带电粒子进行初级加速，然后带电粒子会进入对撞机进行进一步的加速，当到达设定能量后，带电粒子会被引导至对撞区域进行对撞实验，大量的探测仪器可以分析对撞过程。

加速器中带电粒子的速度上限在加速器中，带电粒子经过电场的不断加速会获得极高的速度，但是这个速度并不会无止境的升高，由于加速器的工作原理，它只能加速带有电荷的粒子，这些带电粒子中不论是电子还是质子或者它们的反粒子都具有静质量，狭义相对论告诉我们，任何具有静质量的物质随着速度的升高，其相对论质量也会逐渐增加，这被称为质增效应，当粒子的质量增加后，要想获得同样的加速效果，就需要为加速器输入更高的能量，但是更高的能量带来的更高速度又会增加粒子的相对论质量，这种循环矛盾最终导致加速器中的粒子速度永远止步于光速前，因为我们没有无穷多的能量来为粒子进行加速。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)可以把带电粒子加速到光速的99.9999991%，高能粒子束一秒钟可以在周长为26.659公里的隧道内绕行11245圈，此时粒子的相对论质量已经非常明显，就算把速度再升高一丁点，也需要输入极大的能量。

结语在粒子加速器中，带电粒子通过电荷“同性相斥，异性相吸”原理，依靠电场进行加速；为了改变带电粒子的运动轨迹，我们还需要施加相应的磁场，从而使粒子束实现转向、约束与聚焦等。由于相对论效应，加速器中的带电粒子只能随着输入能量的升高而逐渐逼近光速。

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