加速器在人類科技文明所扮演的角色之吃重，其實遠超乎想像。早在17世紀，歐洲已有江湖賣藝者利用手搖摩擦起電器和儲電瓶，產生很嚇人的電光石火，算是人造加速器的濫觴。19世紀初，法拉第（Michael Faraday）等人將放電的實驗在抽真空的玻璃管中有系統的進行，發現了許多奇特的氣體放光現象（後來演變成霓虹燈與日光燈）；1875年，英國的克魯克斯（William Crookes）得到更好的真空，陰極射線管不由氣體發光，卻在陽極玻璃管壁直接放光（日後電視映像管的基礎）；1894年，侖琴（Wilhelm Conrad Rontgen）在研究陰極射線管的過程中，意外發現X光（現代應用於醫學診斷、機場安檢和工程非破壞性檢驗，侖琴於1901年獲得首屆諾貝爾物理獎，而迄今直接由X光研究獲得諾貝爾獎的科學家近20位）。
直到1897年，英國的湯姆森（Joseph John Thomson）確立了陰極射線的身份就是電子，等於是發現了第一個基本粒子（因而獲得1906年諾貝爾物理獎），科學家才逐漸理出完整的故事：兩電極之間的高電壓，可在陰極表面產生強大電場將電子拉出，加速並撞擊氣體分子或玻璃管壁產生螢光；如果受撞擊的是重金屬靶，則可因電子與原子核之間的制動（煞車）輻射而產生X光。就這樣，加速器開啟了近代科學大門，對現代生活文明的造就，也提供了舉足輕重的貢獻。
現代加速器的開始
要談現代的粒子加速器，必須從英國人拉塞福（Ernest Rutherford）談起。拉塞福於1908年因研究原子衰變而獲諾貝爾化學獎，隨即於1911年，利用他本人發現的放射線α粒子撞擊金屬箔，確立了原子核的存在。1919年，拉塞福以α粒子撞擊氮核，撞出了氫核（即質子）和氧的同位素，這是人類第一次以天然的加速器產生人造放射性元素，他也因而讓人類認識第二個基本粒子──質子。拉塞福體認到：要進一步了解原子以下的世界，必須製造出強大的加速器來加速粒子，使粒子能量比天然放射線更高，以有效的撞擊原子核。
受到拉塞福鼓舞，科學界開始發展出各種的形式，並以近代觀點來看真正的加速器。因為較重的粒子可以產生較大的撞擊，這時的加速器，都以加速遠比電子重的帶電粒子為主，如質子（電子的1837倍重）、α粒子或離子。加速電子的機器構造則大同中有小異，仍持續並行發展。
英國人柯克勞夫特（John Cockcroft）和愛爾蘭人華爾頓（E.T.S Walton）於1932年，利用他們研製的加速器加速質子，完成人工加速粒子的首次原子核實驗（於1951年獲得諾貝爾獎）。同一時期的另一個傑作是美國科學家范德格拉夫（Van de Graaffs）發明的「范氏加速器」，利用橡皮輸送帶將靜電荷累加以產生高電壓（其現代版能超過1000萬伏特）。這類加速器屬於單次直流加速，設計重點在產生更高的電壓來加速粒子，其限制在於很難克服零件材料在高電場下的自然崩潰放電。
另外一群科學家的設計方向，則是避開高電壓崩潰的限制，以多次加速來達到更高的粒子能量。1928年挪威人威德瑞（R.Wideroe）以100萬赫茲，2萬5000伏特的震盪器，在三節金屬腔電極間隙建立兩段變動電場，配合準確的節奏將鉀離子加速到5萬電子伏特，實際驗證了多重加速的想法。1929年，在加州大學柏克萊分校任教的勞倫斯（Ernest O. Lawrence），讀了威德瑞直線多重加速的文章而受到啟發，構想出用強力磁場將帶電粒子轉彎，以圓形軌道來多重加速的加速器──迴旋加速器。這就是在〈電漿與雷射，造就新一代加速器〉文中提到的直線加速器和圓形加速器。
在那之後，柏克萊成為人造元素的重鎮，勞倫斯也因而於1939年獲諾貝爾物理獎。第二次世界大戰前後，勞倫斯團隊的成員擴散到全美各地實驗室，美國也建立了堅實的加速器工業，加速器技術促成原子彈的實現，而戰場通訊、雷達及導航的微波技術也回饋到加速器界，促成核心系統──射頻共振腔的成熟發展。
跨越相對論的障礙
一般以為，僅需增加迴旋加速器的磁場和磁鐵直徑，便可繼續增大粒子的能量，然而，正當勞倫斯還想繼續增大迴旋加速器的直徑時，任教於康乃爾大學的貝特（Hans Bethe）首先指出：帶電粒子在接近光速飛行時，會因「相對論效應」而增加質量，無法再用固定頻率的交流電場來加速了；另外，一具加速器磁鐵所用掉的鋼鐵已開始超過一座艾菲爾鐵塔，真空空間也大到難以為繼。
在眾多的改革方案中，同步加速器的概念在1945年問世，以其同步改變的磁場、與粒子環繞同步改變加速頻率得名，粒子可在固定半徑的環型軌道上繞行。同步加速器開啟了高能物理上一連串的豐收，例如1956年，位於美國長島的布魯克海文國家實驗室裡，楊振寧和李政道研究世界第一座質子同步加速器的實驗數據，推論出「宇稱不守恆」而旋即獲得諾貝爾物理獎；丁肇中則於1974年，在該實驗室的新同步加速器AGS發現J粒子，稍後也獲諾貝爾物理獎。另一方面，加速器理論和控制技術的進步，又繼而使在同步加速器中進行粒子對撞得以實現，同步加速器的盛世咸信將可持續到2010年。
意外的副產物─同步輻射
近代電磁學告訴我們，電子受加速會放出電磁波，無線電的天線會朝四面八方放出電磁波；而幾近光速飛行的電子受磁場作用力偏轉時，這種電磁波則會沿切線方向聚集成扁細錐狀（如左下圖示）。當初歐美若干實驗室先利用加速電子，來驗證同步加速器的想法，其中在1947年，美國通用電器公司在7000萬電子伏特的電子同步加速器上實驗成功，但因採透明玻璃真空腔而意外用肉眼觀察到奇異亮光，這種光就是源自於電子偏轉所發出的電磁波，於是命名為「同步輻射」。發出這種電磁波會導致粒子能量耗損，在加速高能輕粒子和轉彎半徑小時尤其嚴重。
歐洲核子研究組織（CERN）於1989年，啟用大型正子電子對撞機（LEP），加速正負電子束達100GeV（1GeV＝109eV），周長得大到27公里，它所產生的同步輻射耗損和所需的建築規模，已經是人類經濟考量下的極限了。LEP應該是最後一個大型的圓形電子加速器，要再繼續加速電子，勢必要訴諸直線加速器了。由於技術上的挑戰與資金的龐大，國際間的高能物理界已成立由科技大國共同開發的計畫，目前以國際直線加速器計畫（ILC）稱呼。至於質子等重粒子，在目前人類工藝所能達到的粒子能量下，同步輻射損耗尚不嚴重，CERN的大型強子對撞機（LHC）預計於2007年完工，偏轉電磁鐵換成超導磁鐵，質子的碰撞能量將可達14 TeV（1 TeV＝1012eV）。
多年來，許多科學家嘗試研發新的加速概念，以求更經濟有效的加速電子，〈電漿與雷射，造就新一代加速器〉中所提的電漿加速概念，已經過初步實驗證明可行，它取代了現有加速器的核心系統──射頻共振腔，能以較短的加速行程獲得較大的加速效果，的確令人振奮，但想要達到真正穩定實用的階段，仍有許多困難等待克服。科學家不斷在高能物理理論及加速器實驗上精進，終極目的之一，是將物理條件逼近宇宙大霹靂的時間起點，重現盤古開天。目前人類觀測到的宇宙射線能量紀錄大於10的20次方 eV，遠遠超過任何甚至尚在夢想階段的加速器，很難預測人類加速器的發展，最後要達到多少能量才停止。
加速器應用無遠弗屆
值得一提的是，同步輻射的意外發現後不久，許多科學家旋即體認到，這種輻射乃是前所未有的優異實驗光源，應用研究領域迅速由材料結構擴展到化學、地質、物理、生物及醫學等領域，於是專門用來產生高亮度同步輻射的加速器設施，也在加速器社群裡自立門戶，和高能物理一樣蓬勃發展。目前世界上已有70餘座同步輻射設施，但多半集中在科技先進的國家，如美、日、德、法等國。而台灣、韓國、巴西等開發中國家，也於10多年前先後完成同步輻射加速器的興建，藉以提升國家科學研究水準。
加速器的應用當然不只局限於高能物理和同步輻射，除了本文最前面提到的日常生活應用外，近年來，加速器的觸角仍然不斷的延伸，例如台灣半導體產業使用大量的加速器來製造光罩、進行晶片離子佈植，醫院用直線加速器和質子加速器治療癌症，或用迴旋加速器產生的人工同位素做藥物追蹤、病因診斷，工業界用電子直線加速器來消毒食物、強化塑膠或人造纖維的結構。加速器的各種發展值得進一步觀察。
台灣同步輻射加速器「台灣光源」為15億電子伏特、圓周長120公尺的小型設施，為因應國內快速成長的使用群之需求及國際競爭之挑戰，國家同步輻射研究中心目前正規劃在未來10年興建一座31億電子伏特、極高亮度的中型「台灣光子源」，提供奈米、生物及醫學等「拔尖」研究的利器。
電漿與雷射，造就新一代加速器
讓粒子在電漿波上「衝浪」，是目前加速粒子的最新技術，並提供許多的應用。
撰文 約希（Chandrashekhar Joshi）
翻譯 陳勁豪（台大物理所畢業，目前在美國紐約州立石溪大學攻讀博士學位）
物理學家利用粒子加速器來回答一些關於自然及宇宙的基本問題。這些巨大的機器將帶電粒子加速到接近光速，然後讓它們相互對撞，以重建宇宙在激烈的大霹靂中誕生時的情形。物理學家希望能藉由分析對撞產生的碎片，了解宇宙中看似不同的作用力和粒子，如何能由一個統一理論來連結並描述。不幸的，當物理學家越來越靠近這個創生之謎的解答時，就需要更強而有力，同時也更貴的加速器。
世上最具威力的粒子加速器，目前正由位於法國及瑞士國界上的歐洲核子研究組織（CERN）建造著。那是座直徑8.6公里的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）。當LHC在2007年完成之後，兩束七兆伏特的質子束將告訴我們粒子是如何獲得質量（請參閱2005年8月號〈為什麼有質量？〉）。有些其他的加速器目前也正在運作，嘗試解釋為什麼宇宙的物質比反物質多，並且讓我們有機會一睹物質最原始的形態，也就是所謂的「夸克膠子電漿態」（quark-gluon plasma）。這些所有的對撞機，都是利用已有幾十年歷史的微波加速粒子技術。
在過去75年，這些機器在基本粒子及核物質的性質方面，已經產生許多重要的成果。粒子加速器科學和工程技術的持續進步，使科學家得以將加速器的能量大約每10年提高10倍。這種情形會持續下去嗎？這種以微波為基礎的技術可能已經接近技術及經濟上的極限了。在1993年，美國國會取消了80億美元的超導超級對撞機計畫（Superconducting Super Collider project）。這個計畫是製造一個直徑28公里的加速器，能產生LHC兩倍以上的能量。許多粒子物理學家希望在LHC之後，能夠建一座30公里長的直線加速器，不過沒有人可預測這個價值數十億美元的計畫，會不會比超導超級對撞機有更好的命運。
或許新方法來得正是時候。加速粒子的新方法，是利用物質的第四種形態（在固、液、氣三態之外）──電漿。這種新方法對於製造可達最高能量的加速器（1000億電子伏特以上），有相當大的潛力。這種以電漿為基礎的方式，可以有效縮小加速器的尺寸，並降低建造費用。
為了物理研究而在高能前線運轉的巨大加速器只是故事的一部份。除此之外，人們利用較小型的加速器來研究材料科學、結構生物學、核子醫學、核融合、食品殺菌、核廢料的變質還有某些癌症。這些較小的機器可以產生相對較低能量的電子或質子束，大約是1億到10億伏特之間，不過這些機器依舊佔據著實驗室相當大的空間。極小型，或者是「桌上型」的電漿加速器，可以提供這個能量區間的電子束。
微波 VS.電漿
在我仔細介紹這種新科技之前，先來回顧一些加速器的基本原理會很有幫助。加速器有相當多種類型，首先，它們推動較輕的粒子（電子或正子）或是較重的粒子（質子和反質子）。接著，它們可以利用直線軌道一路加速或是以在很多圈的環狀軌道上繞行的方式加速。以LHC為例，它就是一個環狀加速器，用來進行兩束質子束的對撞。物理學家在LHC之後，希望興建的是一個電子及正子對撞的直線加速器。對撞時的能量將大約是5000億電子伏特（0.5TeV）。在這麼高的能量下，電子與正子必須以直線加速，若以環狀加速器加速會因為所謂的同步輻射效應而造成相當大的能量損失。電子與正子的直線加速，是以電漿為基礎的加速器最適合的領域。
一般的直線對撞機是利用與電子運動同步的電場來進行加速。低速波腔（slow-wave cavity，一根金屬管外繞著另一根螺旋狀的管子）可以利用強力的微波幅射來製造電場。這種金屬結構的方式限制了可以達到的最大加速電場。在每公尺2000萬到5000萬伏特的電場下，低速波腔會發生電崩潰的情形──火花跳電，及電流從腔壁上放電。因為電場必須小於電崩潰的門檻，所以必須有較長的加速路徑才能達到特定的能量。舉例來說，一束一兆伏特的粒子束將需要30公里長的加速器。如果我們可以比電場崩潰極限所允許的還更快加速粒子，加速器就可以做得更小。這時就是電漿登場的時候了。
在電漿加速器裡，加速結構的角色是由電漿（一種離子化的氣體）所扮演。這時，電場崩潰將不再是個問題，而是設計的一部份，因為氣體必須先經過離子化成為電漿，才能開始反應。能量的來源不是微波幅射，而是雷射光束或是帶電粒子束。乍看之下，雷射光束和帶電粒子束似乎並不適用於粒子加速上。它們的確都具有相當強的電場，不過電場的方向都垂直於運動的方向。為了讓加速更有效率，加速器中的電場應該要指向粒子運動的方向。這種電場稱為縱向電場。幸運的是，當雷射或帶電粒子穿過電漿時，與電漿的作用可創造出縱向的電場。
過程是這樣的：電漿整體而言是電中性的，具有一樣多的負電荷（電子）及正電荷（離子）。然而，一個從高密度的雷射或粒子束所產生的脈衝，可以對電漿產生擾動。基本上，這會將較輕的電子從較重的離子中推開，這時候較重的離子會略為落後，而創造出一個帶有較多正電荷的區域及另一個帶有較多負電荷的區域（參閱上方〈在電子泡泡裡〉）。這個擾動會形成一個波動，以接近光速的速度穿越電漿。由正電荷指向負電荷的強力電場，會對受影響的所有帶電粒子做加速。電漿介質可以支持加速電場到相當大的程度。電漿每立方公分大約含有1018個電子（一般的數量），可以產生峰值電場高達每公尺1000億伏特的電磁波。這個加速梯度大概比一般利用微波的加速器高出1000倍左右。現在問題來了，電漿波的波長大約是30微米，而一般微波的波長大約是10公分。要把電子準確地放在電漿波這麼微小的波裡，是相當不容易的。
已故的美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）教授道森（John M. Dawson）首先在1979年，提出這個利用電漿來加速粒子的概要。接著人們花了超過10年的時間，才用實驗證明電子可以在電漿波上衝浪，並且獲得能量。有三種不同的技術（電漿、加速器、雷射）必須克服並且融合在一起。我在UCLA的研究團隊在1993年徹底克服了這個挑戰。自此之後，這個領域就有了爆炸性的進展。其中有兩種技術，分別是雷射-尾跡場加速器及電漿-尾跡場加速器，各自展現出了亮眼的成果。雷射尾跡場在低能量的桌上型加速器有很好的表現，而電漿尾跡場則有很好的潛力，可以製造出在粒子物理能量前緣的加速器。
光的脈衝
桌上型的電漿加速器如今即將成真，因為有了高強度、體積小的雷射。可以產生超短的光脈衝，功率可達到10兆瓦的鈦-藍寶石雷射現在可以放到大實驗桌上（請參閱2002年7月號〈史上最強雷射〉）。
在雷射電漿加速器裡，一個超短的雷射脈衝聚焦到一束大約兩、三公釐長的氦噴射氣流中。這個脈衝會馬上把氣體的電子剝掉而產生電漿。因為此雷射子彈的輻射光壓相當大，所以會將所有較輕的電子吹到四面八方，只留下重得多的離子。然而這些電子跑不了太遠，因為正離子會把它們再抓回來。當電子到了雷射脈衝所經過的軸，就會再次受到轟擊，而再次向外運動，產生如波動般的震盪（見前頁〈在電子泡泡裡〉）。這個震盪稱為雷射尾跡場，因為雷射脈衝的軌跡，就像機船在海面上所產生的船痕。
這些電子通常是形成一個泡泡般的結構。在泡泡的前方是產生電漿的雷射脈衝，而在泡泡裡的則是電漿離子。這些泡泡的結構相當微小，直徑大約是10微米左右，其中的電場形成了一股很陡的浪。雖然其他的區域也有可能，但是利用泡泡區域來加速電子顯然是最有效的方法。
如果有個類似電子槍的元件可以引入外來的電子到電漿中電子較多的區域，新的電子會受到一股電場，把它拉向位於泡泡中間的正離子。這波以光速前進，所以電子必須以接近這個速度注入，才能趕上這股浪潮，並從中獲取能量。從相對論我們可以知道，任何電子增加的能量，大部份是增加在電子的質量，而不是電子的速度上。所以電子並不會很明顯的跑在電漿波的前面，而是乘著這股波一路獲取能量。有些在電漿裡的電子也一併被抓住，並同時用這個方法加速，就像在浪頭上的泡沫一樣。
2002年，瑪卡（Victor Malka）和他在法國理工學院的應用光學實驗室的研究小組，證明了利用雷射引起的尾跡場，可以產生帶有108個電子的電子束。這個電子束可以被準確的調準，也就是仔細的對焦。然而不幸的地方是，加速後的電子具有相當大的能量分佈──從100萬到2億電子伏特，但在大部份的應用裡，電子束的電子必須全部帶有相同的能量。
這個能量的分佈是因為電子在不同的時間跟位置被尾跡場波抓住。在一般的加速器中，即將被加速的粒子是在一個接近電場峰值的單一位置被注入。研究人員認為在尾跡場加速器中不可能這麼精準的注入電子，因為加速的過程是微觀而且短暫的。
解決的方法發現得很偶然。在2004年，來自美國、法國及英國相互競爭的三個研究小組同時發現，在一個新的區域中，許多電子自己形成一個單一且帶有相同能量的電子群。這三個小組都是利用比以往更高功率的雷射──10兆瓦或更強的功率。當如此強大的雷射脈衝傳遞到電漿的時候，脈衝會變得更短更窄，創造出一個很大的電子泡泡，而可以從電漿中抓住電子。這種自己捕捉的電子數量相當多，所以他們可以從波浪中獲得相當多的能量，並且不再繼續捕捉電子。那些具有最高能量的電子就開始跑在波浪的前面。所以儘管在後面的低能量電子依然在持續增加能量，在最前面能量最高的電子已經開始失去能量了。
結果便是產生一束具有狹窄能量分佈的電子束。舉例而言，在瑪卡的實驗中，一束帶有109個電子的電子束，能量的分佈範圍縮減到原來的10%，電子束的角分佈也比以往的實驗（與一般常見的微波直線加速器所產生的最好的電子束相比）要窄得多。最後的電子束（通常是個脈衝）的長度大概只有10飛秒（10-14秒），是史上由加速器所產生的最短脈衝，對解析超快化學及生物反應而言是個很好的輻射來源。這個電子脈衝可以導向一片薄金屬標靶來產生相對應的短X光脈衝。在接下去的一、兩年，我預期將看到由桌上型加速器產生X光的應用發展。
要如何更進一步加強電子束的能量，來產生10億電子伏特（1GeV）的雷射尾跡場加速器呢？人們必須創造出可以維持長達一公分而不是幾公釐的電漿波。所以激發電漿波的雷射光必須利用電漿纖（plasma fiber）來傳遞，以在電漿中長時間保持強度。勞倫斯柏克萊國家實驗室正利用預成的電漿纖，進行相當類似的研究。在這個方法中，電子在沿著電漿的軸上密度較低。這使得電漿在通道方向上的折射率，比邊緣處來得高──如同光纖導引雷射的方式一般。柏克萊的實驗已經證明，這種通道可以產生單一能量的電子束。這個方法的下一步進展，就是在不遠的未來，製造出第一個GeV等級的桌上型電漿加速器。
朝能量前緣再邁進
這些公分尺度的雷射驅動電漿加速器，是如何擴展至粒子物理學家有興趣的TeV級的能量？一個方法是把數百個精巧的雷射電漿加速模組串起來，每個模組各自提供幾個GeV的能量。這種設計稱為「階段提升」，是微波加速器組合並產生高能量的方法。不過相較之下，要把電漿加速器做階段提升的困難度遠遠高出許多。目前較偏好的方式是利用所謂的電漿後燃器，這是一座電漿尾跡場加速器，可以加倍提升一般加速器的輸出。在這種方法中，一般的加速器可以提升兩個電子或正子脈衝到數百個GeV。第一個脈衝（稱為驅動脈衝）包含的電子數量是第二個尾隨脈衝的三倍。驅動脈衝跟尾隨脈衝一般都是100飛秒的長度，而且相隔大約100飛秒。在雷射尾跡場加速器中，當驅動脈衝聚焦到電漿後，會產生一個尾跡場泡泡（假設電子束的密度比電漿要來的大）。這個過程跟雷射尾跡場的情形一樣，只是現在推動電子的，是粒子束的電場而不是雷射光束的輻射光壓。電子泡泡包含著尾隨的被縱向電場快速加速的粒子束。
對於研究先進加速技術的物理學家來說，電漿尾跡場加速器令人非常振奮，有一組團隊得到了三個大突破，使這個構想變得相當具有吸引力。這組團隊的成員分別來自於UCLA、南加州大學（USC）以及史丹佛直線加速器中心（SLAC），他們是利用史丹佛直線加速器的粒子束所開發出來的。
第一點也是最重要的一點，這些科學家解決了雷射驅動電漿加速器只有數公釐長的問題：他們製造出了一座一公尺長的電子及正子的電漿加速器。這需要相當高的技巧來維持驅動粒子束在這段距離中的穩定性。第二，他們證明了電子可以在10公分內獲得至少4GeV的能量。這個能量增加率是為實用上的考量所限制，而不是任何科學層面的問題。這表示能量的獲得可以很容易的利用延長電漿而提升。
最後一點，他們證明了電漿可以進一步的將已經聚焦的電子或正子束，再聚焦至少兩倍。這項進步對於加速器來說相當重要，因為加速粒子必須要聚焦到一個極微小的點。粒子束聚焦得越好，就可以在對撞機中產生越多次的對撞事件。就對撞機而言，對撞發生率是一個跟總能量同樣重要的參數。
這些突破支持了關於電漿技術達到能量前緣可行性的猜想，不過第一步必須先運用目前已有的加速器來進行測試。舉例來說，一對電漿尾跡場設備可以裝置在史丹佛直線加速器的兩端。這可以把能量由目前的50GeV倍增至100GeV。每具電漿後燃器大約是10公尺長。雖然這項計畫尚未得到補助，SLAC已經向美國能源部提案，打算建造一條叫做SABER的高能電子束。
我已經從加速電子的角度，介紹了電漿加速器。另一方面，要加速帶正電的粒子，例如正子，電場就必須反向。要達成這個要求，最簡單的方法是用正子驅動束。這個粒子束的正電荷會把電漿裡的電子向內拉，而且和之前類似，它們會超過中間軸並且形成泡泡。電場的方向相對於我之前所介紹的電子束結構會翻轉，就像需要加速一束尾隨的正子束一樣。
除此之外，這些以電漿為主的機器可以加速較重的粒子，例如質子。一個條件便是即將注入的粒子必須已經被加速到接近光速，所以它們不會落在電漿波之後。以質子而言，這表示注入的能量大約是數個GeV。
物理學家正在快速的發展以因應電漿加速器的需求。雖然許多基礎的物理問題已經解決了，要製造實用的儀器依然得面臨許多艱鉅的挑戰。其中粒子束工程師必須達到足夠的粒子束品質、效率（有多少驅動光束的能量真正被用來加速粒子），還有對正誤差（粒子束在對撞點必須有奈米尺度的精準度）。最後是這個儀器的重複率（每秒有多少脈衝可以被加速）。
傳統的加速器建造者花了75年，來使電子-正子對撞的能量得以達到200GeV。電漿加速器發展的速度較快，而且研究人員希望可以在10或20年內，讓這項新科技超越高能物理中的微波系統。相關的雷射尾跡場技術，將使GeV級的桌上型加速器在許多領域上的應用更早實現。
一起衝吧！
直到1897年，英國的湯姆森（Joseph John Thomson）確立了陰極射線的身份就是電子，等於是發現了第一個基本粒子（因而獲得1906年諾貝爾物理獎），科學家才逐漸理出完整的故事：兩電極之間的高電壓，可在陰極表面產生強大電場將電子拉出，加速並撞擊氣體分子或玻璃管壁產生螢光；如果受撞擊的是重金屬靶，則可因電子與原子核之間的制動（煞車）輻射而產生X光。就這樣，加速器開啟了近代科學大門，對現代生活文明的造就，也提供了舉足輕重的貢獻。
現代加速器的開始
要談現代的粒子加速器，必須從英國人拉塞福（Ernest Rutherford）談起。拉塞福於1908年因研究原子衰變而獲諾貝爾化學獎，隨即於1911年，利用他本人發現的放射線α粒子撞擊金屬箔，確立了原子核的存在。1919年，拉塞福以α粒子撞擊氮核，撞出了氫核（即質子）和氧的同位素，這是人類第一次以天然的加速器產生人造放射性元素，他也因而讓人類認識第二個基本粒子──質子。拉塞福體認到：要進一步了解原子以下的世界，必須製造出強大的加速器來加速粒子，使粒子能量比天然放射線更高，以有效的撞擊原子核。
受到拉塞福鼓舞，科學界開始發展出各種的形式，並以近代觀點來看真正的加速器。因為較重的粒子可以產生較大的撞擊，這時的加速器，都以加速遠比電子重的帶電粒子為主，如質子（電子的1837倍重）、α粒子或離子。加速電子的機器構造則大同中有小異，仍持續並行發展。
英國人柯克勞夫特（John Cockcroft）和愛爾蘭人華爾頓（E.T.S Walton）於1932年，利用他們研製的加速器加速質子，完成人工加速粒子的首次原子核實驗（於1951年獲得諾貝爾獎）。同一時期的另一個傑作是美國科學家范德格拉夫（Van de Graaffs）發明的「范氏加速器」，利用橡皮輸送帶將靜電荷累加以產生高電壓（其現代版能超過1000萬伏特）。這類加速器屬於單次直流加速，設計重點在產生更高的電壓來加速粒子，其限制在於很難克服零件材料在高電場下的自然崩潰放電。
另外一群科學家的設計方向，則是避開高電壓崩潰的限制，以多次加速來達到更高的粒子能量。1928年挪威人威德瑞（R.Wideroe）以100萬赫茲，2萬5000伏特的震盪器，在三節金屬腔電極間隙建立兩段變動電場，配合準確的節奏將鉀離子加速到5萬電子伏特，實際驗證了多重加速的想法。1929年，在加州大學柏克萊分校任教的勞倫斯（Ernest O. Lawrence），讀了威德瑞直線多重加速的文章而受到啟發，構想出用強力磁場將帶電粒子轉彎，以圓形軌道來多重加速的加速器──迴旋加速器。這就是在〈電漿與雷射，造就新一代加速器〉文中提到的直線加速器和圓形加速器。
在那之後，柏克萊成為人造元素的重鎮，勞倫斯也因而於1939年獲諾貝爾物理獎。第二次世界大戰前後，勞倫斯團隊的成員擴散到全美各地實驗室，美國也建立了堅實的加速器工業，加速器技術促成原子彈的實現，而戰場通訊、雷達及導航的微波技術也回饋到加速器界，促成核心系統──射頻共振腔的成熟發展。
跨越相對論的障礙
一般以為，僅需增加迴旋加速器的磁場和磁鐵直徑，便可繼續增大粒子的能量，然而，正當勞倫斯還想繼續增大迴旋加速器的直徑時，任教於康乃爾大學的貝特（Hans Bethe）首先指出：帶電粒子在接近光速飛行時，會因「相對論效應」而增加質量，無法再用固定頻率的交流電場來加速了；另外，一具加速器磁鐵所用掉的鋼鐵已開始超過一座艾菲爾鐵塔，真空空間也大到難以為繼。
在眾多的改革方案中，同步加速器的概念在1945年問世，以其同步改變的磁場、與粒子環繞同步改變加速頻率得名，粒子可在固定半徑的環型軌道上繞行。同步加速器開啟了高能物理上一連串的豐收，例如1956年，位於美國長島的布魯克海文國家實驗室裡，楊振寧和李政道研究世界第一座質子同步加速器的實驗數據，推論出「宇稱不守恆」而旋即獲得諾貝爾物理獎；丁肇中則於1974年，在該實驗室的新同步加速器AGS發現J粒子，稍後也獲諾貝爾物理獎。另一方面，加速器理論和控制技術的進步，又繼而使在同步加速器中進行粒子對撞得以實現，同步加速器的盛世咸信將可持續到2010年。
意外的副產物─同步輻射
近代電磁學告訴我們，電子受加速會放出電磁波，無線電的天線會朝四面八方放出電磁波；而幾近光速飛行的電子受磁場作用力偏轉時，這種電磁波則會沿切線方向聚集成扁細錐狀（如左下圖示）。當初歐美若干實驗室先利用加速電子，來驗證同步加速器的想法，其中在1947年，美國通用電器公司在7000萬電子伏特的電子同步加速器上實驗成功，但因採透明玻璃真空腔而意外用肉眼觀察到奇異亮光，這種光就是源自於電子偏轉所發出的電磁波，於是命名為「同步輻射」。發出這種電磁波會導致粒子能量耗損，在加速高能輕粒子和轉彎半徑小時尤其嚴重。
歐洲核子研究組織（CERN）於1989年，啟用大型正子電子對撞機（LEP），加速正負電子束達100GeV（1GeV＝109eV），周長得大到27公里，它所產生的同步輻射耗損和所需的建築規模，已經是人類經濟考量下的極限了。LEP應該是最後一個大型的圓形電子加速器，要再繼續加速電子，勢必要訴諸直線加速器了。由於技術上的挑戰與資金的龐大，國際間的高能物理界已成立由科技大國共同開發的計畫，目前以國際直線加速器計畫（ILC）稱呼。至於質子等重粒子，在目前人類工藝所能達到的粒子能量下，同步輻射損耗尚不嚴重，CERN的大型強子對撞機（LHC）預計於2007年完工，偏轉電磁鐵換成超導磁鐵，質子的碰撞能量將可達14 TeV（1 TeV＝1012eV）。
多年來，許多科學家嘗試研發新的加速概念，以求更經濟有效的加速電子，〈電漿與雷射，造就新一代加速器〉中所提的電漿加速概念，已經過初步實驗證明可行，它取代了現有加速器的核心系統──射頻共振腔，能以較短的加速行程獲得較大的加速效果，的確令人振奮，但想要達到真正穩定實用的階段，仍有許多困難等待克服。科學家不斷在高能物理理論及加速器實驗上精進，終極目的之一，是將物理條件逼近宇宙大霹靂的時間起點，重現盤古開天。目前人類觀測到的宇宙射線能量紀錄大於10的20次方 eV，遠遠超過任何甚至尚在夢想階段的加速器，很難預測人類加速器的發展，最後要達到多少能量才停止。
加速器應用無遠弗屆
值得一提的是，同步輻射的意外發現後不久，許多科學家旋即體認到，這種輻射乃是前所未有的優異實驗光源，應用研究領域迅速由材料結構擴展到化學、地質、物理、生物及醫學等領域，於是專門用來產生高亮度同步輻射的加速器設施，也在加速器社群裡自立門戶，和高能物理一樣蓬勃發展。目前世界上已有70餘座同步輻射設施，但多半集中在科技先進的國家，如美、日、德、法等國。而台灣、韓國、巴西等開發中國家，也於10多年前先後完成同步輻射加速器的興建，藉以提升國家科學研究水準。
加速器的應用當然不只局限於高能物理和同步輻射，除了本文最前面提到的日常生活應用外，近年來，加速器的觸角仍然不斷的延伸，例如台灣半導體產業使用大量的加速器來製造光罩、進行晶片離子佈植，醫院用直線加速器和質子加速器治療癌症，或用迴旋加速器產生的人工同位素做藥物追蹤、病因診斷，工業界用電子直線加速器來消毒食物、強化塑膠或人造纖維的結構。加速器的各種發展值得進一步觀察。
台灣同步輻射加速器「台灣光源」為15億電子伏特、圓周長120公尺的小型設施，為因應國內快速成長的使用群之需求及國際競爭之挑戰，國家同步輻射研究中心目前正規劃在未來10年興建一座31億電子伏特、極高亮度的中型「台灣光子源」，提供奈米、生物及醫學等「拔尖」研究的利器。
電漿與雷射，造就新一代加速器
讓粒子在電漿波上「衝浪」，是目前加速粒子的最新技術，並提供許多的應用。
撰文 約希（Chandrashekhar Joshi）
翻譯 陳勁豪（台大物理所畢業，目前在美國紐約州立石溪大學攻讀博士學位）
物理學家利用粒子加速器來回答一些關於自然及宇宙的基本問題。這些巨大的機器將帶電粒子加速到接近光速，然後讓它們相互對撞，以重建宇宙在激烈的大霹靂中誕生時的情形。物理學家希望能藉由分析對撞產生的碎片，了解宇宙中看似不同的作用力和粒子，如何能由一個統一理論來連結並描述。不幸的，當物理學家越來越靠近這個創生之謎的解答時，就需要更強而有力，同時也更貴的加速器。
世上最具威力的粒子加速器，目前正由位於法國及瑞士國界上的歐洲核子研究組織（CERN）建造著。那是座直徑8.6公里的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）。當LHC在2007年完成之後，兩束七兆伏特的質子束將告訴我們粒子是如何獲得質量（請參閱2005年8月號〈為什麼有質量？〉）。有些其他的加速器目前也正在運作，嘗試解釋為什麼宇宙的物質比反物質多，並且讓我們有機會一睹物質最原始的形態，也就是所謂的「夸克膠子電漿態」（quark-gluon plasma）。這些所有的對撞機，都是利用已有幾十年歷史的微波加速粒子技術。
在過去75年，這些機器在基本粒子及核物質的性質方面，已經產生許多重要的成果。粒子加速器科學和工程技術的持續進步，使科學家得以將加速器的能量大約每10年提高10倍。這種情形會持續下去嗎？這種以微波為基礎的技術可能已經接近技術及經濟上的極限了。在1993年，美國國會取消了80億美元的超導超級對撞機計畫（Superconducting Super Collider project）。這個計畫是製造一個直徑28公里的加速器，能產生LHC兩倍以上的能量。許多粒子物理學家希望在LHC之後，能夠建一座30公里長的直線加速器，不過沒有人可預測這個價值數十億美元的計畫，會不會比超導超級對撞機有更好的命運。
或許新方法來得正是時候。加速粒子的新方法，是利用物質的第四種形態（在固、液、氣三態之外）──電漿。這種新方法對於製造可達最高能量的加速器（1000億電子伏特以上），有相當大的潛力。這種以電漿為基礎的方式，可以有效縮小加速器的尺寸，並降低建造費用。
為了物理研究而在高能前線運轉的巨大加速器只是故事的一部份。除此之外，人們利用較小型的加速器來研究材料科學、結構生物學、核子醫學、核融合、食品殺菌、核廢料的變質還有某些癌症。這些較小的機器可以產生相對較低能量的電子或質子束，大約是1億到10億伏特之間，不過這些機器依舊佔據著實驗室相當大的空間。極小型，或者是「桌上型」的電漿加速器，可以提供這個能量區間的電子束。
微波 VS.電漿
在我仔細介紹這種新科技之前，先來回顧一些加速器的基本原理會很有幫助。加速器有相當多種類型，首先，它們推動較輕的粒子（電子或正子）或是較重的粒子（質子和反質子）。接著，它們可以利用直線軌道一路加速或是以在很多圈的環狀軌道上繞行的方式加速。以LHC為例，它就是一個環狀加速器，用來進行兩束質子束的對撞。物理學家在LHC之後，希望興建的是一個電子及正子對撞的直線加速器。對撞時的能量將大約是5000億電子伏特（0.5TeV）。在這麼高的能量下，電子與正子必須以直線加速，若以環狀加速器加速會因為所謂的同步輻射效應而造成相當大的能量損失。電子與正子的直線加速，是以電漿為基礎的加速器最適合的領域。
一般的直線對撞機是利用與電子運動同步的電場來進行加速。低速波腔（slow-wave cavity，一根金屬管外繞著另一根螺旋狀的管子）可以利用強力的微波幅射來製造電場。這種金屬結構的方式限制了可以達到的最大加速電場。在每公尺2000萬到5000萬伏特的電場下，低速波腔會發生電崩潰的情形──火花跳電，及電流從腔壁上放電。因為電場必須小於電崩潰的門檻，所以必須有較長的加速路徑才能達到特定的能量。舉例來說，一束一兆伏特的粒子束將需要30公里長的加速器。如果我們可以比電場崩潰極限所允許的還更快加速粒子，加速器就可以做得更小。這時就是電漿登場的時候了。
在電漿加速器裡，加速結構的角色是由電漿（一種離子化的氣體）所扮演。這時，電場崩潰將不再是個問題，而是設計的一部份，因為氣體必須先經過離子化成為電漿，才能開始反應。能量的來源不是微波幅射，而是雷射光束或是帶電粒子束。乍看之下，雷射光束和帶電粒子束似乎並不適用於粒子加速上。它們的確都具有相當強的電場，不過電場的方向都垂直於運動的方向。為了讓加速更有效率，加速器中的電場應該要指向粒子運動的方向。這種電場稱為縱向電場。幸運的是，當雷射或帶電粒子穿過電漿時，與電漿的作用可創造出縱向的電場。
過程是這樣的：電漿整體而言是電中性的，具有一樣多的負電荷（電子）及正電荷（離子）。然而，一個從高密度的雷射或粒子束所產生的脈衝，可以對電漿產生擾動。基本上，這會將較輕的電子從較重的離子中推開，這時候較重的離子會略為落後，而創造出一個帶有較多正電荷的區域及另一個帶有較多負電荷的區域（參閱上方〈在電子泡泡裡〉）。這個擾動會形成一個波動，以接近光速的速度穿越電漿。由正電荷指向負電荷的強力電場，會對受影響的所有帶電粒子做加速。電漿介質可以支持加速電場到相當大的程度。電漿每立方公分大約含有1018個電子（一般的數量），可以產生峰值電場高達每公尺1000億伏特的電磁波。這個加速梯度大概比一般利用微波的加速器高出1000倍左右。現在問題來了，電漿波的波長大約是30微米，而一般微波的波長大約是10公分。要把電子準確地放在電漿波這麼微小的波裡，是相當不容易的。
已故的美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）教授道森（John M. Dawson）首先在1979年，提出這個利用電漿來加速粒子的概要。接著人們花了超過10年的時間，才用實驗證明電子可以在電漿波上衝浪，並且獲得能量。有三種不同的技術（電漿、加速器、雷射）必須克服並且融合在一起。我在UCLA的研究團隊在1993年徹底克服了這個挑戰。自此之後，這個領域就有了爆炸性的進展。其中有兩種技術，分別是雷射-尾跡場加速器及電漿-尾跡場加速器，各自展現出了亮眼的成果。雷射尾跡場在低能量的桌上型加速器有很好的表現，而電漿尾跡場則有很好的潛力，可以製造出在粒子物理能量前緣的加速器。
光的脈衝
桌上型的電漿加速器如今即將成真，因為有了高強度、體積小的雷射。可以產生超短的光脈衝，功率可達到10兆瓦的鈦-藍寶石雷射現在可以放到大實驗桌上（請參閱2002年7月號〈史上最強雷射〉）。
在雷射電漿加速器裡，一個超短的雷射脈衝聚焦到一束大約兩、三公釐長的氦噴射氣流中。這個脈衝會馬上把氣體的電子剝掉而產生電漿。因為此雷射子彈的輻射光壓相當大，所以會將所有較輕的電子吹到四面八方，只留下重得多的離子。然而這些電子跑不了太遠，因為正離子會把它們再抓回來。當電子到了雷射脈衝所經過的軸，就會再次受到轟擊，而再次向外運動，產生如波動般的震盪（見前頁〈在電子泡泡裡〉）。這個震盪稱為雷射尾跡場，因為雷射脈衝的軌跡，就像機船在海面上所產生的船痕。
這些電子通常是形成一個泡泡般的結構。在泡泡的前方是產生電漿的雷射脈衝，而在泡泡裡的則是電漿離子。這些泡泡的結構相當微小，直徑大約是10微米左右，其中的電場形成了一股很陡的浪。雖然其他的區域也有可能，但是利用泡泡區域來加速電子顯然是最有效的方法。
如果有個類似電子槍的元件可以引入外來的電子到電漿中電子較多的區域，新的電子會受到一股電場，把它拉向位於泡泡中間的正離子。這波以光速前進，所以電子必須以接近這個速度注入，才能趕上這股浪潮，並從中獲取能量。從相對論我們可以知道，任何電子增加的能量，大部份是增加在電子的質量，而不是電子的速度上。所以電子並不會很明顯的跑在電漿波的前面，而是乘著這股波一路獲取能量。有些在電漿裡的電子也一併被抓住，並同時用這個方法加速，就像在浪頭上的泡沫一樣。
2002年，瑪卡（Victor Malka）和他在法國理工學院的應用光學實驗室的研究小組，證明了利用雷射引起的尾跡場，可以產生帶有108個電子的電子束。這個電子束可以被準確的調準，也就是仔細的對焦。然而不幸的地方是，加速後的電子具有相當大的能量分佈──從100萬到2億電子伏特，但在大部份的應用裡，電子束的電子必須全部帶有相同的能量。
這個能量的分佈是因為電子在不同的時間跟位置被尾跡場波抓住。在一般的加速器中，即將被加速的粒子是在一個接近電場峰值的單一位置被注入。研究人員認為在尾跡場加速器中不可能這麼精準的注入電子，因為加速的過程是微觀而且短暫的。
解決的方法發現得很偶然。在2004年，來自美國、法國及英國相互競爭的三個研究小組同時發現，在一個新的區域中，許多電子自己形成一個單一且帶有相同能量的電子群。這三個小組都是利用比以往更高功率的雷射──10兆瓦或更強的功率。當如此強大的雷射脈衝傳遞到電漿的時候，脈衝會變得更短更窄，創造出一個很大的電子泡泡，而可以從電漿中抓住電子。這種自己捕捉的電子數量相當多，所以他們可以從波浪中獲得相當多的能量，並且不再繼續捕捉電子。那些具有最高能量的電子就開始跑在波浪的前面。所以儘管在後面的低能量電子依然在持續增加能量，在最前面能量最高的電子已經開始失去能量了。
結果便是產生一束具有狹窄能量分佈的電子束。舉例而言，在瑪卡的實驗中，一束帶有109個電子的電子束，能量的分佈範圍縮減到原來的10%，電子束的角分佈也比以往的實驗（與一般常見的微波直線加速器所產生的最好的電子束相比）要窄得多。最後的電子束（通常是個脈衝）的長度大概只有10飛秒（10-14秒），是史上由加速器所產生的最短脈衝，對解析超快化學及生物反應而言是個很好的輻射來源。這個電子脈衝可以導向一片薄金屬標靶來產生相對應的短X光脈衝。在接下去的一、兩年，我預期將看到由桌上型加速器產生X光的應用發展。
要如何更進一步加強電子束的能量，來產生10億電子伏特（1GeV）的雷射尾跡場加速器呢？人們必須創造出可以維持長達一公分而不是幾公釐的電漿波。所以激發電漿波的雷射光必須利用電漿纖（plasma fiber）來傳遞，以在電漿中長時間保持強度。勞倫斯柏克萊國家實驗室正利用預成的電漿纖，進行相當類似的研究。在這個方法中，電子在沿著電漿的軸上密度較低。這使得電漿在通道方向上的折射率，比邊緣處來得高──如同光纖導引雷射的方式一般。柏克萊的實驗已經證明，這種通道可以產生單一能量的電子束。這個方法的下一步進展，就是在不遠的未來，製造出第一個GeV等級的桌上型電漿加速器。
朝能量前緣再邁進
這些公分尺度的雷射驅動電漿加速器，是如何擴展至粒子物理學家有興趣的TeV級的能量？一個方法是把數百個精巧的雷射電漿加速模組串起來，每個模組各自提供幾個GeV的能量。這種設計稱為「階段提升」，是微波加速器組合並產生高能量的方法。不過相較之下，要把電漿加速器做階段提升的困難度遠遠高出許多。目前較偏好的方式是利用所謂的電漿後燃器，這是一座電漿尾跡場加速器，可以加倍提升一般加速器的輸出。在這種方法中，一般的加速器可以提升兩個電子或正子脈衝到數百個GeV。第一個脈衝（稱為驅動脈衝）包含的電子數量是第二個尾隨脈衝的三倍。驅動脈衝跟尾隨脈衝一般都是100飛秒的長度，而且相隔大約100飛秒。在雷射尾跡場加速器中，當驅動脈衝聚焦到電漿後，會產生一個尾跡場泡泡（假設電子束的密度比電漿要來的大）。這個過程跟雷射尾跡場的情形一樣，只是現在推動電子的，是粒子束的電場而不是雷射光束的輻射光壓。電子泡泡包含著尾隨的被縱向電場快速加速的粒子束。
對於研究先進加速技術的物理學家來說，電漿尾跡場加速器令人非常振奮，有一組團隊得到了三個大突破，使這個構想變得相當具有吸引力。這組團隊的成員分別來自於UCLA、南加州大學（USC）以及史丹佛直線加速器中心（SLAC），他們是利用史丹佛直線加速器的粒子束所開發出來的。
第一點也是最重要的一點，這些科學家解決了雷射驅動電漿加速器只有數公釐長的問題：他們製造出了一座一公尺長的電子及正子的電漿加速器。這需要相當高的技巧來維持驅動粒子束在這段距離中的穩定性。第二，他們證明了電子可以在10公分內獲得至少4GeV的能量。這個能量增加率是為實用上的考量所限制，而不是任何科學層面的問題。這表示能量的獲得可以很容易的利用延長電漿而提升。
最後一點，他們證明了電漿可以進一步的將已經聚焦的電子或正子束，再聚焦至少兩倍。這項進步對於加速器來說相當重要，因為加速粒子必須要聚焦到一個極微小的點。粒子束聚焦得越好，就可以在對撞機中產生越多次的對撞事件。就對撞機而言，對撞發生率是一個跟總能量同樣重要的參數。
這些突破支持了關於電漿技術達到能量前緣可行性的猜想，不過第一步必須先運用目前已有的加速器來進行測試。舉例來說，一對電漿尾跡場設備可以裝置在史丹佛直線加速器的兩端。這可以把能量由目前的50GeV倍增至100GeV。每具電漿後燃器大約是10公尺長。雖然這項計畫尚未得到補助，SLAC已經向美國能源部提案，打算建造一條叫做SABER的高能電子束。
我已經從加速電子的角度，介紹了電漿加速器。另一方面，要加速帶正電的粒子，例如正子，電場就必須反向。要達成這個要求，最簡單的方法是用正子驅動束。這個粒子束的正電荷會把電漿裡的電子向內拉，而且和之前類似，它們會超過中間軸並且形成泡泡。電場的方向相對於我之前所介紹的電子束結構會翻轉，就像需要加速一束尾隨的正子束一樣。
除此之外，這些以電漿為主的機器可以加速較重的粒子，例如質子。一個條件便是即將注入的粒子必須已經被加速到接近光速，所以它們不會落在電漿波之後。以質子而言，這表示注入的能量大約是數個GeV。
物理學家正在快速的發展以因應電漿加速器的需求。雖然許多基礎的物理問題已經解決了，要製造實用的儀器依然得面臨許多艱鉅的挑戰。其中粒子束工程師必須達到足夠的粒子束品質、效率（有多少驅動光束的能量真正被用來加速粒子），還有對正誤差（粒子束在對撞點必須有奈米尺度的精準度）。最後是這個儀器的重複率（每秒有多少脈衝可以被加速）。
傳統的加速器建造者花了75年，來使電子-正子對撞的能量得以達到200GeV。電漿加速器發展的速度較快，而且研究人員希望可以在10或20年內，讓這項新科技超越高能物理中的微波系統。相關的雷射尾跡場技術，將使GeV級的桌上型加速器在許多領域上的應用更早實現。
一起衝吧！
全站熱搜
留言列表
佛光歷史大事記 (0)
