近日据国外媒体报道，造价70亿英镑(约合733.46亿元人民币)的欧洲大型强子对撞机自第一次启动以来，一直问题不断。（2010年3月大型强子对撞机里的两束质子束成功撞在一起，这是人类对微小原子施加的最强大的力。这两束质子束在瑞士-法国边界的一条 17英里【27.36公里】长的隧道里向相反方向高速发射出去。这个隧道是宇宙里最冷的地方，温度稍微高于绝对零度）但是负责在瑞士建造这个对撞机的科学家，现在希望建设一个更大的机器，这些科学家不打算像欧洲粒子物理研究所一样让原子在巨大的圆环里旋转，他们希望下一代对撞机能以直线发射原子——建设一条长31英里(49.89公里)、被称作国际直线对撞机的隧道。他们希望这个新对撞机能在2020年到2025年间启动。

　　新国际直线对撞机不是让质子相撞在一起，而是给电子和正电子(相当于它们的反物质)加速。科学家目前正在尝试着模拟大约在140亿年前宇宙大爆炸刚刚发生后的场面，他们认为正是宇宙大爆炸产生了宇宙。

    这两台对撞机都需要加速器，关于加速器有如下的几个“为什么？”——

□ 加速器是干什么用的？

高中物理教材中是这样介绍的：在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，往往要用能量很高的带电粒子去轰击各种原子核，观察它们的变化情况。例如，要从原子核中要把中子或质子打出來，就得用8兆电子伏特的质子。为了探索质子的内部结构，使用了200兆电子伏特的电子去轰击质子。怎样才能在实验室大量产生这样高能量的带电粒子呢？这就要用一种新的实验设备——加速器。

□ 早期的直线加速器有哪些局限？

早期的加速器均为直线加速器。其原理就是直接利用高压电源的电势差来加速带电粒子。

电场可以用来加速带电粒子。若带电粒子的初速为零，根据功能关系则有 qU = mV²/2，其中q为带电粒子所带的电荷，m为带电粒子的质量，U为加速电压，V为加速后的速度。

若要获得高能量的粒子流，就必须提高加速电压值。但是受到高压设备及绝缘的限制，一次加速的方式能得到的带电粒子能量较低。譬如加速电压为2万伏特，质子由静止开始加速，起最终获得的能量只有2×10⁴电子伏特（3.2×10^－15焦耳）。

如何来提高加速后带电粒子的能量？科学家们想到了能否采用连续多次加速的方式，这样直线加速器便诞生了。

1988年全国高考物理试题中就有一试题涉及到直线加速器。

N个长度逐个增大的金属圆筒和一个靶，它们沿轴线排列成一串，如图所示（图中只画出了六个圆筒，作为示意）。各筒和靶相间地连接到频率为ν、最大电压值为U的正弦交流电源的两端。整个装置放在高真空容器中，圆筒的两底面中心开有小孔。现有一电量为q，质量为m的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间及圆筒与靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速（设圆筒内部没有电场）。缝隙的宽度很小，离子穿过缝隙的时间可以不计。已知离子进入第一个圆筒左端的速度为V₁，且此时第一、二两个圆筒间的电势差U₁ － U₂ = －U，为使打到靶上的离子获得最大能量，各个圆筒的长度应满足什么条件？并求出在这种情况下，打到靶上的离子的能量。

题解：为了使得正离子获得最大能量，要求离子每次穿过缝隙时，前一个圆筒的电势比后一个圆筒的电势高U，这就要求离子穿过每个圆筒的时间须恰好等于交流电的半个周期。由于圆筒内无电场，离子在筒内作匀速运动。设Vn为离子在第n个圆筒内的速度，则有：

故第n个圆筒的长度应满足的条件为

其中n ＝ 1，2，3，……N

打到靶上的离子的能量为  E_K = NqU + mV₁²/2

这道高考试题所涉及的装置，就是直线加速器，它经过N次加速，最终可获得高能量的带电粒子。

    为此，我们可以作以下一个简单的估算：若利用上述这样的直线加速器欲获得10兆电子伏特能量的质子，正弦交流电源的频率为100赫兹、最大电压值为2×10⁴伏特，质子进入第一个圆筒左端的动能为2×10⁴电子伏特。那么该直线加速器有多少个圆筒？最后一个圆筒的长度为多长？

直接利用上述试题推出的公式，经计算：

该直线加速器有999个圆筒，加速的质子在最后一个圆筒内的速度达6.18×10⁷米/秒（在第一个圆筒的速度为1.96×10⁶米/秒，速度增加了31.5倍，但也只有光速的五分之一）；最后一个圆筒的长度为309千米（第一个圆筒的长度为9.8千米，第二个圆筒长度为13.8千米，第三个圆筒长度为16.95千米，……）。若将正弦交流电源的频率提高到1000赫兹，那么最后一个圆筒的长度也需30.9千米。【以上的估算只是作理论上的分析，可能与实际相差较大】

由于直线加速器受到实际所能达到的电势差的限制，加之加速器所须直线距离太长（对工程要求很高），最终粒子获得的能量并不高，只能达到几十万到几兆电子伏特。一直到1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器。