粒子加速器最初是作为人们探索原子核的重要手段而发展起来的。

19世纪末，由于化学的发展，人们认识到物质是由不同的分子和原子组成的，原子是构成物质的最小单元，同时俄国科学家门捷列夫将当时认识的92种元素归纳成元素周期表。1911年英国物理学家卢瑟福通过粒子散射实验，提出了核式结构原子模型，认为原子是由核外电子和核内质子与中子构成。上个世纪60年代，人们提出了质子和中子是由不同夸克组成的夸克模型。

目前被国际高能物理学界普遍接受的描述物质微观结构的理论为标准模型理论。该理论模型认为，四种相互作用力和3类粒子构成当今的物质世界。四种相互作用力为：电磁相互作用力（作用范围为任意）、引力相互作用力（作用范围为任意）、弱相互作用力（作用范围为10-18m）和强相互作用力（作用范围为10-15m）。三类粒子为费米子（自旋为1/2）、规范玻色子（自旋为1）和希格斯粒子（自旋为0）。费米子是组成物质的单元，包括轻子和夸克。轻子不参与四种相互作用中的强相互作用，包括6种粒子，即电子（e）、电子中微子（ve）、缪子（μ）、缪子中微子（vμ）、涛子（τ）、涛子中微子（vτ）及其对应的反粒子。夸克则所有的四种相互作用，包括6种夸克，既上夸克（u）、下夸克（d）、粲夸克（c）、奇异夸克（s）、顶夸克（t）、底夸克（b），及与这6种粒子对应的反夸克粒子。规范玻色子是传递四种相互作用力的媒介子。传递电磁相互作用的规范玻色子是光子（γ）；弱相互作用的传递媒介子为3种中间玻色子（W-、W+和Z0）；强相互作用的传递媒介子为8种胶子（g）；引力相互作用的传递媒介粒子为引力子。但由于引力作用太弱，现在还没有发现引力子的存在。希格斯粒子（H）是理论上为了回答基本粒子的质量机制而引入的一种粒子。迄今为止，“标准模型”预言的其他粒子都已发现。证明了标准模型的正确。

由于天然放射性源或宇宙射线产生的粒子种类及数量不能满足粒子物理学研究的需求。带电粒子加速器正是提供粒子物理研究所需粒子的人工装置。它通过正负带电粒子的碰撞或高能带电粒子撞击靶产生大量的、自然方法无法或不易得到的粒子。

科学家为了验证标准模型理论，制造了一个又一个大型加速器。例如：中国的北京正负电子对撞机，美国的连续电子束流加速器（CEBAF），欧洲大型强子对撞机等。2012年7月4日，南京大学研究团队在欧洲大型强子对撞机上参与发现了“上帝粒子”的一种。由于大型加速器的物理尺寸很大，是目前最大的科研装置，因此，我们也称其为大科学装置。

加速器是研究核物理、高能物理，认识微观世界的一个主要手段。在粒子物理发展进程中，几个大的里程碑都与加速器的发展密切相关。最近二十多年来，同步辐射装置和散裂中子源装置的出现，大大扩展了加速器的研究领域，成为众多学科的主要研究工具。如凝聚态物理、化学、生物、材料、医学等。

上个世纪建成的加速器多是常温加速器，它们在高能物理基础研究和其他领域都做岀了巨大贡献，但由于超导加速器具有造价低、运行费用低、加速梯度高、束流孔径大、可靠性好等优点，目前多数科学家主张将常温加速器的加速结构——常规加速结构改为超导加速舱。因此，上世纪末和本世纪初建成的和计划建的加速器多是使用超导加速舱。例如：美国的CEBAF，SNS，RIA，美国费米实验室研制的高功率自由电子激光，韩国的KOMAC（见图2.3及表2.5），浦项光源二期工程（PLS-II），中国北京正负电子对撞机二期升级工程（BEPCII），上海同步辐射光源（SSRF），最近刚刚批建的中国X－波段自由电子激光，目前多国实验室正在联合研制的正负电子国际对撞机（ILC）等。现在用于科学技术研究方面的几大种类加速器——对撞机、同步辐射光源、自由电子激光、散裂中子源，为了提高性能，无一不用超导舱。超导舱的研制成功，将对我国大型加速器的发展产生划时代的影响。                                               

图2.3 KOMAC束流用户分布图
 

表2.5  KOMAC束流线平台用途

自从人们认识到大科学装置除了可以探索微观世界外，还可用于很多其它领域，产生众多的科技成果后，大力发展带电粒子加速器的应用已经成为加速器发展的潮流。例如：目前已经投入使用的和正在建设的多个同步光源、自由电子激光、辐照加速器、洁净和能源、散裂中子源等。

特别值得一提的是2014年投入使用的韩国多功能加速器束流应用平台（KOMAC）。KOMAC是一台专门用于多学科、多产业、多领域的科技与经济转移转化的加速器。KOMAC是由一台强流质子直线加速器产生20MeV和100MeV、流强为20mA的质子束，这些质子束被送到两个束流应用平台，供基础科学、核科学与技术、航天航空、工业、材料、生物医疗、核材料、国防设备等诸多领域的用户进行技术研发与产业化实验（见图2.4）。

图2.4  韩国多功能加速器束流应用平台（KOMAC）

由此可见，将大科学装置用于科技与经济的转移转化平台已经是现代科技发展的必然趋势。建设南京质子源，作为多产业技术研发与转移中心，为我国和江苏省科技与经济转移转化建造一个畅通无阻的通道，也是国际大科学装置发展的必然。

加速器是世界上最大的科研仪器，加速器水平的高低，代表了一个国家的科技水平。强流超导加速器的研制成功将使我国科研水平实现跨越式的提高，能够真正提高我国的综合实力。随着带电粒子加速器的非高能物理应用发展，其与社会经济的关系越来越紧密。

加速器的科研应用（包括核与非核）产生了新的学科分支（如同步辐射、自由电子激光等）和带动各种科技的发展，其结果当然是伴随着巨大的经济效益。世界上功率最大的速调管、规模最大的超导致冷系统、体积最大的超高真空系统、能产生最高磁场的超导体等等，都是因研制加速器而出现的。仅以超导体而言，目前世界产值已达35亿美元之巨。

西欧核子中心曾对160家承担高能加速及实验设施的高技术工厂（包括电子、电器、真空、焊接、精密机械、光学仪器、计算机等）进行过调查，把由于承担任务而导致的营业额的增加和成本的减少与合同金额的比数称为效益，统计结果表明平均效益为4.2，这也许可以作为间接效益的举例吧。

由于加速器的广泛应用前景和现实应用价值，研制和生产加速器已经成为一些公司和国家发展经济的新热点。加速器在非核领域有广阔的应用，而且许多应用还在发展之中，有些则已经形成相当规模的产业。