Ο επιταχυντής σωματιδίων είναι μια συσκευή που δημιουργεί μια δέσμη ηλεκτρικά φορτισμένων ατομικών ή υποατομικών σωματιδίων που κινούνται με ταχύτητες σχεδόν φωτός. Το έργο του βασίζεται σε μια αύξηση της ενέργειάς τους από ένα ηλεκτρικό πεδίο και μια αλλαγή στην τροχιά - από μια μαγνητική.
Τι χρησιμεύουν οι επιταχυντές σωματιδίων;
Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της βιομηχανίας. Σήμερα, υπάρχουν πάνω από 30 χιλιάδες από αυτά σε όλο τον κόσμο. Για έναν φυσικό, οι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμεύουν ως εργαλείο για θεμελιώδη έρευνα σχετικά με τη δομή των ατόμων, τη φύση των πυρηνικών δυνάμεων και τις ιδιότητες των πυρήνων που δεν υπάρχουν στη φύση. Τα τελευταία περιλαμβάνουν υπερουράνιο και άλλα ασταθή στοιχεία.
Με τη βοήθεια ενός σωλήνα εκκένωσης, έγινε δυνατός ο προσδιορισμός της συγκεκριμένης φόρτισης. Οι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμοποιούνται επίσης στην παραγωγή ραδιοϊσοτόπων, στη βιομηχανική ακτινογραφία, στην ακτινοθεραπεία, στην αποστείρωση βιολογικών υλικών και στον ραδιενεργό άνθρακαανάλυση. Οι μεγαλύτερες εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται για τη μελέτη θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων.
Η διάρκεια ζωής των φορτισμένων σωματιδίων σε ηρεμία σε σχέση με τον επιταχυντή είναι μικρότερη από αυτή των σωματιδίων που επιταχύνονται σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αυτό επιβεβαιώνει τη σχετικότητα των χρονικών διαστημάτων SRT. Για παράδειγμα, στο CERN, επιτεύχθηκε 29 φορές αύξηση στη διάρκεια ζωής των μιονίων με ταχύτητα 0,9994c.
Αυτό το άρθρο περιγράφει πώς λειτουργεί ένας επιταχυντής σωματιδίων, την ανάπτυξή του, διαφορετικούς τύπους και διακριτικά χαρακτηριστικά.
Αρχές επιτάχυνσης
Ανεξάρτητα από τους επιταχυντές σωματιδίων που γνωρίζετε, όλοι έχουν κοινά στοιχεία. Πρώτον, πρέπει όλα να έχουν μια πηγή ηλεκτρονίων στην περίπτωση ενός τηλεοπτικού κινοσκόπιου ή ηλεκτρονίων, πρωτονίων και των αντισωματιδίων τους στην περίπτωση μεγαλύτερων εγκαταστάσεων. Επιπλέον, πρέπει όλα να έχουν ηλεκτρικά πεδία για να επιταχύνουν τα σωματίδια και μαγνητικά πεδία για να ελέγχουν την τροχιά τους. Επιπλέον, το κενό στον επιταχυντή σωματιδίων (10-11 mm Hg), δηλαδή η ελάχιστη ποσότητα υπολειπόμενου αέρα, είναι απαραίτητο για τη διασφάλιση μεγάλης διάρκειας ζωής των δοκών. Και, τέλος, όλες οι εγκαταστάσεις πρέπει να διαθέτουν τα μέσα για να καταγράφουν, να μετρούν και να μετρούν τα επιταχυνόμενα σωματίδια.
Γενιά
Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, που χρησιμοποιούνται συχνότερα στους επιταχυντές, βρίσκονται σε όλα τα υλικά, αλλά πρώτα πρέπει να απομονωθούν από αυτά. Συνήθως παράγονται ηλεκτρόνιαακριβώς όπως σε ένα κινοσκόπιο - σε μια συσκευή που ονομάζεται "όπλο". Είναι μια κάθοδος (αρνητικό ηλεκτρόδιο) σε κενό, η οποία θερμαίνεται μέχρι το σημείο όπου τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να αποσπώνται από τα άτομα. Τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια έλκονται προς την άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο) και διέρχονται από την έξοδο. Το ίδιο το όπλο είναι επίσης ο απλούστερος επιταχυντής, αφού τα ηλεκτρόνια κινούνται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Η τάση μεταξύ της καθόδου και της ανόδου είναι συνήθως μεταξύ 50-150 kV.
Εκτός από τα ηλεκτρόνια, όλα τα υλικά περιέχουν πρωτόνια, αλλά μόνο οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου αποτελούνται από μεμονωμένα πρωτόνια. Επομένως, η πηγή των σωματιδίων για τους επιταχυντές πρωτονίων είναι το αέριο υδρογόνο. Σε αυτή την περίπτωση, το αέριο ιονίζεται και τα πρωτόνια διαφεύγουν μέσω της οπής. Σε μεγάλους επιταχυντές, τα πρωτόνια παράγονται συχνά ως αρνητικά ιόντα υδρογόνου. Είναι άτομα με επιπλέον ηλεκτρόνιο, τα οποία είναι το προϊόν ιονισμού ενός διατομικού αερίου. Είναι ευκολότερο να δουλέψετε με αρνητικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου στα αρχικά στάδια. Στη συνέχεια περνούν από ένα λεπτό φύλλο που τους στερεί ηλεκτρόνια πριν από το τελικό στάδιο της επιτάχυνσης.
Επιτάχυνση
Πώς λειτουργούν οι επιταχυντές σωματιδίων; Το βασικό χαρακτηριστικό οποιουδήποτε από αυτά είναι το ηλεκτρικό πεδίο. Το απλούστερο παράδειγμα είναι ένα ομοιόμορφο στατικό πεδίο μεταξύ θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών δυναμικών, παρόμοιο με αυτό που υπάρχει μεταξύ των ακροδεκτών μιας ηλεκτρικής μπαταρίας. Σε τέτοιαπεδίο, ένα ηλεκτρόνιο που φέρει αρνητικό φορτίο υπόκειται σε μια δύναμη που το κατευθύνει προς ένα θετικό δυναμικό. Τον επιταχύνει και αν δεν υπάρχει τίποτα που να το εμποδίσει, η ταχύτητα και η ενέργειά του αυξάνονται. Τα ηλεκτρόνια που κινούνται προς ένα θετικό δυναμικό σε ένα σύρμα ή ακόμα και στον αέρα συγκρούονται με άτομα και χάνουν ενέργεια, αλλά αν βρίσκονται στο κενό, επιταχύνονται καθώς πλησιάζουν την άνοδο.
Η τάση μεταξύ της αρχικής και της τελικής θέσης ενός ηλεκτρονίου καθορίζει την ενέργεια που αποκτάται από αυτό. Όταν κινείται μέσα σε μια διαφορά δυναμικού 1 V, ισούται με 1 ηλεκτρονιοβολτ (eV). Αυτό ισοδυναμεί με 1,6 × 10-19 τζάουλ. Η ενέργεια ενός ιπτάμενου κουνουπιού είναι ένα τρισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη. Σε ένα κινοσκόπιο, τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται με τάση άνω των 10 kV. Πολλοί επιταχυντές επιτυγχάνουν πολύ υψηλότερες ενέργειες, μετρημένες σε mega-, giga- και teraelectrovolt.
Ποικιλίες
Μερικοί από τους πρώτους τύπους επιταχυντών σωματιδίων, όπως ο πολλαπλασιαστής τάσης και η γεννήτρια Van de Graaff, χρησιμοποιούσαν σταθερά ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από δυναμικά έως και ένα εκατομμύριο βολτ. Δεν είναι εύκολο να δουλέψεις με τόσο υψηλές τάσεις. Μια πιο πρακτική εναλλακτική είναι η επαναλαμβανόμενη δράση ασθενών ηλεκτρικών πεδίων που δημιουργούνται από χαμηλά δυναμικά. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται σε δύο τύπους σύγχρονων επιταχυντών - γραμμικούς και κυκλικούς (κυρίως σε κυκλοτρόνια και σύγχρονα). Οι γραμμικοί επιταχυντές σωματιδίων, με λίγα λόγια, τους περνούν μια φορά μέσα από μια ακολουθίαεπιταχυνόμενα πεδία, ενώ στο κυκλικό κινούνται επανειλημμένα κατά μήκος μιας κυκλικής διαδρομής μέσα από σχετικά μικρά ηλεκτρικά πεδία. Και στις δύο περιπτώσεις, η τελική ενέργεια των σωματιδίων εξαρτάται από τη συνδυασμένη επίδραση των πεδίων, έτσι ώστε πολλά μικρά "κουνήματα" αθροίζονται για να δώσουν το συνδυασμένο αποτέλεσμα ενός μεγάλου.
Η επαναλαμβανόμενη δομή ενός γραμμικού επιταχυντή για τη δημιουργία ηλεκτρικών πεδίων περιλαμβάνει φυσικά τη χρήση εναλλασσόμενου ρεύματος και όχι συνεχούς τάσης. Τα θετικά φορτισμένα σωματίδια επιταχύνονται προς το αρνητικό δυναμικό και παίρνουν νέα ώθηση αν περάσουν από το θετικό. Στην πράξη, η τάση πρέπει να αλλάζει πολύ γρήγορα. Για παράδειγμα, με ενέργεια 1 MeV, ένα πρωτόνιο ταξιδεύει με πολύ υψηλές ταχύτητες 0,46 της ταχύτητας του φωτός, ταξιδεύοντας 1,4 m σε 0,01 ms. Αυτό σημαίνει ότι σε ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο μήκους πολλών μέτρων, τα ηλεκτρικά πεδία πρέπει να αλλάζουν κατεύθυνση σε συχνότητα τουλάχιστον 100 MHz. Οι γραμμικοί και κυκλικοί επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων, κατά κανόνα, τους επιταχύνουν χρησιμοποιώντας εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία με συχνότητα από 100 έως 3000 MHz, δηλαδή από ραδιοκύματα έως μικροκύματα.
Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι ένας συνδυασμός εναλλασσόμενων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που ταλαντώνονται κάθετα μεταξύ τους. Το βασικό σημείο του επιταχυντή είναι να ρυθμίσει το κύμα έτσι ώστε όταν φθάνει το σωματίδιο, το ηλεκτρικό πεδίο να κατευθύνεται σύμφωνα με το διάνυσμα της επιτάχυνσης. Αυτό μπορεί να γίνει με ένα στάσιμο κύμα - ένας συνδυασμός κυμάτων που ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις σε έναν κλειστό βρόχο.χώρο, όπως τα ηχητικά κύματα σε έναν σωλήνα οργάνων. Μια εναλλακτική λύση για τα πολύ γρήγορα κινούμενα ηλεκτρόνια που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός είναι ένα κινούμενο κύμα.
Αυτόματη φάση
Ένα σημαντικό αποτέλεσμα κατά την επιτάχυνση σε ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο είναι η "αυτοφάση". Σε έναν κύκλο ταλάντωσης, το εναλλασσόμενο πεδίο πηγαίνει από το μηδέν μέσω μιας μέγιστης τιμής ξανά στο μηδέν, πέφτει στο ελάχιστο και ανεβαίνει στο μηδέν. Έτσι περνάει την τιμή που απαιτείται για να επιταχυνθεί δύο φορές. Εάν το επιταχυνόμενο σωματίδιο φτάσει πολύ νωρίς, τότε δεν θα επηρεαστεί από ένα πεδίο επαρκούς ισχύος και η ώθηση θα είναι ασθενής. Όταν φτάσει στο επόμενο τμήμα, θα καθυστερήσει και θα έχει ισχυρότερο αντίκτυπο. Ως αποτέλεσμα, θα συμβεί αυτόματη φάση, τα σωματίδια θα βρίσκονται σε φάση με το πεδίο σε κάθε επιταχυνόμενη περιοχή. Ένα άλλο αποτέλεσμα θα ήταν η ομαδοποίηση τους με την πάροδο του χρόνου σε συστάδες και όχι σε συνεχή ροή.
Κατεύθυνση δέσμης
Τα μαγνητικά πεδία παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στον τρόπο λειτουργίας ενός επιταχυντή φορτισμένων σωματιδίων, καθώς μπορούν να αλλάξουν την κατεύθυνση της κίνησής τους. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να «λυγίσουν» τις δοκούς κατά μήκος μιας κυκλικής διαδρομής έτσι ώστε να περάσουν από το ίδιο τμήμα επιτάχυνσης πολλές φορές. Στην απλούστερη περίπτωση, ένα φορτισμένο σωματίδιο που κινείται σε ορθή γωνία προς την κατεύθυνση ενός ομοιόμορφου μαγνητικού πεδίου υπόκειται σε μια δύναμηκάθετο τόσο στο διάνυσμα της μετατόπισής του όσο και στο πεδίο. Αυτό αναγκάζει τη δέσμη να κινείται κατά μήκος μιας κυκλικής τροχιάς κάθετα στο πεδίο μέχρι να εγκαταλείψει την περιοχή δράσης της ή να αρχίσει να ασκεί άλλη δύναμη πάνω της. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται σε κυκλικούς επιταχυντές όπως το κυκλοτρόνιο και το σύγχροτρο. Σε ένα κυκλοτρόνιο, ένα σταθερό πεδίο δημιουργείται από έναν μεγάλο μαγνήτη. Τα σωματίδια, καθώς αυξάνεται η ενέργειά τους, κινούνται σπειροειδή προς τα έξω, επιταχύνοντας με κάθε περιστροφή. Σε ένα σύγχροτρο, τα τσαμπιά κινούνται γύρω από έναν δακτύλιο με σταθερή ακτίνα και το πεδίο που δημιουργείται από τους ηλεκτρομαγνήτες γύρω από τον δακτύλιο αυξάνεται καθώς τα σωματίδια επιταχύνονται. Οι μαγνήτες "κάμπτοντας" είναι δίπολα με τον βόρειο και τον νότιο πόλο λυγισμένο σε σχήμα πετάλου έτσι ώστε η δέσμη να μπορεί να περάσει ανάμεσά τους.
Η δεύτερη σημαντική λειτουργία των ηλεκτρομαγνητών είναι να συγκεντρώνουν τις δέσμες έτσι ώστε να είναι όσο το δυνατόν στενότερες και έντονες. Η απλούστερη μορφή ενός μαγνήτη εστίασης είναι με τέσσερις πόλους (δύο βόρειους και δύο νότιους) ο ένας απέναντι από τον άλλο. Σπρώχνουν τα σωματίδια προς το κέντρο προς μία κατεύθυνση, αλλά τους επιτρέπουν να διαδοθούν στην κάθετη κατεύθυνση. Οι τετραπολικοί μαγνήτες εστιάζουν τη δέσμη οριζόντια, επιτρέποντάς της να βγει εκτός εστίασης κάθετα. Για να γίνει αυτό, πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε ζεύγη. Πιο πολύπλοκοι μαγνήτες με περισσότερους πόλους (6 και 8) χρησιμοποιούνται επίσης για πιο ακριβή εστίαση.
Καθώς αυξάνεται η ενέργεια των σωματιδίων, αυξάνεται η ισχύς του μαγνητικού πεδίου που τα οδηγεί. Αυτό διατηρεί τη δοκό στην ίδια διαδρομή. Ο θρόμβος εισάγεται στον δακτύλιο και επιταχύνεταιαπαιτούσε ενέργεια προτού αποσυρθεί και χρησιμοποιηθεί σε πειράματα. Η ανάσυρση επιτυγχάνεται από ηλεκτρομαγνήτες που ενεργοποιούνται για να ωθήσουν τα σωματίδια έξω από τον δακτύλιο σύγχροτρον.
Σύγκρουση
Οι επιταχυντές σωματιδίων που χρησιμοποιούνται στην ιατρική και τη βιομηχανία παράγουν κυρίως μια δέσμη για συγκεκριμένο σκοπό, όπως η ακτινοθεραπεία ή η εμφύτευση ιόντων. Αυτό σημαίνει ότι τα σωματίδια χρησιμοποιούνται μία φορά. Για πολλά χρόνια, το ίδιο ίσχυε για τους επιταχυντές που χρησιμοποιούνται στη βασική έρευνα. Αλλά στη δεκαετία του 1970, αναπτύχθηκαν δακτύλιοι στους οποίους οι δύο δέσμες κυκλοφορούν σε αντίθετες κατευθύνσεις και συγκρούονται κατά μήκος ολόκληρου του κυκλώματος. Το κύριο πλεονέκτημα τέτοιων εγκαταστάσεων είναι ότι σε μια μετωπική σύγκρουση, η ενέργεια των σωματιδίων πηγαίνει απευθείας στην ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ τους. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με αυτό που συμβαίνει όταν η δέσμη συγκρούεται με υλικό σε ηρεμία: σε αυτήν την περίπτωση, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας δαπανάται για την κίνηση του υλικού στόχου, σύμφωνα με την αρχή της διατήρησης της ορμής.
Ορισμένες μηχανές δέσμης που συγκρούονται είναι κατασκευασμένες με δύο δακτυλίους που τέμνονται σε δύο ή περισσότερα σημεία, στους οποίους σωματίδια του ίδιου τύπου κυκλοφορούν σε αντίθετες κατευθύνσεις. Οι συγκρουόμενοι με σωματίδια και αντισωματίδια είναι πιο συνηθισμένοι. Ένα αντισωματίδιο έχει το αντίθετο φορτίο από το αντίστοιχο σωματίδιο του. Για παράδειγμα, ένα ποζιτρόνιο είναι θετικά φορτισμένο, ενώ ένα ηλεκτρόνιο είναι αρνητικά. Αυτό σημαίνει ότι το πεδίο που επιταχύνει το ηλεκτρόνιο επιβραδύνει το ποζιτρόνιο,κινείται προς την ίδια κατεύθυνση. Αν όμως το τελευταίο κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση, θα επιταχυνθεί. Ομοίως, ένα ηλεκτρόνιο που κινείται μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο θα κάμπτεται προς τα αριστερά και ένα ποζιτρόνιο θα κάμπτεται προς τα δεξιά. Αλλά αν το ποζιτρόνιο κινηθεί προς το μέρος του, τότε η διαδρομή του θα εξακολουθεί να αποκλίνει προς τα δεξιά, αλλά κατά μήκος της ίδιας καμπύλης με το ηλεκτρόνιο. Μαζί, αυτό σημαίνει ότι αυτά τα σωματίδια μπορούν να κινηθούν κατά μήκος του δακτυλίου σύγχροτρον λόγω των ίδιων μαγνητών και να επιταχυνθούν από τα ίδια ηλεκτρικά πεδία σε αντίθετες κατευθύνσεις. Πολλοί από τους πιο ισχυρούς επιταχυντές σε συγκρουόμενες δέσμες έχουν δημιουργηθεί σύμφωνα με αυτήν την αρχή, καθώς απαιτείται μόνο ένας δακτύλιος επιτάχυνσης.
Η δέσμη στο σύγχροτρο δεν κινείται συνεχώς, αλλά συνδυάζεται σε «συστάδες». Μπορεί να έχουν μήκος αρκετά εκατοστά και διάμετρο ένα δέκατο του χιλιοστού και περιέχουν περίπου 1012 σωματίδια. Αυτή είναι μια μικρή πυκνότητα, καθώς μια ουσία αυτού του μεγέθους περιέχει περίπου 1023 άτομα. Επομένως, όταν οι δέσμες τέμνονται με τις επερχόμενες δέσμες, υπάρχει μόνο μια μικρή πιθανότητα τα σωματίδια να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους. Στην πράξη, τα τσαμπιά συνεχίζουν να κινούνται κατά μήκος του δακτυλίου και συναντώνται ξανά. Το βαθύ κενό στον επιταχυντή σωματιδίων (10-11 mmHg) είναι απαραίτητο ώστε τα σωματίδια να μπορούν να κυκλοφορούν για πολλές ώρες χωρίς να συγκρούονται με μόρια αέρα. Επομένως, οι δακτύλιοι ονομάζονται επίσης συσσωρευτικοί, καθώς οι δέσμες αποθηκεύονται στην πραγματικότητα σε αυτούς για αρκετές ώρες.
Εγγραφή
Οι επιταχυντές σωματιδίων ως επί το πλείστον μπορούν να καταγράψουν τι συμβαίνει πότεόταν τα σωματίδια χτυπούν έναν στόχο ή μια άλλη δέσμη που κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Σε ένα τηλεοπτικό κινοσκόπιο, τα ηλεκτρόνια από ένα όπλο χτυπούν έναν φώσφορο στην εσωτερική επιφάνεια της οθόνης και εκπέμπουν φως, το οποίο αναπαράγει έτσι τη μεταδιδόμενη εικόνα. Στους επιταχυντές, τέτοιοι εξειδικευμένοι ανιχνευτές ανταποκρίνονται σε διάσπαρτα σωματίδια, αλλά συνήθως έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν ηλεκτρικά σήματα που μπορούν να μετατραπούν σε δεδομένα υπολογιστή και να αναλυθούν χρησιμοποιώντας προγράμματα υπολογιστή. Μόνο φορτισμένα στοιχεία δημιουργούν ηλεκτρικά σήματα περνώντας μέσα από ένα υλικό, για παράδειγμα διεγείροντας ή ιονίζοντας άτομα, και μπορούν να ανιχνευθούν άμεσα. Ουδέτερα σωματίδια όπως τα νετρόνια ή τα φωτόνια μπορούν να ανιχνευθούν έμμεσα μέσω της συμπεριφοράς των φορτισμένων σωματιδίων που θέτουν σε κίνηση.
Υπάρχουν πολλοί εξειδικευμένοι ανιχνευτές. Μερικά από αυτά, όπως ο μετρητής Geiger, απλά μετρούν τα σωματίδια, ενώ άλλα χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, για την καταγραφή ιχνών, τη μέτρηση της ταχύτητας ή τη μέτρηση της ποσότητας ενέργειας. Οι σύγχρονοι ανιχνευτές κυμαίνονται σε μέγεθος και τεχνολογία από μικρές συσκευές συζευγμένου φορτίου έως μεγάλους θαλάμους γεμάτους με σύρμα γεμάτες αέριο που ανιχνεύουν τα ιονισμένα ίχνη που δημιουργούνται από φορτισμένα σωματίδια.
Ιστορία
Οι επιταχυντές σωματιδίων αναπτύχθηκαν κυρίως για τη μελέτη των ιδιοτήτων των ατομικών πυρήνων και των στοιχειωδών σωματιδίων. Από την ανακάλυψη της αντίδρασης μεταξύ του πυρήνα του αζώτου και του σωματιδίου άλφα από τον Βρετανό φυσικό Ernest Rutherford το 1919, όλη η έρευνα στην πυρηνική φυσική μέχριΤο 1932 πέρασε με πυρήνες ηλίου που απελευθερώθηκαν από τη διάσπαση των φυσικών ραδιενεργών στοιχείων. Τα φυσικά σωματίδια άλφα έχουν κινητική ενέργεια 8 MeV, αλλά ο Ράδερφορντ πίστευε ότι για να παρατηρηθεί η διάσπαση των βαρέων πυρήνων, πρέπει να επιταχυνθούν τεχνητά σε ακόμη μεγαλύτερες τιμές. Τότε φαινόταν δύσκολο. Ωστόσο, ένας υπολογισμός που έγινε το 1928 από τον Georgy Gamow (στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν, Γερμανία) έδειξε ότι μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ιόντα με πολύ χαμηλότερες ενέργειες, και αυτό ώθησε τις προσπάθειες να κατασκευαστεί μια εγκατάσταση που παρείχε μια δέσμη επαρκή για πυρηνική έρευνα.
Άλλα γεγονότα αυτής της περιόδου κατέδειξαν τις αρχές με τις οποίες κατασκευάζονται οι επιταχυντές σωματιδίων μέχρι σήμερα. Τα πρώτα επιτυχημένα πειράματα με τεχνητά επιταχυνόμενα ιόντα πραγματοποιήθηκαν από τους Cockcroft και W alton το 1932 στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Χρησιμοποιώντας έναν πολλαπλασιαστή τάσης, επιτάχυναν τα πρωτόνια στα 710 keV και έδειξαν ότι τα τελευταία αντιδρούν με τον πυρήνα του λιθίου για να σχηματίσουν δύο σωματίδια άλφα. Μέχρι το 1931, στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον στο Νιου Τζέρσεϊ, ο Ρόμπερτ βαν ντε Γκράαφ είχε κατασκευάσει την πρώτη ηλεκτροστατική γεννήτρια ιμάντα υψηλών δυνατοτήτων. Οι πολλαπλασιαστές τάσης Cockcroft-W alton και οι γεννήτριες Van de Graaff εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως πηγές ενέργειας για επιταχυντές.
Η αρχή ενός γραμμικού συντονιστικού επιταχυντή καταδείχθηκε από τον Rolf Wideröe το 1928. Στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Ρηνανίας-Βεστφαλίας στο Άαχεν, Γερμανία, χρησιμοποίησε υψηλή εναλλασσόμενη τάση για να επιταχύνει δύο φορές τα ιόντα νατρίου και καλίου σε ενέργειεςυπερβαίνει αυτές που αναφέρουν. Το 1931 στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο Ernest Lawrence και ο βοηθός του David Sloan από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ χρησιμοποίησαν πεδία υψηλής συχνότητας για να επιταχύνουν τα ιόντα υδραργύρου σε ενέργειες άνω των 1,2 MeV. Αυτή η εργασία συμπλήρωσε τον επιταχυντή βαρέων σωματιδίων Wideröe, αλλά οι δέσμες ιόντων δεν ήταν χρήσιμες στην πυρηνική έρευνα.
Ο επιταχυντής μαγνητικού συντονισμού, ή κυκλοτρόνιο, επινοήθηκε από τον Lawrence ως τροποποίηση της εγκατάστασης Wideröe. Ο μαθητής του Lawrence Livingston απέδειξε την αρχή του κυκλοτρονίου το 1931 παράγοντας ιόντα 80 keV. Το 1932 ο Lawrence και ο Livingston ανακοίνωσαν την επιτάχυνση των πρωτονίων σε πάνω από 1 MeV. Αργότερα στη δεκαετία του 1930, η ενέργεια των κυκλοτρονίων έφτασε περίπου τα 25 MeV, και αυτή των γεννητριών Van de Graaff έφτασε περίπου τα 4 MeV. Το 1940, ο Donald Kerst, εφαρμόζοντας τα αποτελέσματα προσεκτικών τροχιακών υπολογισμών στο σχεδιασμό των μαγνητών, κατασκεύασε το πρώτο betatron, έναν επιταχυντή ηλεκτρονίων μαγνητικής επαγωγής, στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις.
Σύγχρονη φυσική: επιταχυντές σωματιδίων
Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, η επιστήμη της επιτάχυνσης των σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες σημείωσε ταχεία πρόοδο. Ξεκίνησε από τον Edwin Macmillan στο Berkeley και τον Vladimir Veksler στη Μόσχα. Το 1945, και οι δύο περιέγραψαν ανεξάρτητα την αρχή της σταθερότητας φάσης. Αυτή η ιδέα προσφέρει ένα μέσο διατήρησης σταθερών τροχιών σωματιδίων σε έναν κυκλικό επιταχυντή, ο οποίος αφαίρεσε τον περιορισμό στην ενέργεια των πρωτονίων και κατέστησε δυνατή τη δημιουργία επιταχυντών μαγνητικού συντονισμού (συγρότρον) για τα ηλεκτρόνια. Η αυτόματη φάση, η εφαρμογή της αρχής της σταθερότητας φάσης, έχει επιβεβαιωθεί μετά την κατασκευήένα μικρό σύγχροτρον στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια και ένα σύγχροτρο στην Αγγλία. Λίγο αργότερα, δημιουργήθηκε ο πρώτος γραμμικός επιταχυντής συντονισμού πρωτονίων. Αυτή η αρχή έχει χρησιμοποιηθεί σε όλα τα μεγάλα σύγχρονα πρωτονίων που κατασκευάστηκαν από τότε.
Το 1947, ο William Hansen, στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, κατασκεύασε τον πρώτο επιταχυντή ηλεκτρονίων γραμμικών κινούμενων κυμάτων χρησιμοποιώντας τεχνολογία μικροκυμάτων που αναπτύχθηκε για ραντάρ κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.
Η πρόοδος στην έρευνα κατέστη δυνατή με την αύξηση της ενέργειας των πρωτονίων, η οποία οδήγησε στην κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων επιταχυντών. Αυτή η τάση έχει σταματήσει λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής τεράστιων μαγνητών δακτυλίων. Το μεγαλύτερο ζυγίζει περίπου 40.000 τόνους. Τρόποι αύξησης της ενέργειας χωρίς αύξηση του μεγέθους των μηχανών επιδείχθηκαν το 1952 από τους Livingston, Courant και Snyder στην τεχνική της εναλλασσόμενης εστίασης (μερικές φορές ονομάζεται ισχυρή εστίαση). Τα σύγχροτρα που βασίζονται σε αυτή την αρχή χρησιμοποιούν μαγνήτες 100 φορές μικρότερους από πριν. Τέτοια εστίαση χρησιμοποιείται σε όλα τα σύγχρονα σύγχρονα.
Το 1956, ο Kerst συνειδητοποίησε ότι εάν δύο ομάδες σωματιδίων διατηρούνταν σε διασταυρούμενες τροχιές, θα μπορούσαν να παρατηρηθούν να συγκρούονται. Η εφαρμογή αυτής της ιδέας απαιτούσε τη συσσώρευση επιταχυνόμενων δεσμών σε κύκλους που ονομάζονται αποθήκευση. Αυτή η τεχνολογία κατέστησε δυνατή την επίτευξη της μέγιστης ενέργειας αλληλεπίδρασης των σωματιδίων.
