Wraz z rozwojem nauki możliwe stały się doświadczenia z wykorzystaniem cząstek naładowanych . Początkowo naukowcy pozyskiwali je z substancji promieniotwórczych. Jednak cząstki pozyskiwane w ten sposób miały zbyt małą energię, żeby mogły być użyte we wszystkich zaplanowanych doświadczeniach.

Okazało się , że doskonałym sposobem na otrzymywanie cząstek o wysokich energiach są akceleratory.

Energie do jakich mogą być przyspieszane takie cząstki mieszczą się w przedziale od kilkudziesięciu kiloelektronowoltów (keV) do kilkuset gigaelektronowoltów (GeV). Ponieważ w tym urządzeniu mogą być przyspieszane cząstki posiadające ładunek elektryczny, więc dotyczy to elektronów, protonów, deuteronów a także jonów wielu pierwiastków. Jednym z kryterium podziału akceleratorów jest kształt toru przyspieszanych cząstek. I właśnie ze względu na kształt akceleratory dzieli się na: liniowe , kołowe i spiralne.

Właśnie akceleratory liniowe stanowią w ostatnich czasach główny przedmiot badań.

Akceleratory liniowe buduje się w taki sposób, aby cząstka poruszająca się po torze liniowym przechodziła przez każdy punkt jednokrotnie.

Cząstki kierowane są po tych torach prostoliniowych przez kolejne następujące po sobie obszary pola elektrycznego. Podczas przemieszczania się wzdłuż akceleratora ich energia ulega zwiększeniu. Następnie wiązki takich przyspieszonych cząstek uderzają w tarczę stacjonarną bądź w przeciwbieżną wiązkę cząstek.

W akceleratorach kołowych następuje stopniowe przyspieszanie naładowanych cząstek. Strumienie przyspieszanych cząstek krążą w akceleratorze po torach kołowych, tak więc wielokrotnie przechodzą przez ten sam obszar i za każdym razem dostają nową porcję energii. Tory cząstek zakrzywiane są przez pole magnetyczne od magnesów trwałych natomiast pole elektryczne nadaje im przyspieszenie.

Aby uniknąć wytracania energii przez cząstki na skutek zderzeń z cząsteczkami powietrza w akceleratorach musi być utrzymana wysoka próżnia.

Warto jednak uświadomić sobie od czego zaczęła się historia akceleratorów. Pierwszy akcelerator do przyspieszania cząstek elementarnych powstał przy współpracy Cockcrofta , Waltona oraz Rutherforda. Podstawowymi elementami składowymi tej konstrukcji były: komora przyspieszająca i elektrody przyspieszające. Wewnątrz komory umieszczone było źródło emitujące elektrony. W obszarze pomiędzy katoda i anodą dochodziło do wytworzenia pola elektrycznego. I właśnie w obszar tego pola dostawały się elektrony wysyłane z katody. Ulegały zatem przyspieszeniu w tym polu. Następnie powodowały akty jonizacji w gazie w pobliżu anody. W wyniku tego procesu powstawały protony, które następnie ulegały przyspieszeniu nawet do energii równej 150 keV. Następnie protony wydostawały się z komory za pomocą okienka. Naprzeciw tego okienka naukowcy umieścili tarczę wykonana z litu. Dochodziło zatem do bombardowania tej tarczy przez protony. Okazywało się, ze w wyniku tego procesu powstają cząstki o energiach dochodzących do 8.6 MeV. Naukowcy wyjaśnili ten fakt powstającym w wyniku bombardowania jądrem berylu , które ulegało natychmiastowemu rozpadowi na dwie cząstki alfa. Zmierzona energia 8.6 MeV byłą to energia pojedynczej cząstki. Stad wniosek, że w wyniku rozpadu jądra berylu uwalniała się dwukrotnie większa energia.

Tak więc po raz pierwszy w historii nauki sztucznie przyspieszone w tym "dziale elektronowym" cząstki zostały użyte do wywołania przemian jądrowych. Doświadczenie to otworzyło drogę do badań nad innymi urządzeniami tego typu.

W kolejnych akceleratorach zaczęto wykorzystywać generatory wyższych napięć. Był to przede wszystkim generator elektrostatyczny Van der Graaffa lub generatory kaskadowe. Wszystkie te akceleratory noszą nazwę akceleratorów liniowych wysokonapięciowych. Ich zasadniczą wadą jest to, że komora przyspieszająca musi charakteryzować się bardzo wysoką izolacyjnością. Napięcia, które występują w tego typu urządzeniach sięgają ok. 15 MV, co odpowiada energii cząstek równej 15 MeV.

Takiej wady nie mają akceleratory liniowe wysokich częstotliwości. W akceleratorach tego typu cząstki także poruszają się po liniach prostych. Poruszają się wewnątrz elektrod. Ulegają one przyspieszeniu pod wpływem napięcia o dużej częstotliwości. Napięcie to jest przyłączane do kolejnych elektrod w taki sposób, aby cząstka mogła być przyspieszana gdy znajduje się w prezerwie między elektrodami. W takich akceleratorach cząstki mogą być przyspieszane do energii nawet rzędu dziesiątek GeV. Jedyną chyba wadą akceleratora tego typu są wymagane jego bardzo duże rozmiary, które sięgają tysięcy metrów.

Kolejnym krokiem było skonstruowanie urządzenia zwanego cyklotronem należącego do akceleratorów cyklicznych.

Mianowicie w latach trzydziestych ubiegłego wieku na Uniwersytecie w Berkeley prace nad skonstruowaniem urządzenia przyspieszającego jony prowadziło dwóch naukowców. Byli to: E.O. Lawrence i M.S. Livingston. Prace zakończyły się sukcesem. Opracowane urządzenie miało postać dwóch komór pustych w środku zwanych duantami. Komory te miały kształt półkul i wykonane były z metalu. Duanty zostały ustawione naprzeciw siebie płaskimi fragmentami tak aby rozdzielał je pusty obszar. W tej przestrzeni umieszczono źródło jonów. Cała konstrukcja znalazła się wewnątrz komory próżniowej pomiędzy biegunami elektromagnesu. Komory zasilane były napięciem zmiennym.

Jony po wydostaniu się ze źródła dostawały się w obszar o sinym polu magnetycznym. Tam ich tory ulegały zakrzywieniu. W obszarze pomiędzy duantami znajdowało się pole elektryczne, które z kolei przyspieszało przelatujące tamtędy jony. W ten sposób następował wzrost prędkości jonów. Przyspieszone jony dostawały się do drugiego duanta a promień ich toru był większy w porównaniu z pierwszym duantem. I znowu po wyjściu jon dostawał się pod wpływ pola elektrycznego doznając kolejnego przyspieszenia. Tak więc za każdym razem stopniowo zwiększał swoją prędkość i promień toru. W momencie gdy promień już nie mógł się zwiększyć ze względu na ograniczone możliwości urządzenia jony kierowane były ku wyjściu z akceleratora.

Urządzenie to nosiło nazwę cyklotronu.

Podsumowując więc , cyklotron wykorzystuje pole magnetyczne, aby zakrzywiać tory ruchu cząstek a pole elektryczne żeby zwiększać ich prędkość.

Do akceleratorów cyklicznych oprócz cyklotronów należą także: betatrony, synchrotrony, mikrotrony oraz akceleratory pochodne, takie jak synchrocyklotrony, cyklotrony relatywistyczne.

Synchrotrony są urządzeniami , w których stosuje się magnesy pierścieniowe zamiast magnesów zazwyczaj stosowanych w cyklotronach. Dzięki temu można wyeliminować ograniczenia związane z kosztami magnesu jak również zachowanie stałego rozmiaru orbity przyspieszanych cząstek. Przykładem pracującego synchrotronu jest urządzenie w Brookhaven National Laboratory. Jest to synchrotron do przyspieszania protonów. Maksymalna energia jaką mogą w tym urządzeniu uzyskać protony wynosi 33 GeV. Średni promień orbity protonowej ma miarę 128 metrów. Całkowita masa wykorzystanych magnesów to aż 4000 ton.

Jednym z największych synchrotronów protonowych jest ten pracujący niedaleko Chicago w stanie Illinois. Maksymalna energia protonów przekracza obecnie wartość 500 GeV. Urządzenie działa w ten sposób, że początkowo protony przyspieszane są do 750 keV dzięki zastosowaniu układu transformator - prostownik. W dalszej kolejności protony te są kierowane do akceleratora liniowego o długości 145 metrów. Przy wyjściu z tego akceleratora mają energię około 200 MeV. Z taką energią protony wchodzą do średniej wielkości synchrotronu. Ten synchrotron przyspiesza protony do energii 80 GeV. Dopiero tak przyspieszone protony dostają się do głównego pierścienia, gdzie są dalej przyspieszane.

Zadaniem pól elektrycznych i magnetycznych w tym układzie przyspieszającym jest nie tylko przyspieszanie protonów także nadawanie torom tych cząstek odpowiednich kierunków. Przede wszystkim jednak używane są do ogniskowania wiązki protonowej.

Kolejny rodzaj akceleratorów cyklicznych stanowią synchrocyklotrony. W urządzeniach tych aby zapewnić stałość warunku rezonansowego oraz zachodzenie równania :można tak dobierać częstość oscylatora aby iloczyn tej częstości i masy cząstki pozostawał stały. Masa relatywistyczna bowiem nie jest stała ale rośnie wraz ze wzrostem prędkości cząstki.

Jednym z akceleratorów służących wyłącznie do przyspieszania elektronów są mikrotrony. Nabiegunniki użytego elektromagnesu przypominają budową te z cyklotronów. Ruch elektronów odbywa się po kołowych orbitach, które stykają się w jednym punkcie. W tym punkcie zlokalizowany jest rezonator wielkiej częstotliwości. Elektrony ulegają przyspieszeniu przebiegając przez ten obszar. Taka zasada przyspieszania elektronów została zastosowana po raz pierwszy w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, mimo że została opracowana prawie 20 lat wcześniej. Dzięki mikrotronom można uzyskać elektrony o energiach od 5 do 50 MeV. Mikrotrony stosowane są głównie jako urządzenia badawcze bądź jako elementy składowe większych akceleratorów. Służą tam do wstrzykiwania elektronów.

Dzisiaj największym akceleratorem jest akcelerator liniowy wiązek przeciwbieżnych, który ma powstać w pobliżu Dallas. Prawdopodobne osiągalne energie w tym akceleratorze będą rzędu 2x20 TeV.

Wśród największych działających akceleratorów znajdują się: Tewatron, znajdujący się w Fermilabie w Chicago oraz akcelerator kołowy LEP w CERN.

Akcelerator LEP jest największym na świecie akceleratorem wiązek przeciwbieżnych elektronów i pozytonów. Nazwa tego akceleratora pochodzi od angielskiej nazwy "Large Electron Positron collider".

Akcelerator wiązek przeciwbieżnych LEP działa od roku 1989. Został zbudowany w CERN pod Genewą. Zanim powstał akcelerator na terenie tego laboratorium już 40 lat wcześniej prowadzono badania nad wysokoenergetycznymi cząstkami.

W akceleratorze LEP tunel przyspieszający ma długość 27 kilometrów. Takiego tunelu nie posiada żaden inny akcelerator na świecie. Tunel ten znajduje się pod powierzchnią ziemi na głębokości od 40 do 175 metrów.

Na początku przyspieszane cząstki czyli elektrony i pozytony dostają się do dwóch akceleratorów liniowych LIL i EPA. W pierwszym uzyskują energię 200 MeV, a w drugim 600 MeV. Następnie wchodzą do dwóch akceleratorów kołowych i tam są przyspieszane do energii odpowiednio 3.5 GeV i 20 GeV. Z takimi energiami cząstki dostają się do właściwego LEP-u i tutaj przyspieszane są do energii 91.2 GeV.

Gdy dochodzi do spotkania elektronu i pozytonu zachodzi zjawisko anihilacji. Cząstki przestają istnieć, pojawia się natomiast energia. Jednak bardzo szybko z tej energii formują się nowe cząstki. Podobne zdarzenia zachodziły w procesie ewolucji Wszechświata.

Dzięki pierwszym pracom doświadczalnym na akceleratorze LEP naukowcy uzyskali dane, dzięki którym możliwa był weryfikacja założeń modelu standardowego.

W roku 1995 rozpoczął się nowy program badawczy, którego założeniem jest testowanie modelu standardowego dla wyższych energii. Obecnie badania przeprowadzane są dla energii 184 GeV.

Rodzaje cząstek, które mogą być przyspieszane w akceleratorach

Akceleratory służą do przyspieszania cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Mogą to być zatem zarówno jony jak i cząstki elementarne czyli elektrony i protony. Jony mogą posiadać wielokrotny ładunek elementarny, mogą być zarówno dodatnie jak i ujemne.

W technice przyspieszania cząstek został wprowadzony ujednolicony system wyrażania masy i energii za pomocą tej samej jednostki. Nie jest to zresztą żadna rewolucja bo już Einstein zakładał równoważność masy i energii. Przyjętą jednostką jest 1 elektronowolt (1 eV). Jest to jednostka bardzo mała dlatego używa się jej wielokrotności czyli keV, MeV, GeV i TeV.

W akceleratorach mogą być przyspieszane następujące grupy cząstek:

* elektrony - są to składniki atomów obdarzone ładunkiem elektrycznym o wartości 1.6021917*1019 C. Masa spoczynkowa elektronu wynosi ok. 0.511 MeV. Ładunek elektronu przyjęło się uważać za elementarny co oznacza , że wszystkie ładunki występujące w przyrodzie muszą być całkowitą wielokrotnością ładunku elektronu. Antycząstką dla elektronu jest pozyton. Jest on obdarzony ładunkiem o identycznej wartości jak elektron, ale przeciwnego znaku. Elektrony mają najmniejszą masę wśród wszystkich cząstek przyspieszanych w akceleratorach.

* protony - są składnikami jader atomowych. Te obdarzone jednostkowym ładunkiem dodatnim cząstki mają masę spoczynkową wynoszącą 938 MeV. Są to cząstki o dużej trwałości dlatego są bardzo często stosowane w rozmaitych eksperymentach.

* deuterony - to jądra atomów deuteru. Deuter z kolei to izotop wodoru zawierający w jądrze jeden proton i jeden neutron. Inna nazwa deuteru to ciężki wodór. Tak więc deuteron składa się z protonu i neutronu, więc masa jest dwa razy większa od masy pojedynczego protonu.

* cząstki alfa - są to jądra atomów helu , składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Protony i neutrony są utrzymywane razem dzięki tzw. silnym oddziaływaniom jądrowym. Cząstki alfa niosą po dwa jednostkowe ładunki dodatnie. Ich masa spoczynkowa wynosi około 3733 MeV.

* ciężkie jony - są to jony pierwiastków, których liczba masowa jest większa od 2. Mogą to być zarówno jony dodatnie jak i ujemne.

Betatron

Betatron jest akceleratorem cyklicznym wykorzystywanym do przyspieszania elektronów. Przyspieszenie odbywa się dzięki poddawaniu elektronów działaniu pól elektrycznych , które powstają pod wpływem zmian strumienia magnetycznego. Zatem zachodzi klasyczny przykład indukcji elektromagnetycznej. Urządzenie to jest w stanie przyspieszać elektrony do bardzo wysokich energii. Cząstki takie są następnie wykorzystywane w badaniach fizycznych oraz do wytwarzania promieniowania rentgenowskiego w wysokiej przenikliwości.

Przykładem betatronu jest urządzenie skonstruowane przez firmę General Electric Company. Elektrony mogą tam być przyspieszane do energii 100 MeV. Takiej energii odpowiada prędkość zbliżona do prędkości światła.

Dlatego też do opisu zjawisk związanych z tymi cząstkami używa się mechaniki relatywistycznej.

Zadanie pola magnetycznego w betatronie polega nie tylko na generowaniu pola elektrycznego. Oprócz tego pozwala ono na utrzymanie elektronów na torze kołowym zapewniając przy tym stałą wielkość promienia orbity elektronowej. Pole magnetyczne ma także za zadanie wprowadzenie elektronów na orbitę oraz gdy już zostaną odpowiednio przyspieszone wyprowadzenie ich z urządzenia.