Ιστορία
Το μεγαλύτερο μέρος της ανάπτυξης επιταχυντών σωματιδίων έχει ως κίνητρο την έρευνα σχετικά με τις ιδιότητες των ατομικών πυρήνων και των υποατομικών σωματιδίων. Ξεκινώντας με την ανακάλυψη του Βρετανού φυσικού Ernest Rutherford το 1919 μιας αντίδρασης μεταξύ ενός πυρήνα αζώτου και ενός σωματιδίου άλφα, όλες οι έρευνες στην πυρηνική φυσική μέχρι το 1932 πραγματοποιήθηκαν με σωματίδια άλφα που απελευθερώθηκαν από τη διάσπαση των φυσικά ραδιενεργών στοιχείων. Τα φυσικά σωματίδια άλφα έχουν κινητική ενέργεια έως 8 MeV, αλλά ο Rutherford πίστευε ότι, για να παρατηρηθεί η διάσπαση των βαρύτερων πυρήνων από σωματίδια άλφα, θα ήταν απαραίτητο να επιταχυνθούν τεχνητά τα ιόντα σωματιδίων άλφα σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες. Εκείνη την εποχή φαινόταν μικρή η ελπίδα για παραγωγή εργαστηριακών τάσεων επαρκών για την επιτάχυνση των ιόντων στις επιθυμητές ενέργειες. Ωστόσο, ένας υπολογισμός που έγινε το 1928 από τον George Gamow (τότε στο Πανεπιστήμιο του Göttingen, Ger.) έδειξε ότι σημαντικά λιγότερο ενεργητικά ιόντα θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα, και αυτό υποκίνησε τις προσπάθειες κατασκευής ενός επιταχυντή που θα μπορούσε να παρέχει μια δέσμη σωματιδίων κατάλληλων για πυρηνική έρευνα.

Άλλες εξελίξεις εκείνης της περιόδου κατέδειξαν αρχές που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό επιταχυντών σωματιδίων. Τα πρώτα επιτυχημένα πειράματα με τεχνητά επιταχυνόμενα ιόντα πραγματοποιήθηκαν στην Αγγλία στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ από τον John Douglas Cockcroft και το ETS Walton το 1932. Χρησιμοποιώντας έναν πολλαπλασιαστή τάσης, επιτάχυναν τα πρωτόνια σε ενέργειες έως 710 keV και έδειξαν ότι αυτά αντιδρούν με τον πυρήνα λιθίου για να παράγουν δύο ενεργητικά σωματίδια άλφα. Μέχρι το 1931, στο Πανεπιστήμιο του Princeton στο New Jersey, ο Robert J. Van de Graaff είχε κατασκευάσει την πρώτη ηλεκτροστατική γεννήτρια υψηλής τάσης με ιμάντα. Οι πολλαπλασιαστές τάσης τύπου Cockcroft-Walton και οι γεννήτριες Van de Graaff εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως πηγές ενέργειας για επιταχυντές.

Η αρχή του γραμμικού επιταχυντή συντονισμού αποδείχθηκε από τον Rolf Wideröe το 1928. Στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο Rhenish-Westphalian στο Aachen, Ger., Ο Wideröe χρησιμοποίησε εναλλασσόμενη υψηλή τάση για να επιταχύνει τα ιόντα νατρίου και καλίου σε ενέργειες διπλάσιες από εκείνες που μεταδίδονται από ένα εφαρμογή της τάσης αιχμής. Το 1931 στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο Ernest O. Lawrence και ο βοηθός του David H. Sloan, στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ, χρησιμοποίησαν πεδία υψηλής συχνότητας για να επιταχύνουν τα ιόντα υδραργύρου σε περισσότερο από 1,2 MeV. Αυτό το έργο αύξησε το επίτευγμα του Wideröe στην επιτάχυνση των βαρέων ιόντων, αλλά οι δέσμες ιόντων δεν ήταν χρήσιμες στην πυρηνική έρευνα.

Ο επιταχυντής μαγνητικού συντονισμού, ή κυκλοτρόνιο, σχεδιάστηκε από τον Lawrence ως τροποποίηση του επιταχυντή γραμμικού συντονισμού του Wideröe. Ο φοιτητής του Lawrence M.S. Livingston απέδειξε την αρχή του κυκλοτρονίου το 1931, παράγοντας ιόντα 80-keV. Το 1932 οι Lawrence και Livingston ανακοίνωσαν την επιτάχυνση των πρωτονίων σε περισσότερα από 1 MeV. Αργότερα στη δεκαετία του 1930, οι ενέργειες κυκλοτρόνιου έφτασαν περίπου τα 25 MeV και οι γεννήτριες Van de Graaff περίπου 4 MeV. Το 1940, ο Donald W. Kerst, εφαρμόζοντας τα αποτελέσματα των προσεκτικών υπολογισμών τροχιάς στο σχεδιασμό των μαγνητών, κατασκεύασε το πρώτο betatron, έναν επιταχυντή ηλεκτρονίων μαγνητικής επαγωγής, στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις.

Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο υπήρξε μια γρήγορη πρόοδος στην επιστήμη της επιτάχυνσης των σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες. Η πρόοδος ξεκίνησε από τον Edwin Mattison McMillan στο Berkeley και από τον Vladimir Iosifovich Veksler στη Μόσχα. Το 1945 και οι δύο άνδρες περιέγραψαν ανεξάρτητα την αρχή της σταθερότητας φάσης. Αυτή η ιδέα πρότεινε ένα μέσο διατήρησης σταθερών τροχιών σωματιδίων στον κυκλικό επιταχυντή και έτσι αφαίρεσε έναν εμφανή περιορισμό στην ενέργεια των επιταχυντών συντονισμού για τα πρωτόνια και κατέστησε δυνατή την κατασκευή επιταχυντών μαγνητικού συντονισμού (που ονομάζονται synchrotrons) για ηλεκτρόνια. Η εστίαση φάσης, η εφαρμογή της αρχής της σταθερότητας φάσης, αποδείχθηκε αμέσως με την κατασκευή ενός μικρού συγχροκυκλοτρόνου στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας και ενός συγχρότρονου ηλεκτρονίων στην Αγγλία. Ο πρώτος γραμμικός επιταχυντής πρωτονίων κατασκευάστηκε αμέσως, στη συνέχεια. Τα μεγάλα σύγχρονα πρωτόνια που έχουν κατασκευαστεί έκτοτε εξαρτώνται από αυτήν την αρχή.

Το 1947 ο William W. Hansen, στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, κατασκεύασε τον πρώτο γραμμικό επιταχυντή ηλεκτρονίων, αξιοποιώντας την τεχνολογία μικροκυμάτων που είχε αναπτυχθεί για ραντάρ κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου.

Η πρόοδος στην έρευνα που κατέστη δυνατή με την αύξηση των ενεργειών των πρωτονίων οδήγησε στη δημιουργία διαδοχικά μεγαλύτερων επιταχυντών. Η τάση τερματίστηκε μόνο με το κόστος κατασκευής των απαιτούμενων τεράστιων δακτυλίων μαγνήτη - το μεγαλύτερο ζυγίζει περίπου 40.000 τόνους. Ένα μέσο αύξησης της ενέργειας χωρίς αύξηση της κλίμακας των μηχανών παρέχεται από μια επίδειξη το 1952, από τους Livingston, Ernest D. Courant και HS Snyder, της τεχνικής της εστίασης εναλλασσόμενης κλίσης (μερικές φορές ονομάζεται ισχυρή εστίαση). Τα synchrotrons που ενσωματώνουν αυτήν την αρχή χρειάζονταν μαγνήτες μόνο 1/100 του μεγέθους που θα απαιτούνταν διαφορετικά. Όλα τα πρόσφατα κατασκευασμένα synchrotrons χρησιμοποιούν εστίαση εναλλασσόμενης κλίσης.

Το 1956 ο Kerst συνειδητοποίησε ότι, εάν μπορούσαν να διατηρηθούν δύο σύνολα σωματιδίων σε διασταυρούμενες τροχιές, θα πρέπει να είναι δυνατή η παρατήρηση αλληλεπιδράσεων στις οποίες ένα σωματίδιο συγκρούεται με ένα άλλο κινούμενο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η εφαρμογή αυτής της ιδέας απαιτεί τη συσσώρευση επιταχυνόμενων σωματιδίων σε βρόχους που ονομάζονται δακτύλιοι αποθήκευσης. Οι υψηλότερες ενεργειακές αντιδράσεις που μπορούν να αποκτηθούν έχουν παραχθεί με τη χρήση αυτής της τεχνικής.

Αρχές Επιτάχυνσης Σωματιδίων
Οι επιταχυντές σωματιδίων υπάρχουν σε πολλά σχήματα και μεγέθη (ακόμη και ο πανταχού παρών σωλήνας εικόνας της τηλεόρασης είναι καταρχήν επιταχυντής σωματιδίων), αλλά οι μικρότεροι επιταχυντές έχουν κοινά στοιχεία με τις μεγαλύτερες συσκευές. Πρώτον, όλοι οι επιταχυντές πρέπει να έχουν μια πηγή που παράγει ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια - ηλεκτρόνια στην περίπτωση του τηλεοπτικού σωλήνα και ηλεκτρόνια, πρωτόνια και τα αντισωματίδια τους στην περίπτωση μεγαλύτερων επιταχυντών. Όλοι οι επιταχυντές πρέπει να έχουν ηλεκτρικά πεδία για να επιταχύνουν τα σωματίδια και πρέπει να έχουν μαγνητικά πεδία για τον έλεγχο των διαδρομών των σωματιδίων. Επίσης, τα σωματίδια πρέπει να ταξιδεύουν μέσα από ένα καλό κενό - δηλαδή, σε ένα δοχείο με όσο το δυνατόν λιγότερο υπολειπόμενο αέρα, όπως σε έναν τηλεοπτικό σωλήνα. Τέλος, όλοι οι επιταχυντές πρέπει να διαθέτουν κάποια μέσα ανίχνευσης και μέτρησης των σωματιδίων αφού επιταχυνθούν μέσω του κενού.

Δημιουργία σωματιδίων
Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται συχνότερα στους επιταχυντές, βρίσκονται σε όλα τα υλικά, αλλά για έναν επιταχυντή πρέπει να διαχωριστούν τα κατάλληλα σωματίδια. Τα ηλεκτρόνια παράγονται συνήθως με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως σε έναν τηλεοπτικό σωλήνα, σε μια συσκευή γνωστή ως ηλεκτρονικό «πιστόλι». Το πιστόλι περιέχει μια κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) σε κενό, η οποία θερμαίνεται έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να απομακρύνονται από τα άτομα στο υλικό της καθόδου. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι αρνητικά φορτισμένα, έλκονται προς μια άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο), όπου περνούν μέσα από μια τρύπα. Το ίδιο το όπλο είναι στην πραγματικότητα ένας απλός επιταχυντής, επειδή τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η τάση μεταξύ της καθόδου και της ανόδου σε ένα ηλεκτρονικό πιστόλι είναι συνήθως 50.000-150.000 βολτ ή 50-150 κιλοβόλτ (kV).

Όπως και με τα ηλεκτρόνια, υπάρχουν πρωτόνια σε όλα τα υλικά, αλλά μόνο οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου αποτελούνται από απλά πρωτόνια, έτσι το αέριο υδρογόνο είναι η πηγή σωματιδίων για επιταχυντές πρωτονίων. Σε αυτή την περίπτωση το αέριο ιονίζεται - τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια διαχωρίζονται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο - και τα πρωτόνια διαφεύγουν μέσα από μια τρύπα. Σε μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων υψηλής ενέργειας, τα πρωτόνια συχνά παράγονται αρχικά με τη μορφή αρνητικών ιόντων υδρογόνου. Πρόκειται για άτομα υδρογόνου με ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο, τα οποία σχηματίζονται επίσης όταν το αέριο, αρχικά με τη μορφή μορίων δύο ατόμων, ιονίζεται. Τα αρνητικά ιόντα υδρογόνου αποδεικνύονται ευκολότερα στο χειρισμό στα αρχικά στάδια μεγάλων επιταχυντών. Αργότερα περνούν μέσα από λεπτά φύλλα για να αφαιρέσουν τα ηλεκτρόνια πριν τα πρωτόνια μετακινηθούν στο τελικό στάδιο της επιτάχυνσης.