История ускорительной техники тесно связана с развитием атомной и ядерной физики. Поначалу физики ограничивались изучением естественных радиоактивных источников, но уже в начале XX века возникла необходимость контролируемого ускорения частиц для исследований структуры атома. Одним из первых шагов в этом направлении стала работа Эрнеста Резерфорда, который использовал альфа-частицы для изучения строения атомного ядра.
Ключевой момент — появление идеи использования электрических полей для ускорения заряженных частиц. В 1920-х годах физики начали рассматривать возможность применения последовательных статических и переменных электрических полей для увеличения кинетической энергии частиц.
Линейный ускоритель (линак) стал одной из первых практических реализаций идеи ускорения частиц с использованием электрических полей. В 1928 году Эрнест Лоуренс совместно с Станли Ливингстоном разработал прототип циклотрона, который, хотя и не был строго линейным ускорителем, положил начало применению высокочастотного переменного поля для ускорения частиц.
Линейные ускорители получили дальнейшее развитие в 1930–1940-е годы. Их преимущество заключалось в возможности точного контроля энергии частиц и относительно простом принципе работы — частица последовательно проходит через ряд электродов, находящихся под переменным напряжением, набирая при каждом проходе дополнительную энергию.
Прорывным изобретением стал циклотрон, предложенный Эрнестом Лоуренсом в 1930 году. Циклотрон использовал постоянное магнитное поле и переменное электрическое поле для многократного ускорения частиц на спиральной траектории. Это позволило достигать энергий, недоступных для линейных ускорителей того времени.
С развитием технологий управления магнитными полями и генерации высокочастотного напряжения возникли синхротроны, которые стали основой для ускорителей второй половины XX века. В синхротроне энергия частиц увеличивается за счет синхронизации ускоряющего поля с изменяющейся массой частицы (релятивистский эффект), что позволяет ускорять частицы до энергии, близкой к релятивистской.
Параллельно с развитием протонных и ионных ускорителей рос интерес к ускорению электронов. Электроны, обладая малой массой, сильно излучают при ускорении на криволинейных траекториях (синхротронное излучение), что требовало новых подходов к конструкции ускорителей. В середине XX века появились электронные линейные ускорители с постоянными и переменными электродами, а также кольцевые электронные синхротроны, использующие сильные магнитные поля и радиочастотные ускоряющие структуры для компенсации потерь энергии на синхротронное излучение.
С 1960-х годов началась эра сверхвысоких энергий. Построение коллайдеров — ускорителей, где встречные пучки частиц сталкиваются друг с другом — позволило изучать фундаментальные взаимодействия на энергиях, недоступных для одиночных пучков. Примерами стали коллайдеры в ЦЕРНе и Фермилабе.
Основные технологические достижения включали:
В конце XX — начале XXI века появились проекты ускорителей нового типа:
Современные исследования также ориентированы на миниатюризацию ускорителей для медицинских и промышленных приложений, а также на использование лазерных технологий для ускорения электронов и ионов.
История развития ускорительной техники демонстрирует постепенное усложнение конструкций, увеличение энергий частиц и рост технологических требований, что привело к появлению современных гигантских ускорительных комплексов, являющихся фундаментальным инструментом современной физики высоких энергий.