เครื่องเร่งอนุภาคคืออุปกรณ์ที่สร้างลำแสงของอนุภาคอะตอมหรืออะตอมที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสง การทำงานของมันขึ้นอยู่กับการเพิ่มขึ้นของพลังงานโดยสนามไฟฟ้าและการเปลี่ยนแปลงวิถี - โดยสนามแม่เหล็ก
เครื่องเร่งอนุภาคมีไว้เพื่ออะไร
อุปกรณ์เหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมต่างๆ วันนี้มีมากกว่า 30,000 คนทั่วโลก สำหรับนักฟิสิกส์ เครื่องเร่งอนุภาคทำหน้าที่เป็นเครื่องมือสำหรับการวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม ลักษณะของแรงนิวเคลียร์ และคุณสมบัติของนิวเคลียสที่ไม่เกิดขึ้นในธรรมชาติ หลังรวมถึง transuranium และองค์ประกอบที่ไม่เสถียรอื่น ๆ
ด้วยท่อระบายทำให้สามารถระบุประจุเฉพาะได้ เครื่องเร่งอนุภาคยังใช้ในการผลิตไอโซโทปรังสี ในการถ่ายภาพรังสีอุตสาหกรรม ในการฉายรังสี ในการฆ่าเชื้อวัสดุชีวภาพ และในเรดิโอคาร์บอนการวิเคราะห์. การติดตั้งที่ใหญ่ที่สุดถูกใช้ในการศึกษาปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน
อายุขัยของอนุภาคประจุที่อยู่นิ่งเมื่อเทียบกับคันเร่งนั้นน้อยกว่าอายุของอนุภาคที่ถูกเร่งให้มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง นี่เป็นการยืนยันสัมพัทธภาพของช่วงเวลา SRT ตัวอย่างเช่น ที่ CERN อายุการใช้งานของมิวออนเพิ่มขึ้น 29 เท่าด้วยความเร็ว 0.9994c
บทความนี้กล่าวถึงวิธีการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาค การพัฒนา ประเภทต่างๆ และคุณลักษณะเฉพาะ
หลักการเร่งความเร็ว
ไม่ว่าคุณจะรู้จักเครื่องเร่งอนุภาคแบบใด พวกมันล้วนมีองค์ประกอบร่วมกัน ประการแรก พวกมันทั้งหมดต้องมีแหล่งที่มาของอิเล็กตรอนในกรณีของกล้องโทรทัศน์ kinescope หรืออิเล็กตรอน โปรตอน และปฏิปักษ์ของพวกมันในกรณีที่มีการติดตั้งขนาดใหญ่ นอกจากนี้ พวกมันทั้งหมดต้องมีสนามไฟฟ้าเพื่อเร่งอนุภาคและสนามแม่เหล็กเพื่อควบคุมวิถีของมัน นอกจากนี้ เครื่องดูดฝุ่นในเครื่องเร่งอนุภาค (10-11 มม.ปรอท) กล่าวคือ ปริมาณอากาศตกค้างขั้นต่ำคือความจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าคานมีอายุการใช้งานยาวนาน และสุดท้าย การติดตั้งทั้งหมดต้องมีวิธีการลงทะเบียน นับ และวัดอนุภาคที่เร่งความเร็ว
รุ่น
อิเล็กตรอนและโปรตอนซึ่งมักใช้ในเครื่องเร่งอนุภาคจะพบได้ในวัสดุทั้งหมด แต่ก่อนอื่นจะต้องแยกพวกมันออกจากพวกมัน อิเล็กตรอนมักจะถูกสร้างขึ้นเช่นเดียวกับในกล้อง kinescope - ในอุปกรณ์ที่เรียกว่า "ปืน" เป็นขั้วลบ (ขั้วลบ) ในสุญญากาศซึ่งถูกทำให้ร้อนจนถึงจุดที่อิเล็กตรอนเริ่มแตกออกจากอะตอม อนุภาคที่มีประจุลบจะดึงดูดไปยังขั้วบวก (ขั้วบวก) และไหลผ่านเต้าเสียบ ตัวปืนเองก็เป็นตัวเร่งที่ง่ายที่สุดเช่นกัน เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าระหว่างแคโทดและแอโนดมักจะอยู่ระหว่าง 50-150 kV
นอกจากอิเล็กตรอนแล้ว วัสดุทั้งหมดยังมีโปรตอน แต่มีเพียงนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนเท่านั้นที่ประกอบด้วยโปรตอนเดี่ยว ดังนั้นที่มาของอนุภาคสำหรับตัวเร่งโปรตอนคือก๊าซไฮโดรเจน ในกรณีนี้ แก๊สจะแตกตัวเป็นไอออนและโปรตอนจะหลบหนีผ่านรู ในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ โปรตอนมักถูกผลิตขึ้นในรูปของไฮโดรเจนไอออนลบ พวกมันคืออะตอมที่มีอิเลคตรอนพิเศษ ซึ่งเป็นผลมาจากการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซไดอะตอมมิก การทำงานกับไฮโดรเจนไอออนที่มีประจุลบในระยะเริ่มแรกทำได้ง่ายกว่า จากนั้นพวกมันจะถูกส่งผ่านแผ่นฟอยล์บาง ๆ ที่กีดกันอิเล็กตรอนก่อนถึงระยะเร่งสุดท้าย
การเร่ง
เครื่องเร่งอนุภาคทำงานอย่างไร คุณสมบัติที่สำคัญของสิ่งเหล่านี้คือสนามไฟฟ้า ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือสนามไฟฟ้าสถิตที่สม่ำเสมอระหว่างศักย์ไฟฟ้าบวกและลบ คล้ายกับที่อยู่ระหว่างขั้วของแบตเตอรี่ไฟฟ้า ในการดังกล่าวสนามอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอยู่ภายใต้แรงที่ชี้นำมันไปสู่ศักย์บวก เธอเร่งความเร็วของเขา และถ้าไม่มีอะไรจะป้องกันได้ ความเร็วและพลังงานของเขาจะเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปสู่ศักย์บวกในเส้นลวดหรือแม้กระทั่งในอากาศชนกับอะตอมและสูญเสียพลังงาน แต่ถ้าพวกมันอยู่ในสุญญากาศ พวกมันจะเร่งความเร็วเมื่อเข้าใกล้ขั้วบวก
แรงดันไฟฟ้าระหว่างตำแหน่งเริ่มต้นและตำแหน่งสุดท้ายของอิเล็กตรอนเป็นตัวกำหนดพลังงานที่ได้รับ เมื่อเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ 1 V จะเท่ากับ 1 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ซึ่งเทียบเท่ากับ 1.6 × 10-19 จูล พลังงานของยุงบินได้มากกว่าล้านล้านเท่า ใน kinescope อิเล็กตรอนจะถูกเร่งด้วยแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 10 kV เครื่องเร่งความเร็วจำนวนมากได้รับพลังงานที่สูงกว่ามาก โดยวัดเป็นเมกะ กิกะ และเทราอิเล็กตรอนโวลต์
พันธุ์
เครื่องเร่งอนุภาครุ่นแรกสุดบางประเภท เช่น ตัวคูณแรงดันไฟฟ้าและเครื่องกำเนิด Van de Graaff ใช้สนามไฟฟ้าคงที่ที่เกิดจากศักย์ไฟฟ้าสูงถึง 1 ล้านโวลต์ การทำงานกับไฟฟ้าแรงสูงเช่นนี้ไม่ใช่เรื่องง่าย ทางเลือกที่ใช้งานได้จริงมากกว่าคือการกระทำซ้ำๆ ของสนามไฟฟ้าอ่อนที่เกิดจากศักย์ไฟฟ้าต่ำ หลักการนี้ใช้ในเครื่องเร่งความเร็วสมัยใหม่สองประเภท - เชิงเส้นและไซคลิก (ส่วนใหญ่ในไซโคลตรอนและซินโครตรอน) ในระยะสั้นเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นจะส่งผ่านหนึ่งครั้งผ่านลำดับสนามเร่งในขณะที่สนามไฟฟ้าเคลื่อนที่ซ้ำ ๆ ตามเส้นทางวงกลมผ่านสนามไฟฟ้าที่ค่อนข้างเล็ก ในทั้งสองกรณี พลังงานสุดท้ายของอนุภาคจะขึ้นอยู่กับผลกระทบจากสนาม ดังนั้น "การกระแทก" เล็กๆ จำนวนมากจึงรวมกันเพื่อให้เกิดผลรวมของผลกระทบครั้งใหญ่
โครงสร้างที่ทำซ้ำของเครื่องเร่งความเร็วเชิงเส้นเพื่อสร้างสนามไฟฟ้านั้นเกี่ยวข้องกับการใช้ไฟฟ้ากระแสสลับมากกว่าแรงดันไฟตรง อนุภาคที่มีประจุบวกจะถูกเร่งไปสู่ศักย์ลบ และได้รับแรงกระตุ้นใหม่หากผ่านผ่านประจุบวก ในทางปฏิบัติ แรงดันไฟควรเปลี่ยนเร็วมาก ตัวอย่างเช่น ที่พลังงาน 1 MeV โปรตอนเดินทางด้วยความเร็วสูงมากที่ 0.46 ของความเร็วแสง โดยเดินทาง 1.4 ม. ใน 0.01 ms ซึ่งหมายความว่าในรูปแบบซ้ำซึ่งมีความยาวหลายเมตร สนามไฟฟ้าจะต้องเปลี่ยนทิศทางที่ความถี่อย่างน้อย 100 MHz ตามกฎแล้วเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุเป็นเส้นตรงและเป็นวงกลมจะเร่งความเร็วโดยใช้สนามไฟฟ้าสลับกันที่มีความถี่ 100 ถึง 3000 MHz เช่น ตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงไมโครเวฟ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือการรวมกันของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับที่แกว่งไปมาในแนวตั้งฉากกัน จุดสำคัญของคันเร่งคือการปรับคลื่นเพื่อให้เมื่ออนุภาคมาถึง สนามไฟฟ้าจะถูกชี้นำตามเวกเตอร์ความเร่ง สามารถทำได้ด้วยคลื่นนิ่ง ซึ่งเป็นการรวมคลื่นที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามในวงปิดอวกาศเช่นคลื่นเสียงในท่ออวัยวะ อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากที่เข้าใกล้ความเร็วแสงคือคลื่นเดินทาง
ออโต้เฟส
ผลกระทบที่สำคัญเมื่อเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้าสลับคือ "การปรับเฟสอัตโนมัติ" ในรอบหนึ่งของการแกว่ง สนามสลับจะเปลี่ยนจากศูนย์ผ่านค่าสูงสุดอีกครั้งเป็นศูนย์ ตกไปที่ค่าต่ำสุดและเพิ่มขึ้นเป็นศูนย์ ดังนั้นมันจึงผ่านค่าที่จำเป็นในการเร่งความเร็วเป็นสองเท่า หากอนุภาคเร่งความเร็วมาถึงเร็วเกินไป มันจะไม่ได้รับผลกระทบจากสนามที่มีกำลังเพียงพอ และการกดก็จะอ่อนลง เมื่อเธอไปถึงส่วนถัดไป เธอจะมาสายและจะได้รับผลกระทบที่รุนแรงขึ้น เป็นผลให้เกิด autophasing อนุภาคจะอยู่ในเฟสกับสนามในแต่ละพื้นที่เร่ง ผลกระทบอีกประการหนึ่งคือการจัดคลัสเตอร์เมื่อเวลาผ่านไปเป็นกลุ่มแทนที่จะเป็นสตรีมแบบต่อเนื่อง
ทิศทางลำแสง
สนามแม่เหล็กยังมีบทบาทสำคัญในการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุ เนื่องจากสามารถเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ได้ ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้ในการ "งอ" คานตามเส้นทางวงกลมเพื่อให้ผ่านส่วนเร่งเดียวกันได้หลายครั้ง ในกรณีที่ง่ายที่สุด อนุภาคที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่เป็นมุมฉากไปยังทิศทางของสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอจะอยู่ภายใต้แรงตั้งฉากกับเวกเตอร์ของการกระจัดและสนาม สิ่งนี้ทำให้ลำแสงเคลื่อนที่ไปตามวิถีวงกลมที่ตั้งฉากกับสนามจนกว่าจะออกจากพื้นที่กระทำหรือแรงอื่นเริ่มทำปฏิกิริยากับมัน เอฟเฟกต์นี้ใช้ในเครื่องเร่งความเร็วแบบไซเคิล เช่น ไซโคลตรอนและซินโครตรอน ในไซโคลตรอน สนามคงที่ถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กขนาดใหญ่ อนุภาคเมื่อพลังงานเพิ่มขึ้น จะหมุนวนออกด้านนอก เร่งด้วยการปฏิวัติแต่ละครั้ง ในซินโครตรอน พวงจะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ วงแหวนที่มีรัศมีคงที่ และสนามที่สร้างโดยแม่เหล็กไฟฟ้ารอบวงแหวนจะเพิ่มขึ้นเมื่ออนุภาคเร่งตัวขึ้น แม่เหล็ก "ดัด" เป็นไดโพลโดยให้ขั้วเหนือและใต้โค้งงอเป็นรูปเกือกม้าเพื่อให้ลำแสงผ่านระหว่างกันได้
หน้าที่ที่สำคัญประการที่สองของแม่เหล็กไฟฟ้าคือการทำให้คานมีสมาธิเพื่อให้แคบและเข้มข้นที่สุด รูปแบบที่ง่ายที่สุดของแม่เหล็กปรับโฟกัสคือมีสี่ขั้ว (เหนือสองอันและสองขั้วใต้) อยู่ตรงข้ามกัน พวกมันผลักอนุภาคไปทางศูนย์กลางในทิศทางเดียว แต่ปล่อยให้พวกมันแพร่กระจายไปในทิศทางตั้งฉาก แม่เหล็กรูปสี่เหลี่ยมโฟกัสลำแสงในแนวนอน ทำให้หลุดโฟกัสในแนวตั้งได้ เมื่อต้องการทำเช่นนี้จะต้องใช้คู่กัน แม่เหล็กที่ซับซ้อนมากขึ้นพร้อมเสามากกว่า (6 และ 8) ยังใช้สำหรับการโฟกัสที่แม่นยำยิ่งขึ้น
เมื่อพลังงานของอนุภาคเพิ่มขึ้น ความแรงของสนามแม่เหล็กนำทางจะเพิ่มขึ้น ทำให้ลำแสงอยู่ในเส้นทางเดียวกัน ก้อนถูกนำเข้าสู่วงแหวนและเร่งไปที่พลังงานที่จำเป็นก่อนจึงจะสามารถถอนออกและนำไปใช้ในการทดลองได้ การดึงกลับทำได้โดยแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปิดใช้งานเพื่อผลักอนุภาคออกจากวงแหวนซิงโครตรอน
ชนกัน
เครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้ในยาและอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ผลิตลำแสงเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะ เช่น การฉายรังสีหรือการฝังไอออน ซึ่งหมายความว่ามีการใช้อนุภาคเพียงครั้งเดียว หลายปีที่ผ่านมา ตัวเร่งความเร็วที่ใช้ในการวิจัยขั้นพื้นฐานก็เช่นเดียวกัน แต่ในปี 1970 วงแหวนได้รับการพัฒนาโดยที่ลำแสงทั้งสองจะหมุนเวียนไปในทิศทางตรงกันข้ามและชนกันทั่วทั้งวงจร ข้อได้เปรียบหลักของการติดตั้งดังกล่าวคือการปะทะกันแบบตัวต่อตัว พลังงานของอนุภาคจะเข้าสู่พลังงานของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันโดยตรง สิ่งนี้แตกต่างกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อลำแสงชนกับวัสดุที่อยู่นิ่ง: ในกรณีนี้ พลังงานส่วนใหญ่ถูกใช้ไปกับการตั้งค่าวัสดุเป้าหมายให้เคลื่อนไหว ตามหลักการอนุรักษ์โมเมนตัม
เครื่องคานชนกันบางเครื่องถูกสร้างขึ้นด้วยวงแหวนสองวงที่ตัดกันตั้งแต่สองแห่งขึ้นไป ซึ่งอนุภาคประเภทเดียวกันจะหมุนเวียนไปในทิศทางตรงกันข้าม การชนกับอนุภาคและปฏิปักษ์นั้นพบได้บ่อยกว่า ปฏิปักษ์มีประจุตรงข้ามกับอนุภาคที่เกี่ยวข้อง ตัวอย่างเช่น โพซิตรอนมีประจุบวก ในขณะที่อิเล็กตรอนมีประจุลบ ซึ่งหมายความว่าสนามที่เร่งอิเล็กตรอนจะทำให้โพซิตรอนช้าลงเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน แต่ถ้าหลังเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามก็จะเร่งขึ้น ในทำนองเดียวกัน อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กจะโค้งไปทางซ้าย และโพซิตรอนจะโค้งไปทางขวา แต่ถ้าโพซิตรอนเคลื่อนเข้าหามัน เส้นทางของมันจะยังคงเบี่ยงไปทางขวา แต่จะไปตามเส้นโค้งเดียวกันกับอิเล็กตรอน ซึ่งหมายความว่าอนุภาคเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ไปตามวงแหวนซิงโครตรอนได้เนื่องจากแม่เหล็กตัวเดียวกันและถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าเดียวกันในทิศทางตรงกันข้าม เครื่องชนกันที่ทรงพลังที่สุดบนคานชนกันจำนวนมากถูกสร้างขึ้นตามหลักการนี้ เนื่องจากต้องใช้วงแหวนคันเร่งเพียงอันเดียว
ลำแสงในซินโครตรอนไม่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง แต่จะรวมกันเป็น "กระจุก" พวกมันสามารถยาวได้หลายเซนติเมตรและมีเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร และมีอนุภาคประมาณ 1012 นี่เป็นความหนาแน่นเล็กน้อย เนื่องจากสสารขนาดนี้ประกอบด้วยอะตอมประมาณ 1023 ดังนั้นเมื่อลำแสงตัดกับลำแสงที่พุ่งเข้ามา มีโอกาสเพียงเล็กน้อยที่อนุภาคจะมีปฏิกิริยาต่อกัน ในทางปฏิบัติ ฝูงยังคงเคลื่อนตัวไปตามวงแหวนและพบกันอีกครั้ง สูญญากาศลึกในตัวเร่งอนุภาค (10-11 mmHg) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้อนุภาคสามารถหมุนเวียนเป็นเวลาหลายชั่วโมงโดยไม่ชนกับโมเลกุลของอากาศ ดังนั้นแหวนจึงถูกเรียกว่าสะสม เนื่องจากอันที่จริงแล้วมัดรวมนั้นถูกเก็บไว้ในนั้นเป็นเวลาหลายชั่วโมง
ลงทะเบียน
เครื่องเร่งอนุภาคโดยส่วนใหญ่สามารถลงทะเบียนได้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเมื่ออนุภาคกระทบเป้าหมายหรือลำแสงอื่นเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ในกล้องโทรทัศน์ kinescope อิเล็กตรอนจากปืนจะชนกับสารเรืองแสงที่พื้นผิวด้านในของหน้าจอและเปล่งแสงออกมา ซึ่งจะสร้างภาพที่ส่งออกมาใหม่ ในเครื่องเร่งอนุภาค เครื่องตรวจจับพิเศษดังกล่าวจะตอบสนองต่ออนุภาคที่กระจัดกระจาย แต่โดยปกติแล้วจะได้รับการออกแบบเพื่อสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถแปลงเป็นข้อมูลคอมพิวเตอร์และวิเคราะห์โดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ มีเพียงองค์ประกอบที่มีประจุเท่านั้นที่สร้างสัญญาณไฟฟ้าโดยการส่งผ่านวัสดุ ตัวอย่างเช่น โดยอะตอมที่น่าตื่นเต้นหรือแตกตัวเป็นไอออน และสามารถตรวจจับได้โดยตรง อนุภาคที่เป็นกลาง เช่น นิวตรอนหรือโฟตอนสามารถตรวจจับได้ทางอ้อมผ่านพฤติกรรมของอนุภาคที่มีประจุที่พวกมันตั้งให้เคลื่อนที่
มีเครื่องตรวจจับพิเศษมากมาย บางส่วนเช่นตัวนับ Geiger เพียงแค่นับอนุภาคในขณะที่บางส่วนใช้เพื่อบันทึกแทร็ก วัดความเร็ว หรือวัดปริมาณพลังงาน เครื่องตรวจจับสมัยใหม่มีขนาดและเทคโนโลยีตั้งแต่อุปกรณ์ที่มีประจุไฟฟ้าขนาดเล็กไปจนถึงห้องบรรจุก๊าซขนาดใหญ่ที่เติมลวดซึ่งตรวจจับเส้นทางที่แตกตัวเป็นไอออนที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคที่มีประจุ
ประวัติศาสตร์
เครื่องเร่งอนุภาคได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อศึกษาคุณสมบัติของนิวเคลียสของอะตอมและอนุภาคมูลฐานเป็นหลัก จากการค้นพบปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสไนโตรเจนและอนุภาคแอลฟาโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ในปี พ.ศ. 2462 งานวิจัยทั้งหมดในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์จนถึงค.ศ. 1932 ถูกใช้ไปกับนิวเคลียสของฮีเลียมที่ปล่อยออกมาจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ อนุภาคแอลฟาในธรรมชาติมีพลังงานจลน์เท่ากับ 8 MeV แต่รัทเธอร์ฟอร์ดเชื่อว่าเพื่อที่จะสังเกตการสลายตัวของนิวเคลียสหนัก พวกมันจะต้องถูกเร่งด้วยการจำลองให้เป็นค่าที่มากกว่า ในเวลานั้นดูเหมือนยาก อย่างไรก็ตาม การคำนวณที่ทำขึ้นในปี 1928 โดย Georgy Gamow (ที่มหาวิทยาลัย Göttingen ประเทศเยอรมนี) แสดงให้เห็นว่าไอออนที่มีพลังงานต่ำกว่ามากสามารถนำมาใช้ได้ และความพยายามนี้กระตุ้นให้สร้างโรงงานที่มีลำแสงเพียงพอสำหรับการวิจัยนิวเคลียร์
เหตุการณ์อื่นๆ ในช่วงเวลานี้แสดงให้เห็นถึงหลักการที่เครื่องเร่งอนุภาคสร้างขึ้นมาจนถึงทุกวันนี้ Cockcroft และ W alton ได้ทำการทดลองครั้งแรกที่ประสบความสำเร็จด้วยไอออนเร่งความเร็วเทียมในปี 1932 ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ การใช้ตัวคูณแรงดันไฟฟ้า พวกเขาเร่งโปรตอนเป็น 710 keV และแสดงให้เห็นว่าตัวหลังทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสลิเธียมเพื่อสร้างอนุภาคแอลฟาสองตัว ในปี ค.ศ. 1931 ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันในรัฐนิวเจอร์ซีย์ โรเบิร์ต แวน เดอ กราฟฟ์ได้สร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตสำหรับสายพานเครื่องแรกที่มีศักยภาพสูง ตัวคูณแรงดันไฟฟ้า Cockcroft-W alton และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff ยังคงใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับคันเร่ง
หลักการของเครื่องเร่งความเร็วเชิงเส้นแสดงให้เห็นโดย Rolf Wideröe ในปี 1928 ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีไรน์-เวสต์ฟาเลียน ในเมืองอาเคิน ประเทศเยอรมนี เขาใช้แรงดันไฟฟ้าสลับสูงเพื่อเร่งโซเดียมและโพแทสเซียมไอออนให้เป็นพลังงานสองครั้งเกินกว่าที่ตนรายงาน ในปี ค.ศ. 1931 ในสหรัฐอเมริกา เออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์และผู้ช่วยของเขา เดวิด สโลน จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ใช้สนามความถี่สูงเพื่อเร่งไอออนของปรอทให้เป็นพลังงานเกินกว่า 1.2 MeV งานนี้เสริมเครื่องเร่งอนุภาคหนัก Wideröe แต่ลำไอออนไม่มีประโยชน์ในการวิจัยนิวเคลียร์
เครื่องเร่งความเร็วด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กหรือไซโคลตรอนถูกคิดค้นโดย Lawrence เพื่อเป็นการดัดแปลงการติดตั้ง Wideröe นักเรียนของ Lawrence Livingston ได้สาธิตหลักการของไซโคลตรอนในปี 1931 โดยผลิตไอออน keV 80 ตัว ในปี 1932 Lawrence และ Livingston ได้ประกาศการเร่งความเร็วของโปรตอนให้มีมากกว่า 1 MeV ต่อมาในช่วงทศวรรษที่ 1930 พลังงานของไซโคลตรอนถึงประมาณ 25 MeV และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของ Van de Graaff ถึงประมาณ 4 MeV ในปีพ.ศ. 2483 โดนัลด์ เคิร์สต์ได้นำผลการคำนวณการโคจรอย่างระมัดระวังมาใช้กับการออกแบบแม่เหล็ก ได้สร้างเบตาตรอนตัวแรก ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอิเล็กตรอนแบบเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์
ฟิสิกส์ยุคใหม่: เครื่องเร่งอนุภาค
หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ศาสตร์แห่งการเร่งอนุภาคให้เป็นพลังงานสูงได้ก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว เริ่มต้นโดย Edwin Macmillan ที่ Berkeley และ Vladimir Veksler ในมอสโก ในปี 1945 ทั้งคู่ได้อธิบายหลักการของความเสถียรของเฟสอย่างอิสระ แนวคิดนี้เสนอวิธีการรักษาวงโคจรของอนุภาคให้คงที่ในเครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งขจัดข้อจำกัดด้านพลังงานของโปรตอน และทำให้สามารถสร้างเครื่องเร่งด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (ซินโครตรอน) สำหรับอิเล็กตรอนได้ Autophasing การดำเนินการตามหลักการของความเสถียรของเฟสได้รับการยืนยันหลังจากการก่อสร้างซินโครไซโคลตรอนขนาดเล็กที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียและซินโครตรอนในอังกฤษ หลังจากนั้นไม่นาน เครื่องเร่งเรโซแนนซ์เชิงเส้นของโปรตอนตัวแรกก็ถูกสร้างขึ้น หลักการนี้ถูกใช้ในโปรตอนซิงโครตรอนขนาดใหญ่ทั้งหมดที่สร้างขึ้นตั้งแต่นั้นมา
ในปี 1947 วิลเลียม แฮนเซน ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในแคลิฟอร์เนีย ได้สร้างเครื่องเร่งอิเล็กตรอนคลื่นเคลื่อนที่เชิงเส้นเครื่องแรกโดยใช้เทคโนโลยีไมโครเวฟที่พัฒนาขึ้นสำหรับเรดาร์ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2
ความก้าวหน้าในการวิจัยเกิดขึ้นได้ด้วยการเพิ่มพลังงานของโปรตอน ซึ่งนำไปสู่การสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น แนวโน้มนี้ถูกระงับด้วยต้นทุนที่สูงในการผลิตแม่เหล็กวงแหวนขนาดใหญ่ ที่ใหญ่ที่สุดมีน้ำหนักประมาณ 40,000 ตัน วิธีการเพิ่มพลังงานโดยไม่เพิ่มขนาดของเครื่องจักรได้แสดงให้เห็นในปี 1952 โดย Livingston, Courant และ Snyder ในเทคนิคการโฟกัสแบบสลับกัน (บางครั้งเรียกว่าการโฟกัสแบบเข้ม) ซินโครตรอนตามหลักการนี้ใช้แม่เหล็กที่มีขนาดเล็กกว่าเมื่อก่อนถึง 100 เท่า การโฟกัสดังกล่าวถูกใช้ในซินโครตรอนสมัยใหม่ทั้งหมด
ในปี 1956 เคิร์สต์ตระหนักว่าหากอนุภาคสองชุดอยู่ในวงโคจรที่ตัดกัน พวกมันสามารถสังเกตเห็นการชนกันได้ การประยุกต์ใช้แนวคิดนี้จำเป็นต้องมีการสะสมของคานเร่งในวงจรที่เรียกว่าการจัดเก็บ เทคโนโลยีนี้ทำให้สามารถบรรลุพลังงานปฏิสัมพันธ์สูงสุดของอนุภาคได้