Ускорители. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Ускорители заряженных частиц — установки для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий с помощью электрического поля.

Ускорение частиц производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию заряженных частиц. Магнитное поле может лишь изменить направление движения таких частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами. Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых другими заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным.

Ускорители классифицируют по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители. Конструктивно их можно разделить на две группы: линейные, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические, в которых пучки движутся по замкнутым кривым, проходя ускоряющие промежутки по многу раз. К циклическим относятся ускорители электронов: бетатрон, микротрон, синхротрон и ускорители тяжёлых частиц (протонов и др.): циклотрон, фазотрон и протонный синхротрон. Все циклические ускорители, за исключением бетатрона, — резонансные. Линейные высоковольтные ускорители генерируют интенсивные пучки частиц с энергией до 30 МэВ. Самую высокую энергию электронов дают линейные резонансные ускорители (20 ГэВ), протонов — протонный синхротрон (500 ГэВ). Помимо первичных пучков ускоренных заряженных частиц, ускорители являются источником пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и т. д.), получаемых при взаимодействии первичных частиц с веществом.

В линейном ускорителе частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество такого ускорителя — возможность получения малого разброса по энергии частиц. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что важно при использовании ускорителей в промышленных целях. Высоковольтные ускорители можно разделить на три группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение: ускоритель Ван де Граафа, каскадный, трансформаторный и импульсный ускорители.

Бетатрон — циклический ускоритель электронов, в котором электроны ускоряются вихревым электрическим полем, создаваемым переменным магнитным полем. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий ю+юо МэВ (максимально достигнутая в бетатроне энергия равна 300 МэВ).

Синхротрон — ускоритель электронов с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и постоянной частотой ускоряющего электрического поля. В синхротронах достигнуты энергии 20 ГэВ.

Синхрофазотрон — ускоритель протонов с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и переменной частотой ускоряющего электрического поля. Максимально достигаемая энергия протонов 8оо ГэВ.

Фазотрон — циклический резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, дейтронов и др.), в котором управляющее магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.

Циклотрон — резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени.

В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов (дуантов), к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Частота изменения полярности напряжения на дуантах равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. С увеличением энергии радиус траектории частицы увеличивается, пока она не выйдет за пределы магнита. Циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до 50 МэВ/иуклон.

Ускорители служат источниками рентгеновского и у-излучений, ускоренных до высоких энергий электронов, протонов, нейтронов и ионов (от гелия до урана). Поэтому они используются для синтеза радиоактивных элементов и их изотопов (как стабильных, так и радиоактивных).