Casi simultáneamente se propusieron diferentes ideas, como el acelerador electrostático (1928), el ciclotrón (1929) y el acelerador de duplicación de presión (1932), y se construyeron, uno tras otro, varios dispositivos aceleradores.
En 1932, el científico estadounidense J.D. Cockcroft y el científico irlandés E.T.S Walton construyeron el primer acelerador de CC del mundo, denominado acelerador de alto voltaje CC Cockcroft-Walton. Se utilizó un haz de protones con una energía de 0,4 MeV para bombardear un objetivo de litio y se obtuvo un experimento de reacción nuclear entre partículas alfa y helio. Esta fue la primera reacción nuclear de la historia que se logró mediante la aceleración artificial de partículas y ganó el Premio Nobel de Física en 1951.
En 1933, el científico estadounidense R.J. van de Graaff inventó un acelerador de alto voltaje utilizando otro método para generar alto voltaje: llamado acelerador electrostático de van de Graaff (en la foto de la derecha).
Los dos aceleradores de partículas anteriores son del tipo CC de alto voltaje. La energía que pueden acelerar las partículas está limitada por la ruptura de alto voltaje, que es de aproximadamente 10 MeV.
En 1924, G. Ising y E. Widlow inventaron, respectivamente, aceleradores lineales basados en el principio del tubo de deriva más una tensión de alta frecuencia. Debido a las limitaciones de la tecnología de alta frecuencia de la época, este acelerador sólo podía acelerar iones de potasio hasta 50 keV, lo que tenía poca importancia práctica. Sin embargo, el físico experimental estadounidense E.O. Lawrence, inspirado por este principio, construyó un ciclotrón en 1932 y lo utilizó para producir isótopos radiactivos artificiales, por lo que ganó el Premio Nobel de Física en 1939. Esta es la primera persona en recibir este honor en la historia del desarrollo de aceleradores.
Debido a la limitación entre la masa y la energía de la partícula acelerada, el ciclotrón sólo puede acelerar protones hasta unos 25 MeV. Si la intensidad del campo magnético del acelerador está diseñada para aumentar radialmente de forma sincronizada con la energía de las partículas, los protones pueden acelerarse hasta varios cientos de MeV. Esto se denomina ciclotrón isócrono.
Para explorar más a fondo la estructura del núcleo atómico y producir nuevas partículas elementales, es necesario estudiar los principios de construcción de aceleradores de partículas de mayor energía. En 1945, el ex científico soviético Veksler y el científico estadounidense E.M. MacMillan descubrieron de forma independiente el principio de estabilización automática de fase. El científico británico M.L. Oliphant también propuso construir un acelerador de fase estable.
El descubrimiento del principio de estabilización automática de fase es una revolución importante en la historia del desarrollo de aceleradores, que ha dado como resultado una serie de nuevos aceleradores que pueden superar las limitaciones energéticas de los ciclotrones: los ciclotrones sincronizados (los La frecuencia del campo eléctrico acelerador de alta frecuencia aumenta con la energía de la partícula doblemente acelerada disminuye a medida que aumenta la energía de la partícula, manteniendo la frecuencia del ciclotrón sincronizada con el campo eléctrico acelerado), los modernos aceleradores lineales de protones, los sincrotrones (utilizan anillos magnéticos cuyo campo magnético la fuerza aumenta con el aumento de la energía de las partículas para mantener la trayectoria circular del movimiento de las partículas, pero mantiene la aceleración (la alta frecuencia del campo permanece sin cambios), etc.
Desde entonces, la construcción de aceleradores ha solucionado las principales limitaciones, pero el incremento de energía ha sido limitado económicamente. A medida que aumenta la energía, el peso y el costo de los imanes utilizados en ciclotrones y sincrociclotrones aumentan dramáticamente, y los aumentos de energía en realidad se limitan a menos de 1 GeV. Aunque el coste de los imanes anulares para sincrotrones se ha reducido considerablemente, debido a la escasa fuerza de enfoque lateral, el tamaño de la caja de vacío debe ser grande, lo que da como resultado una gran separación entre polos de los imanes, y todavía se necesitan imanes pesados. Todavía no es realista utilizarlo para acelerar protones por encima de 10 GeV.
En 1952, los científicos estadounidenses E.D. Courant, M.S. Livingston y H.S. Schneider publicaron un artículo sobre el principio de enfoque fuerte. Según este principio, el tamaño de la caja de vacío y el coste del imán se pueden reducir considerablemente, lo que permite desarrollar el acelerador a mayor energía. Se trata de otra revolución en la historia del desarrollo de aceleradores, con un impacto enorme. Desde entonces, el principio de enfoque fuerte se ha utilizado ampliamente en aceleradores lineales o de anillo.
En 1954, el Laboratorio Nacional Lawrence de Estados Unidos construyó un sincrotrón de protones débilmente enfocado con una energía de 6,2 GeV. El peso total del imán es de 10.000 toneladas. Sin embargo, el peso total de los imanes del sincrotrón de protones fuertemente enfocado de 33GeV del Laboratorio Nacional Brookhaven es de sólo 4.000 toneladas. Esto muestra la gran importancia práctica del principio de enfoque fuerte.
Lo anterior presenta principalmente el acelerador de anillo de protones, pero la situación es diferente para el acelerador de electrones. En 1940, el científico estadounidense D.W. Kerst (derecha) desarrolló el primer betatrón del mundo. Sin embargo, debido a la pérdida de energía causada por la radiación electromagnética emitida en dirección tangencial cuando los electrones se mueven a lo largo de la curva, la mejora energética del betatrón es limitada y el límite es de aproximadamente 100 MeV. El sincrotrón de electrones utiliza campos electromagnéticos para proporcionar energía de aceleración, lo que permite una mayor pérdida de radiación, con un límite de unos 10GeV. Cuando los electrones se mueven en línea recta, no hay pérdida de radiación. Los aceleradores lineales de electrones acelerados por campos electromagnéticos pueden acelerar electrones a 50 GeV. Este no es un límite teórico, sino un límite de alto costo.
La energía de los aceleradores se ha desarrollado a tal nivel que, desde el punto de vista experimental, se han expuesto nuevos problemas. Cuando se utilizan aceleradores para realizar experimentos de física de alta energía, generalmente se utilizan partículas aceleradas para bombardear núcleos atómicos en un objetivo estacionario, y luego se estudia el impulso, la dirección, la carga y la cantidad de las partículas secundarias producidas. Esto limita la energía útil real. que las partículas aceleradas pueden participar en reacciones de alta energía. Si dos partículas aceleradas chocan, la energía de las partículas aceleradas se puede utilizar por completo para reacciones de alta energía o para la producción de nuevas partículas.
En 1960, un científico italiano (B.Touschek) propuso por primera vez este principio y construyó un colisionador AdA con un diámetro de aproximadamente 1 metro en el Laboratorio Nacional de Frascati en Italia. Este principio fue verificado y abrió un nuevo principio. era del desarrollo de aceleradores.
Los aceleradores modernos de alta energía aparecen básicamente en forma de colisionadores y han podido aumentar la energía equivalente de reacciones de alta energía de 1 TeV a 10 ~ 1000 TEV. Este es otro cambio fundamental en el. Historia del salto en el desarrollo de la energía del acelerador.
En más de 70 años desde que se construyó el primer acelerador del mundo, la energía del acelerador ha aumentado en 9 órdenes de magnitud y el costo por unidad de energía ha disminuido en aproximadamente 4 órdenes de magnitud. Un ritmo de desarrollo tan sorprendente es poco común en todos los campos científicos.
Con la mejora continua de la energía del acelerador, la comprensión de las personas sobre el mundo material microscópico se ha profundizado gradualmente y la investigación de la física de partículas ha logrado grandes logros. El nacimiento del acelerador de China