Мал. 9. Прискорювач електронів (TJNAF) з висоти пташиного польоту.

Найбільшим прискорювачем електронів, що працює в безперервному режимі (D = 1) є прискорювач Національної лабораторії ім. Томаса Джеферсона (TJNAF) в м. Ньюпорт-ньюс (США), (Мал. 9,10). Він використовує надпровідні прискорювальні структури і дозволяє прискорювати електрони до енергії 5.71 Гев. Струм його електронного пучка 200 мкА.

Мал. 10. Прискорюючий канал (TJNAF).

3. Циклічні прискорювачі з сталим радіусом орбіти:

3.1 Синхротрон

Мал. 11. Схема синхротрона 

Синхротрон – кільцевий циклічний прискорювач заряджених частинок, в якому частинки рухаються по орбіті незмінного радіусу за рахунок того, що темп наростання їх енергії в прискорюючих проміжках синхронізовананий із швидкістю наростання магнітного поля на орбіті. Він дозволяє прискорювати як легкі заряджені частинки (електрони, позитрони), так і важкі (протони, антипротони, іони) до найбільших енергій. В даний час всі циклічні прискорювачі на максимальні енергії – це прискорювачі синхротронного типу (їх принцип запропонований в 1944 р. В. Векслером(СРСР) і незалежно в 1945 р. Э. Макмілланом(США).
У синхротронах (мал. 11) магнітне поле змінне і частинки рухаються по одній і тій же замкнутій траєкторії, багато разів проходячи прямолінійні проміжки з прискорюючим електричним полем радіочастотного діапазону. Частинки, що збільшують свою енергію, утримуються на фіксованій орбіті за допомогою наростаючого поля могутніх відхиляючих (у тому числі і надпровідних) кільцевих магнітів. Для утримання частинок на орбіті постійного радіусу темп наростання поля синхронізовананий з темпом наростання енергії частинок (звідси відбувається назва цього типу прискорювача). Після досягнення максимального магнітного поля прискорені частинки або прямують на нерухому мішень, або (у колайдерах) стикаються із стрічним пучком, після чого цикл прискорення повторюється. У синхротронах є два типи кільцевих магнітів, що чергуються: відхиляючі двополюсні (дипольні), такі, що утримують частинки на орбіті, і фокусуючі чотирьохполюсні (квадрупольні). Останні фокусують частинки (як лінзи світло), збираючи їх у вузький пучок, циркулюючий у вакуумній камері.
Коли швидкість частинки близька до швидкості світла, співвідношення між кінетичною енергією частинки Е і радіусом траєкторії R має в системі СІ вигляд

E (1)

де H – величина напруженості магнітного поля, а q – заряд частинки. Тому максимально досяжна енергія частинки пропорційна радіусу траєкторії і величині магнітного поля. Скоротити розміри установки можна, збільшуючи величину поля, а вона обмежена ефектом насичення металу, використовуваного як матеріал сердечника електромагніту. У найсучасніших прискорювачах, в зв'язку з цим, використовуються електромагніти з котушкою з надпровідного матеріалу, що працюють при температурі рідкого гелію.
Синхротрони використовують як для прискорення важких заряджених частинок (протонів, іонів), так і для прискорення електронів. Проте у разі електронів при високих енергіях стають істотними втрати ними енергії на випромінювання (назване синхротронним) при криволінійному русі по орбіті. Потужність синхротронного випромінювання Р для релятивістської частинки таким чином залежить від її маси m енергії Е і радіусу траєкторії R:

(2)

Висока вартість циклічних прискорювачів пов'язана з великим радіусом магніта. Але можна утримувати частинки на орбіті з постійним радіусом, збільшуючи напруженість магнітного поля у міру збільшення їх енергії. Лінійний прискорювач інжектує на цю орбіту пучок частинок порівняно невеликої енергії. Оскільки утримуюче поле необхідне лише у вузькій області поблизу орбіти пучка, немає необхідності в магнітах, що охоплюють всю площу орбіти. Магніти розташовані лише уздовж кільцевої вакуумної камери, що дає величезну економію засобів. Такий підхід був реалізований в протонному синхротроні. Першим прискорювачем подібного типу був «Космотрон» на енергію 3 Гев (мал. 12), який почав працювати в Брукхейвенській національній лабораторії в 1952 в США; за ним незабаром послідував «Беватрон» на енергію 6 Гев, побудований в Лабораторії ім. Лоуренса Каліфорнійського університету в Берклі (США). Споруджений спеціально для виявлення антипротона, він працював впродовж 39 років, продемонструвавши довговічність і надійність прискорювачів частинок.

Мал. 12. КОСМОТРОН В БРУКХЕЙВЕНЕ. Прискорював протони до енергії 3 Гев. Внизу – поперечний перетин прискорюючої системи. 1 – 90°-й магніт; 2 – мішень; 3 – прямолінійна ділянка; 4 – рівноважна орбіта; 5 – інжектор; 6 – прискорююча система; 7 – феритовий сердечник; 8 – пучок частинок; 9 – прискорююча напруга.

У синхротронах першого покоління, побудованих в США, Великобританії, Франції і СРСР, фокусування було слабким. Тому була велика амплітуда радіальних коливань частинок в процесі їх прискорення. Ширина вакуумних камер складала приблизно 30 см, і в цьому все-таки великому об'ємі потрібно було ретельно контролювати конфігурацію магнітного поля. У 1952 було зроблено відкриття, що дозволило різко зменшити коливання пучка, а отже, і розміри вакуумної камери. Це був принцип сильного, або жорсткого, фокусування. У сучасних протонних синхротронах з надпровідними квадрупольними магнітами, розташованими по схемі сильного фокусування, вакуумна камера може бути менше 10 см в поперечнику, що приводить до значного зменшення розмірів, вартості і споживаної потужності фокусуючих і відхиляючих магнітів. Першим синхротроном, заснованим на цьому принципі, був «Синхротрон із змінним градієнтом» на енергію 30 Гев в Брукхейвене. Аналогічна установка була побудована в лабораторії Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) в Женеві. В середині 1990-х років обидва прискорювачі все ще знаходилися в експлуатації. Апертура «Синхротрона із змінним градієнтом» була приблизно в 25 разів менше, ніж у «Космотрона». Споживана магнітом потужність при енергії 30 Гев приблизно відповідала потужності, споживаній магнітом «Космотрона» при 3 Гев. «Синхротрон