Первый ускоритель элементарных частиц появился в Кембридже. В 1919 году Резерфорд, облучая азот альфа-частицами, летящими из радия, провел первую трансмутацию элементов — превратил азот в кислород. Заинтересовавшись этим результатом, он спустя несколько лет предложил своим сотрудникам, среди которых были Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, заняться такими исследованиями. Кокрофт к тому времени уже стал доктором, поработав под руководством П.Л.Капицы над созданием аппаратуры для сжижения газов.
Главная проблема, стоявшая перед учеными, — как надежно преодолеть кулоновский барьер, который не позволяет заряженной частице попасть в ядро с зарядом того же знака. Для прохождения барьера частице нужно набрать скорость, но расчет давал слишком большое значение, чтобы это можно было сделать имеющимися тогда способами. И тут вышла спасительная статья Георгия Гамова о квантовом туннелировании: из нее следовало, что критическое значение энергии частицы много ниже, такой ускоритель уже можно создать. А как? Коль скоро бомбардирующая частица — протон или альфа-частица — обладает зарядом, стало быть, нужно создать большую разность потенциалов; под действием электрического поля и произойдет разгон.
Сделать это оказалось непросто, но возможно — Кокрофт воспользовался предложенной в 1919 году швейцарцем Генрихом Грейнахером схемой электрического каскада, где происходило многократное увеличение разности потенциалов. Такой каскад электродов расположили вдоль канала ускорителя и сумели обеспечить напряжение в 600 кВ, которое разгоняло протоны до требуемой энергии в 300 кэВ. После этого Уолтон и провел первое расщепление ядра — в 1932 году литий-7 при обстреле протонами дал ядро бериллия-8, а тот распался на два ядра гелия-4. Затем были обстреляны и расщеплены ядра углерода, азота, кислорода; стрелять стали и ядрами дейтерия, и альфа-частицами. За свою работу в 1951 голу Кокрофт и Уолтон получили Нобелевскую премию по физике, а их ускоритель с тех пор называется генератором Кокрофта-Уолтона.
Альтернативой служит генератор Ван де Граафа. История с ним вышла такая. В 1924 году американец Роберт Ван де Грааф, будучи студентом Сорбонны, прослушал лекцию Луи де Бройля, в которой тот мечтал о машине, позволяющей изучать строение ядра атома. Идея захватила молодого человека, и в 1929 году он построил в Принстоне свой первый генератор, который давал разность потенциалов в 80 кВ. В таком генераторе заряд создается с помощью трибоэлектричества — резиновая лента трется о пластиковый ролик, а специальная щетка снимает с нее образовавшийся заряд и отправляет на поверхность металлической сферы. Самый большой ускоритель на принципах Ван де Граафа был построен в 70-х годах в Окридже. Он мог создавать разность потенциалов в 25 МВ и до 2012 года служил для ускорения пучков радиоактивных ионов — их изучение было интересно астрофизикам. Впрочем, для нас сейчас важнее ускорители электронов, поскольку именно с ними работают в Новосибирске.
Чтобы ускорять электроны с помощью статического электричества, нужно все сильнее увеличивать разность потенциалов, а это сложно, ведь требуется размещать все новые и новые электроды каскада, то есть удлинять трубу ускорителя. В конце концов вся затея оказывается слишком дорогой, чтобы такой прибор можно было построить. К счастью, в 1922 году норвежец Рольф Видероэ, аспирант университета Карлсруэ, предложил создать не линейный, а циклический ускоритель, который впоследствии назовут бетатроном. В таком ускорителе электрическое поле индуцировалось возрастающим магнитным полем, а орбиты электронов замыкались в кольцо с помощью запирающего магнитного поля. Правильно подобранная комбинация полей позволяла удерживать ускоряющиеся электроны в пределах канала ускорителя.
Первый бетатрон Видероэ построил в 1929 году, но тот не заработал из-за конструкционных недостатков. Однако идея осталась, и в 1939 году сотрудники Иллинойского университета Дональд Керст и Роберт Сербер, вспомнив давнюю работу Уолтона, создали теорию движении электронов в переменных по пространству и времени полях; сейчас она служит для разработок всех круговых ускорителей, а авторам позволила сделать первый бетатрон. Он был весьма скромных размеров: диаметром 7,5 см, а электроны ускорялись до 2,5 МэВ.
Но этот бетатрон оказался совсем не игрушкой: электроны, двигающиеся с таким ускорением, создавали мощный поток рентгеновских лучей. Первый бетатрон светился как кусочек радия с активностью в десятую долю кюри, а после усовершенствования — в целый кюри. Это очень большая яркость для рентгеновского луча. Построенный Керстом во время войны портативный бетатрон с разгоном электронов до 4 МэВ нашел интересное применение — с его помощью искали неразорвавшиеся бомбы. В частности, исследовательская лаборатория Королевского арсенала в Вулвиче приобрела такой бетатрон для обнаружения бомб на улицах Лондона.
Физикам же требовалась все более высокая энергия разгоняемых электронов. Однако у бетатрона много энергии терялось не на разгон электронов, а на излучение ими света, в чем убедился Керст, построив для компании «Дженерал электрик» ускорители, которые давали 20 и 100 МэВ. Вторым недостатком была сила магнитов — она не превышала две теслы. Из-за этого с определенного момента нужно было по мере роста энергии электронов увеличивать диаметр ускорительного кольца, что требовало использования все большего числа магнитов — затея опять оказывалась чересчур дорогой. Поэтому самый большой бетатрон, созданный в 60-х годах, разгонял электроны до 300 МэВ. Как же разогнать частицы сильнее?
Решение было найдено в 1944 году советским физиком В.И.Векслером, а спустя год повторено его американским коллегой Эдвином Макмилланом. Суть его была такова. Радиус орбиты ускоряющихся электронов можно сохранить неизменным, если усиливать магнитное поле. Но тогда им не удастся проводить разгон. Значит, нужно ставить разгонный блок, так называемый высокочастотный резонатор — в нем с помощью продольного микроволнового излучения удается при каждом проходе электронного сгустка слегка его ускорять. Приход сгустка должен быть синхронизирован с фазой ускоряющей волны, скорость же должна быть близкой к скорости света. Тогда выполнится условие автофокусировки: частицы, которые на предыдущем круге получили больше энергии и при следующем попадании несколько опережают центр сгустка, получают меньше энергии, и центр их догоняет. Отставшие частицы, наоборот, разгоняются сильнее. Такое устройство Векслер назвал микротроном, а Макмиллан — синхротроном, сейчас сохранилось второе название.
К тому времени уже были созданы мощные источники микроволнового излучения — клистрон и магнетрон, последний широкого использовали в радарах. Прочитав статью Макмиллана, Фрэнк Говард, работавший как раз в Вулвичской лаборатории, решил модернизировать поисковый бетатрон и убедился в работоспособности синхротрона.
Первый работающий синхротрон сделали в «Дженерал электрик», он разгонял электроны до 70 МэВ. А в СССР первый синхротрон под руководством Векслера открыли в ФИАНе в 1947 году. В том же году американцы обнаружили синхротронное излучение, которое возникает во время ускорения электронного сгустка в резонаторе. Тут им помог случай. Первый синхротрон не был полностью закрытым — он имел стеклянные участки, через которые следили за вспышками в канале ускорителя. Эти наблюдения и позволили заметить ту часть излучения, которая попала в видимую область спектра. Сейчас синхротронное излучение стало важнейшим инструментом в руках ученых многих специальностей, и большинство электронных ускорителей служит для его генерации. Но поначалу никто на него особого внимания не обратил — ускорители нужны были для познания тайн строения мельчайших частиц материи.