เครื่องเร่งอนุภาคเป็นเครื่องจักรที่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าในการผลักดันไอออนให้มีความเร็วและพลังงานสูงมากเพื่อกักเก็บไว้ในลำแสง ที่กำหนดไว้อย่าง ดี^{[ 1 ] [ 2 ]}เครื่องเร่งอนุภาคขนาดเล็กใช้สำหรับการวิจัยพื้นฐานในฟิสิกส์อนุภาคนอกจากนี้ยังใช้เครื่องเร่งอนุภาคเป็นแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนสำหรับการศึกษาฟิสิกส์สสารควบแน่นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดเล็กใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการบำบัดด้วยอนุภาคเพื่อวัตถุประสงค์ทางด้านมะเร็งวิทยา การผลิต ไอโซโทปรังสีเพื่อการวินิจฉัยทางการแพทย์เครื่องปลูกถ่ายไอออนสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และเครื่องวัดมวลสเปกโทรเมตรีแบบเร่งอนุภาคสำหรับการวัดไอโซโทปหายาก เช่นคาร์บอน กัมมันตรังสี

เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ ได้แก่เครื่องเร่งอนุภาคหนักเชิงสัมพัทธภาพที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวนในนิวยอร์ก และเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดคือเครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ใกล้เมืองเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งดำเนินการโดยCERNเป็น เครื่อง เร่งอนุภาคแบบชนกัน ซึ่งสามารถเร่งลำแสงโปรตอนสองลำให้มีพลังงาน 6.5  TeVและทำให้ชนกันแบบตรงๆ ทำให้เกิดพลังงานศูนย์กลางมวล 13 TeV มีเครื่องเร่งอนุภาคมากกว่า 30,000 เครื่องที่ใช้งานอยู่ทั่วโลก^{[ 3 ] [ 4 ]}

เครื่องเร่งอนุภาคมีสองประเภทพื้นฐาน ได้แก่ เครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าสถิตและเครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าไดนามิก (หรือแม่เหล็กไฟฟ้า) ^{[ 5 ]}เครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าสถิตใช้สนามไฟฟ้าสถิตในการเร่งอนุภาค ประเภทที่พบได้บ่อยที่สุดคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Cockcroft–Waltonและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaffตัวอย่างขนาดเล็กของเครื่องประเภทนี้คือหลอดภาพรังสีแคโทดในโทรทัศน์รุ่นเก่าทั่วไปพลังงานจลน์ ที่สามารถทำได้ สำหรับอนุภาคในอุปกรณ์เหล่านี้ถูกกำหนดโดยแรงดัน เร่ง ซึ่งถูกจำกัดโดยการแตกตัวทางไฟฟ้าในทางกลับกัน เครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าไดนามิกหรือแม่เหล็กไฟฟ้า ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง (ทั้ง การเหนี่ยวนำแม่เหล็กหรือ สนาม ความถี่วิทยุ ที่สั่น ) ในการเร่งอนุภาค เนื่องจากในเครื่องประเภทนี้อนุภาคสามารถผ่านสนามเร่งเดียวกันได้หลายครั้ง พลังงานที่ได้จึงไม่ถูกจำกัดด้วยความแรงของสนามเร่ง เครื่องประเภทนี้ซึ่งได้รับการพัฒนาครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1920 เป็นพื้นฐานสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่สมัยใหม่ส่วนใหญ่

Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max SteenbeckและErnest Lawrenceถือเป็นผู้บุกเบิกในสาขานี้ โดยเป็นผู้คิดค้นและสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นเครื่องแรกที่ใช้งานได้จริง[ 6 ^{]ซึ่งก็}คือเบตาตรอนรวมถึงไซโคลตรอนด้วย เนื่องจากเป้าหมายของลำแสงอนุภาคของเครื่องเร่งอนุภาคในยุคแรกมักจะเป็นอะตอมของสสาร โดยมีเป้าหมายคือการสร้างการชนกับนิวเคลียสเพื่อตรวจสอบโครงสร้างนิวเคลียร์ เครื่องเร่งอนุภาคจึงมักถูกเรียกว่าเครื่องทำลายอะตอมในศตวรรษที่ 20 ^{[ 7 ]}คำนี้ยังคงใช้กันอยู่แม้ว่าเครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่หลายเครื่องจะสร้างการชนกันระหว่างอนุภาคย่อยอะตอม สองอนุภาค แทนที่จะเป็นอนุภาคกับนิวเคลียสของอะตอม^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

ลำแสงอนุภาคพลังงานสูงมีประโยชน์สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์และในสาขาเทคนิคและอุตสาหกรรมหลายสาขาที่ไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัยพื้นฐาน^{[ 11 ]}ทั่วโลกมีเครื่องเร่งอนุภาคประมาณ 30,000 เครื่อง ในจำนวนนี้มีเพียงประมาณ 1% เท่านั้นที่เป็นเครื่องวิจัยที่มีพลังงานสูงกว่า 1 GeVในขณะที่ประมาณ 44% ใช้สำหรับการรักษาด้วยรังสี 41% ใช้สำหรับการฝังไอออน 9% ใช้สำหรับการประมวลผลและการวิจัยทางอุตสาหกรรม และ 4% ใช้สำหรับการวิจัยทางชีวการแพทย์และการวิจัยพลังงานต่ำอื่นๆ^{[ 12 ]}

ในการศึกษาขั้นพื้นฐานที่สุดเกี่ยวกับพลวัตและโครงสร้างของสสาร อวกาศ และเวลา นักฟิสิกส์จะแสวงหาปฏิสัมพันธ์ที่ง่ายที่สุดที่พลังงานสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยทั่วไปแล้วจะเกี่ยวข้องกับพลังงานอนุภาคหลายGeVและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่ง่ายที่สุด ได้แก่เลปตอน (เช่น อิเล็กตรอนและโพซิตรอน ) และควาร์กสำหรับสสาร หรือโฟตอนและกลูออน สำหรับควอนตัม ของสนามเนื่องจากควาร์กที่แยกเดี่ยวไม่สามารถทดลองได้เนื่องจากการกักกันสีการทดลองที่ง่ายที่สุดที่มีอยู่จึงเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของเลปตอนกับเลปตอนด้วยกันเอง และเลปตอนกับนิวคลีออนซึ่งประกอบด้วยควาร์กและกลูออน ในการศึกษาการชนกันของควาร์กด้วยกันเอง นักวิทยาศาสตร์จึงหันมาใช้การชนกันของนิวคลีออน ซึ่งที่พลังงานสูงอาจพิจารณาได้อย่างมีประโยชน์ว่าเป็นปฏิสัมพันธ์แบบ 2 อนุภาคของควาร์กและกลูออนที่ประกอบขึ้นเป็น นิวคลีออน นักฟิสิกส์อนุภาคพื้นฐานมักใช้เครื่องจักรที่สร้างลำแสงอิเล็กตรอน โพซิตรอน โปรตอน และแอนติโปรตอนซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กันเองหรือกับนิวเคลียสที่ง่ายที่สุด (เช่นไฮโดรเจนหรือดิวเทอเรียม ) ที่พลังงานสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยทั่วไปแล้วหลายร้อย GeV หรือมากกว่านั้น

เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดและมีพลังงานสูงสุดที่ใช้ในฟิสิกส์อนุภาค พื้นฐาน คือเครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ที่CERNซึ่งเปิดใช้งานมาตั้งแต่ปี 2009 ^{[ 13 ]}

นักฟิสิกส์นิวเคลียร์และนักจักรวาลวิทยาอาจใช้ลำแสงของนิวเคลียสอะตอม เปล่า ที่ปราศจากอิเล็กตรอน เพื่อตรวจสอบโครงสร้าง ปฏิสัมพันธ์ และคุณสมบัติของนิวเคลียสเอง รวมถึงสสารควบแน่นที่อุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมาก เช่นเดียวกับที่อาจเกิดขึ้นในช่วงแรกเริ่มของบิ๊กแบงการตรวจสอบเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับการชนกันของนิวเคลียสหนัก เช่นอะตอมเหล็กหรือทองคำ  ที่พลังงานหลาย GeV ต่อหนึ่งนิวคลีออนเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในลักษณะนี้คือเครื่องเร่งอนุภาคหนักเชิงสัมพัทธภาพ (RHIC) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวน

เครื่องเร่งอนุภาคยังสามารถผลิตลำแสงโปรตอน ซึ่งสามารถผลิตไอโซโทป ทางการแพทย์หรือการวิจัยที่มีโปรตอนสูง ตรงข้ามกับไอโซโทปที่มีนิวตรอนสูงที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์ฟิสชันอย่างไรก็ตาม งานวิจัยล่าสุดได้แสดงให้เห็นถึงวิธีการผลิต^99Moซึ่งโดยปกติจะผลิตในเครื่องปฏิกรณ์ โดยการเร่งไอโซโทปของไฮโดรเจน^{[ 14 ]}แม้ว่าวิธีนี้ยังคงต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์เพื่อผลิตทริเทียมตัวอย่างของเครื่องจักรประเภทนี้คือLANSCEที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลาโม ส

อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กจะปล่อย ลำแสง โฟตอน ที่สว่างและสม่ำเสมอมาก ผ่านการแผ่รังสีซินโครตรอนมีการใช้งานมากมายในการศึกษาโครงสร้างอะตอม เคมี ฟิสิกส์สสารควบแน่น ชีววิทยา และเทคโนโลยี มี แหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน จำนวนมาก ทั่วโลก ตัวอย่างในสหรัฐอเมริกา ได้แก่SSRLที่ห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC , APSที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne, ALSที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence BerkeleyและNSLS-IIที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhavenในยุโรป มีMAX IVในลุนด์ ประเทศสวีเดน, BESSYในเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี, Diamondในออกซ์ฟอร์ดเชียร์ สหราชอาณาจักร, ESRFในเกรโนเบิลประเทศฝรั่งเศส ซึ่งเครื่องหลังนี้ถูกใช้เพื่อสกัดภาพสามมิติโดยละเอียดของแมลงที่ติดอยู่ในอำพัน^{[ 15 ]}

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (FEL) เป็นแหล่งกำเนิดแสงประเภทพิเศษที่ใช้รังสีซินโครตรอนซึ่งให้พัลส์ที่สั้นกว่าและมีความสอดคล้อง เชิงเวลาสูงกว่า FEL ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ ที่ สว่าง ที่สุด ในเอกภพที่สังเกตได้^{[ 16 ]}ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดคือLCLSในสหรัฐอเมริกาและEuropean XFELในเยอรมนี ความสนใจกำลังมุ่งไปที่ เลเซอร์ รังสีเอกซ์อ่อนซึ่งเมื่อรวมกับการลดความยาวของพัลส์จะเปิดวิธีการใหม่ๆ สำหรับวิทยาศาสตร์ระดับแอตโตวินาที [ ^{17 ] นอกเหนือ}จากรังสีเอกซ์แล้ว FEL ยังใช้ในการปล่อยแสงเทราเฮิร์ตซ์เช่น FELIX ในเมืองไนจ์เมเกน ประเทศเนเธอร์แลนด์ TELBE ในเมืองเดรสเดน ประเทศเยอรมนี และ NovoFEL ในเมืองโนโวซีบีร์สค์ ประเทศรัสเซีย

ดังนั้นจึงมีความต้องการอย่างมากสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีพลังงานปานกลาง ( GeV ) ความเข้มสูง และคุณภาพลำแสงสูง เพื่อขับเคลื่อนแหล่งกำเนิดแสง

ตัวอย่างเครื่องเร่งอนุภาคในชีวิตประจำวัน ได้แก่หลอดรังสีแคโทดที่พบในโทรทัศน์ และ เครื่องกำเนิด รังสีเอ็กซ์เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานต่ำเหล่านี้ใช้ขั้วไฟฟ้า คู่เดียว ที่มี แรงดัน ไฟฟ้ากระแสตรงไม่กี่พันโวลต์ระหว่างกัน ในเครื่องกำเนิดรังสีเอ็กซ์ เป้าหมายเองก็เป็นหนึ่งในขั้วไฟฟ้า เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานต่ำที่เรียกว่าเครื่องฝังไอออนถูกใช้ในการผลิตวงจร รวม

ที่พลังงานต่ำกว่านั้น ลำแสงของนิวเคลียสที่เร่งความเร็วจะถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์ในรูปแบบของการบำบัดด้วยอนุภาคเพื่อรักษาโรคมะเร็ง

เครื่องเร่งอนุภาคกระแสตรงที่สามารถเร่งอนุภาคให้มีความเร็วเพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ ได้แก่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าค็อกครอฟต์-วอลตันหรือเครื่องเพิ่มแรงดันซึ่งแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงแรงดันสูง หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวน เดอ กราฟฟ์ที่ใช้ไฟฟ้าสถิตที่ส่งผ่านทางสายพาน

การประมวลผลด้วยลำแสงอิเล็กตรอนมักใช้สำหรับการฆ่าเชื้อ ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นเทคโนโลยีแบบเปิด-ปิดที่ให้ปริมาณรังสีสูงกว่ารังสีแกมมาหรือรังสีเอ็กซ์ที่ปล่อยออกมาจากไอโซโทปรังสีเช่นโคบอลต์-60 ( ^60Co ) หรือซีเซียม-137 ( ^137Cs ) มาก เนื่องจากปริมาณรังสีสูงกว่า จึงใช้เวลาในการสัมผัสน้อยลง และการเสื่อมสภาพของพอลิเมอร์ลดลง เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุ ลำแสงอิเล็กตรอนจึงทะลุทะลวงได้น้อยกว่าทั้งรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์^{[ 18 ]}

ในอดีต เครื่องเร่งอนุภาครุ่นแรกๆ ใช้เทคโนโลยีที่เรียบง่าย คือแรงดันไฟฟ้าสูงคงที่เพียงจุดเดียวเพื่อเร่งอนุภาคที่มีประจุ อนุภาคที่มีประจุจะถูกเร่งผ่านท่อสุญญากาศที่มีขั้วไฟฟ้าอยู่ที่ปลายทั้งสองข้าง โดยมีศักย์ไฟฟ้าสถิตคร่อมอยู่ เนื่องจากอนุภาคผ่านความต่างศักย์เพียงครั้งเดียว พลังงานที่ได้จึงจำกัดอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าเร่งของเครื่อง วิธีนี้ยังคงได้รับความนิยมอย่างมากในปัจจุบัน โดยเครื่องเร่งอนุภาคแบบไฟฟ้าสถิตมีจำนวนมากกว่าแบบอื่นๆ อย่างมาก แต่ก็เหมาะสำหรับการศึกษาพลังงานต่ำมากกว่า เนื่องจากข้อจำกัดด้านแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงอยู่ที่ประมาณ 1 MV สำหรับเครื่องที่หุ้มด้วยอากาศ หรือ 30 MV เมื่อเครื่องเร่งอนุภาคทำงานในถังแก๊สอัดที่มีความแข็งแรงของฉนวน สูง เช่นซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบแทนเดม ศักย์ ไฟฟ้า จะถูกใช้สองครั้งเพื่อเร่งอนุภาค โดยการกลับประจุของอนุภาคขณะที่อยู่ภายในขั้ว สิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยการเร่งความเร็วของนิวเคลียสอะตอมโดยใช้แอนไอออน ( ไอออน ที่มีประจุลบ ) จากนั้นส่งลำแสงผ่านแผ่นฟอยล์บาง ๆ เพื่อดึงอิเล็กตรอนออกจากแอนไอออนภายในขั้วไฟฟ้าแรงสูง เปลี่ยนแอนไอออนเหล่านั้นให้เป็นแคตไอออน (ไอออนที่มีประจุบวก) ซึ่งจะถูกเร่งความเร็วอีกครั้งเมื่อออกจากขั้วไฟฟ้า

เครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าสถิตหลักๆ มีสองประเภท ได้แก่เครื่องเร่งอนุภาคค็อกครอฟต์-วอลตันซึ่งใช้ตัวคูณแรงดันไดโอด-ตัวเก็บประจุเพื่อสร้างแรงดันสูง และเครื่องเร่งอนุภาคแวน เดอ กราฟฟ์ซึ่งใช้สายพานผ้าที่เคลื่อนที่เพื่อนำประจุไปยังขั้วไฟฟ้าแรงดันสูง แม้ว่าเครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าสถิตจะเร่งอนุภาคไปตามเส้นตรง แต่คำว่าเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นมักใช้กับเครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้สนามไฟฟ้าแบบสั่นมากกว่าสนามไฟฟ้าสถิต

เนื่องจากขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงที่เกิดจากการปล่อยประจุไฟฟ้า เพื่อเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงขึ้น จึงใช้เทคนิคที่เกี่ยวข้องกับสนามไดนามิกแทนสนามสถิต การเร่งความเร็วด้วยไฟฟ้าไดนามิกสามารถเกิดขึ้นได้จากกลไกสองอย่าง คือการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก แบบไม่สั่นพ้อง หรือวงจรหรือโพรงแบบ สั่นพ้อง ที่ถูกกระตุ้นด้วย สนาม ความถี่วิทยุ (RF) ที่สั่น ^{[ 19 ]} เครื่องเร่งความเร็วด้วยไฟฟ้าไดนามิกอาจเป็นแบบเชิงเส้นโดยอนุภาคจะเร่งความเร็วเป็นเส้นตรง หรือแบบวงกลมโดยใช้สนามแม่เหล็กเพื่อดัดอนุภาคให้โคจรเป็นวงกลมโดยประมาณ

เครื่องเร่งอนุภาคแบบเหนี่ยวนำแม่เหล็กเร่งอนุภาคโดยการเหนี่ยวนำจากสนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น ราวกับว่าอนุภาคเหล่านั้นเป็นขดลวดทุติยภูมิในหม้อแปลงไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นจะสร้างสนามไฟฟ้าหมุนเวียนซึ่งสามารถปรับแต่งเพื่อเร่งอนุภาคได้ เครื่องเร่งอนุภาคแบบเหนี่ยวนำอาจเป็นแบบเส้นตรงหรือแบบวงกลมก็ได้

เครื่องเร่งอนุภาคเหนี่ยวนำเชิงเส้นใช้โพรงเหนี่ยวนำแบบไม่สั่นพ้องที่บรรจุเฟอร์ไรต์ โพรงแต่ละโพรงสามารถคิดได้ว่าเป็นแผ่นดิสก์รูปแหวนขนาดใหญ่สองแผ่นที่เชื่อมต่อกันด้วยท่อทรงกระบอกด้านนอก ระหว่างแผ่นดิสก์ทั้งสองมีวงแหวนเฟอร์ไรต์อยู่ พัลส์แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ระหว่างแผ่นดิสก์ทั้งสองทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นซึ่งเหนี่ยวนำพลังงานเข้าสู่ลำแสงอนุภาคที่มีประจุ^{[ 20 ]}

เครื่องเร่งอนุภาคเหนี่ยวนำเชิงเส้นถูกคิดค้นโดยคริสโตฟิโลสในช่วงทศวรรษ 1960 ^{[ 21 ]} เครื่องเร่งอนุภาคเหนี่ยวนำเชิงเส้นสามารถเร่งกระแสลำแสงที่สูงมาก (>1000 A) ในพัลส์สั้นๆ เพียงครั้งเดียว พวกมันถูกใช้เพื่อสร้างรังสีเอกซ์สำหรับการถ่ายภาพรังสีแฟลช (เช่นDARHTที่LANL ) และได้รับการพิจารณาว่าเป็นเครื่องฉีดอนุภาคสำหรับการหลอมรวมนิวเคลียร์แบบกักเก็บด้วยสนามแม่เหล็กและเป็นตัวขับสำหรับ เลเซอร์ อิเล็กตรอน อิสระ

เบตาตรอนเป็นเครื่องเร่งอนุภาคเหนี่ยวนำแม่เหล็กแบบวงกลม คิดค้นโดยโดนัลด์ เคิร์สต์ในปี 1940 เพื่อเร่งอิเล็กตรอนแนวคิดนี้มีต้นกำเนิดมาจากนักวิทยาศาสตร์ชาวนอร์เวย์-เยอรมันชื่อ รอล์ฟ ไวเดอโร [ ^{22 ] [ 23 ] เครื่องจักร}เหล่านี้ เช่นเดียวกับซิงโครตรอน ใช้แม่เหล็กวงแหวนรูปโดนัท (ดูด้านล่าง) ที่มีสนามแม่เหล็ก B เพิ่มขึ้นเป็นวัฏจักร แต่เร่งอนุภาคโดยการเหนี่ยวนำจากสนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น ราวกับว่าเป็นขดลวดทุติยภูมิในหม้อแปลงไฟฟ้า เนื่องจากฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปตามวงโคจร^{[ 24 ] [ 25 ]}

การรักษารัศมีวงโคจรให้คงที่ในขณะที่จ่ายสนามไฟฟ้าเร่งความเร็วที่เหมาะสมนั้น จำเป็นต้องให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เชื่อมโยงวงโคจรมีความเป็นอิสระจากสนามแม่เหล็กบนวงโคจร ซึ่งจะทำให้อนุภาคโค้งงอเป็นเส้นโค้งที่มีรัศมีคงที่ ในทางปฏิบัติ เครื่องจักรเหล่านี้มีข้อจำกัดเนื่องจากการสูญเสียพลังงานจากการแผ่รังสีจำนวนมากที่เกิดขึ้นกับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสงในวงโคจรที่มีรัศมีค่อนข้างเล็ก

ในเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น (linac) อนุภาคจะถูกเร่งความเร็วในแนวเส้นตรงโดยมีเป้าหมายที่สนใจอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง โดยทั่วไปแล้วจะใช้เพื่อเพิ่มพลังงานต่ำให้กับอนุภาคก่อนที่จะถูกส่งเข้าไปในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นที่ยาวที่สุดในโลกคือStanford Linear Acceleratorหรือ SLAC ซึ่งมีความยาว 3 กิโลเมตร (1.9 ไมล์) เดิมที SLAC เป็น เครื่องชน อิเล็กตรอน - โพซิตรอนแต่ปัจจุบันเป็นเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ รังสี เอ็กซ์

เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงเชิงเส้นใช้แผ่นโลหะ (หรือท่อดริฟต์) เรียงเป็นแนวเส้นตรง โดยมีสนามพลังงานสูงสลับกันกระทำต่อแผ่นโลหะเหล่านั้น เมื่ออนุภาคเข้าใกล้แผ่นโลหะ พวกมันจะถูกเร่งเข้าหาแผ่นนั้นด้วยประจุที่มีขั้วตรงข้าม เมื่อพวกมันผ่านรูในแผ่นโลหะขั้วของประจุจะสลับกัน ทำให้แผ่นโลหะผลักอนุภาคออกไป และอนุภาคจะถูกเร่งเข้าหาแผ่นโลหะถัดไป โดยปกติแล้วจะมีการเร่งอนุภาคเป็น "กลุ่ม" ดังนั้นจึงมีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอย่างระมัดระวังไปยังแต่ละแผ่นโลหะเพื่อทำซ้ำกระบวนการนี้อย่างต่อเนื่องสำหรับแต่ละกลุ่ม

เมื่ออนุภาคเข้าใกล้ความเร็วแสง อัตราการสลับของสนามไฟฟ้าจะสูงมากจนสามารถทำงานที่ความถี่วิทยุ ได้ ดังนั้นจึง มีการใช้ โพรงไมโครเวฟในเครื่องจักรพลังงานสูงแทนแผ่นโลหะธรรมดา

เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น (Linear accelerator) ยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์สำหรับการรักษาด้วยรังสีและการผ่าตัดด้วยรังสีเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นทางการแพทย์จะเร่งอิเล็กตรอนโดยใช้ไคลสตรอนและระบบแม่เหล็กดัดโค้งที่ซับซ้อน ซึ่งสร้างลำแสงพลังงาน6–30  MeVอิเล็กตรอนสามารถนำมาใช้โดยตรงหรือสามารถชนกับเป้าหมายเพื่อสร้างลำแสงเอ็กซ์เรย์ได้ ความน่าเชื่อถือ ความยืดหยุ่น และความแม่นยำของลำแสงรังสีที่ผลิตได้นั้นได้เข้ามาแทนที่การใช้โคบอลต์-60ในการรักษาแบบ เดิมเป็นส่วนใหญ่

ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม อนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมจนกว่าจะได้รับพลังงานที่เพียงพอ โดยทั่วไปแล้ว เส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะถูกดัดให้เป็นวงกลมโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าข้อดีของเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมเมื่อเทียบกับเครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรง ( linac ) คือ โครงสร้างแบบวงแหวนช่วยให้สามารถเร่งความเร็วได้อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากอนุภาคสามารถเคลื่อนที่ผ่านได้เรื่อยๆ อีกข้อดีหนึ่งคือ เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมมีขนาดเล็กกว่าเครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรงที่มีกำลังเทียบเท่ากัน (กล่าวคือ เครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรงจะต้องยาวมากจึงจะมีกำลังเทียบเท่ากับเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม)

ขึ้นอยู่กับพลังงานและอนุภาคที่ถูกเร่ง เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมมีข้อเสียตรงที่อนุภาคจะปล่อยรังสีซินโครตรอน ออกมา เมื่ออนุภาคที่มีประจุถูกเร่ง มันจะปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและการปล่อยรังสีทุติยภูมิ ออกมา เนื่องจากอนุภาคที่เคลื่อนที่ในวงกลมจะเร่งเข้าหาจุดศูนย์กลางของวงกลมอยู่เสมอ มันจึงแผ่รังสีออกไปทางเส้นสัมผัสของวงกลมอย่างต่อเนื่อง รังสีนี้เรียกว่าแสงซินโครตรอนและขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาคที่ถูกเร่งเป็นอย่างมาก ด้วยเหตุนี้ เครื่องเร่งอิเล็กตรอนพลังงานสูงจำนวนมากจึงเป็นเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น (linac) อย่างไรก็ตาม เครื่องเร่งอนุภาคบางชนิด ( ซินโครตรอน ) ถูกสร้างขึ้นเป็นพิเศษเพื่อผลิตแสงซินโครตรอน ( รังสีเอ็กซ์ )

เนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกำหนดว่าสสารจะเคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็วแสงในสุญญากาศ เสมอ ในเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง เมื่อพลังงานเพิ่มขึ้น ความเร็วของอนุภาคจะเข้าใกล้ความเร็วแสงเป็นขีดจำกัด แต่จะไม่ถึงความเร็วแสง ดังนั้น นักฟิสิกส์อนุภาคจึงมักไม่คิดในแง่ของความเร็ว แต่คิดในแง่ของพลังงานหรือโมเมนตัม ของอนุภาค ซึ่งโดยทั่วไปวัดเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หลักการสำคัญสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมและลำแสงอนุภาคโดยทั่วไปคือความโค้งของวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคเป็นสัดส่วนโดยตรงกับประจุของอนุภาคและสนามแม่เหล็ก แต่เป็นสัดส่วนผกผันกับโมเมนตัม (ซึ่งโดยทั่วไปเป็นโมเมนตัมเชิงสั ม พัทธภาพ )

เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมรุ่นแรกที่ใช้งานได้จริงคือไซโคลตรอนซึ่งคิดค้นโดยเออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ในปี 1929 ไซโคลตรอนมีแผ่นรูปตัว D กลวงคู่หนึ่งเพื่อเร่งอนุภาค และแม่เหล็กไดโพล ขนาดใหญ่เพียงตัวเดียว เพื่อดัดเส้นทางของอนุภาคให้เป็นวงโคจรวงกลม คุณสมบัติเฉพาะของอนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอและคงที่ B คือพวกมันจะโคจรด้วยคาบคงที่ ที่ความถี่ที่เรียกว่าความถี่ไซโคลตรอนตราบใดที่ความเร็วของพวกมันน้อยเมื่อเทียบกับความเร็วแสงcนั่นหมายความว่าแผ่นรูปตัว D ที่ใช้เร่งอนุภาคของไซโคลตรอนสามารถถูกขับเคลื่อนด้วยความถี่คงที่โดยแหล่งพลังงานเร่งอนุภาค RF ในขณะที่ลำแสงหมุนวนออกไปด้านนอกอย่างต่อเนื่อง อนุภาคจะถูกฉีดเข้าไปที่ศูนย์กลางของแม่เหล็กและถูกดึงออกมาที่ขอบด้านนอกที่พลังงานสูงสุด

ไซโคลตรอนมีขีดจำกัดด้านพลังงานเนื่องจากผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพซึ่งทำให้อนุภาคมีมวลมากขึ้น ส่งผลให้ความถี่ไซโคลตรอนไม่สอดคล้องกับคลื่นวิทยุเร่งความเร็ว ดังนั้น ไซโคลตรอนแบบธรรมดาจึงสามารถเร่งโปรตอนได้ถึงพลังงานเพียงประมาณ 15 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (15 MeV ซึ่งสอดคล้องกับความเร็วประมาณ 10% ของความเร็วแสง ) เท่านั้น เพราะโปรตอนไม่สอดคล้องกับสนามไฟฟ้าที่ขับเคลื่อน หากเร่งความเร็วต่อไป ลำแสงจะยังคงหมุนวนออกไปในรัศมีที่ใหญ่ขึ้น แต่ความเร็วของอนุภาคจะไม่เพียงพอที่จะหมุนเป็นวงกลมขนาดใหญ่ให้สอดคล้องกับคลื่นวิทยุเร่งความเร็วอีกต่อไป เพื่อรองรับผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ จำเป็นต้องเพิ่มสนามแม่เหล็กให้มีรัศมีสูงขึ้น เช่นเดียวกับที่ทำในไซโคลตรอนแบบไอโซโครนัส ตัวอย่างของไซโคลตรอนแบบไอโซโครนัสคือไซโคลตรอน PSI Ringในสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งให้โปรตอนที่พลังงาน 590 MeV ซึ่งสอดคล้องกับความเร็วประมาณ 80% ของความเร็วแสง ข้อดีของเครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลตรอนคือ กระแสโปรตอนที่สกัดได้สูงสุด ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่ 2.2 มิลลิแอมป์ พลังงานและกระแสนี้เทียบเท่ากับกำลังลำแสง 1.3 เมกะวัตต์ ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาเครื่องเร่งอนุภาคที่มีอยู่ในปัจจุบัน

ไซโคลตรอนแบบคลาสสิกสามารถดัดแปลงเพื่อเพิ่มขีดจำกัดพลังงานได้ วิธีการแรกในประวัติศาสตร์คือซิงโครไซโคลตรอนซึ่งเร่งอนุภาคเป็นกลุ่มๆ โดยใช้สนามแม่เหล็ก คงที่ แต่ลดความถี่ของสนามเร่งลงเพื่อให้อนุภาคเคลื่อนที่ไปพร้อมกันเป็นเกลียวออกไปด้านนอก โดยให้ตรงกับ ความถี่ เรโซแนนซ์ไซโคลตรอน ที่ขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาค วิธีการนี้มีข้อเสียคือ ความเข้มของลำแสงเฉลี่ยต่ำเนื่องจากการรวมกลุ่ม และยังต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่ที่มีรัศมีขนาดใหญ่และสนามคงที่ตลอดวงโคจรที่กว้างขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับพลังงานสูง ${\displaystyle B}$

แนวทางที่สองในการแก้ปัญหาการเร่งอนุภาคสัมพัทธภาพคือไซโคลตรอนแบบไอโซโครนัส ในโครงสร้างดังกล่าว ความถี่ของสนามเร่ง (และความถี่เรโซแนนซ์ของไซโคลตรอน) จะคงที่สำหรับทุกระดับพลังงานโดยการปรับรูปร่างขั้วแม่เหล็กเพื่อเพิ่มสนามแม่เหล็กตามรัศมี ดังนั้น อนุภาคทั้งหมดจะถูกเร่งใน ช่วงเวลา ไอโซโครนัส อนุภาคพลังงานสูงจะเดินทางเป็นระยะทางสั้นกว่าในแต่ละวงโคจรเมื่อเทียบกับไซโคลตรอนแบบคลาสสิก จึงยังคงอยู่ในเฟสเดียวกับสนามเร่ง ข้อดีของไซโคลตรอนแบบไอโซโครนัสคือสามารถสร้างลำแสงต่อเนื่องที่มีความเข้มเฉลี่ยสูง ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการใช้งานบางอย่าง ข้อเสียหลักคือขนาดและต้นทุนของแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่จำเป็น และความยากลำบากในการบรรลุค่าสนามแม่เหล็กสูงที่ต้องการที่ขอบด้านนอกของโครงสร้าง

ไม่มีการสร้างเครื่องซิงโครไซโคลตรอนขึ้นอีกเลยนับตั้งแต่มีการพัฒนาเครื่องไอโซโครนัสไซโคลตรอนขึ้นมา

เพื่อให้ได้พลังงานที่สูงขึ้นไปอีก โดยที่มวลสัมพัทธภาพเข้าใกล้หรือเกินกว่ามวลนิ่งของอนุภาค (สำหรับโปรตอน หลายพันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ หรือGeV ) จำเป็นต้องใช้ซินโครตรอนซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่เร่งอนุภาคในวงแหวนที่มีรัศมีคงที่ ข้อได้เปรียบที่เห็นได้ชัดเหนือกว่าไซโคลตรอนคือ สนามแม่เหล็กจำเป็นต้องมีอยู่เฉพาะในบริเวณวงโคจรของอนุภาคเท่านั้น ซึ่งแคบกว่าบริเวณวงแหวนมาก (ไซโคลตรอนที่ใหญ่ที่สุดที่สร้างในสหรัฐอเมริกามีขั้วแม่เหล็กขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 184 นิ้ว (4.7 เมตร) ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางของซินโครตรอน เช่นLEPและLHCเกือบ 10 กิโลเมตร ช่องเปิดของลำแสงทั้งสองของ LHC มีขนาดประมาณหนึ่งเซนติเมตร) LHC ประกอบด้วยโพรง RF 16 ช่อง แม่เหล็กไดโพลตัวนำยิ่งยวด 1232 ตัวสำหรับควบคุมทิศทางลำแสง และควอดรูโพล 24 ตัวสำหรับโฟกัสลำแสง^{[ 26 ]}แม้จะมีขนาดนี้ LHC ก็ยังถูกจำกัดด้วยความสามารถในการควบคุมอนุภาคโดยไม่ให้หลุดลอยไป ขีดจำกัดนี้ถูกตั้งทฤษฎีว่าจะเกิดขึ้นที่ 14 TeV ^{[ 27 ]}

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโมเมนตัมของอนุภาคเพิ่มขึ้นระหว่างการเร่งความเร็ว จึงจำเป็นต้องเพิ่มสนามแม่เหล็ก B ให้ได้สัดส่วนเพื่อรักษาความโค้งของวงโคจรให้คงที่ ด้วยเหตุนี้ ซินโครตรอนจึงไม่สามารถเร่งความเร็วอนุภาคได้อย่างต่อเนื่องเหมือนไซโคลตรอน แต่ต้องทำงานเป็นรอบๆ โดยส่งอนุภาคเป็นกลุ่มๆ ไปยังเป้าหมายหรือลำแสงภายนอกเป็นช่วงๆ โดยทั่วไปทุกๆ สองสามวินาที

เนื่องจากเครื่องเร่งอนุภาคซิงโครตรอนพลังงานสูงทำงานส่วนใหญ่กับอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสงcดังนั้นเวลาที่ใช้ในการโคจรครบรอบวงแหวนหนึ่งรอบจึงเกือบคงที่ เช่นเดียวกับความถี่ของตัวเรโซเนเตอร์โพรง RFที่ใช้ในการขับเคลื่อนการเร่งความเร็ว

ในซินโครตรอนสมัยใหม่ ช่องเปิดลำแสงมีขนาดเล็ก และสนามแม่เหล็กไม่ได้ครอบคลุมพื้นที่วงโคจรของอนุภาคทั้งหมดเหมือนกับในไซโคลตรอน ดังนั้นจึงสามารถแยกฟังก์ชันที่จำเป็นหลายอย่างออกจากกันได้ แทนที่จะใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่เพียงอันเดียว กลับใช้แม่เหล็กดัดโค้งหลายร้อยตัวเรียงกันเป็นแถว โดยมีท่อเชื่อมต่อสุญญากาศล้อมรอบ (หรือถูกล้อมรอบโดย) การออกแบบซินโครตรอนได้รับการปฏิวัติในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ด้วยการค้นพบแนวคิดการโฟกัสที่แข็งแกร่ง^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}การโฟกัสลำแสงจะดำเนินการอย่างอิสระโดยแม่เหล็กควอดรูโพล แบบพิเศษ ในขณะที่การเร่งความเร็วจะทำในส่วน RF ที่แยกต่างหาก ซึ่งค่อนข้างคล้ายกับเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นขนาดสั้น^{[ 31 ]}นอกจากนี้ ไม่จำเป็นว่าเครื่องจักรแบบไซโคลตรอนจะต้องเป็นวงกลม แต่ท่อลำแสงอาจมีส่วนตรงระหว่างแม่เหล็กซึ่งลำแสงอาจชนกัน เย็นตัวลง ฯลฯ สิ่งนี้ได้พัฒนาเป็นหัวข้อแยกต่างหากทั้งหมดที่เรียกว่า "ฟิสิกส์ลำแสง" หรือ "ทัศนศาสตร์ลำแสง" ^{[ 32 ]}

เครื่อง เร่งอนุภาคซิงโครตรอนสมัยใหม่ที่มีความซับซ้อนกว่า เช่น เทวาตรอน, LEPและ LHC อาจส่งกลุ่มอนุภาคเข้าไปในวงแหวนแม่เหล็กเก็บอนุภาคที่มีสนามแม่เหล็กคงที่ ซึ่งอนุภาคเหล่านั้นสามารถโคจรต่อไปได้เป็นเวลานานเพื่อการทดลองหรือการเร่งความเร็วเพิ่มเติม เครื่องจักรที่มีพลังงานสูงสุด เช่น เทวาตรอนและ LHC นั้นแท้จริงแล้วเป็นกลุ่มเครื่องเร่งอนุภาคที่มีองค์ประกอบเฉพาะทางเรียงต่อกันเป็นลำดับ รวมถึงเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นสำหรับการสร้างลำแสงเริ่มต้น ซิงโครตรอนพลังงานต่ำหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นเพื่อไปถึงพลังงานระดับกลาง วงแหวนเก็บอนุภาคที่สามารถสะสมหรือ "ทำให้เย็นลง" (ลดขนาดช่องเปิดของแม่เหล็กที่จำเป็นและช่วยให้โฟกัสได้แน่นขึ้น ดูการทำให้ลำแสงเย็นลง ) และวงแหวนขนาดใหญ่สุดท้ายสำหรับการเร่งความเร็วขั้นสุดท้ายและการทดลอง

เครื่องเร่งอิเล็กตรอนแบบวงกลมเริ่มไม่เป็นที่นิยมในสาขาฟิสิกส์อนุภาคในช่วงเวลาเดียวกับการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นของSLAC เนื่องจากมีการสูญเสียพลังงานซินโครตรอนสูงเกินไปในเชิงเศรษฐกิจ และความเข้มของลำแสงต่ำกว่าเครื่องเชิงเส้นแบบไม่ใช้พัลส์ เครื่องเร่งอิเล็กตรอนซินโครตรอนของคอร์เนลล์ซึ่งสร้างขึ้นด้วยต้นทุนต่ำในช่วงปลายทศวรรษ 1970 เป็นเครื่องเร่งอิเล็กตรอนแบบวงกลมพลังงานสูงเครื่องแรกในชุดเครื่องเร่งอนุภาคที่สร้างขึ้นสำหรับฟิสิกส์อนุภาคพื้นฐาน โดยเครื่องสุดท้ายคือLEPที่สร้างขึ้นที่ CERN ซึ่งใช้งานตั้งแต่ปี 1989 จนถึงปี 2000

ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา มีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนจำนวนมาก ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตและรังสีเอ็กซ์ ดูรายละเอียดด้านล่าง

มีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมบางเครื่องขึ้นเพื่อสร้างรังสี (เรียกว่าแสงซินโครตรอน ) โดย เจตนา เช่น รังสี เอกซ์ หรือที่เรียกว่ารังสีซินโครตรอน ตัวอย่างเช่นแหล่งกำเนิดแสงไดมอนด์ (Diamond Light Source)ที่สร้างขึ้นที่ห้องปฏิบัติการรัทเทอร์ฟอร์ด แอปเปิลตัน (Rutherford Appleton Laboratory)ในประเทศอังกฤษ หรือแหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูง (Advanced Photon Source ) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน (Argonne National Laboratory)ในรัฐอิลลินอยส์สหรัฐอเมริกา รังสีเอกซ์พลังงานสูงมีประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีเอกซ์ของโปรตีนหรือโครงสร้างละเอียดของการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (XAFS) เป็นต้น

รังสีซินโครตรอนถูกปล่อยออกมาอย่างทรงพลังโดยอนุภาคที่มีน้ำหนักเบา ดังนั้นเครื่องเร่งอนุภาคเหล่านี้จึงมักเป็น เครื่องเร่งอนุภาค อิเล็กตรอนรังสีซินโครตรอนช่วยให้ได้ภาพที่ดีขึ้น ดังที่ได้มีการวิจัยและพัฒนาขึ้นที่SPEAR ของ SLAC

เครื่องเร่งอนุภาคแบบไล่ระดับสลับสนามคงที่ (FFA)ซึ่งสนามแม่เหล็กคงที่ในเวลา แต่มีการเปลี่ยนแปลงในแนวรัศมีเพื่อให้เกิดการโฟกัสที่แข็งแกร่งช่วยให้สามารถเร่งลำแสงด้วยอัตราการทำซ้ำสูง แต่มีการกระจายตัวในแนวรัศมีที่เล็กกว่าในกรณีของไซโคลตรอนมาก FFA แบบไอโซโครนัส เช่นเดียวกับไซโคลตรอนแบบไอโซโครนัส ช่วยให้การทำงานของลำแสงต่อเนื่อง แต่ไม่จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กดัดไดโพลขนาดใหญ่ที่ครอบคลุมรัศมีวงโคจรทั้งหมด การพัฒนาใหม่บางอย่างใน FFA ได้รับการกล่าวถึงใน^{[ 33 ]}

โรโดตรอนเป็นเครื่องเร่งอิเล็กตรอนอุตสาหกรรมที่เสนอครั้งแรกในปี 1987 โดย เจ. พอตติเยร์ จากสำนักงานพลังงานปรมาณูแห่งฝรั่งเศส (CEA) ^{[ 34 ]}ผลิต^{โดยบริษัท} Ion Beam Applications ของเบลเยียม มันเร่งอิเล็กตรอนโดยการหมุนเวียนอิเล็กตรอนไปตามเส้นผ่านศูนย์กลางของโพรงคลื่นความถี่วิทยุรูปทรงกระบอก โรโดตรอนมีปืนอิเล็กตรอนซึ่งปล่อยลำแสงอิเล็กตรอนที่ถูกดึงดูดไปยังเสาตรงกลางของโพรง เสามีรูที่อิเล็กตรอนสามารถผ่านได้ ลำแสงอิเล็กตรอนผ่านเสาทางหนึ่งในรูเหล่านี้ จากนั้นเดินทางผ่านรูในผนังของโพรง และพบกับแม่เหล็กดัดโค้ง ลำแสงจะถูกดัดโค้งและส่งกลับเข้าไปในโพรง ไปยังรูอีกรูหนึ่งในเสา อิเล็กตรอนจะผ่านเสาอีกครั้งและผ่านส่วนอื่นของผนังของโพรงและเข้าไปในแม่เหล็กดัดโค้งอีกตัว และเป็นเช่นนี้เรื่อยไป ค่อยๆ เพิ่มพลังงานของลำแสงจนกระทั่งได้รับอนุญาตให้ออกจากโพรงเพื่อใช้งาน ทรงกระบอกและเสาอาจบุด้วยทองแดงด้านใน^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

เครื่องเร่งอนุภาคไซโคลตรอนเครื่องแรกของเออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์ มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 4 นิ้ว (100 มิลลิเมตร) ต่อมาในปี 1939 เขาได้สร้างเครื่องจักรที่มีหน้าขั้วแม่เหล็กเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 นิ้ว และวางแผนที่จะสร้างเครื่องที่มี เส้นผ่านศูนย์กลาง 184 นิ้วในปี 1942 อย่างไรก็ตาม เครื่องนั้นถูกนำไปใช้ใน งานที่เกี่ยวข้องกับ สงครามโลกครั้งที่สองเกี่ยวกับการแยกไอโซโทป ของยูเรเนียม หลังจากสงคราม เครื่องนั้นก็ยังคงถูกนำไปใช้ในการวิจัยและการแพทย์ต่อไปอีกหลายปี

เครื่องเร่งอนุภาคโปรตอนขนาดใหญ่เครื่องแรกคือCosmotronที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhavenซึ่งเร่งอนุภาคโปรตอน ให้มีพลังงาน ประมาณ 3  GeV (ค.ศ. 1953–1968) Bevatronที่ Berkeley ซึ่งสร้างเสร็จในปี ค.ศ. 1954 ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อเร่งอนุภาคโปรตอนให้มีพลังงานมากพอที่จะสร้างแอนติโปรตอนและตรวจสอบความสมมาตรของอนุภาคและปฏิอนุภาคในธรรมชาติ ซึ่งในขณะนั้นเป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้น เครื่องเร่งอนุภาคแบบไล่ระดับสลับ ( Alternating Gradient Synchrotronหรือ AGS) ที่ Brookhaven (ค.ศ. 1960–) เป็นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เครื่องแรกที่มีแม่เหล็กแบบไล่ระดับสลับและ " การโฟกัสที่แข็งแกร่ง " ซึ่งช่วยลดขนาดช่องรับแสงของลำแสงที่ต้องการลงอย่างมาก และลดขนาดและต้นทุนของแม่เหล็กดัดโค้งลงตามไปด้วย เครื่องเร่งอนุภาคโปรตอน (Proton Synchrotron ) ที่สร้างขึ้นที่CERN (ค.ศ. 1959–) เป็นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เครื่องแรกของยุโรปและโดยทั่วไปคล้ายกับ AGS

เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นสแตนฟอร์ด (SLAC) เริ่มใช้งานในปี 1966 โดยเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงาน 30 GeV ในท่อนำคลื่นยาว 3 กิโลเมตร ซึ่งฝังอยู่ในอุโมงค์และขับเคลื่อนด้วยไคลสตรอนขนาดใหญ่หลายร้อยตัว ปัจจุบันยังคงเป็นเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นที่ใหญ่ที่สุดที่มีอยู่ และได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมด้วยวงแหวนเก็บประจุและสิ่งอำนวยความสะดวกในการชนกันของอิเล็กตรอน-โพซิตรอน นอกจากนี้ยังเป็นแหล่งกำเนิดโฟตอนซินโครตรอนรังสีเอ็กซ์และรังสีอัลตราไวโอเลตอีกด้วย

เครื่องเร่งอนุภาคเทวาตรอนของเฟอร์มิแล็บ มีโครงสร้างเป็นวงแหวน โดยมีเส้นทางลำแสงยาว 4 ไมล์ (6.4 กิโลเมตร) ได้รับการปรับปรุงหลายครั้ง และใช้งานเป็นเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอน-แอนติโปรตอน จนกระทั่งถูกปิดตัวลงเนื่องจากการตัดงบประมาณเมื่อวันที่ 30 กันยายน 2011 ส่วนเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาคือเครื่อง เร่ง อนุภาคซิงโครตรอนLEPที่ CERN ซึ่งมีเส้นรอบวง 26.6 กิโลเมตร เป็นเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน/ โพซิตรอนสามารถสร้างพลังงานได้ถึง 209 GeV ก่อนที่จะถูกรื้อถอนในปี 2000 เพื่อนำอุโมงค์ไปใช้กับเครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) LHC เป็นเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอน และปัจจุบันเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดและมีพลังงานสูงสุดในโลก โดยสามารถสร้างพลังงานได้ 6.5 TeV ต่อลำแสง (รวม 13 TeV)

โครงการเร่งอนุภาคซูเปอร์คอนดักเตอร์ (SSC) ที่ถูกยกเลิกไปในรัฐเท็กซัสจะมีเส้นรอบวง 87 กิโลเมตร การก่อสร้างเริ่มขึ้นในปี 1991 แต่ถูกยกเลิกในปี 1993 เครื่องเร่งอนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่มากมักถูกสร้างขึ้นในอุโมงค์ที่มีความกว้างเพียงไม่กี่เมตร เพื่อลดการรบกวนและค่าใช้จ่ายในการสร้างโครงสร้างดังกล่าวบนพื้นผิว และเพื่อป้องกันรังสีทุติยภูมิที่รุนแรง ซึ่งมีอำนาจทะลุทะลวงสูงมากที่พลังงานสูง

เครื่องเร่งอนุภาคในปัจจุบัน เช่นSpallation Neutron Sourceใช้โมดูลไครโอคอนดักเตอร์ นอกจากนี้ Relativistic Heavy Ion ColliderและLarge Hadron Colliderก็ใช้ แม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวดและตัวเรโซเนเตอร์โพรงคลื่นวิทยุ (RF cavity resonator)เพื่อเร่งอนุภาคเช่นกัน

โดยทั่วไปแล้ว ผลผลิตจากเครื่องเร่งอนุภาคสามารถส่งไปยังชุดการทดลองหลายชุดพร้อมกันได้ โดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้า แบบเบี่ยงเบน วิธีนี้ทำให้สามารถทำการทดลองหลายชุดได้โดยไม่ต้องเคลื่อนย้ายอุปกรณ์หรือปิดลำแสงของเครื่องเร่งอนุภาคทั้งหมด ยกเว้นแหล่งกำเนิดรังสีซินโครตรอน จุดประสงค์ของเครื่องเร่งอนุภาคคือการสร้างอนุภาคพลังงานสูงเพื่อทำปฏิกิริยากับสสาร

โดยปกติแล้วเป้าหมายจะเป็นเป้าหมายคงที่ เช่น สารเคลือบ ฟอสฟอร์ที่ด้านหลังของหน้าจอในกรณีของหลอดโทรทัศน์ ชิ้นส่วนของยูเรเนียมในเครื่องเร่งอนุภาคที่ออกแบบมาเพื่อเป็นแหล่งกำเนิดนิวตรอน หรือเป้าหมายทังสเตนสำหรับเครื่องกำเนิดรังสีเอ็กซ์ ในเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น (linac) เป้าหมายจะถูกติดตั้งไว้ที่ปลายของเครื่องเร่งอนุภาคโดยตรง ส่วนในเครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลตรอน เส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะเป็นรูปเกลียวออกไปจากจุดศูนย์กลางของเครื่องทรงกลม ดังนั้นอนุภาคที่ถูกเร่งความเร็วจึงออกมาจากจุดคงที่เช่นเดียวกับเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น

สำหรับเครื่องซินโครตรอน สถานการณ์จะซับซ้อนกว่านั้น อนุภาคจะถูกเร่งความเร็วไปจนถึงระดับพลังงานที่ต้องการ จากนั้นจะใช้แม่เหล็กไดโพลที่ทำงานเร็วเพื่อเปลี่ยนทิศทางของอนุภาคออกจากท่อซินโครตรอนทรงกลมและพุ่งไปยังเป้าหมาย

เครื่องมือที่ใช้กันทั่วไปใน การวิจัย ฟิสิกส์อนุภาคคือ เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงแหวนเก็บ สะสม (collider ) หรือที่เรียกว่า เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงแหวนเก็บสะสม ( storage ring collider) โดยจะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงแหวนสองเครื่องไว้ใกล้กัน – โดยปกติจะวางซ้อนกันและใช้แม่เหล็กเดียวกัน (ซึ่งจะมีดีไซน์ที่ซับซ้อนกว่าเพื่อรองรับท่อลำแสงทั้งสอง) กลุ่มอนุภาคจะเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามรอบเครื่องเร่งอนุภาคทั้งสองและชนกันที่จุดตัดระหว่างกัน การชนกันนี้สามารถเพิ่มพลังงานได้อย่างมหาศาล ในขณะที่ในการทดลองแบบกำหนดเป้าหมายคงที่ พลังงานที่ใช้ในการสร้างอนุภาคใหม่จะเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของพลังงานลำแสง แต่ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงแหวนเก็บสะสม พลังงานที่ใช้ได้จะเป็นสัดส่วนเชิงเส้น

เครื่องตรวจจับจะรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับอนุภาค รวมถึงความเร็วและประจุของอนุภาค โดยใช้ข้อมูลเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถทำการวิเคราะห์อนุภาคได้ กระบวนการตรวจจับมีความซับซ้อนมาก ต้องใช้แม่เหล็กไฟฟ้าและเครื่องเร่งอนุภาคที่มีกำลังสูงเพื่อสร้างข้อมูลที่ใช้งานได้เพียงพอ

ในปัจจุบัน เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงสุดทั้งหมดเป็นเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม แต่ทั้งเครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนและเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนกำลังเผชิญกับข้อจำกัด เครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนและไอออนแบบวงกลมที่มีพลังงานสูงกว่าจะต้องใช้อุโมงค์เร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเนื่องจากความแข็งแกร่งของลำแสง ที่เพิ่ม ขึ้น

สำหรับเครื่องเร่งอิเล็กตรอนแบบวงจร ข้อจำกัดของรัศมีโค้งที่ใช้งานได้จริงนั้นเกิดจากการสูญเสียรังสีซินโครตรอน และเครื่องเร่งอิเล็กตรอนรุ่นต่อไปน่าจะเป็นแบบเส้นตรงที่มีความยาวเป็น 10 เท่าของรุ่นปัจจุบัน ตัวอย่างของเครื่องเร่งอิเล็กตรอนรุ่นต่อไปดังกล่าวคือเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นนานาชาติ (International Linear Collider ) ที่มีความยาว 40 กิโลเมตร ซึ่งกำลังอยู่ในระหว่างการเสนอ

เชื่อกันว่าการเร่งความเร็วด้วยสนามเวคฟิลด์พลาสมาในรูปแบบของ "เครื่องเผาไหม้เสริม" ลำอิเล็กตรอนและเครื่องกำเนิดพัลส์เลเซอร์แบบอิสระอาจสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องเร่งความเร็ว RF ภายในสองถึงสามทศวรรษ ในเครื่องเร่งความเร็วด้วยสนามเวคฟิลด์พลาสมา ช่องลำแสงจะเต็มไปด้วยพลาสมา (แทนที่จะเป็นสุญญากาศ) พัลส์สั้นๆ ของอิเล็กตรอนหรือแสงเลเซอร์จะประกอบขึ้นหรือนำหน้าอนุภาคที่กำลังถูกเร่งความเร็ว พัลส์จะรบกวนพลาสมา ทำให้อนุภาคที่มีประจุในพลาสมารวมตัวและเคลื่อนที่ไปทางด้านหลังของกลุ่มอนุภาคที่กำลังถูกเร่งความเร็ว กระบวนการนี้จะถ่ายโอนพลังงานไปยังกลุ่มอนุภาค เร่งความเร็วต่อไป และดำเนินต่อไปตราบใดที่พัลส์ยังคงมีความสอดคล้องกัน^{[ 38 ]}

การไล่ระดับพลังงานที่ชันถึง 200 GeV/m สามารถทำได้ในระยะทางระดับมิลลิเมตรโดยใช้เครื่องกำเนิดพัลส์เลเซอร์^{[ 39 ]}และการไล่ระดับที่เข้าใกล้ 1 GeV/m กำลังถูกสร้างขึ้นในระดับหลายเซนติเมตรด้วยระบบลำอิเล็กตรอน ซึ่งแตกต่างจากข้อจำกัดที่ประมาณ 0.1 GeV/m สำหรับการเร่งอนุภาคด้วยคลื่นความถี่วิทยุเพียงอย่างเดียว เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีอยู่ เช่นSLACสามารถใช้เครื่องเผาไหม้หลังลำอิเล็กตรอนเพื่อเพิ่มพลังงานของลำอนุภาคอย่างมาก โดยแลกกับความเข้มของลำอนุภาค ระบบอิเล็กตรอนโดยทั่วไปสามารถให้ลำอนุภาคที่แคบและเชื่อถือได้ ระบบเลเซอร์อาจให้กำลังและความกะทัดรัดมากกว่า ดังนั้น เครื่องเร่งอนุภาคแบบพลาสมาเวคฟิลด์จึงสามารถนำมาใช้ได้ – หากสามารถแก้ไขปัญหาทางเทคนิคได้ – เพื่อเพิ่มพลังงานสูงสุดของเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดและนำพลังงานสูงมาสู่ห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยและศูนย์การแพทย์

สามารถสร้างเกรเดียนต์ที่สูงกว่า 0.25 GeV/m ได้ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคเลเซอร์ไดอิเล็กทริก^{[ 40 ]}ซึ่งอาจเป็นอีกแนวทางหนึ่งที่ใช้ได้ผลในการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงขนาดกะทัดรัด^{[ 41 ]}โดยใช้พัลส์เลเซอร์ที่มีระยะเวลาเฟมโตวินาที ได้มีการบันทึกเกรเดียนต์การเร่งอิเล็กตรอนที่ 0.69 GeV/m สำหรับเครื่องเร่งอนุภาคเลเซอร์ไดอิเล็กทริก^{[ 42 ]}เกรเดียนต์ที่สูงกว่าในระดับของคาดว่าจะได้ค่า1 ถึง 6 GeV/m หลังจากการปรับปรุงเพิ่มเติม ^{[ 43 ]}

แนวคิดเครื่องเร่งอนุภาคขั้นสูงครอบคลุมวิธีการเร่งลำแสงด้วยการไล่ระดับที่เหนือกว่าเทคโนโลยีที่ทันสมัยในสิ่งอำนวยความสะดวกที่ใช้งานอยู่ ซึ่งรวมถึงวิธีการวินิจฉัย เทคโนโลยีการกำหนดเวลา ความต้องการพิเศษสำหรับตัวฉีด การจับคู่ลำแสง พลศาสตร์ของลำแสง และการพัฒนาการจำลองที่เหมาะสม มีการจัดประชุมเชิงปฏิบัติการที่อุทิศให้กับหัวข้อนี้ในสหรัฐอเมริกา (สลับสถานที่กัน) และในยุโรป โดยส่วนใหญ่จัดขึ้นที่เกาะเอลบาชุดการประชุมเชิงปฏิบัติการแนวคิดเครื่องเร่งอนุภาคขั้นสูงที่จัดขึ้นในสหรัฐอเมริกา^{[ 44 ]} เริ่มต้นเป็นชุดการประชุมระดับนานาชาติในปี 1982 ^{[ 45 ]} ชุดการประชุมเชิงปฏิบัติการแนวคิดเครื่องเร่งอนุภาคขั้นสูงของยุโรปเริ่มต้นในปี 2019 ^{[ 46 ]} หัวข้อที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเครื่องเร่งอนุภาคขั้นสูง:

• การเร่ง อิเล็กตรอนและโพซิตรอนด้วยพลาสมาเลเซอร์
• การเร่งความเร็วด้วยเลเซอร์และโครงสร้างที่มีความลาดชันสูง
• การเร่งความเร็วด้วยลำแสง
• การเร่งไอออนด้วยเลเซอร์พลาสมา
• แหล่งกำเนิดลำแสง เช่นปืนอิเล็กตรอนการตรวจสอบ และการควบคุม ดูฟิสิกส์ของเครื่องเร่งอนุภาค
• การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์สำหรับฟิสิกส์เครื่องเร่งอนุภาค
• เทคโนโลยี เลเซอร์สำหรับการเร่งอนุภาค
• การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
• เครื่องเร่งอนุภาคมิวออน

ตามปัญหาการกระเจิงผกผันกลไกใดๆ ที่อนุภาคสร้างรังสี (โดยที่พลังงานจลน์ของอนุภาคถูกถ่ายโอนไปยังสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ) สามารถกลับด้านได้เพื่อให้กลไกการแผ่รังสีเดียวกันนั้นนำไปสู่การเร่งความเร็วของอนุภาค (พลังงานของสนามรังสีถูกถ่ายโอนไปยังพลังงานจลน์ของอนุภาค) ในทางกลับกันก็เป็นจริงเช่นกัน กลไกการเร่งความเร็วใดๆ ก็สามารถกลับด้านเพื่อถ่ายโอนพลังงานของอนุภาคไปยังสนามที่ลดความเร็วลงได้ เช่นในระบบการกู้คืนพลังงานจลน์นี่คือแนวคิดที่ทำให้เกิดเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นแบบกู้คืนพลังงานหลักการนี้ซึ่งเป็นพื้นฐานของเครื่องเร่งอนุภาคพลาสมาหรือไดอิเล็กทริกเวคฟิลด์ นำไปสู่การพัฒนาที่น่าสนใจอื่นๆ อีกหลายประการในแนวคิดเครื่องเร่งอนุภาคขั้นสูง:

• รังสีเชเรนคอฟนำไปสู่เครื่องเร่งอนุภาครังสีเชเรนคอฟผกผัน^{[ 47 ]}
• เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระนำไปสู่เครื่องเร่งอนุภาคเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระผกผัน^{[ 48 ]}
• เลเซอร์ยังสามารถกลับทิศทางเพื่อสร้างการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนได้อีกด้วย^{[ 49 ]}

ในอนาคต ความเป็นไปได้ของการสร้างหลุมดำที่เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงสุดอาจเกิดขึ้นได้หากการคาดการณ์บางอย่างของทฤษฎีซูเปอร์สตริงมีความแม่นยำ^{[ 50 ] [ 51 ]}ความเป็นไปได้นี้และอื่นๆ ได้นำไปสู่ความกังวลด้านความปลอดภัยสาธารณะซึ่งมีการรายงานอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับLHCซึ่งเริ่มดำเนินการในปี 2551 สถานการณ์อันตรายต่างๆ ที่เป็นไปได้ได้รับการประเมินว่า "ไม่มีอันตรายที่คาดคิดได้" ในการประเมินความเสี่ยงล่าสุดที่จัดทำโดยกลุ่มประเมินความปลอดภัยของ LHC ^{[ 52 ]}หากมีการสร้างหลุมดำขึ้น ทฤษฎีคาดการณ์ว่าหลุมดำขนาดเล็กดังกล่าวควรจะระเหยไปอย่างรวดเร็วมากผ่านการแผ่รังสีเบเคนสไตน์-ฮอว์คิงแต่ยังไม่ได้รับการยืนยันจากการทดลอง หากเครื่องเร่งอนุภาคสามารถสร้างหลุมดำได้รังสีคอสมิก (และโดยเฉพาะอย่างยิ่งรังสีคอสมิกพลังงานสูงพิเศษ UHECRs) จะต้องสร้างหลุมดำมานานหลายยุคแล้ว แต่ก็ยังไม่เคยทำร้ายใคร^{[ 53 ]}มีการโต้แย้งว่าเพื่ออนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม หลุมดำใดๆ ที่เกิดขึ้นจากการชนกันระหว่าง UHECR กับสสารในท้องถิ่นจะต้องถูกสร้างขึ้นโดยเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธภาพเมื่อเทียบกับโลก และควรจะหลุดออกไปในอวกาศ เนื่องจากอัตราการสะสมมวลและการเติบโตของมันควรจะช้ามาก ในขณะที่หลุมดำที่สร้างขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาค (ที่มีส่วนประกอบมวลเท่ากัน) จะมีโอกาสที่จะมีความเร็วต่ำกว่าความเร็วหลุดพ้นของโลก 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที และจะมีแนวโน้มที่จะถูกดึงดูดและเติบโตต่อไป อย่างไรก็ตาม แม้ในสถานการณ์ดังกล่าว การชนกันของ UHECR กับดาวแคระขาวและดาวนิวตรอนจะนำไปสู่การทำลายอย่างรวดเร็ว แต่วัตถุเหล่านี้ถูกสังเกตว่าเป็นวัตถุทางดาราศาสตร์ทั่วไป ดังนั้น หากหลุมดำขนาดเล็กที่เสถียรถูกสร้างขึ้น พวกมันจะต้องเติบโตช้าเกินไปที่จะทำให้เกิดผลกระทบในระดับมหภาคที่สังเกตได้ภายในช่วงอายุขัยตามธรรมชาติของระบบสุริยะ^{[ 52 ]}

การใช้เทคโนโลยีขั้นสูง เช่น ตัวนำยิ่งยวด ระบบทำความเย็น และเครื่องขยายสัญญาณความถี่วิทยุที่มีกำลังสูง รวมถึงการมีอยู่ของรังสีไอออนไนซ์ ก่อให้เกิดความท้าทายต่อการทำงานอย่างปลอดภัยของโรงงานเร่งอนุภาค^{[ 54 ] [ 55 ]}ผู้ควบคุมเครื่องเร่งอนุภาคจะควบคุมการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาค ปรับพารามิเตอร์การทำงาน เช่นอัตราส่วนภาพความเข้มของกระแสไฟฟ้า และตำแหน่งบนเป้าหมาย พวกเขาสื่อสารและให้ความช่วยเหลือแก่บุคลากรฝ่ายบำรุงรักษาเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อให้แน่ใจว่าระบบสนับสนุนพร้อมใช้งาน เช่นระบบสุญญากาศแม่เหล็กแหล่งจ่ายไฟแม่เหล็กและความถี่วิทยุและระบบควบคุม รวมถึงระบบระบายความร้อน นอกจากนี้ ผู้ควบคุมเครื่องเร่งอนุภาคยังบันทึกเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับเครื่องเร่งอนุภาคอีกด้วย

• ฟิสิกส์เครื่องเร่งอนุภาค
• เครื่องเร่งอนุภาค (การแยกความหมาย)
• เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นขนาดกะทัดรัด
• ตัวเร่งผนังไดอิเล็กทริก
• เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมแห่งอนาคต
• เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นนานาชาติ
• กาลี
• เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น
• รายชื่อเครื่องเร่งอนุภาคในฟิสิกส์อนุภาค
• การอัดโมเมนตัม
• การเปลี่ยนแปลงนิวเคลียร์
• รอล์ฟ ไวเดอโร
• เครื่องเร่งอนุภาคตัวนำยิ่งยวด

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเครื่องเร่งอนุภาค