Начнем с обсуждения некоторых свойств электронов и протонов — частиц, которые чаще всего используются для ускорения. Проще всего иметь дело с электронами. Источниками электронов обычно служат накаливаемые током катоды, покрытые слоем окислов, уменьшающих работу выхода электронов. Если нужны большие токи, электроны можно отсасывать из плазмы газового разряда. Не представляет труда получать токи в сотни и даже в сотни тысяч ампер, поскольку эмиссионная способность катодов и плазмы очень велика.
Даже в незначительных полях электроны приобретают очень большие скорости. Уже при энергии 100 электрон- вольт скорость электронов равна 0,02 от скорости света, а при энергии 15 килоэлектронвольт (такую энергию имеют электроны в электроннолучевых трубках телевизоров) она достигает 1/4 от скорости света. При энергии 3 мега- вольта скорость электронов отличается от скорости света меньше, чем на 1,5%, и при дальнейшем ускорении почти не меняется.
Проходя через вещество, электроны активно взаимодействуют с электронными оболочками и с ядрами встречных атомов. Взаимодействие с электронами ведет к ионизации атомов и, следовательно, к замедлению электронного пучка. Другим важным механизмом, приводящим к потере энергии, является излучение. Электроны излучают электромагнитную энергию в результате резкого торможения, которое они испытывают, приближаясь к атомным ядрам, В результате такого излучения генерируются рентгеновы лучи в рентгеновых трубках. Электроны излучают также, двигаясь в магнитном поле. Это излучение при высоких энергиях электронов (гигаэлектронвольты) и при малых радиусах траектории в магнитном поле становится столь сильным, что превращается в настоящее бедствие.
Родные братья электронов — позитроны — на Земле в свободном виде не встречаются. Они имеют ту же массу, что электроны, равный, но противоположный но знаку, электрический заряд. Встречаясь с электронами, позитроны аннигилируют. При этом электрон и позитрон исчезают, а их энергия — включая энергию покоя 2mс2 — передается гамма-квантам, рождающимся в процессе аннигиляции. Позитроны часто используют в ускорителях, но прежде чем ускорять, их надо сделать.
Большое число ускорителей построено для ускорения протонов. Протоны положительно заряжены и, грубо говоря, в 2000 раз тяжелее электронов. Проходя через вещество, они теряют энергию на ионизацию атомов и рассеиваются при столкновении с ядрами. Однако вследствие своей большой массы протоны почти не излучают электромагнитных волн. Это объясняется тем, что для излучения существенно ускорение (точнее говоря, квадрат ускорения), которое испытывает заряженная частица. При тех же силах ускорение протонов в тысячи раз, а излучение — в миллионы раз слабее,
