同步加速器
当同步加速器中的粒子加速时，加速器的强度磁场增加以保持轨道半径近似恒定。这种技术的优点是，形成粒子轨道所需的磁体比原子轨道所需的磁体要小得多回旋加速器产生相同的粒子能量。加速度是由射频电压影响，而同步是由原理保持相位稳定性．的增长率能源粒子的增加速率是由磁场强度．高峰加速电压通常是每回合所需平均能量增益的两倍，以提供相位稳定的余量。相对于加速电压，粒子可以稳定地以一系列能量和相位加速，而且非常强烈梁可以生产。
磁场的形状必须使粒子束聚焦。在早期的同步加速器中，磁场会随着半径的增加而略微减小，就像在倍加速器中一样。这种安排产生了较弱的聚焦效应，这是足够的机器，其中的磁铁间隙的尺寸可以明显地与轨道的半径相比。可能使用的磁场的大小受限于饱和的铁控件的路径磁通．因此，如果要增加加速器的能量，其半径必须相应增大。对于相对论性粒子，半径与动能．具有弱聚焦的同步加速器磁体，设计成合理的强度，其质量将与半径的立方成正比。很明显，将能量增加到超过某一点——实际上，大约10 gev——将是非常昂贵的。
介绍交变梯度聚焦为这个问题提供了解决方案，并使具有更高能量的同步加速器的发展成为可能。这一想法很快被纳入到33-GeV质子同步加速器的设计中布鲁克海文国家实验室在纽约厄普顿，以及28-GeV机欧洲核研究组织(欧洲核子研究中心)，位于日内瓦附近。
在交替梯度同步加速器中，磁场随半径的变化比用于弱聚焦的磁场要强烈得多。一个磁铁与杆尖形状所示横截面一个b在产生随半径增加而急剧减小的磁场。到粒子梁在美国，这种磁场就像一个具有非常短的透镜焦距．在垂直方向上(轨道平面是水平的)它聚焦光束，但在径向上它几乎同样散焦。磁体，磁极尖端的形状显示在横截面上cd图中产生的场随着半径的增加而强烈增加。该场在垂直方向上散焦，在径向上聚焦。虽然配对这样的磁场会导致部分抵消，但总体效果是在两个方向上提供聚焦。磁场环是由大量磁铁形成的，有两种类型的磁极尖端交替，如图顶部所示。实际上，当粒子在环上移动时，光束通过一系列透镜，在a中产生大光束电流真空腔体截面小。
在大型同步加速器中加速的粒子通常被注入直线加速器他们被一种叫做弯曲物。当磁场很小时，它们在环内开始加速。随着环形磁体产生的磁场增加，注入脉冲被定时，这样磁场和来自线性加速器的粒子的能量就能正确匹配。的射频加速装置，通常称为空腔，其工作原理与线性加速器的一小部分相同。有用的光束可能是由特殊磁铁从环中提取的加速粒子，也可能是从目标中喷射出来的次级粒子被引入光束。
电子同步加速器
发明了同步加速器他立即解决了电子在圆形轨道上运动的辐射对电子加速度的限制问题。这种辐射已经被命名同步加速器辐射因为它是在位于纽约州斯克内克塔迪的通用电气公司研发中心实验室建造的70兆电子同步加速器运行期间首次被观测到的电子感应加速器只有小心地补偿辐射，才能将电子加速到300兆电子伏，但同步加速器只需要适度增加射频加速电压。当粒子因辐射而失去能量时，它们相对于加速电压的平均相位只是轻微移动，以增加它们每转的平均能量增益。
电子同步加速器在几个国家已经建造了能量接近300兆电子伏的太阳能发电站，第一个是1949年在伯克利建造的埃德温·麦克米兰的方向。在这些加速器中，电子通过脉冲注入电子枪50-100 keV到2-3 MeV的初始加速度为诱导就像在betatron里。磁体是专门设计用于在磁体循环的初始部分提供加速磁通;在这段时间里，电子的速度增加了大约50%光速到95%以上。在这一点上，由射频腔加速叠加，和微小的进一步的速度变化由5%的轨道半径变化容纳。
强烈的关注首次应用于电子同步加速器的是1954年在康奈尔大学在纽约州的伊萨卡，现在所有的大型电子同步加速器都配备了线性加速器喷油器。电子同步加速器能量的实际限制是由射频系统的成本来确定的，该系统需要恢复电子因辐射而损失的能量。为了尽量减少能量损失，加速时间尽可能短(几毫秒)，磁场保持微弱。弱场通过引导电子沿着平缓弯曲的路径运动来降低能量损失。然而，由于同步加速器辐射损失随能量的四次方增加，能量的小幅增加导致半径的大幅增加。
最大的电子同步加速器，用于粒子物理研究，运作碰撞光束存储环（见下文碰撞光束存储环)．在欧洲核子研究中心的大型电子-正电子对撞机是为了加速电子而且正电子最初达到50 GeV，后来达到约100 GeV，形成一个周长27公里(17英里)的环。这可能是这类机器的实际极限。
另一种减少电子同步加速器能量的方法是使用超导射频加速腔．这些没有电阻因此，由于电流加热效应造成的损失要低得多。例如，他们被用来加速电子在6.3公里(3.9英里)环的电子质子对撞机谜底德国汉堡(德国电子同步加速器)实验室。（见下文碰撞束储存环:电子-质子储存环)．超导腔也被用来使能量加倍梁在LEP中，从铜腔每束50 GeV到超导腔每束略高于100 GeV。
质子同步加速器
质子的运作方式同步加速器非常类似于电子同步加速器，但有两个重要的区别。首先，由于质子的速度在其能量远高于1 GeV之前不会接近光速，因此必须对加速电压的频率进行调制，以使其在加速的初始阶段与粒子的速度成比例。第二，质子不会因为辐射而损失大量的能量，而辐射的能量是现代技术所能达到的。因此，质子同步加速器的能量限制是由质子同步加速器的成本决定的磁铁环，它只随能量的一次幂而增加，甚至增加得更慢。最高能量粒子加速器然而,建造了质子同步加速器。
第一个运行的质子同步加速器(1952年)是3-GeV同步加速器在布鲁克海文国家实验室．这款加速器以及随后推出的其他加速器都采用了弱聚焦磁铁。28-GeV质子同步加速器欧洲核子研究中心布鲁克海文的33-GeV机器利用了交变梯度聚焦ydF4y2BaG，但并非没有并发症。这种聚焦是如此强烈，以至于一个粒子完成一个轨道所需的时间不太取决于粒子的能量。因此，对于加速度明显影响粒子速度的能量范围(可能扩展到几GeV)，相位稳定操作就像在直线加速器:稳定相位区域位于加速电压时间曲线的上升侧。然而，在更高的能量，质子的速度基本上是恒定的，稳定相的区域是在电压曲线下降的一边，因为它是在a同步回旋加速器．在分割这些区域的点上，叫做相变能，没有相稳定性。在布鲁克海文建立了一个电子加速器模型来证明光束可以通过过渡能稳定地加速。
1972年，一个大型的质子同步加速器在费米实验室．这台机器有一个磁铁环占据一个周长6.3公里(3.9英里)的圆形隧道。一开始加速但到1976年，它已经达到了500 GeV。同年，一个类似的加速器，the超级质子同步加速器(SPS)开始在欧洲核子研究中心运行。SPS由28-GeV的质子同步加速器(PS)提供质子，并将其加速到400 GeV，随后达到450 GeV。
为了达到更高的能量，费米实验室在6.3公里长的隧道里建造了第二个同步加速器。的泰威顿被设计为接近1000 GeV，或1 TeV的能量，这是该设备名称的来源。引导和聚焦如此高能质子束所需的强磁场由1000个原子提供磁铁用超导做的线圈合金，整个环被保持在4.5开尔文液态氦．费米实验室最初的同步加速器是基于传统磁铁的，在1997年之前一直是Tevatron的注入器。1999年主注入器它取代了早期的同步加速器，为Tevatron提供了更强的束流。
在费米实验室，质子束最初是负的氢离子(每个质子有两个电子)，产生于750千伏的Cockcroft-Walton发电机，并在线性加速器中加速到400兆电子伏。然后碳箔将电子从离子中剥离出来，质子被注入到一个150米(500英尺)长的小型同步加速器“助推器”中直径，使粒子加速到8 GeV。质子从助推器被转移到主注入器，在那里它们被进一步加速到150 GeV，然后被送入Tevatron的最后一个加速阶段。
直到2000年，人们才从Tevatron中提取出800 GeV的质子，并将其定向到目标上，以产生用于不同实验的各种粒子束。主注入器随后成为提供提取光束的主要机器，能量较低，为120 GeV，但强度比Tevatron高得多。1987年，Tevatron开始作为质子反质子对撞机从2000年到2011年关闭，这一直是它唯一的功能。
欧洲核子研究中心的SPS还作为质子-反质子对撞机运行，并加速了重离子(如硫离子和铅离子)以及电子和正电子注入地蜡对撞机．与较小的PS一起，它继续构成欧洲核子研究中心的一部分集成加速器的复合物。