Первым ускорителем стал циклотрон. Он был построен ещё в 1930 г. Э. Лоуренсом в США. Поскольку физический мир устроен по единым законам, все ускорители одного типа, где бы они ни были созданы, похожи друг на друга, как близнецы. У циклотрона есть один большой полый электромагнит, в котором частицы ускоряются по спиральной орбите. В настоящее время новых циклотронов уже не строят, но до сих пор их используют для опытов с ускорением до сравнительно скромных энергий — 20 МэВ. Достичь более высоких энергий с помощью циклотронов не удалось, так как возникли и технические, и физические трудности. В частности, с увеличением энергии частиц начинает проявлять себя предсказанное
A. Эйнштейном увеличение массы с ростом скорости: «тяжёлая» частица испытывает меньшее ускорение. В циклотронах это неизбежно приводило к уменьшению частоты обращения сгустков частиц, ускоряемых по кольцевой орбите. В 1944 г. независимо друг от друга советский физик
B. И. Векслер и американский физик Э.М. Макмиллан открыли принцип автофазировки. Суть метода заключается в следующем: если определённым образом подобрать поля, частицы будут всё время автоматически попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 г. американские учёные Э. Курант, М. Ливингстон и X. Снайдер предложили так называемую жёсткую фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.
Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Самый мощный находится в США. Он называется «Тэватрон», поскольку в его кольце (длина более б км) с помощью сверхпроводящих магнитов протоны приобретают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ = 1000 ГэВ). Крупнейший российский ускоритель У-70, построенный в Институте физики высоких энергий (Московская область, город Протвино), работает с 1967 г. и ускоряет в 1,5-километровом кольце на «обычных» электромагнитах протоны до энергии 76 ГэВ (четвёртый показатель в мире). Здесь же сооружён
подземный кольцевой тоннель длиной 21 км для нового ускорителя, который начнёт
действовать уже в XXI в.
Чтобы достичь ещё более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с
материалом исследуемого физического объекта, можно разогнать «мишень» навстречу
«снаряду». Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу друг другу в
особых ускорителях — коллайдерах. Конечно, плотность частиц во встречных пучках не столь
велика, как в материале неподвижной «мишени», поэтому для её увеличения применяют так
называемые накопители. Это кольцевые вакуумные камеры, в которые «порциями»
вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители снабжены ускоряющими системами,
компенсирующими частицам потерю энергии. Именно с коллайдерами учёные связывают
дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в
самых развитых странах мира — в США, Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных
исследований, базирующемся в Швейцарии.

Простейший (и в то же время достаточно сложный) ускоритель электронов есть почти в каждом доме. Это телевизор, вернее, его основная деталь — телевизионная трубка, или кинескоп. Катод кинескопа при нагревании до высокой температуры испускает электроны — элементарные частицы с отрицательным зарядом. Электронный поток попадает в электрическое поле высокого напряжения (около 20 тыс. вольт), которое его ускоряет. Энергия заряженных частиц измеряется в единицах, кратных энергии, приобретаемой электроном при прохождении разности потенциалов поля в 1 В, — электрон-вольтах (эВ). В телевизионной трубке он ускоряется до энергии 20 килоэлектронвольт (1 кэВ = 1000 эВ). Этой энергии хватает, чтобы электрон, попав в люминофор на экране телевизора, заставил его светиться. Однако для решения исследовательских задач энергии не хватит: ведь даже в опытах Резерфорда альфа-частицы имели в сотни раз большую энергию — от 2 до 8 мегаэлектронвольт (1 МэВ = 1 000 000 эВ). Следовательно, нужно либо поставить один за другим много «кинескопов», чтобы в каждом из них частицы приобретали дополнительную энергию, либо заставить пучок частиц проходить один и тот же ускоряющий участок многократно. В первом случае мы получим так называемый линейный ускоритель, а во втором — кольцевой, или циклический. Для достижения высоких энергий используют кольцевые ускорители, ибо гораздо дешевле организовать кольцевую траекторию пучка, чем «нанизывать» по прямой однотипные участки, собранные из стандартной, но достаточно сложной и дорогой аппаратуры. Однако там, где высокие энергии не нужны (например, в установках для медицины), предпочтительнее линейные ускорители.
Современный ускоритель — это, вообще говоря, труба, из которой выкачан воздух. В неё «вбрасывают» частицы из вспомогательного ускорителя малой энергии. На трубу, свёрнутую в кольцо, «надеты» ускоряющие блоки (системы электродов, которые создают электрическое поле, ускоряющее частицы) и электромагниты (они заворачивают частицы, заставляя их двигаться по кольцу). Но частицы одного знака имеют тенденцию «расталкиваться». Создать абсолютно безвоздушное пространство в трубе невозможно, поэтому частицы рассеиваются на оставшихся молекулах воздуха. Их фокусируют, т. е. «прижимают» к оси движения, при помощи так называемых магнитных линз. Когда частицы наберут нужную скорость, включается поворотный электромагнит. Он отклоняет их в канал, ведущий к объекту исследования (это, как правило, атомы выбранного для опыта вещества либо внутриатомные частицы).
Существует и другая система классификации ускорителей — по типу ускоряющего электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счёт высокой разности потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует всё время, пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях «работает» вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где в данный момент находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле, синхронно с которым, «в резонанс», происходит ускорение всего «ансамбля» частиц.
Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют в виду в основном кольцевые резонансные ускорители. В зависимости от особенностей режимов ускорения различают несколько типов. Если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени, ускоритель называется циклотроном; если магнитное поле нарастает в течение цикла ускорения — перед нами синхротрон; а если при этом изменяется и частота ускоряющего поля — мы имеем дело с синхрофазотроном. В протонных ускорителях на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются по круговой орбите с постоянной частотой; ускорители для протонов высоких энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных расположены в США, Швейцарии и России.

В 50-х гг. XX в. появились полупроводниковые приборы. Они сравнительно просты и весьма
компактны. Взаимодействие электронов с электромагнитными полями происходит здесь не в
вакууме, а в твёрдом теле — кристалле.
Электрические свойства полупроводникового кристалла связаны с существованием в нём двух
областей с разными видами проводимости.
В некоторых кристаллических веществах часть электронов на верхних атомных оболочках
оказываются «лишними». Они уходят, оставляя пустые места — вакансии, или дырки, которые
можно рассматривать как положительные заряды. Если к кристаллу приложить электрическое
напряжение, электроны «побегут» к одному электроду, а дырки — к другому. Через кристалл
пойдёт электрический ток, обусловленный электронно-дырочной, или /?-л-проводимостью (от
англ. positiv — «положительный» и negativ — «отрицательный»). Вводя в кристалл
определённые добавки, в нём создают зоны с избытком либо электронов (л-проводимость),
либо дырок (р-проводимость).
На границе этих зон возникает так называемый /?-л-переход, воздействуя на который внешним
напряжением можно, например, заставить двигаться только электроны, а дырки «запереть»;
управлять током проводимости, прикладывая слабое переменное напряжение, и т. д.
Иными словами, полупроводниковые приборы способны играть роль диода, триода и более
сложных электронных устройств чрезвычайно малых размеров; могут преобразовывать
световые сигналы в электрические и наоборот (фотодиод; фоторезистор — элемент, меняющий
своё электрическое сопротивление под воздействием света; фототранзистор).
Существуют полупроводниковые приборы — термоэлементы, термоэлектрические генераторы
(вырабатывающие электрическую энергию при нагревании) — для превращения тепловой энергии в электрическую и наоборот. Эти
приборы можно использовать в качестве пьезоэлектрических датчиков (реагирующих на
изменение атмосферного давления), тензометрических приборов (позволяющих
контролировать механическое смещение) и т. п.