Лине́йный ускори́тель прото́нов, устройство, в котором протоны ускоряются электромагнитными полями, двигаясь по прямолинейной траектории. Применяется также для ускорения ионов. Используются два основных типа линейных ускорителей протонов: ускорители прямого действия (или высоковольтные ускорители), конструкция которых аналогична высоковольтным линейным ускорителям электронов, и высокочастотные резонансные ускорители.

В ускорителях прямого действия заряженная частица один раз проходит через ускоряющий зазор, к которому приложено максимальное напряжение. В 1932 г. Дж. Кокрофт и Э. Уолтон создали такой линейный ускоритель протонов на основе схемы умножения напряжения. На этом ускорителе они осуществили первую искусственную ядерную реакцию – расщепление ядра лития протонами, ускоренными до энергий 700 кэВ. Практически сразу этот эксперимент был повторен в Украинском физико-техническом институте (Харьков). После 1932 г. началось активное использование ускорителей в ядерной физике.

Развитие высокочастотных резонансных ускорителей связано с разработкой ядерного оружия: предполагалось получать плутоний, облучая природный уран ускоренным пучком протонов (или дейтронов). В резонансном ускорителе частица проходит последовательность ускоряющих зазоров, приобретая на каждом из них относительно небольшую энергию. Электрическое поле в зазоре изменяется во времени, но частица проходит зазор всегда при ускоряющем направлении поля (т. е. движение частицы находится в резонансе с полем). Первую такую ускоряющую систему создал норвежский физик Р. Видероэ в 1928 г. и ускорил в ней ионы калия и натрия. В ускорителе Видероэ использовался ряд металлических трубок (трубок дрейфа), на которые подавалось напряжение низкой частоты от обычной двухпроводной линии. Основное назначение трубок дрейфа – экранирование частицы от действия поля в тот момент, когда оно имеет тормозящее направление. В 1945 г. в США была предложена идея линейного ускорителя протонов, который позднее был построен в Беркли (штат Калифорния) группой под руководством Л. У. Альвареса. Этот ускоритель был сооружён на основе цилиндрического резонатора, на оси которого создавалось продольное переменное электрическое поле высокой частоты. Заряженные частицы, предварительно ускоренные высоковольтным генератором, инжектировались в резонатор. На оси резонатора последовательно располагались трубки дрейфа. Длина резонатора составляла около 17 м, диаметр – 18 м. Трубки дрейфа подвешивались к потолку резонатора на штангах и имели внешний диаметр 3 м. Внутри трубок размещались соленоиды с продольным магнитным полем для фокусировки пучка, что и определяло большой диаметр трубок и, соответственно, всего ускорителя. На этом линейном ускорителе протонов исследовались ядерные реакции в области энергий до 32 МэВ.

В 1952 г. американский физик Дж. П. Блуэтт предложил использовать для фокусировки пучка квадрупольные линзы, что в конечном итоге привело к уменьшению внешнего диаметра резонатора до 1,5–2 м. Достигнутые параметры позволили использовать такие линейные ускорители протонов в качестве инжекторов частиц для протонных синхротронов, рассчитанных на высокие энергии. Первый отечественный ускоритель такого типа был разработан под руководством К. Д. Синельникова для инжекции частиц в синхрофазотрон Объединённого института ядерных исследований (Дубна).

Ускоряющие системы Л. У. Альвареса используются для ускорения частиц до энергий 200–300 МэВ. Для более высоких энергий применение цилиндрических резонаторов становится энергетически неэффективным. Ускорение до энергий 0,8–1,5 ГэВ осуществляется в ускоряющих системах, в которых протоны получают энергию от бегущей электромагнитной волны. Для ускорения протонов до энергий свыше 1,5 ГэВ используются циклические ускорители.

В ускоряющих структурах с трубками дрейфа используются и другие типы объёмных резонаторов. Чаще всего применяется т. н. Н-резонатор, представляющий собой полый цилиндр с двумя рёбрами, на которых крепятся трубки дрейфа. Такие резонаторы эффективны для ускорения частиц до энергий около 50 МэВ. Для ускорения тяжёлых ионов до энергий в несколько МэВ используются цепочки последовательно расположенных одно- или двухзазорных резонаторов, питаемых от независимых источников поля высокой частоты (см. Ускорители тяжёлых ионов). Возможно также использование сверхпроводящих резонаторов, что позволяет резко снизить потери мощности на нагрев резонатора.

Для упрощения конструкции линейного ускорителя протонов были предложены методы фокусировки пучка, не требующие размещения в трубках дрейфа специальных фокусирующих устройств. Наиболее известные из них – фазопеременная фокусировка (ФПФ) и высокочастотная квадрупольная фокусировка (ВЧК). ФПФ, предложенная американским физиком М. Л. Гудом (1953) и Я. Б. Файнбергом (1956), основана на периодическом изменении длин трубок дрейфа на протяжении длины резонатора таким образом, чтобы обеспечить знакопеременную фокусировку радиальными компонентами электрического поля на входе и выходе ускоряющего зазора. Такой тип фокусировки применяется в основном в ускорителях лёгких и тяжёлых ионов. Идея ВЧК была предложена в 1956 г. советским физиком В. В. Владимирским и основана на отказе от аксиальной симметрии высокочастотного электрического поля в зазорах; при этом фокусировка обеспечивается квадрупольной компонентой поля. Эта идея была развита советским физиком В. А. Тепляковым и доведена до реализации в ускорителе, работающем в составе ускорительного комплекса Серпуховского синхротрона (Протвино).

К недостаткам ускоряющих структур с трубками дрейфа относятся необходимость предварительного ускорения пучка до энергий 600–700 кэВ в высоковольтном ускорителе и невысокая доля частиц, захватываемых в режим ускорения из исходного непрерывного пучка. В 1969 г. В. В. Владимирский, И. М. Капчинский и В. А. Тепляков предложили ускоряющую структуру с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой, которая решает эти проблемы. Такой ускоритель представляет собой четырёхпроводную линию, провода которой питаются переменным напряжением со сдвигом по фазе на 180°. Тем самым создаётся квадрупольная симметрия электрического поля вдоль оси линии, где движутся ускоряемые частицы. Продольная ускоряющая компонента электрического поля создаётся за счёт периодического изменения расстояния между противоположными электродами одной полярности. Такая структура, называемая также RFQ (Radio Frequency Quadrupole), наиболее широко применяется на начальном участке ускорения частиц (до энергий около 1 МэВ), т. к. она не требует высокой энергии инжектируемых частиц и способна ускорять импульсные токи величиной до нескольких амперов (частицы внутри пучка распределены неравномерно, поэтому характеристикой пучка является как импульсный ток, определяемый по движению сгустка частиц, так и средний по времени ток).

Современные линейные ускорители протонов используются в основном в качестве инжекторов частиц для протонных синхротронов. Линейные ускорители протонов с высоким средним током применяются для наработки короткоживущих изотопов, используемых в медицине. Линейные ускорители протонов с энергией около 1 ГэВ применяются в качестве генераторов мезонов. На основе линейных ускорителей протонов создаются интенсивные нейтронные генераторы для изучения структуры и динамики конденсированных сред. Ускорение отрицательно заряженных ионов водорода (Н^–) используется для генерации ускоренных пучков нейтральных частиц, при этом после ускорения ионы проходят сквозь мишень и теряют лишний электрон. Интенсивные пучки нейтральных частиц планируется использовать для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза и для передачи на большие расстояния энергии в космическом пространстве. Исследуются возможности создания эффективной и безопасной ядерной энергетики на базе комплекса линейного ускорителя протонов и подкритического реактора на быстрых нейтронах. Возможно использование интенсивных пучков протонов для создания фабрик μ-мезонов и нейтрино (см. Нейтринная фабрика) для исследований слабых взаимодействий.