例談幾種常見加速器的工作原理

1、例談幾種常見加速器的工作原理浙江奉化中學王軍明加速器的全稱是“帶電粒子加速器”顧名思義，它是利用電磁場加速帶電粒子的裝置。帶電粒子包括電子、質子、粒子和各種離子。加速器將電磁能量轉移給帶電粒子使帶電?粒子速度加快能量增高。自1931年首臺靜電加速器問世以來，這種作為探索原子核結構而發(fā)展起來的粒子加速器得到迅速的發(fā)展。加速器類型已增加到20多種。數(shù)量已達五千多臺。按粒子在加速過程中的軌跡和加速原理相結合的分類方法：可分為高壓加速器、感應加

2、速器、直線加速器和回旋加速器。04年高考又把“回旋加速器”列入考試大綱，所以本文結合例題簡單談談這幾類加速器的工作原理。一、高壓加速器高壓加速器是利用直流電場加速帶電粒子的加速器。這類加速器結構簡單，造價低廉。例1、串列加速器是用來產生高能離子的裝置。如圖（一）中虛線框內為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部b處有很高的正電勢Ua、c兩端均有電極接地（電勢為零）?，F(xiàn)將速度很低的負一價碳離子從a端輸入，當離子到達b處時，可被設在b處的特殊

3、裝置將其電子剝離，成為n價正離子，而不改變其速度大小，這些正n價碳離子從c端飛出后進入一與其速度方向垂直的、磁感應強度為B勻強磁場中，在磁場中做半徑為R的圓周運動，已知碳離子的質量，，kgm26100.2???vU5105.7??基元電荷，求R.250.0??nTBce19106.1???解析：設碳離子到達b處時的速度為從c端射出時的速度為，由能量關系得1v2v……①，……②，進入磁場后，碳離子做圓周運動，eUmv?2121neUmvm

4、v??21212221可得……③，由以上三式可得……④，由④RvmBnev222?enmUnBR)1(21??式及題給數(shù)值可得R=0.75m二、感應加速器例2，電子感應加速器是利用變化磁場產生的電場加速電子的。在圓形磁鐵兩極之間有一環(huán)形真空管，用交變電流勵磁的電磁鐵在兩極間產生交變磁場，從而在環(huán)形室內產生很強的電場，使電子加速。被加速的電子同時在洛侖茲力的作用下沿圓形軌道運動。在101ms內電子已經能獲得很高的能量了。最后把電子引入靶室

5、，進行實驗工作。北京正負電子對撞機的環(huán)行周長為=240m加速后電子在環(huán)中做勻速圓周運動的速率接近光速，其等效電流大小I=8mA則環(huán)中約有多少個電子在運行？解析：一周內每個電子通過每一截面一次，設電子個數(shù)為N周期為T.則TNeI?(2)若每次對離子加速時的電壓大小均為U，求：離子經K次加速后，再次進入磁場運動半徑的表達式(用B、K、q、m、U表示)KR(3)試說明：離子在D形盒中沿半圓軌道運動時，軌道是否是等間距分布？解析：（1）經過半圓

6、的時間為rvmqvB2?vRt??又由題意可知，高頻交變電源的周期與離子運動一周的時間相等，所以交變電源的周期為qBmtT?22??（2）設離子經K次加速時的速度為Kv則由動能定理可知得221KmvKqU?mKqUvK2?又，故qBmvRKK?qKUmBmKqUqBmRK212??（3）設離子經K2次加速后的速度為，此時離子又回到與（2）中的同一個D形2?Kv盒中，半徑為同理可得：2?KRqUmKBqBmvRKK)2(2122?????

7、所以任意兩軌道半徑之比22???KKRRKK可見，離子在D形盒中沿半圓形軌道運動時，軌道是不等距分布的。隨著基本粒子的研究進入更深的層次，要求粒子轟擊靶的能量越來越高，而建造超高能加速器受到種種條件限制。為此，科學家們提出了對撞機的新概念。在20世紀90年代對撞機得到迅速發(fā)展，先后建成了一批正負電子對撞機、質子—質子對撞機。為了建造性能更好、能量更高的加速器，一些新的加速原理和方法相繼出現(xiàn)了。如電子環(huán)加速器、強電子束集團加速器、尾場加速