第十三节 回旋加速器

在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，往往要用能量很高的带电粒子去轰击各种原子核，观察它们的变化情况。例如，要从原子核中把中子或质子打出来，就得用 8 兆电子伏的质子。为了探索质子的内部结构，使用了 200 亿电子伏的电子去轰击质子。怎样才能在实验室大量产生这样高能量的带电粒子呢？这就要用一种新的实验设备——加速器。

我们已经学过，利用电场可以使带电粒子加速。早期制成的加速器，就是用高压电源的电势差来加速带电粒子的，这种类型的加速器受到实际所能达到的电势差的限制，粒子获得的能量并不太高，只能达到几十万到几兆电子伏。1932 年美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，很巧妙地克服了这个困难，这种加速器不是利用高电压使粒子一次得到巨大的速度，而是用电压较低的高频电源，使粒子每隔一定的时间受到一次加速，经过多次加速后达到巨大的速度。现在来看一看回旋加速器的工作原理。

图 1–39 表示从放在 A₀ 处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率 v₀ 垂直进入匀强磁场中，在磁场中做匀速圆周运动，经过半个周期，当它沿着半圆弧 A₀A₁ 到达 A₁ 时，我们在 A₁A₁ʹ 处造成一个向上的电场，使这个带电粒子在 A₁A₁ʹ 处受到一次电场的加速，速率由 v₀ 增加到 v₁。然后粒子以速率 v₁ 在磁场中做匀速圆周运动，我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动。又经过半个周期，当它沿着半圆弧 A₁ʹA₂ʹ 到达 A₂ʹ 时，我们在 A₂ʹA₂ 处造成一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到 v₂。如此继续下去，每当粒子运动到 A₁A₁ʹ、A₃A₃ʹ 等处时都使它受到一个向上电场的加速，每当粒子运动到 A₂ʹA₂、A₄ʹA₄ 等处时都使它受到一个向下电场的加速，这样，粒子将沿着图示的螺线 A₀A₁A₁ʹA₂ʹA₂……回旋下去，速率将一步一步地增大。

我们讲过，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期 T = 2πm/qB 跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的．因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大，运动周期却始终不变，即粒子由 A 沿半圆弧 A₀A₁ 运动到 A₁，由 A₁ʹ 沿半圆弧 A₁ʹA₂ʹ 运动到 A₂ʹ……经过的时间都等于半个周期，即 \(\frac{T}{2}\)。如果象图 1–40 所示那样，在直径 AA、A′A′ 处造成一个交变电场，使它也以相同的周期 T 往复变化，那就可以保证粒子每经过直径 AA 和 A′A′ 时都正好赶上适合的电场方向而被加速。这一点仔细研究一下图 1–40 就会明白了。

回旋加速器是怎样实现上述加速粒子过程的呢？回转加速器的核心部分是两个 D 形的金属扁盒（图 1–41）．这两个 D 形盒就象是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半。两个 D 形盒之间留一个窄缝，在中心附近放有粒子源。D 形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于 D 形盒的底面。

如果把两个 D 形盒分别接在频率 f = \(\frac{1}{T}\) = qB/2πm 的高频电源的两极上（频率的数量级为 10⁶ 赫），就可以在 D 形盒的窄缝中造成图 1–40 所示的交变电场．这样，从粒子源发出的带电粒子就可以象图 1–39 所示那样不断被加速。

为什么要使带电粒子在 D 形盒中运动呢？这是因为考虑到静电屏蔽作用，金属盒可以屏蔽外界电场；盒内的电场很弱，这样才能保证粒子在盒内只受磁力的作用而做匀速圆周运动。

带电粒子在 D 形盒内沿螺线轨道逐渐趋于盒的边缘，达到预期的速率后，用特殊装置把它们引出。

回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子方面前进了一步，但是，在三十年代末期已经发现，用回旋加速器加速质子，在能量达到 25 ~ 30 兆电子伏之后，就很难进一步提高了。这是因为，在粒子的能量很高的时候，它的运动速度接近于光速，按照狭义相对论，这时粒子的质量将随着速率的增加而增大，因此，粒子在磁场中回旋一周所需的时间要发生变化，交变电场的频率不再跟粒子运动的频率一致，这就破坏了加速器的工作条件，进一步提高粒子的速率就不可能了。

为了把带电粒子加速到更高的能量，以适应高能物理实验的需要，人们设计制造了各种类型的新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器、直线加速器等等，这些加速器都考虑了相对论效应，可以把带电粒子加速到几千兆电子伏以上，目前同步加速器能够把质子加速到 10⁶ 兆电子伏。

发布时间：2024/7/26 上午11:16:46  阅读次数：32