例談幾種常見(jiàn)加速器的工作原理

1、例談幾種常見(jiàn)加速器的工作原理浙江奉化中學(xué)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(chǎng)加速帶電粒子的裝置。帶電粒子包括電子、質(zhì)子、粒子和各種離子。加速器將電磁能量轉(zhuǎn)移給帶電粒子使帶電?粒子速度加快能量增高。自1931年首臺(tái)靜電加速器問(wèn)世以來(lái)，這種作為探索原子核結(jié)構(gòu)而發(fā)展起來(lái)的粒子加速器得到迅速的發(fā)展。加速器類(lèi)型已增加到20多種。數(shù)量已達(dá)五千多臺(tái)。按粒子在加速過(guò)程中的軌跡和加速原理相結(jié)合的分類(lèi)方法：可分為高壓加速器、感應(yīng)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(jié)合例題簡(jiǎn)單談?wù)勥@幾類(lèi)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(chǎng)加速帶電粒子的加速器。這類(lèi)加速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。例1、串列加速器是用來(lái)產(chǎn)生高能離子的裝置。如圖（一）中虛線框內(nèi)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(shì)Ua、c兩端均有電極接地（電勢(shì)為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)一價(jià)碳離子從a端輸入，當(dāng)離子到達(dá)b處時(shí)，可被設(shè)在b處的特殊

3、裝置將其電子剝離，成為n價(jià)正離子，而不改變其速度大小，這些正n價(jià)碳離子從c端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)，已知碳離子的質(zhì)量，，kgm26100.2???vU5105.7??基元電荷，求R.250.0??nTBce19106.1???解析：設(shè)碳離子到達(dá)b處時(shí)的速度為從c端射出時(shí)的速度為，由能量關(guān)系得1v2v……①，……②，進(jìn)入磁場(chǎng)后，碳離子做圓周運(yùn)動(dòng)，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(yīng)加速器例2，電子感應(yīng)加速器是利用變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)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(lì)磁的電磁鐵在兩極間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而在環(huán)形室內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，使電子加速。被加速的電子同時(shí)在洛侖茲力的作用下沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)。在101ms內(nèi)電子已經(jīng)能獲得很高的能量了。最后把電子引入靶室

5、，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的環(huán)行周長(zhǎng)為=240m加速后電子在環(huán)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(gè)電子在運(yùn)行？解析：一周內(nèi)每個(gè)電子通過(guò)每一截面一次，設(shè)電子個(gè)數(shù)為N周期為T(mén).則TNeI?(2)若每次對(duì)離子加速時(shí)的電壓大小均為U，求：離子經(jīng)K次加速后，再次進(jìn)入磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)半徑的表達(dá)式(用B、K、q、m、U表示)KR(3)試說(shuō)明：離子在D形盒中沿半圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，軌道是否是等間距分布？解析：（1）經(jīng)過(guò)半圓

6、的時(shí)間為rvmqvB2?vRt??又由題意可知，高頻交變電源的周期與離子運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間相等，所以交變電源的周期為qBmtT?22??（2）設(shè)離子經(jīng)K次加速時(shí)的速度為Kv則由動(dòng)能定理可知得221KmvKqU?mKqUvK2?又，故qBmvRKK?qKUmBmKqUqBmRK212??（3）設(shè)離子經(jīng)K2次加速后的速度為，此時(shí)離子又回到與（2）中的同一個(gè)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(jiàn)，離子在D形盒中沿半圓形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，軌道是不等距分布的。隨著基本粒子的研究進(jìn)入更深的層次，要求粒子轟擊靶的能量越來(lái)越高，而建造超高能加速器受到種種條件限制。為此，科學(xué)家們提出了對(duì)撞機(jī)的新概念。在20世紀(jì)90年代對(duì)撞機(jī)得到迅速發(fā)展，先后建成了一批正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。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(qiáng)電子束集團(tuán)加速器、尾場(chǎng)加速