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加速器的原理
( 发表时间:2006/6/19 13:47:20)

1929年劳伦斯提出回旋加速器的理论,并于1930年建成第一台回旋加速器.其基本原理是带电粒子在磁场中作圆周运动,采用变化电极的方法,使粒子在较低电压下通过多次加速获得很高的动能.
图(1)是回旋加速器的示意图.它有两个中空的半圆D形电极:A和B.两个D形电极以一定频率变化电极的极性,一方为正,另一方为负.将D形电极置于真空中,在A和B电极之间缝隙中心是离子源(S),离子源通常由电弧电离适当的气体产生质子.在D形电极的上下方有磁场(H).
加速器工作时,离子源(S)产生一个正电荷的质子,受电场的作用被“吸引”(加速)至D形电极的负极;一量进入D形盒,荷电粒子不再受电场的作用,而受磁场洛仑磁力作用,在磁场中作圆周飞行。当粒子飞行半圈到达D形电极的缝隙处时,D电极极性改变,粒子再次被加速至另一极。此时粒子的速度比原先大,所受洛化成反比力增加,在D形盒内作圆周运动的半径也增加。粒子每通过一次D形电极缝隙,被加速至另一极。此时粒子的速度比原先大,所受洛仑磁力增加,在D形盒内作圆周运动的半径也增加。粒子每通过一次D形电极缝隙,被加速一次,在D形盒内的圆周运动半径也增一次。无论粒子运动半径如何,电极变化的时间与粒子在D形盒内运动时间相等,为恒定值,最后当粒子加速到一定的速度后被引出D形盒轰击靶材料。
如果离子的质量为M,以速度V在D形盒内在磁场为H中作圆周运动。洛仑磁力(HeV)与离心力(Mv2/r)相等(此处r为离子圆周运动的增径)。
Hev= Mv2/r     v=Hre/M
相同e/M比的不同粒子,如α粒子和氘核,在相同的磁场和电场中可加速获得相同速度,这样α粒子有二倍于氘核的能量。同样,在相同情况下,氘核只有质子的一半能量。
被加速粒子的能量E= Mv2/2=H2e2r2/2M.在此公式中,粒子的质量被认为是恒量,H和e也是不变。随着粒子运动半径的增加,其能量成倍增加。当粒子的能量达到一定值时,根据爱因斯坦质能方程,其质量也增加。一旦质量改变,它在D形盒中运动时间将改变,它将不再与电析变化时间相匹配,因此,此类加速器加速粒子的极限能量为20MeV,为达到更高能量的粒子,则必须改变磁场或电极变化的频率。

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