回旋加速器的原理

我們知道，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度無關(guān)的，也就是說無論粒子運(yùn)動(dòng)快慢，它環(huán)繞一圈的時(shí)間總是固定的，利用這個(gè)特性，人們發(fā)明了粒子回旋加速器。

如圖，在D形盒窄縫中間存在加速電場(chǎng)，在上下兩個(gè)D形盒中加有垂直于盒面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。帶電粒子首先由粒子源發(fā)出，經(jīng)過加速電場(chǎng)第一次加速速度達(dá)到v0，垂直進(jìn)入磁場(chǎng)，然后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過半個(gè)周期再次到達(dá)D形盒窄縫，進(jìn)入加速電場(chǎng)再次加速，速度達(dá)到v1，然后再次進(jìn)入磁場(chǎng)，如此反復(fù)。

通過設(shè)定D形盒窄縫間電壓的頻率，使其與粒子的運(yùn)動(dòng)周期同步，就可以實(shí)現(xiàn)每次粒子離開磁場(chǎng)就開始進(jìn)入加速過程。

隨著粒子速度的提高，運(yùn)動(dòng)半徑逐步增大，所以D形盒的尺寸成為制約回旋加速器的一個(gè)關(guān)鍵因素。

此外，由于相對(duì)論效應(yīng)，當(dāng)粒子速度太快以至于接近光速時(shí)，回旋加速器將失效，因?yàn)榱Ｗ铀俣鹊奶岣邔?dǎo)致質(zhì)量增大，而粒子的運(yùn)動(dòng)周期是與質(zhì)量有關(guān)的，所以會(huì)導(dǎo)致高頻電源電壓與粒子周期不匹配，從而無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)加速要求。日常應(yīng)用中，回旋加速器多用于加速比較重的帶電粒子，而很少加速電子等輕粒子。

回旋加速器的應(yīng)用很多，考試中的考題多以應(yīng)用題的形式出現(xiàn)，只要掌握了基本原理，認(rèn)真審題，一般比較容易得分，無外乎就是比較每次加速后的速度、軌道半徑以及能量變化等。