回旋加速器

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引言：回旋加速器

回旋加速器是一种用于将带电粒子加速到非常高的速度，即非常高的动能的装置。

这些高速带电粒子用于以下目的

• 研究核反应

• 将离子注入固体中

• 用于启动放射性衰变

因此，回旋加速器用于所有这些目的。

由于我们需要在这个装置中使用高速带电粒子，因此我们将带电粒子放置在两个带相反电荷的极板之间。电场会通过对放置在两个带相反电荷的极板之间的带电粒子施加加速电场力来增加速度，如图 1 所示。

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图 1

这里，$\mathrm{加速度(a) \:=\:\frac{力(F)}{质量(m)}}$，力(F) 只是电荷(q) 和电场(E) 的乘积。

如果我们想进一步提高速度，则有两种方法，如下所示：

我们可以增加极板之间的距离

$\mathrm{V^2\:=\:u^2\:+\:2.a.s}$

这里，v = 带电粒子的最终速度

u = 带电粒子的初始速度

a = 加速度

s = 行进距离

因此，最终速度与行进距离成正比。

我们可以将电荷在电场中放置更长的时间

v = u + a.t

这里，t = 时间

因此，最终速度也与时间成正比。

现在，如果我们增加's'，则设备的尺寸会增加，这是不可取的。

此外，电场强度与's'成反比，因此它也会减小，从而导致加速度减小。因此，我们将选择第二个选项，即增加时间。如果我们在设备中也引入磁场，则可以实现这一点。磁场会改变带电粒子的运动方向，并使带电粒子在带电极板之间旋转，从而增加时间't'，因此带电粒子的速度(v) 会增加。因此，我们在这里引入了交叉场，即电场和磁场的方向彼此垂直。

此外，让我们看看回旋加速器的构造。

回旋加速器的构造

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图 - 2(a)

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图 - 2(b)

这里，$\mathrm{D_1}$ 和 $\mathrm{D_2}$ 是空心金属半圆形容器，称为D形盒[图 2 (a)]。此外，带电粒子的源具有非常高的频率（10万到1000万赫兹），由于频率非常高，因此也称为振荡器[图 2 (b)]。磁场方向在纸面外[图 2 (a)]。电源电压非常高，因此它会增加电场，从而增加电力。

回旋加速器的原理

假设一个电荷'q'从源发出并加速向$\mathrm{D_2}$（此时带负电）[图 2 (b)]，然后它的速度增加。一旦'q'进入$\mathrm{D_2}$，电场强度(E) = 0（因为导体空腔内的E为零）。

现在它的速度不能再增加，但磁场会迫使'q'以相同的速度沿圆形路径运动。当'q'从$\mathrm{D_2}$出来时，D形盒的极性切换（$\mathrm{D_1}$将变为负，$\mathrm{D_2}$将变为正）。现在'q'加速向$\mathrm{D_1}$，当它再次进入$\mathrm{D_1}$时，E = 0，磁场迫使它以相同的速度沿圆形路径运动。但现在圆形路径的半径大于前一个。发生这种情况是因为在从$\mathrm{D_2}$到$\mathrm{D_1}$的运动过程中，它会加速并且速度会增加。

我们知道，在磁场中 -

$$\mathrm{r\:=\:\frac{m.v}{q.B}}$$

这里，r = 圆形路径的半径，m = 带电粒子的质量，v = 带电粒子的速度，q = 带电粒子上的电荷，B = 磁场强度。因此，随着带电粒子速度的增加，圆形路径的半径也会增加。

因此，从图 2 (a) 和 2 (b) 可以看出，圆形路径的半径正在增加，我们得到一个螺旋路径。

最终速度和动能

当带电粒子离开时，圆形路径的半径将等于D形盒的半径。我们还知道，

$$\mathrm{r\:=\:\frac{m.v}{q.B}}$$

因此，我们可以将带电粒子的速度写成，

$$\mathrm{v\:=\:\frac{qB.r}{m}}$$

我们还知道，动能(K.E.) 可以写成 -

$$\mathrm{K.E. \:=\:\frac{1}{2}m.v^2\:=\:\frac{1}{2}m.(\frac{qB.r}{m})^2\:=\:\frac{q^2B^2r^2}{2m}}$$

关于带电粒子'q'的圆周运动周期(T) -

$$\mathrm{T\:=\:\frac{2\pi m}{qB}}$$

我们知道频率(f) 将是周期的倒数，因此可以写成 -

$$\mathrm{f\:=\:\frac{qB}{2\pi m}}$$

这也称为振荡器频率或回旋加速器频率。

回旋加速器的局限性

回旋加速器的一些局限性如下所述：

• 它不能用于中子等中性粒子，因为中性粒子不能加速。

• 它不能用于电子等非常小的带电粒子。因为电子的质量非常小，几乎是质子的10000分之一。原因是由于质量非常小，因此驱动加速度会非常高，因此速度会非常高。因此，电子的速度变得与光速相当，导致电子的质量在每次旋转中都会增加。因此，带电粒子的频率会降低，但振荡器的频率是固定的，因此带电粒子与振荡器频率之间会出现不匹配。因此，电子偏离了回旋加速器频率。我们还可以说，回旋加速器不能加速任何速度与光速相当的带电粒子。

常见问题

Q1. 什么是回旋加速器？

答：它是一种用于将带电粒子加速到非常高的速度的装置。加速后的带电粒子在许多方面都很有用。

Q2. 为什么除了电场之外，回旋加速器还需要磁场？

答：电场用于加速带电粒子，但磁场会改变运动方向。它使带电粒子做圆周运动，因此它将在电场中花费更多时间，并且可以获得非常高的速度。

Q3. 回旋加速器的一些应用是什么？

答：回旋加速器用于 -

• 放射性衰变

• 在制造与癌症等疾病相关的药物中

• 将离子注入固体中。

Q4. 为什么回旋加速器不用于加速中子？

答：中子是一种中性粒子，不会被电场加速。因此，它的速度不会在回旋加速器中增加。

Q5. 为什么回旋加速器不用于加速电子？请简要说明确切的原因。

答：电子的质量非常小。它几乎是质子的10000分之一。因此，带电粒子的频率与回旋加速器频率之间会出现不匹配。