直流回旋加速器

作者：大连民族学院 韦兴教 

摘要：直流回旋加速器是回旋加速器的一种改进，它采用平板电容器作为加速电场，用直流稳压电源作为加速电源。本文论述了它的加速原理、主要结构及模型实验。通过原理设计及结构设计，显示出了它的优越性与经济性；通过模型实验，验证了它的可行性。它不受相对论效应的制约，可以无限加速带电粒子。

关键词：回旋加速器；直流回旋加速器；相对论效应

一、  设计背景

粒子加速器（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置。日常生活中常见的粒子加速器有用於电视的阴极射线管及X光管等设施。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。

早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。为此，象R. Wideröe等一些加速器的先驱者在20年代，就探索利用同一电压多次加速带电粒子，并成功地演示了用同一高频电压使钠和钾离子加速二次的直线装置，并指出重复利用这种方式，原则上可加速离子达到任意高的能量。【1】但由于受到高频技术的限制，这样的装置太大，也太昂贵，也不适用于加速轻离子如质子、氘核等进行原子核研究，结果未能得到发展应用。[2]

1930年Earnest O. Lawrence提出回旋加速器的理论，1932年首次研制成功。它的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。绕行半圈的时间为πm／qB，其中q是粒子电荷，m是粒子的质量，B是磁场的磁感应强度。如果D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ）。回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。进一步的改进有同步回旋加速器。【3】【4】

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同步回旋加速器是通过改变交变电源的频率使其与粒子回旋频率保持一致，以保证谐振加速的。但是，变频器的变频范围有限，同步回旋加速器也是不能无限加速粒子的。为此设计了直流回旋加速器，它不受相对论效应的制约，可以无限加速带电粒子。

二、设计原理

直流回旋加速器是在匀强磁场中放置两个反向匀强直流电场，带电粒子在匀强电场的作用下做加速运动，并在洛伦兹力的作用下回旋到另一个反向电场，再做加速运动的粒子加速器。其原理图如下所示：

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如图所示，在匀强磁场MN的垂直平面内放置两个反向直流电场DA、BC，在电场DA中放置一个粒子源。当粒子源产生带电粒子后，带电粒子在电场力的作用下做加速运动，从A1点射入M区，在洛伦兹力的作用下回旋到B1点射入反向电场BC中继续做加速运动，然后从C1点射入N区继续做回旋运动到D1点，再从D1点第二次进入DA电场中做加速运动，然后从A2点射入M区做回旋运动。。。。。。，这样，粒子将沿着A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3。。。。。。的路线回旋运动下去，并且每次经过DA、BC电场时都被加速，当粒子达到所需能量后用引出装置引出。由于直流回旋加速器采用两个反向直流电场作为加速电场，它不受相对论效应的限制，所以，在理论上它可以无限加速粒子。

三、设计结构

直流回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有四个平板电容器阵列隔开相对放置，电容器上加上稳定的直流电压，其间隙处产生恒定的直流电场。置于中心附近的粒子源产生的带电粒子受到电场力的作用加速射出极板，在极板外不受电场力的作用，在洛伦兹力的作用下，回旋到另一极板继续做加速运动。其示意图如下：

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四、模型实验

在理论上，直流回旋加速器是可以无限加速带电粒子的。那事实是怎样的呢，直流回旋加速器真的能加速粒子，并且能无限加速粒子吗？

我们将用下面的模型实验来验证它的正确性。

实验原理:    带电粒子在电场中会受到电场力的作用，同样，带点球体在电场中也会受到电场力的作用。为了能够宏观的验证直流回旋加速器的正确性，我们采用带点球体来代替带点粒子。如果带点球体在平板电容器的两个极板通上电后能够有明显的位移的话，那么，这就能证明直流回旋加速器的原理是正确的，并且它是能够制造出来的。

             实验原理图如下：

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实验设备：4块钢板尺、电视机（提供高压直流电）1台、钢珠1个、导线若干、摄像机1台。

实验步骤：1.阵列放置4快钢板尺，使其成两个并排的平板电容器，结构如直流回旋加速器的加速电场结构。。

          2.在两个电容器的间隙处放钢珠。

          3.分别用导线把电容器的两极板连接到电视机的高压电源上。

          4.用导线把钢珠连接到高压电源上。

          5.检查无误后接通电源，打开电视机进行实验，观察实验现象并用摄像机摄下。

          6.实验结束，分析实验现象。

实验现象：

现象1：实验开始，还未通电时，球体在电容器中的位置如下：

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          现象2：打开电源，电容器充电，球体带点，带点球体在电容器中的电场力的作用下快速向负极板运动，带点球体的位置如下：

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          现象3：带点球体在现象2附近位置做强烈的震动（简谐运动），并伴有放电现象。现象如下图：

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实验分析：1、通电之前，电容器和钢球都没有电，钢球静止在电容器的中间位置。

2、通电之后，钢球带电，形成带电球体；电容器充电，其极板间形成匀强电场；带电球体在电场力的作用下加速向负极运动。

3、带点球体在向负极运动过程中，会对与其相连的导线产生一个作用力，同时，导线也会对带点球体产生一个反作用力（胡克力），当胡克力与电场力在一定区域内平衡时，带点球体将在此区域内做简谐运动；由于钢球带高压正电，而负极板带负高压电，所以，当它们相互靠近时会产生放电现象。

实验结论：通过实验，我们得知：带电球体在平板电容器中是可以被加速的，这就证明了直流回旋加速器的原理是正确的，并且是可以用于实践的。

五、结束语

    通过对比回旋加速器和直流回旋加速器的原理，我们知道：1、直流回旋加速器没有用到变频器等设备，它的制造成本要比回旋加速器的低许多。2、由于它采用的是直流电驱动，没有电感损失，所以它的运行成本也会很低。3、回旋加速器是通过交变电场来加速粒子的，所以它只能离散地进行加速，而直流回旋加速器则通过两个反向恒定电场来加速粒子，因此它可以连续地进行加速，因而它的效率会比回旋加速器高。