第一台回旋加速器建成(回旋加速器工作原理)

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回旋加速器的工作原理如下:

回旋加速器——英文:Cyclotron 它是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动,在运动中经高频电场反复加速的装置。是高能物理中的重要仪器。

第一台回旋加速器建成(回旋加速器工作原理)插图

利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动,在运动中经高频电场反复加速。

回旋减速器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形盒内不受电场力,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形盒上电压方向转变,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。

带电粒子在电场力的作用下加速,然后进入磁场,受到洛仑兹力使其运动方向改变转过180度,再次进入电场,这时电场方向改变,使带电粒子再次加速,穿过电场后进入另一个磁场再次转过180度回到电场,电场的方向又改变,对带电粒子继续加速。

中国实验快堆作为国家“863”计划的重大项目,从“七五”就开始预先研究,“九五”进入工程设计和建造阶段,2011年7月建成。快中子反应堆(简称“快堆”)是第四代先进核能系统的主力堆型,是先进燃料循环的关键环节,国家已将其作为前沿技术列入国家中长期科技发展规划。

回旋加速器的作用:

(1)磁场的作用

带电粒子以某一速度垂直进入匀强磁场时,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其中周期与速率和半径无关,使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间(半个周期)后,平行于电场方向进入电场中加速。

(2)电场的作用

回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性的变化的并垂直于两D形盒直径的匀强电场,加速就是在这个区域完成的。

(3)交变电压

为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速,使其能量不断提高,要在狭缝处加一个与粒子运动的周期一致的交变电压。

第一台回旋加速器建成:

核物理学的发展与加速器有密切的关系。回旋加速器是圆形粒子加速器种类中的第一种,它是用相刘小型的仪器获得高速度和高能量的加速装置。

回旋加速器的原理与设想,是由美国物理学家劳伦斯1930年首先提出的。劳伦斯(Ernest Orland Law rence,1901~1958)是美国伯克利大学教授,很早就选定了核物理学作为自己的科研方问。当时,为了研究核物理,劳伦斯提出了一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。1929年初复的一天,正当他苦思如何利用低电压获得高能粒子之际,在伯克利分校图书馆中他看到了维德罗有关直线加速器的论文,他立即想到是否有可能改变加速粒子的共振方式,例如让正离子在磁场的作用下,在两个半圆形电极之间进行回旋运动,从而得到加速的方法。

1930年的春天,劳伦斯的设想第一次得到了检验的机会。他让他的研究生爱德勒夫森(Nels Edlefson)做了两个结构相当简陋的加速器模型。用一块现成的磁铁,装成一台玻璃真空室,真空室的直径只有10.16厘米,室中固定两块半圆形的中空腔体电极,在电极间加无线电频率的高电压,把氢离子注入后,居然显示出了使离子回旋加速的效果。

1931年春天,劳伦斯得到了国家科学研究委员会的第一笔资金,使得研究工作有了迅速进展。他又让利文斯顿(M.S.Livingston)做了一只微型回旋加速器,直径(指真空室)11.43厘米,在两D形电极上加不到1000电压,竟得到了8万伏的加速效果。很快地,回旋加速器的尺寸在加大,同时也进入到标准化设计与建造的时代。

回旋加速器不仅是核物理试验中的一种重要设备,而且在工业、医疗等方面有着广泛的用途。

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