admin管理员组

文章数量:1530847

2024年3月11日发(作者：)

粒子加速器的分类

粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感

应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。利用直线加速器加速带电粒子时，粒子是沿着一

条近于直线的轨道运动和被逐级加速的，因此当需要很高的能量时，加速器的直线距离会

很长。有什么办法来大幅度地减小加速器的尺寸吗?办法说起来也很简单，如果把直线轨

道改成圆形轨道或者螺旋形轨道，一圈一圈地反复加速，这样也可以逐级谐振加速到很高

的能量，而加速器的尺寸也可以大大地缩减。1930年E.O.劳伦斯在直线加速器谐振加速

工作原理的启发下，提出了研制回旋加速器的建议。劳伦斯建议在回旋加速器里采用一个

轴向磁场，使带电粒子不再沿着直线运动，而沿着近似于平面螺旋线的轨道运动。1931

年建成了第一台回旋加速器，磁极直径约10厘米，用2千伏的加速电压工作，把氘核加

速到80keV，证实了回旋加速器的工作原理是可行的。在1932年又建成了磁极直径为

27厘米的回旋加速器，可以把质子加速到1MeV。回旋加速器的电磁铁的磁极是圆柱形

的，两个磁极之间形成接近均匀分布的主导磁场。磁场是恒定的，不随时间而变化。在磁

场作用下，带电粒子沿着圆弧轨道运动，粒子能量不断地提高，轨道的曲率半径也不断地

提高，运动轨道近似于一条平面螺旋线。两个磁极之间是真空室。里面装有两个半圆形空

盒状的金属电极，通称为"D形电极"。D形电极接在高频电源的输出端上，2个D形电极

之间的空隙(加速间隙)有高频电场产生。粒子源安装在真空室中心的加速间隙中。D形电

极内部没有高频电场，粒子进入D形电极之内就不再被加速，在恒定的主导磁场作用下

做圆周运动。只要粒子回旋半圆的时间等于加速电压半周期的奇整数倍，就能够得到谐振

加速。用一个表达式可以表示成：Tc=KTrt式中Tc是粒子的回旋周期，Trt是加速电压的

周期，K应该是奇整数。这类利用轴向磁场使带电粒子做回旋运动，周期性地通过高频电

场加速粒子的回旋加速器又可以分为两类：第一类是没有自动稳相机制的。等时性回旋加

速器就是属于这一类。D形电极间加有频率固定的高频加速电场，粒子能量低时，回旋频

率能保持与高频电场谐振，而当能量高时，粒子的回旋频率会随着能量的提高而越来越低

于高频电场频率，最终不能再被谐振加速。为了克服这个困难，可以使磁场沿半径方向逐

步增加，以保持粒子的回旋频率恒定。然而磁场沿半径方向递增却又导致粒子束流轴向散

开。为解决这一矛盾，60年代初研制成功了扇形聚焦回旋加速器，在磁极上巧妙地装上

边界弯曲成螺旋状的扇形铁板，它可以产生沿方位角变化的磁场，即使加速粒子轴向聚

焦，又使磁场随半径增大而提高，保证粒子的旋转频率不变，即旋转一周的时间不变，因

此被称为等时性回旋加速器。第二类是有自动稳相机制的。属于这一类型的加速器有：(1)

稳相加速器。轴向磁场保持恒定，而使高频加速电场的频率随着粒子回旋频率的降低而同

步降低，从而使带电粒子仍能继续被谐振加速。这类加速器又名调频回旋加速器或稳相加

速器。采用自动稳相机制以后，在理论上可以将质子加速到无限高的能量，然而由于技术

上和经济上的原因，历史上最大的稳相加速器的能量只达到700MeV。这一类型的加速

器用来加速质子，有的用于加速掺氘核、α粒子甚至氮离子。(2)电子回旋加速器。又称为

微波回旋加速器，专门用于加速电子。这一类型的加速器中，轴向磁场是均匀的，加速电

场的频率也是恒定的，而所不同的是让加速间隙位于磁极的一端，电子的轨道为一系列与

加速间隙中心线相切的圆。图2.5是电子回旋加速器中电子轨道的示意图。电子每回旋一

圈，就被加速一次，只要回旋周期等于加速电压周期的整数倍，就有可能进行谐振加速。

电子回旋加速器的能量都不是很高，最大的也不过几十MeV，束流强度为30~120微

安，大多数用于医疗和射线剂量学等方面。(3)同步加速器。它的主导磁场是随时间改变

的以保证带电粒子在恒定轨道上回旋。为此，磁铁做成环形的，可使磁铁重量减轻。加速

电场是交变的，其频率随着带电粒子回旋频率的改变而改变，以保证谐振加速。同步加速

器既能加速电子，称为电子同步加速器；又能用于加速质子，称为质子同步加速器或同步

稳相加速器。用于加速重离子的同步加速器，顾名思义应称为重离子同步加速器。[编辑

本段]环形加速器被加速的粒子以一定的能量在一圆形结构里运动，粒子运行的圆形轨道

是由磁偶极(dipole magnet)所控制。和直线加速器(Linac)不一样，环形加速器的结构可

以持续地将粒子加速，粒子会重复经过圆形轨道上的同一点。但是粒子的能量会以同步辐

射方式发散出去。同步辐射是当任何带电粒子加速时，所发出的一种电磁辐射。粒子在圆

本文标签： 加速器加速回旋

版权声明：本文标题：粒子加速器的分类 内容由热心网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：https://m.elefans.com/dongtai/1710128750a249703.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。