回旋加速器hueixuan jiasuqi

研究核物理的重要设备。为了得到高能量的带电粒子。需要加速器。利用电场可以使带电粒子加速，但这受到实际所能达到的电势差的限制，粒子不可能获得很高的能量。1930年美国物理学家劳伦斯建成了回旋加速器，这种加速器不是利用高电压使粒子一次加速，而是使粒子每隔一定的时间被加速一次，经多次加速后达到很高的速度 。
如上图所示，D₁、D₂为两个半圆形的中空铜盒(称为D形盒)，两盒间有空隙。加交变电压，在缝隙中形成交变电场，以加速带电粒子。在垂直于盒面的方向上加匀强磁场B。离子源P产生的带正电粒子通过离子源壁上的小孔进入回旋加速器中心部分。设想此时恰好D₁是高电势，D 2是低电势，则带正电的粒子在缝隙中被加速。当进入D₂盒内后，因盒内空间没有电场，粒子的速率将保持不变，但因受到磁场的洛伦兹力作用，因而不断改变方向，在盒内做圆周运动。当再到达二盒间的空隙时，只要正好使D₂是高电势，D₁是低电势，粒子又会被加速。进入D₁后，又做圆周运动，所不同的是半径加大了一点。这样，带正电的粒子不断在缝隙处被加速，当达到一定速度时，也就是具有一定的能量（动能）时由电极M将粒子引出，打在靶上，即可进行核物理实验。粒子在盒内的轨道半径为R=mv/qB，粒子在盒内走过半个圆周所需的时间为t=πR/v=πm/qB。可见，虽然粒子的速率与回旋半径R在逐渐增大，但它在盒内的回旋时间却是不随速率而变的。因此，只要调节交变电压，使周期T=2t=2πm/qB，就可保证使粒子在缝隙处总被加速，从而得到很高的速度。如果粒子被引出之前最后一圈半径为R，则引出的粒子速率为v=q/mBR，粒子的动
用回旋加速器可能获得的粒子的最大能量约为25～30兆电子伏特。利用回旋加速器加速粒子，当粒子的能量很高时，运动速率接近于光速，按照狭义相对论，粒子的质量将随速率的增加而增大。因此，粒子在磁场中回旋一周所需的时间要发生变化，交变电场的频率不再跟粒子运动的频率一致，进一步提高粒子的速率就不可能了。为了解决这个问题，人们又设计制造了同步加速器。目前世界上最大的同步加速器，可使质子的能量达到1万亿电子伏特。