電子感應(yīng)加速器為何不能加速質(zhì)子

范 軍

(衡陽縣第一中學(xué) 湖南 衡陽 421200)

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電子感應(yīng)加速器為何不能加速質(zhì)子

范 軍

(衡陽縣第一中學(xué) 湖南 衡陽 421200)

電子感應(yīng)加速器是利用感生電場使電子加速的儀器，在人教版高中《物理·選修3-2》第四章第5節(jié)中介紹了它的原理，如圖1所示，上圖為側(cè)視圖，下圖為真空室的俯視圖.側(cè)視圖的上下為電磁鐵的兩個磁極，磁極之間有一個環(huán)形真空室．電磁鐵線圈電流的方向按圖示方向逐漸增加，根據(jù)楞次定律，產(chǎn)生順時針方向的感生電場，使電子沿逆時針方向加速運(yùn)動．

圖1 電子感應(yīng)加速器原理圖

按照以上原理，如果讓此加速器加速質(zhì)子，只要讓質(zhì)子沿順時針方向運(yùn)動即可．而事實上，電子感應(yīng)加速器只能加速電子，不能加速質(zhì)子、α粒子等粒子，這是為什么呢？

設(shè)環(huán)形真空室中的感生電場電動勢為E感,粒子質(zhì)量為m,電荷量為e,則每一圈粒子獲得的動能為

得

質(zhì)子的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的2 000倍，因此同等情況下質(zhì)子加速一圈獲得的速度要小得多．

另外，加速過程中要保持軌跡半徑不變.

由

得

若質(zhì)子加速后的速度與電子速度相等，由于質(zhì)子質(zhì)量大得多，同等情況下軌跡半徑也應(yīng)該大得多，那么加速器的半徑應(yīng)該增大約為原來的2 000倍，顯然是不切實際的．

事實上，電子在感生電場的作用下被加速，并在洛倫茲力的作用下，沿圓形軌道運(yùn)動．由于磁場和感生電場都是交變的，所以在交變電流的一個周期內(nèi)，只有當(dāng)感生電場的方向與電子繞行的方向相反時，電子才能得到加速．因而，要求每次注入電子束并使它加速后，在電場尚未改變方向前就將已加速的電子束從加速器中引出．由于用電子槍注入真空室的電子束已經(jīng)具有一定的速度，由于電子質(zhì)量小，在電場方向改變前的短短時間內(nèi)，電子束已經(jīng)在環(huán)內(nèi)繞行幾十萬圈，并且一直受到電場加速，所以，可以獲得能量相當(dāng)高的電子．例如一個100 MeV的電子感應(yīng)加速器，能使電子速度加速到光速的0.999 986倍，即0.999 986c．

電子感應(yīng)加速器只能加速電子不能加速質(zhì)子、α粒子等，不是因為質(zhì)子、α粒子帶了正電而不能加速．在原理上它們同樣可以加速，只是因為這些粒子比電子的質(zhì)量大得多而使得實際的加速效果很差．對于質(zhì)子、α粒子通常用直線加速器、回旋加速器進(jìn)行加速．

2017-03-30)