電子感應加速器,它利用非靜電力加速,并且并不需要設備具有很大的尺寸就能實現粒子的高速加速。
一、渦旋電場
磁場的變化會產生感應電場,感應電場與靜電場的基本性質有本質的不同:
1.靜電場是有源的,必須有靜電荷的存在,而感應電場是無源的
2.靜電場的電場線不是閉合的,起始于正電荷終止于負電荷,而感應電場的電場線是閉合曲線,無頭無尾
3.靜電場有電勢的概念,不同位置有不同的電勢,而感應電場沒有電勢的概念,因為沿閉合回路回到原點電場力做功不為零。
由于感應電場的這些性質,人們描述其電場線就采用一系列無頭無尾的同心圓閉合曲線,看起來像漩渦一樣,所以把這種電場稱為渦旋電場,其電場強度也同樣用字母E表示,方向同感應電流的方向,大小與感應電動勢成正比,其對所在同心圓的線積分等于感應電動勢。
二、電子感應加速器
電子感應加速器的基本原理是利用變化的磁場所激發的渦旋電場來加速電子
在電磁鐵的兩極間有一環形真空室,電磁鐵上繞有通電線圈,通過控制線圈上的交變電流,就可以在兩極間產生一個由中心向外逐漸減弱的交變磁場,這個交變磁場就會在真空環形室中產生渦旋電場,如圖中虛線所示。如果此時向真空室中沿渦旋電場線切線方向注入電子,電子將受到渦旋電場的作用而加速,同時受到磁場的洛倫茲力而做圓周運動,圓周運動的半徑
R=mv/Be
為了使電子的運動軌跡在固定軌道上,即半徑R不變,就必須使磁場的磁感應強度B與電子速度v的變化保持同步
三、幾點說明
1.進一步的推導表明:軌道半徑處的磁感應強度B的變化率必須是軌道所圍圓面積內磁感應強度平均值B’變化率的一半,所以會看到加速器環形真空室兩極間的間隙從中心向外逐漸增大;
2.實際使用中,加在線圈上的電流是正弦信號,所以渦旋電場的方向也是隨時間改變的,對于正弦信號來講,只有在第一個四分之一周期和第四個四分之周期內電流是增大的,此時渦旋電場是正向的,對電子有加速作用,而在另一半周期內,線圈電流是減小的,產生的渦旋電場是負向的,對電子是減速的,所以實際上,通常在第一個四分之一周期內就必須把電子導出。
四、小結
通過控制磁場的變化率可以實現加速半徑為任意設定值,使得設備尺寸得以便于設計。
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