【回旋加速器】

回旋加速器是自己加速质子、氘核、α粒（氦的原子核）等使之获得高能量的装置。它是核物理研究的重要工具。图 3-33 为回旋加速器的示意图。D1、D2 为装于同一水平面上的半圆形中空铜盒（又称 D 形盒）。两盒

间留有一定宽度的间隙，置于真空中。由大型电磁

铁产生的匀强磁场B垂直于D形盒。由高频振荡器产生的交变电压加于两 D 形盒间，这个电压将在两盒空隙间产生电场以加速带电粒子，而盒内由于电屏蔽效应其电场强度趋近于零。在加速器中心有离子源。产生的离子

通过离子源的引出孔而进入回旋加速器中。假设此时 D2 正好处于高电位，

则离子将被两 D 形盒间的电场加速而进入 D1 盒中。D1 盒中不存在电场，但却存在由电磁铁产生的匀强磁场。因而离子以不变的速率在 D1 盒中作匀速

圆周运动，当离子的荷质比和B一定时，该圆周运动的周期T = 2πm （见词

目“电荷的圆周运动”）是确定值，它与速度 v 和半径 r 的数值无关。因

而经过 2 后，离子绕过半个圆周从D1穿出。若设计使得振荡电源的周期

T0=T，这时两 D 形盒的电位差的方向与前者相反，D1 处于高电位状态。离

形盒空隙中再次被加速获得新的能量。按相同原理，离子经 2 后又

从 D2 穿出，继续被加速而进入 D1 盒中，如此不断，直至被加速到所需的能

量。由于离子圆运动半径R = mv （见词目“电荷的圆周运动”）随v值增大

而增大。最后当被加速离子趋于 D 形盒

■图 3—33

的边缘时，借助于一个有静电电势的偏转板可以控制粒子的运动，使粒子打在内靶或外靶上。假如 D 形盒的半径为 RD，则 RD 是离子作圆周运动的最

大半径，此时离子速率值最大。

由 R = mv

可知，

Vmax 1

= R D qB ，

1 R² q ²B²

则 mv2 max = D

2 2 m

这就是回旋加速器径加速后离子所获得的最大动能。回旋加速器的优点在于以不很高的振荡电压对离子不断加速而得到高能离子流。若采用一次加

速以获得如此能量，其加速电压U必定很高，因 1 mv ²max = qU，即qU =

^D ，所以

U = 1 q ₂ ₂

2 ( m) B R D

假如离子是氘核其荷质比 q

= 4.8×10⁷ （库仑 / 千克）。

设回旋加速器半径R = 0.48（米），B = 1.8（韦伯 / 米²），

则 U = 1 ×4.8×10⁷ ×(1.8)² ×(0.48)²

=1.8×107（伏特）

即 RD=0.48（米），B=1.8（特斯拉）的回旋加速器所获得的氘核能量，

等效于直线加速器具有一千八百万伏特加速电压所得到的结果。由于

相对论可知，物体的质量与速度有m = m0 / 1 − v / c 的关系。其中m 为

2 2

v = 0时的质量，c为光速。而回旋加速器必须满足f0 = f（或T0 = T）的条件，而

f = qB 2πm

当 m 随 v 增大而增大时，f（粒子旋转频率）必然随之减小。若 f0 恒定，则破坏了 f0=f 的条件，甚至可能起到减速粒子的作用。若使电子和氘核具有相同能量，由于电子质量远小于氘核，其速度就应远大于氘核，它将很

快受到上述相对论效应的限制。因而回旋加速器一般用来加速较大质量的粒子，而不用以加速电子。加速电子可利用“电子感应加速器”。