電子感應加速器為何不能加速質子

范 軍

(衡陽縣第一中學 湖南 衡陽 421200)

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電子感應加速器為何不能加速質子

范 軍

(衡陽縣第一中學 湖南 衡陽 421200)

電子感應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節中介紹了它的原理，如圖1所示，上圖為側視圖，下圖為真空室的俯視圖.側視圖的上下為電磁鐵的兩個磁極，磁極之間有一個環形真空室．電磁鐵線圈電流的方向按圖示方向逐漸增加，根據楞次定律，產生順時針方向的感生電場，使電子沿逆時針方向加速運動．

圖1 電子感應加速器原理圖

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

設環形真空室中的感生電場電動勢為E感,粒子質量為m,電荷量為e,則每一圈粒子獲得的動能為

得

質子的質量約為電子質量的2 000倍，因此同等情況下質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

若質子加速后的速度與電子速度相等，由于質子質量大得多，同等情況下軌跡半徑也應該大得多，那么加速器的半徑應該增大約為原來的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，只有當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具有一定的速度，由于電子質量小，在電場方向改變前的短短時間內，電子束已經在環內繞行幾十萬圈，并且一直受到電場加速，所以，可以獲得能量相當高的電子．例如一個100 MeV的電子感應加速器，能使電子速度加速到光速的0.999 986倍，即0.999 986c．

電子感應加速器只能加速電子不能加速質子、α粒子等，不是因為質子、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量大得多而使得實際的加速效果很差．對于質子、α粒子通常用直線加速器、回旋加速器進行加速．

2017-03-30)