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1、第21卷第2期大 学 物 理Vol.21No.22002年2月COLLEGEPHYSICSFeb.2002直线加速器的原理简介123吴校玉,唐治龙,田晓岑(11广州市天秀中学,广东广州 510635;21深圳市龙岗区教育局,广东深圳 518000;31北京师范大学物理系,北京 100875) 摘要:对直线加速器的基本原理作简单介绍,使对此问题不甚了解的许多理工科大学生能得到一个概貌性的认识.关键词:直线加速器;漂移管;波导管中图分类号:O442文献标识码:E文章编号:100020712(2002)0220042203 在中学物理教材和大学普通
2、物理教材中,都对回旋加速器的原理作了介绍,而对直线加速器则未作介绍,它只在少数核物理专业教材中才有所介绍.因此对许多理工科大学生来说,直线加速器的基本构造还是一个比较陌生的问题.本文的目的便是将直线加速器(a)前半个周期各漂移管极性的基本原理这个不太难的问题,介绍给理工科大学生.1 驱送管式直线加速基本原理如图1所示,金属圆管为加速管(又称漂移管),总共有N+1个.每个漂移管的长度依次递增,排列在奇(b)后半个周期各漂移管极性数或偶数位置的漂移管分别与高频振荡器的两端相图2连.带电粒子(重离子或电子)只是处在两管之间的间隙中时才受到电场的加速作用
3、.在漂移管中,由于为等重粒子,带电量为+Ze,则在(a)图的一个间隙它被加电势区,电场强度为零,带电粒子在其中作匀速直线运速,其动能增量为eZV0,在(b)图的第二个间隙,它又动.为使粒子在两管的间隙中能得到不断的加速,漂移可被加速,其动能增量又为eZV0.其中V0与高频振荡管长度的设计有严格的要求.器的电压幅值V很接近.实际上,高频振荡器所提供的电压是在作简谐变动的,而粒子穿过间隙需要一定时间,所以漂移管之间的间隙的加速电压不是一个确定值V0,而是有一定的范围.对此问题,后面讨论相位聚焦时还要提及.图1 劳伦斯-斯隆型直线加速器简图设Ln是第n
4、个管的有效长度,它非常接近于两个相邻间隙的中心之间的距离.则由图2(a)和(b)分别表示前半个周期和后半个周期T1t==(1)各漂移管的极性.设带电粒子通过每个漂移管的时间t22fTvn正好等于振荡器周期的一半,即t=,且入射粒子为可得Ln+1=vnt=(2)22f收稿日期:2000-06-28;修回日期:2001-03-25作者简介:吴校玉(1978—),男,广西南宁人,北京师范大学物理系96级本科生,现为广州市天秀中学教师;田晓岑(1942—),女,贵州安顺人,北京师范大学物理系副教授,本文指导教师.第2期 吴校玉等
5、:直线加速器的原理简介43这里f是振荡器频率,vn是粒子通过第n+1个漂移2)电子通过直线加速器所用的时间t0;管的速度.3)电子束通过直线加速器的固有时间τ;设入射粒子的能量是E0,经过n个间隙的加速后4)经直线加速器加速后的电子相对其静止的惯粒子在第n+1个漂移管的能量是En,则性系看直线加速器的总长L′.2解1)根据式(8)可得m0cEn=E0+neZV0=(3)4v2L=1.19×10mn1-cT-52)t0=101×=5.05×10s2由式(2)和式(3),可得第n+1个漂移管的长度为NN223)2T2Tcm0cτ=61-βn2≈∫1-
6、βn2dn=Ln+1=1-(4)002fEnN22Tm0cTm0c222dn=·cm0c2∫0neV0+m0c2eV0或Ln+1=1-(5)2fE0+neZV0E2ENNdEnTm0c2=·lnEn=粒子的射入能量很小,即E0≈m0c,且开始加速∫EEn2eV0mc200时,粒子的动能增量也很小,即m220cmneZV0,为非相Tm0c22·ln(NeV0+m0c)Pm0c=2eV02Ek12对论情形,即vn=,其中动能Ek=m0vn=2.77×10-5sm02nZeV0,式(2)可以简化成4)L′=1-β2L=ENL=4.02×103mN2m0
7、c12eZV0Ln+1=·n(6)2fm02 径向聚焦和相位聚焦从式(5)可以看出,每个漂移管的长度依次递增,为使加速管的总长度尽量减小,应提高振荡器的频率.211 径向聚焦从式(3)可以看出,为提高粒子的能量,则应采取增加为保证粒子束在加速电极的中心轴线上飞行,采振荡器的电压和增加漂移管的节数即增加加速器的总用两种方法来达到径向聚焦的目的.长度的办法.1)在每个漂移管的入口处,装上一个金属栅.这下面估计一下直线加速器的总长度L(注意:是N样两极空隙间的电场分布便如图3所示,使得加速电+1个漂移管的总长度).压处于任何相位,粒子总能得到径向聚焦.
8、N22cm0cL=6Ln+1≈2f∫1-Edn=00+neZV0nE22)2cNEn-(m0cdEn=2feZV0∫EEn0图32Ec2
