第四節(jié)　加速器與質(zhì)譜儀

洛侖茲力

實(shí)驗(yàn)和理論表明，在磁感強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，電荷為q、運(yùn)動(dòng)速度為υ的帶電粒子，所受的磁場(chǎng)力通常稱為洛侖茲力，洛侖茲力公式為

f＝qυ×B

洛侖茲力的方向服從右手螺旋法則，始終與運(yùn)動(dòng)方向垂直。

當(dāng)帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度口和口的夾角不同，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡類型就不同。當(dāng)帶電粒子垂直打入均勻磁場(chǎng)時(shí)，粒子將在磁場(chǎng)中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。圓周運(yùn)動(dòng)的半徑（回旋半徑）為

圓周運(yùn)動(dòng)的周期為

可見，帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R與粒子的荷質(zhì)比（q／m）、運(yùn)動(dòng)速度“和磁感強(qiáng)度B有關(guān)。周期T只與荷質(zhì)比和磁感強(qiáng)度B有關(guān)，與粒子的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，這些結(jié)論被用于加速器的設(shè)計(jì)和研究之中。

加速器

加速器是一種加速電子、質(zhì)子、氫核、氘核、α粒子（氦的原子核）等帶電粒子，并使之獲得高能量的裝置。加速器可以使帶電粒子的能量達(dá)到幾十兆到幾萬兆電子伏特。

加速器在研究核反應(yīng)、制造同位素和高能基本粒子的研究等方面有很大應(yīng)用。加速器的類型很多，如回旋加速器、電子感應(yīng)加速器、同步回旋加速器、電子同步加速器、直線加速器、對(duì)撞機(jī)（如北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)）等。我們只介紹回旋加速器和電子感應(yīng)加速器。

1．回旋加速器

回旋加速器的工作原理如下圖所示。它有兩個(gè)處在均勻磁場(chǎng)中的半圓形盒，通常稱為D形盒，在兩個(gè)D形盒之間的兩個(gè)電極上加有交變電壓，它可以在兩盒縫隙處產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在兩個(gè)D形盒縫隙的中心放置可以發(fā)射出帶電粒子流的離子源，設(shè)盒縫隙的電場(chǎng)正好加速該帶電粒子，使其進(jìn)入D₁盒中，由于D₁形盒內(nèi)沒有電場(chǎng)，只有均勻磁場(chǎng)，所以帶電粒子在D₁形盒內(nèi)的軌道成圓弧形。

在這一半盒內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是

t的大小只與粒子荷質(zhì)比和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，當(dāng)粒子的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，粒子的質(zhì)量不變（見相對(duì)論），因此t是恒量。如果交變電壓的頻率等于t／2，那么當(dāng)粒子從D₁盒出來到達(dá)縫隙時(shí)，縫隙處的電場(chǎng)方向恰已反向，因而粒子將再被加速，以較大的速度進(jìn)入D₂盒，并在D₂盒中以較大的半徑作圓弧運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過相同的時(shí)間t后，又回到縫隙而再次被加速進(jìn)入D₁盒。這樣粒子多次受到加速，隨著加速次數(shù)的增加，軌道半徑也逐漸增大，最后將粒子從D形盒的邊緣引出，從而得到高能粒子束。

回旋加速器的工作原理

用回旋加速器能夠獲得的粒子的能量有一定界線。這是因?yàn)楫?dāng)粒子的速度接近光速時(shí)，粒子的質(zhì)量開始顯著地變化，因而t就不再是恒量，這時(shí)就不可能再用固定頻率的交變電場(chǎng)來進(jìn)一步加速粒子。用回旋加速器可能獲得的質(zhì)子的最大能量約為30Mev，α粒子的最大能量約為100MeV。新型設(shè)計(jì)的回旋加速器大多考慮了相對(duì)論效應(yīng)，如同步穩(wěn)相回旋加速器、直線加速器等，它們可將粒子的能量加速到幾百億電子伏特。

2．電子感應(yīng)加速器

電子感應(yīng)加速器是利用渦旋電場(chǎng)加速電子以獲得高能粒子的一種裝置。其主要結(jié)構(gòu)是在電磁鐵的兩極之間安置一個(gè)環(huán)形真空室。當(dāng)電磁鐵的線圈通有交變電流時(shí)，便在真空室區(qū)域內(nèi)激發(fā)隨時(shí)間變化的交變磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)在其周圍產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，此渦旋電場(chǎng)可用來加速電子。用電子槍將電子注入環(huán)形室后，帶電粒子在交變的非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將受到兩方面的作用力：感生電場(chǎng)的切向加速作用力與指向環(huán)心的洛侖茲力。

由于磁場(chǎng)和渦旋電場(chǎng)都是交變的，所以只有在交變電流的一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)渦旋電場(chǎng)的方向與電子繞行方向相反時(shí)，電子才能加速。電場(chǎng)方向一變，電子反而要受到減速。所以在每次電子束注入并得到加速以后，一定要在電場(chǎng)方向改變之前將電子束引出使用。但因?yàn)殡娮釉谧⑷胝婵窄h(huán)形室的初速度相當(dāng)大，在電場(chǎng)未改變方向的短短時(shí)間內(nèi)，電子在環(huán)形室內(nèi)已經(jīng)繞行百萬圈以上，并一致受到電場(chǎng)的加速。為了使電子得到穩(wěn)定加速，要求電子軌道處的磁場(chǎng)為軌道內(nèi)部平均磁場(chǎng)的一半。這樣在勵(lì)磁電流變化的1／4周期內(nèi)完成對(duì)帶電粒子的加速后引出使用。

利用電子感應(yīng)加速器可以使電子獲得數(shù)十兆甚至數(shù)百兆電子伏的能量。借這種高能電子去轟擊各種金屬靶，可產(chǎn)生γ射線、X射線等，用于工業(yè)γ射線探傷和射線治療癌癥。電子感應(yīng)加速器的制成，對(duì)麥克斯韋關(guān)于渦旋電場(chǎng)觀點(diǎn)的正確性是一個(gè)有力的證明。

質(zhì)譜儀

質(zhì)譜儀是一種分析各種同位素并測(cè)量其質(zhì)量及含量百分比的儀器。質(zhì)譜儀由兩部分組成：M板的左方是帶電粒子速度選擇器，選擇器內(nèi)有正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)，M板的右方是勻強(qiáng)磁場(chǎng)部分。當(dāng)一束有不同速率的正離子水平地由小孔進(jìn)入速度選擇器場(chǎng)區(qū)后，受到電場(chǎng)力和洛侖茲力的作用。路徑不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子的條件是Eq＝Bqυ，即υ＝E／B，能通過速度選擇器的帶電粒子必是速度為該值的粒子，與它所帶電量和質(zhì)量均無關(guān)。

經(jīng)過速度選擇器后的相同速率的不同離子在右側(cè)的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，荷質(zhì)比與離子軌道半徑的關(guān)系如下

不同荷質(zhì)比的離子軌道半徑不同，分別落在底片上的不同位置。也就是說，元素將按其質(zhì)量大小的順序而排列，故稱之為“質(zhì)譜”。

因?yàn)镋、B、B＇及r可直接測(cè)量得到，所以如果我們能夠用其他方法決定離子所帶的電荷q，則由上式便可求出離子的質(zhì)量。

目前應(yīng)用的質(zhì)譜儀是非常精確的儀器，它不但可以測(cè)量出每種同位素的準(zhǔn)確質(zhì)量，并可測(cè)定每種同位素在元素中所占的百分比。