RF 加速谐振腔(1):加速带电粒子

RF加速谐振腔将分为10个部分来讲解。

首先来点基础粒子物理,还是那句老话:只有懂的基础的原理,才能更好的理解实际中的应用。下面先说说爱老爷子提出的$latex E=mc^2$吧,这公式应该不用解释了吧,这公式跟苹果砸牛同学一样人尽皆知了……那来看一下由这个公式引发的一系列的“惨案”。

就公式本身而言,m代表物体的质量,c代表光在真空中的传播速度,就是初中就学过的光速,是一个不变的常数。等号左边E表示能量。简单翻译过来只要物体有质量就是有能量的。

惨案的第一受害者就是前边的牛同学,因为牛同学认为,静止的物体是没有能量的。那我们根据这个公式计算出来电子的静止能量有511keV,质子有938.3MeV。小小的原子中蕴含着巨大的能量啊!!!这么多能量我们能不能利用一下呢? 从而引出了下个惨案,不能说直接由这个公式引起的,但也,在后来的应用分析中起到了关键的作用。就是原子弹的研制与应用,更确切的说,战争中原子弹引起了无数的惨案。

言归正传,下面我们来说一下怎么加速粒子? 我们都知道,物体只有给个外力,例如,我们使劲蹬自行车,才会前行,否则,自行车不会自己跑。那好,那么小的粒子怎么“推”它一下呢? 那就是用洛伦兹力! 把带电粒子放到电磁场中,电场里就会推着要加速的粒子往前跑了。
根据洛伦兹定律(这里就不多废话了),粒子受到的推力可以通过下面这个公式计算:
$latex F=q(\vec{E}+\vec{v} \wedge \vec{B})$
实际上,只有电场$latex \vec E$是推动粒子加速的幕后真凶(磁场对粒子的作用力始终垂直与粒子运动方向,所以对加速没效果)。自然而然的想到,电场的方向要跟运动方向平行,粒子才能受到最大的推力,比如 $latex TM_{010}$模式的电磁波,产生的电场同粒子运动方向相同。

下面来看个简单的例子:
把一个电子和一个质子分别受到相同的加速电压差下(10 MV),电子可以被加速到光速的99.88%,而质子只能被加速到光速的14.5%,请看下图,质量大的例子,拥有的静止能量更大,所以要改变其总能量就需要更高的能量,这点其实很容易理解,跟平时推越重的物体越难推动是相似的道理。所以,不同的带电粒子需要设计不同的加速器来实现加速。

(图片源自PPT J-L. Biarrotte, Ecole IN2P3 accélérateur, La Londe les Maures, Septembre 2009)

下一篇将会讲解一下现有加速器的种类。

News Reporter
Dr. Lu

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