RF 加速谐振腔(2):从静电场到RF场

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前一篇讲了带电粒子可以被电场推着跑。今天我们来说一下,用什么样的电场来加速。 最简单,有压差的电极板之间就会有电场,升高电极板之间的电压,电场也就随着增加。但同时也带来问题,电压不能一直提升,不能超过击穿电压。这就带来了问题,电场高到一定程度就不能再升了,从而就限制了加速的程度。 (源自网络) 1930年,第一个Crokcroft&Walton静电场加速器,实现了200kV加速,经过改良设计,1932年,提高到了800kV。同年代,人们设计了Van de Graaf静电场加速器:往球型电极不断运送电荷(防止尖端放电效应),可以使电压差高达7MV。 静电场加速器现在也有,例如法国Orsay的15MV加速器,慕尼黑的14MV加速器等。 其实,早再1928年,R.Wideröe就实验证明了用RF变化的场来加速粒子。使用25kV电压差,成功加速离子到50keV。 (源自网络) 原理其实很简单,就是根据要加速的粒子速度,来谐振腔的尺寸,以及RF的频率等。从而实现,粒子在变化的RF场加速。例如,粒子进入第一个腔,这时候电场方向分布是:第一个正向(同粒子飞行方向),第二个反向,第三个正向,以此类推。然后,当粒子飞过第一个要进入第二个的时候,RF电场这时候反向:第一个反向,第二个正向,第三个反向……这样的话,粒子就会被固定振幅的RF场加速。最终粒子会有很高的能量,而不用很高的电压差,从而解决了静电场加速器的问题。 需要的基础知识储备: 电磁波,谐振腔,

RF 加速谐振腔(1):加速带电粒子

RF 加速谐振腔(1):加速带电粒子

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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: 实际上,只有电场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 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。

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