CN201860504U - 粒子感应加速器 - Google Patents

Abstract

一种能够加速带电粒子的粒子感应加速器，它是在圆柱形的电磁铁上套有一对同轴金属圆环，这对同轴金属圆环与圆柱形电磁铁同轴线，电磁铁的线圈接入交流电源中，由电磁感应定理可知，变化的磁场在其周围能产生涡旋电场，这样在同轴金属圆环的真空空腔内就会有同圆心的涡旋电场产生，同时在两同轴金属圆环之间加一电压，这样空腔内就会产生沿径向方向的电场，当空腔中释放带电粒子后，带电粒子一方面受到涡旋电场的作用而加速运动，另一方面受到沿径向方向的电场力作用而作圆周运动，只要使得两同轴金属圆环之间的电势差按某一规律变化，那么就可使得粒子所受的向心力等于其离心力大小，这样粒子就可在某一恒定的圆轨道上加速运动，当能量达到要求时，再用偏转极板将其引出，作为实验之用。

Description

粒子感应加速器 

所属技术领域

本实用新型涉及一种加速带电粒子的装置，可以使带电粒子的能量加速到很高，该装置可以用于核物理研究及工业和医学上使用。 

背景技术

目前，公知的粒子加速器有直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器。其中直线加速器尽管可以将带电粒子加速到很大能量，但其长度过长(如美国的直线加速器甚至达几公里长)，因而不太理想；而经典的回旋加速器是通过粒子在D型盒内的磁场中回旋，而经过电场区域来实现多次加速的，电子感应加速器是通过粒子在变化的磁场中受到洛伦兹力及电场力来实现回旋运动及加速的，而无论是回旋加速器还是电子感应加速器，它们的电磁铁的重量都很大(其中回旋加速器及电子感应加速器的电磁铁重量都达100吨以上)，同时电磁铁的励磁电流的功率也相当大，达到几百千瓦，因而其造价及使用费用都很昂贵，对推广使用带来了一些障碍。 

发明内容

为了克服现有的直线加速器管道过长，回旋加速器及电子感应加速器励磁铁芯重量大、体积及励磁电流功率大等不足，本实用新型提供一种粒子感应加速器，该粒子感应加速器不仅能使带电粒子加速到很大能量，而且其结构简单造价低廉，使用费用较低。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：做两个同轴金属圆环，使这两个同轴金属圆环分别接外电源的正负两极，使这两个同轴金属圆环相隔的非常近(即两同心金属圆环的半径之差很小)，同时使同轴金属圆环的高度远大于它们的半径之差，则这两个同轴金属圆环之间的环形空腔中就会形成均匀分布的电场，该电场沿径向方向；再在内圆环中放入一个圆柱形的铁芯，该铁芯与内圆环的中心轴线重合，该铁芯上绕有线圈，构成一个电磁铁，当线圈中通入交变的电流时，电磁铁芯中的磁场强度也就会是交变的，这样由电磁感应定理可知，变化的磁场在其周围会产生涡旋电场，这样由电磁铁的构造可推知，环形空腔内会产生同圆心的涡旋电场，倘若在环形空腔室中释放一个电子，则该电子一方面受到涡旋电场的电场力作用使其做加速运动，另一方面又受到沿径向方面的电场力作用而做向心运动，这样该电子在环形空腔内既作加速运动，又作环绕运动，只要使该电子受到的向心力与其离心力大小相等，即可维持该电子在恒定圆形轨道上运动，向心力的大小由径向方向的电场大小来决定，而径向方向的电场大小，可通过改变同轴金属圆环之间的电势差来调节，因此只要按照一定规律调节同轴金属圆环之间的电势差就可维持该电子在同一圆形轨道上不断加速，达到一定能量后再将该电子引出。 

其依据的科学原理是：通过改变电磁铁中的励磁电流，即可改变电磁铁中的磁场强度，从而在环形空腔中感应出涡旋电场，又由于两同心金属圆环分别接外电源的正负两极，则环形空腔中就会产生沿径向方向的电场，这时用电子枪将电子注入环形室，它们一方面在涡旋电场作用下被加速，使其速度增大，另一方面在沿径向方向的电场中受到电场力作用，而做圆周运动，当电子被加速后其离心力就会增大，只要增大同轴金属圆环之间的电势差就可使沿径向方向的电场同步增大，进而向心力也会同步增大，这样只要使得离心力与向心力等幅度同时增大，就可使电子维持在固定的圆形轨道上加速。这和电子感应加速器的原理很相似，都是通过磁场的变化产生涡旋电场使电子被加速，所不同的是，电子感应加速器是通过洛伦兹力提供向心力，而本实用新型是通过沿径向方向的电场力提供向心力。而产生电场的装置无论在构造、体积、造价方面都要比产生磁场的装置要优越的多，同时体积大大减小，耗电功率大大减小，造价也相应减少，并且电场的调节也比磁场的调节要方便、快捷、可靠性好，因而本实用新型要比电子感应加速器更优越。 

本实用新型的有益效果是，可以用电场力提供粒子做圆周运动的向心力，而产生电场的装置无论在构造、体积、造成价方面都要比产生磁场的装置要优越的多，同时体积大大减小，耗电功率大大减小，造价也相应减少，并且电场的调节也比磁场的调节要方便、快捷、可靠 性好，同时电子感应加速器的磁场只有1/4周期可用于加速电子，而本实用新型的磁场则有2/4的周期可用于加速粒子，因而本实用新型的电磁铁体积可大大减小。 

附图说明

下面结合符图和实施例对本实用新型作进一步说明 

图1是本实用新型的平面结构示意图； 

图2是同轴金属圆环纵剖面图； 

图3是接外电源时同轴金属圆环空腔内的电场平面分布图； 

图4是本实用新型的电磁铁及同轴金属圆环组合示意图； 

图5是磁场及感应涡旋电场随时间变化的周期函数图； 

图6是偏移装置平面示意图。 

图中1、同轴金属圆环，2、圆柱体电磁铁，3、环形空腔，4、涡旋电场，5、粒子发射源，6、偏转极板，7、可编程控制器，8、输入信号电流，9、输出电压。 

具体实施方式

在图1中，两个同轴金属圆环(1)互相正对着放置，内圆环空腔中放入电磁铁(2)，该电磁铁为圆柱体，其横截面与内圆环同圆心且在同一平面上，这样做是为了保证电磁铁中磁场变化时在同轴金属圆环(1)的环形空腔(3)内产生的涡旋电场(4)与金属圆环同圆心，这样粒子在环形空腔(3)内能在同一圆轨道上加速运动，环形空腔(3)内壁上安装有粒子发射源(5)，其上下两部分面上安装有偏转极板(6)，同时环形空腔(3)应为真空，这样粒子在其中运动时不会受到空气分子的影响，因此环形空腔(3)应用密封的真空绝缘外壳罩住。 

如图2为两个同轴金属圆环(1)的纵剖面示意图，其中内金属圆环的半径为R₁，外金属圆环的半径为R₂，两个金属圆环的高都为H，且是正对着，为了保证两个同轴金属圆环(1)所夹的环形空腔(3)中产生沿径向方向均匀分布的电场，则应使得两个金属圆环的高H远大于它们之间的空腔宽度(R₂-R₁)，即应满足H＞＞(R₂-R₁)，这是因为两个同轴金属圆环(1)可看成一圆柱形电容器，当H＞＞(R₂-R₁)时，圆环两端的边端效应可以忽略，计算空腔内的电场强度分布时可以把金属圆环看成无限长的，即认为环形空腔(3)内的电场分布是均匀的。利用高斯定理可以求得两金属圆环之间的电场强度为：E＝λ/(2πε₀r)，其中λ＝q/H是每个金属圆环在单位长度内电荷量。只有当环形空腔(3)内的电场沿径向均匀分布时，粒子在其中沿某一恒定圆轨道运动时所受的电场力才会沿径向，这样才能维持粒子在其中做圆周运动。 

{下面运用高斯定理求环形空腔(1)内的电场分布： 

当H＞＞(R₂-R₁)时，圆环的边缘效应可忽略不计，圆环空腔内的电场沿径向均匀分布，因而该电场具有轴对称性，可作一个圆柱形高斯面，该高斯面与内金属圆环同轴线，该圆柱形高斯面的横截面的半径为r，且R₁＜r＜R₂，该圆柱形高斯面的高为h。 

由于空腔内电场呈轴对称，且呈辐射状均匀分布，那么在距离中心轴相等的位置，电场强度大小相等，方向都沿径向，则由高斯定理可得： 

(ΦE为高斯面内的电通量，ε₀为真空中的介电常量) 

即： 

(上下两高斯面电场为0，故其电通量为0) 

(其中 

为单位长度上的电荷密度)则两同轴金属圆环之间的电势差为： 

$U_{12}={\∫}_1^2\stackrel{\→}{E}\·d\stackrel{\→}{L}={\∫}_{R_1}^{R_2}\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πr}{\mathrm{\ϵ}}_0}\mathrm{dr}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}\ln \frac{R_2}{R_1}$

比较以上两式将其中的λ消去可得： 

$U_{12}=r\·E\·\ln \frac{R_2}{R_1}$

即： $E=\frac{1}{\ln (R_2/R_1)}\·\frac{U_{12}}{r}$

上式即为在两同轴金属圆环之间的电势差一定时，空腔内的电场强度随半径的分布函数，显然在U₁₂及 

一定时E与r成反比例关系。 

(注：对于电场的高斯定理的详细推理过程可参阅《新概念物理教程·电磁学》(第二版)第一章第三节高斯定理)} 

如图3所示，当两个同轴金属圆环(1)分别接外电源的正负两极时，其环形空腔(3)内就会形成沿径向均匀分布的电场，只需要改变外电源的电压U大小，就可调节空腔内电场的大小。外电源由可编程控制器(7)的输出电压(9)来提供，输出电压(9)受输入信号电流(8)的控制，输入信号电流(8)由电磁铁的励磁电流来提供。(图中为外圆环接正极，内圆环接负极，这样带正电的粒子在其中就可受到沿径向向内的电场力。倘若粒子带负电，为了使粒子受到沿径向向内的电场力作用，就应使外圆环接电源的负极，内圆环接电源的正极，这样粒子所受到的电场力方向就会沿径向向内，可达到要求。) 

如图4所示，两同轴金属圆环(1)套在圆柱体电磁铁(2)上，电磁铁的横截面为一圆形，它与金属圆环同圆心，且在同一平面上，圆柱体电磁铁(2)的半径可按照要求来设计。由电磁感应定理可知，变化的磁场在其周围会产生涡旋电场，当圆形区域内的磁场变化时，在其周围就会产生圆环形的涡旋电场，该涡旋电场的大小为 

(注：对于涡旋电场的求法可参阅《新概念物理教程·电磁学》(第二版)第三章第2.3节) 

如图5所示，为磁感应强度随时间的变化引起涡旋电场随时间的变化的函数图，在该图中磁场随时间呈正弦函数变化时，则由涡旋电场的公式可知，涡旋电场随时间就会呈余弦函数变化。显然在同轴金属圆环空腔内为了使粒子沿圆轨道运动时不断循环作正的加速运动，则空腔内的涡旋电场应始终沿同一圆周方向。因此，只有在第一个周期内的T/4时刻到3T/4时刻这一时间区域内涡旋电场才是沿同一圆周方向，或者在第一周期的3T/4时刻到第二周期的T/4时刻这一时间区域内涡旋电场又是沿同一圆周方向，只有在这些时间段内工作时粒子才能一直被加速。显然，在磁场变化的一个周期内，有半个周期的时间可用来加 速带电粒子。 

如图6所示，偏转极板(6)安放在环形空腔(3)的上下两表面上，偏转极板(6)之间的距离大于金属圆环的高度，偏转极板(6)分别接高电压的正负两极，该高电压可由可编程控制器(7)的高电压输出端来提供，当粒子在环形空腔(3)内加速后，能量达到了要求时刻时，就可使可编程控制器(7)输出一高电压作用在偏转极板(6)上，这样当粒子在偏转极板(6)间通过时就会受到偏转极板(6)的电场作用，进而发生竖直方向的偏移，这样就会从环形空腔(3)的上(下)表面处逃脱出来，即达到了引出粒子的目的，为了使粒子较快地从环形空腔(3)中逃脱出来，则偏转极板(6)应接高电压，该高电压可由可控编程器的高电压输出端来提供。 

下面着重分析粒子在环形空腔中的恒定轨道上做圆周运动时所应满足的条件： 

首先在同轴金属圆环上接外电源的正负两极，可假设要加速的粒子带正电，则外圆环就应接电源的正极，内圆环就应接电源的负极，设粒子在恒定圆轨道上的向心电场强度大小为E_向，恒定圆轨道的半径为r，电磁铁中磁通量为Φ，带电粒子的电量为q，质量为m，速率为v。 

则粒子在圆形轨道上运动时所受的向心力为电场力， 

因此： 

所以： 

上式表明，只要向心电场与带电粒子的动量的平方成某一比例关系时，就可维持带电粒子在一定的轨道上运动。 

又对磁场作一个圆形环路L，使该圆形环路与圆柱形电磁铁的横截面同圆心且在同一水平面上，该圆形环路的半径为r。 

则根据电磁感应定理可知： 

又根据牛顿第二定律可知，粒子在空腔中加速时有： 

则： $d\left(\mathrm{mv}\right)=\frac{q}{2\mathrm{\πr}}\·\mathrm{d\Φ}$

设加速过程的开始时Φ＝0，粒子的速率v＝0， 

上式的积分为： 

将其代入(1)式中得： 

即： 

(其中 为恒量) 

这就是维持带电粒子在恒定圆形轨道上运动的条件，这个条件表明轨道上的向心电场强度值随着电磁铁中磁通量的平方成某一恒定的比例关系时，带电粒子就能在圆形轨道上被加速。 

(此推导方法类似于电子感应加速器中磁场的推导方法，因此可参阅《新概念物理教程电磁学》(第二版)第三章第2.4节) 

但一般磁通量的测量不方便，而磁通量与励磁电流有关，励磁电流的测量较方便。对于各向线性磁介质，磁通量与电流的关系为：ψ＝NΦ＝LI 

(其中Ψ为磁通匝链数，L为电磁铁的自感系数，N为线圈匝数) 

所以 $\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{LI}}{N}---\left(3\right)$

另一方面，向心电场的测量也不方便，但向心电场与两同轴金属圆环之间的电势差有关， 

即： (前面已证明) 

而U₁₂则容易测量及控制，所以可将E_向与Φ之间的函数关系式转化成U₁₂与I之间的函数关系式，即：将式(3)、(4)代入(2)式中可得： 

$\frac{1}{\ln (R_2/R_1)}\·\frac{U_{12}}{r}=\frac{q}{4m{\mathrm{\π}}^2{r}^3}\·{\left(\frac{\mathrm{LI}}{N}\right)}^2$

$\stackrel{.}{..}{U}_{12}=\ln \frac{R_2}{R_1}\·\frac{q}{4m{\mathrm{\π}}^2{r}^2}\·{\left(\frac{\mathrm{LI}}{N}\right)}^2=\ln \frac{R_2}{R_1}\·\frac{q{L}^2}{4m{\mathrm{\π}}^2{r}^2{N}^2}\·I^2$

该式中 

为恒量，所以U₁₂与I²成线性关系。 

因此通过测量电磁铁线圈中电流的变化就可控制两同轴金属圆环之间的电势差，按照以上比例关系就可维持带电粒子在圆形轨道上加速运动。 

为了能够由励磁电流I来控制电压U₁₂，则可将该电流通入到一个可编程控制器(7)的输入信号电流端中，该可编程控制器(7)已事先按照一定的程序将输入信号电流(8)转化成了一定比例的输出电压(9)，输出电压(9)接在同轴金属圆环(1)上，其中输入信号电流(8)与输出电压(9)的比例关系即为 

按照这一函数关系去编写程序，即可实现输入电流控制输出电压，进而也就可使该仪器正常使用，同时还应注意，在变化电流的周期中，应使电流工作在电流持续增加的时间区域或电流持续减弱的时间区域，因为只有在该时间区域，变化的磁场产生的涡旋电场(4)的方向才会沿同一圆周方向，这样圆形轨道上的带电粒子才能始终受到正的加速运动，同时还可预先设定程序测出粒子运行的时间，就可在该时间区域内推算出粒子能量的变化，当粒子能量达到要求时，可编程控制器(7)在偏转极板(9)上输入一高电压，将带电粒子引出。 

最优实施方案：为了使同轴金属圆环所夹的环形空腔(3)内电场沿径向呈均匀辐射状分布，则同轴金属圆环(1)的高应远大于它们的半径之差，这样电场的边缘效应可忽略；另一方面当磁场变化时，产生的涡旋电场也会作用于金属圆环，进而产生涡电流，为了消除该电流对金属圆环上的电荷分布的影响，则金属圆环应断开，且在断开处涂上绝缘层后再相叠加，且叠加部分应尽量修复平整，呈自然圆弧状，这样该处的电场才会是均匀辐射状分布的，同时可编程控制器(7)的响应时间应尽可能短，这样输入信号电流(8)与输出电压(9)才能很好的相匹配。 

Claims (1)

1.一种粒子感应加速器，它是在圆柱体电磁铁芯(2)上套有两同轴金属圆环(1)，电磁铁的励磁线圈接交流电源，两同轴金属圆环(1)接在一个可编程控制器(7)的输出电压(9)端，电磁铁的励磁线圈串接在可编程控制器(7)的输入信号电流(8)端，其特征是：同轴金属圆环(1)的中心轴线与圆柱体电磁铁(2)中心轴线重合，两同轴金属圆环(1)的高相等，且它们的高远大于它们的半径之差，两同轴金属圆环(1)被一个圆环形的密封绝缘外壳罩住，两同轴金属圆环(1)所夹的环形空腔(3)为真空，在空腔上下两部分表面上，有一对平行放置的偏转极板(6)。 

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