葉晟波
摘要:加速器在原子核實(shí)驗(yàn)、放射性醫(yī)學(xué)、放射性化學(xué)、高能物理等領(lǐng)域大放異彩,對大多數(shù)加速器而言,其引出裝置直接關(guān)系到加速器引出束流的品質(zhì)和引出效率.本文以15年高考題最后一計算題為切入點(diǎn)主要分析了回旋加速器的三種引出裝置,簡單比較它們的優(yōu)缺點(diǎn),之后簡略介紹了浙江省高中物理教材中提到的電子感應(yīng)加速器和直線加速器的引出裝置.
關(guān)鍵詞:加速器 引出裝置 磁屏蔽通道法靜電偏轉(zhuǎn)法負(fù)離子束的引出
大型粒子對撞機(jī)在近幾年成為了熱門“物理詞匯”, 通過對撞機(jī)驅(qū)趕基本粒子使之迎面對撞,好比兩輛高速貨車撞在一起,那必然是火星四濺,零件亂飛,這時科學(xué)家會看看其中是否有新奇的零件.為了基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量,科學(xué)家必須加速這些粒子,對撞機(jī)就是一種能把電子、 質(zhì)子或著它們的反粒子加速到空前的高能量的加速器. 加速器不僅僅是我們探索自然的一種工具,對其他物理學(xué)科、生物學(xué)研究、臨床醫(yī)學(xué)等都有直接應(yīng)用,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.在2016年9月多名科學(xué)家對中國該不該花數(shù)百億造大型對撞機(jī)展開討論,無論造與不造都說明了高能加速器是探索高能物理的重要性.
普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修3-1第三章第6節(jié)學(xué)習(xí)了經(jīng)典的回旋加速器(如圖1),用磁場控制軌道使粒子回旋,用電場加速,這種加速器所占空間比較小,創(chuàng)造了當(dāng)時人工加速粒子的能量記錄,其中加速后粒子束的引出限制了回旋加速器性能的進(jìn)一步提高.筆者發(fā)現(xiàn)2015年的浙江理綜高考題的最后一題計算題聯(lián)系實(shí)際,聯(lián)系高科技,恰好考察了回旋加速器的兩種引出方法,分別是磁屏蔽通道法和靜電偏轉(zhuǎn)法.
一、 回旋加速器的引出裝置
15年的理綜高考物理題第25題原題如下:使用回旋加速器的實(shí)驗(yàn)需要把離子束從加速器中引出,離子束引出的方法有磁屏蔽通道法和靜電偏轉(zhuǎn)法等.質(zhì)量為m,速度為v的離子在回旋加速器內(nèi)旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)軌道是半徑為r的圓,圓心在O點(diǎn),軌道在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.為引出離子束,使用磁屏蔽通道法設(shè)計引出器.引出器原理如圖2所示,一堆圓弧形金屬板組成弧形引出通道,通道的圓心位于點(diǎn)(點(diǎn)圖中未畫出).引出離子時,令引出通道內(nèi)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低,從而使離子從P點(diǎn)進(jìn)入通道,沿通道中心線從Q點(diǎn)射出.已知OQ長度為L.OQ與OP的夾角為θ,(1)求離子的電荷量q并判斷其正負(fù)
(2)離子從P點(diǎn)進(jìn)入,Q點(diǎn)射出,通道內(nèi)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)降為,求.
(3)換用靜電偏轉(zhuǎn)法引出離子束,維持通道內(nèi)的原有磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變,在內(nèi)外金屬板間加直流電壓,兩板間產(chǎn)生徑向電場,忽略邊緣效應(yīng).為使離子仍從P點(diǎn)進(jìn)入,Q點(diǎn)射出,求通道內(nèi)引出軌跡處電場強(qiáng)度E的方向和大小.
回旋加速器離子引出裝置的作用就是把離子束引出加速器外,并通過輸送系統(tǒng)送到靶室,這是個比較復(fù)雜的問題,該高考題考察的磁屏蔽通道法和靜電偏轉(zhuǎn)法引出離子束是比較早期的兩種引出方式,下面結(jié)合高考題逐一分析.
1磁屏蔽通道法
為了保證各種能量的離子束能準(zhǔn)確進(jìn)入靶室,引出系統(tǒng)安裝一個高效能的磁屏蔽通道是很有必要的,屏蔽通道干擾磁場,并提供低磁阻的磁通路,用磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題最大的好處是不會影響電路的正常工作.對于加速質(zhì)子(10MeV到30MeV),屏蔽通道全長35cm左右,通道的屏蔽效率可達(dá)99%.離子在進(jìn)入磁屏蔽通道前和后的運(yùn)動(如圖3)分別滿足關(guān)系式:
和分別為進(jìn)入磁屏蔽通道前和后的平均磁場,r和R分別為進(jìn)入磁屏蔽通道前和后的離子軌跡曲率半徑,通過以上兩式可得出曲率半徑的增量為,進(jìn)入磁屏蔽通道后磁場變小,曲率半徑增大,離子離開原來的軌道,進(jìn)入磁場迅速減弱的邊緣地區(qū),最后引出真空加速室.分析清楚后,高考題的解答馬上迎刃而解.在這里為了能提高磁屏蔽效率,磁屏蔽通道應(yīng)該選取鋼、鐵、鎳合金等高磁導(dǎo)率的材料,高考題的第(3)小題考察了靜電偏轉(zhuǎn)法引出離子束的方法.
2靜電偏轉(zhuǎn)引出裝置
靜電偏轉(zhuǎn)引出裝置適用于非相對論回旋加速器,它由一對弧形金屬電極構(gòu)成,如圖所示內(nèi)側(cè)板和外側(cè)板加直流高壓U,其中內(nèi)側(cè)板接地,兩板間形成一個朝外的電場,靜電偏轉(zhuǎn)引出通道入口的平均磁場為B,那么離子在進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場前和后的運(yùn)動分別滿足下列關(guān)系式:
其中,d為金屬電極的間距,曲率半徑的增量為ΔR=R-r,對于非相對論回旋加速器離子的動能,通過以上兩式可得出ΔR=2EKr2EK-Eqr-r=Eqr22EK-Eqr,由于Bqv>>Eq即mv2=2EK>>Eqr,最終得到ΔR=Uqr22EKd.曲率半徑增大使離子離開原來的平衡軌道,最后被引出真空加速器,與上面磁屏蔽通道法相比,靜電偏轉(zhuǎn)引出的優(yōu)點(diǎn)在于電場徑向分布范圍明確,它的邊界控制在01mm范圍,但是跟磁屏蔽通道法一樣缺點(diǎn)都是引出效率不高.相對以上兩種引出裝置負(fù)離子束的引出非常方便而且高效.
3負(fù)離子束的引出
如果回旋加速器加速的是負(fù)離子,那么可以在引出半徑上安裝一個電子剝離膜,當(dāng)負(fù)離子穿過該膜時電子被剝離轉(zhuǎn)變成正離子,那么軌道曲率半徑反轉(zhuǎn),正離子自動彈出加速器,這種引出方法效率非常高,而且改變剝離膜的位置,就可以在不改變加速器其它參數(shù)的條件下,改變引出離子的能量.回旋加速器的引出裝置除了以上三種方式外還有共振引出,其原理是利用有害共振在一定條件下可以有效用來引出離子,對于高中生來說原理相對復(fù)雜,不要求掌握,在這里不詳細(xì)介紹.
對于加速器,現(xiàn)行高中教材浙江省普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》還介紹了電子感應(yīng)加速器和直線加速器的原理,在這里筆者也簡單分析下它們的引出裝置.
二、電子感應(yīng)加速器及其引出裝置
選修3-2第四章第5節(jié)提到的電子感應(yīng)加速器(結(jié)構(gòu)示意如圖4)具有容易制造、便于調(diào)整使用,價格較便宜等優(yōu)點(diǎn).從1940年建成第一臺電子感應(yīng)加速器以來,一直到70年代,電子感應(yīng)加速器在國民經(jīng)濟(jì)的各方面被廣泛采用,主要用于工業(yè)γ射線探傷和射線治療癌癥(利用電子或γ射線)等方面.它利用變化的磁場產(chǎn)生感生電場來加速電子,根據(jù)麥克斯韋方程,該電場需要滿足×=t,將電子注入到旋渦電場進(jìn)行加速的同時利用磁場將電子控制在恒定的軌道加速,滿足式子 F=B(t)ev=mv2r.理論證明,要使電子在不斷增長的磁場中沿著一個半徑不變的圓形軌道加速運(yùn)動,必須保持該軌道所包圍的面積內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為軌道上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(t)的二倍.當(dāng)電子能量逐漸增加時,根據(jù)動力學(xué)理論,加速粒子在加速狀態(tài)下向外輻射電磁波,從而損失能量.電子能量的增長率因?yàn)檩椛涠饾u減慢,而磁場比仍按2:1上升,這就使電子能量的增長率與軌道上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(t)的增長率失去平衡,電子就容易碰到真空壁上損失.所以電子感應(yīng)加速器電子的引出時刻必須選在電子沒有碰到真空壁以前.
那么如何來引出電子束呢?根據(jù)以上的原理分析,可以采用引出線圈法,也就是破壞磁場的2:1關(guān)系.在磁極上加一個引出線圈(如圖5),經(jīng)加速后電子所能達(dá)到的最高電子能量是有限的,到了所需能量,就要及時引出電子束并利用,此時給引出線圈加一個脈沖電流,產(chǎn)生一個附加旋
渦電場,使電子加速,則圓弧運(yùn)動的半徑增大,打到外靶上(如圖6),也可以使電子減速,則圓弧運(yùn)動的半徑減小,打到內(nèi)靶上(如圖7),從而引出電子束,引出原理比較簡單.電子感應(yīng)加速器能量最高是320MeV,但是從加速效率角度考慮,加速到數(shù)十Me比較合理.
三、直線加速器
如果按被加速粒子的種類,可分為電子直線加速器、質(zhì)子直線加速器和重離子直線加速器.我們以電子直線加速器為例,相比電子感應(yīng)加速器,自90年代以來,電子直線加速器明顯增長,2000年進(jìn)入高速發(fā)展期,它以能量大,操作安全,工作效率高等優(yōu)點(diǎn)取代電子感應(yīng)加速器.利用電場使帶電粒子加速的直線加速器,為了使粒子獲得的能量越高,可以采用多次加速,即多級加速器,但是這種加速器設(shè)備龐大,長度可以達(dá)到幾千米甚至幾十千米.需要強(qiáng)調(diào)的是直線加速器可不必設(shè)計復(fù)雜的粒子束引出的裝置,粒子走到直線加速器盡頭,就自動地射出,而且加速的粒子聚集為很窄的一束,能量相當(dāng)均勻.
對于高中物理教學(xué)所碰到的三種加速器,在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中都要把粒子束引出加速器外,引出方法有些簡單有些復(fù)雜.比如回旋加速器粒子流的引出就是一個復(fù)雜的問題,它一直限制著回旋加速器性能的提高.早期的磁屏蔽通道法和靜電偏轉(zhuǎn)法引出效率不高,但是現(xiàn)在仍舊普遍使用,后來發(fā)展起來的負(fù)離子引出和共振引出在引出效率上有較大提高,但是也存在著一定的局限性,所以往往可以結(jié)合兩種方法如靜電偏轉(zhuǎn)法和共振引出以提高引出效率.粒子的引出效率和引出粒子的品質(zhì)問題都是科學(xué)家從理論到實(shí)驗(yàn)不斷要研究的問題,所以也是我們高考的熱點(diǎn)問題 .
參考文獻(xiàn):
[1]陳佳洱,加速器物理基礎(chǔ) [M].北京,北京大學(xué)出版社,2012年9月:218~220endprint