范 军

(衡阳县第一中学 湖南 衡阳 421200)

短文荟萃

电子感应加速器为何不能加速质子

范 军

(衡阳县第一中学 湖南 衡阳 421200)

电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的仪器，在人教版高中《物理·选修3-2》第四章第5节中介绍了它的原理，如图1所示，上图为侧视图，下图为真空室的俯视图.侧视图的上下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室．电磁铁线圈电流的方向按图示方向逐渐增加，根据楞次定律，产生顺时针方向的感生电场，使电子沿逆时针方向加速运动．

图1 电子感应加速器原理图

按照以上原理，如果让此加速器加速质子，只要让质子沿顺时针方向运动即可．而事实上，电子感应加速器只能加速电子，不能加速质子、α粒子等粒子，这是为什么呢？

设环形真空室中的感生电场电动势为E感,粒子质量为m,电荷量为e,则每一圈粒子获得的动能为

得

质子的质量约为电子质量的2 000倍，因此同等情况下质子加速一圈获得的速度要小得多．

另外，加速过程中要保持轨迹半径不变.

由

得

若质子加速后的速度与电子速度相等，由于质子质量大得多，同等情况下轨迹半径也应该大得多，那么加速器的半径应该增大约为原来的2 000倍，显然是不切实际的．

事实上，电子在感生电场的作用下被加速，并在洛伦兹力的作用下，沿圆形轨道运动．由于磁场和感生电场都是交变的，所以在交变电流的一个周期内，只有当感生电场的方向与电子绕行的方向相反时，电子才能得到加速．因而，要求每次注入电子束并使它加速后，在电场尚未改变方向前就将已加速的电子束从加速器中引出．由于用电子枪注入真空室的电子束已经具有一定的速度，由于电子质量小，在电场方向改变前的短短时间内，电子束已经在环内绕行几十万圈，并且一直受到电场加速，所以，可以获得能量相当高的电子．例如一个100 MeV的电子感应加速器，能使电子速度加速到光速的0.999 986倍，即0.999 986c．

电子感应加速器只能加速电子不能加速质子、α粒子等，不是因为质子、α粒子带了正电而不能加速．在原理上它们同样可以加速，只是因为这些粒子比电子的质量大得多而使得实际的加速效果很差．对于质子、α粒子通常用直线加速器、回旋加速器进行加速．

2017-03-30)