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自制粒子加速器 大象无形 -1- 目录 一、什么是回旋加速器1 二、加速器的原理及公式2 三、电磁铁制作3 1.概述3 2.铁芯5 3.磁极设计6 4 、励磁线圈的设计7 四、真空系统8 五、射频电子系统10 1、射频系统驱动10 2 、电源要求：10 3.D 盒电路设计:12 4.偏置电压13 2 一、什么是回旋加速器 它是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。是高能物 理中的重要仪器。 1930 年 E.O.劳伦斯提出其工作原理，1932 年首次研制成功。它的主要结构是在 磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒 （D 形盒）隔开相对放置，D 形盒上加交变电压， 其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在 D 形 盒内不受电场，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。绕行半圈的时 间为t=(m π)/qB，其中 q 是粒子电荷，m 是粒子的质量，B 是磁场的磁感应强度。如果 D 形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后 正赶上 D 形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的 速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺 旋形轨道从 D 形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ）。回旋加速器的能量受制 于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，因此，为了使粒子 每次穿过缝隙时仍能不断得到加速，必须使交变电场的角频率ω随着粒子的加速过程而同步 降低，使之满足ω m=qB （式中q 和 B 时不变的）。根据这个原理设计的回旋加速器叫做 同步回旋加速器(Syncrocyclotron)。 -1- 二、加速器的原理及公式 磁场里带电粒子所受的力为： 这个力提供了粒子圆周运动的向心力。 利用以上公式及动能定义，粒子的动能如下： 加速器的周期定义为粒子运动一周的时间： 2 那么，频率为： 同时，角频率ω也是表示粒子圆周运动的一个参量。 三、电磁铁制作 1.概述 电磁铁提供了一个强大而均匀的磁场，这个磁场能够穿越真空并且弯曲被加速粒子的轨 道。如下所示,标准的加速器的电磁铁都有一个具有 H 型开口的软铁芯，真空室处于磁铁的 两极之间在内部，有两组内水冷励磁线圈来产生磁场，同时有一个磁阻很小的铁芯提供磁路， 此磁铁的最大设计磁通量是 1.6T。 3 4 2.铁芯 铁芯的作用是提供一个低磁阻的磁通路。铁芯的设计目的就是使磁极间磁场达到最大。 有两个途径可以增加粒子的能量：1.加到 D 盒的尺寸 2.增大磁场的强度。如果加大 D 盒的 尺寸，那么磁铁极面的尺寸也要随之增大.做一个尽可能大的磁场会证明你的投入会很高效。 5 有很多增大磁场强度的方法，一种是增